CN102360694A - 一种一级可拔的二元同轴电流引线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一级可拔的二元同轴电流引线结构，涉及二元电流引线技术，包括：连接高温部分的一级电流引线；连接低温部分的二级电流引线；以及分别连接一级电流引线和二级电流引线，位于两者之间的可拔型换热器。本发明的一级可拔的二元同轴电流引线结构紧凑、性能稳定、运行可靠、漏热小，以及便于拆装，具有减小整个励磁过程以及后续正常运行中的漏热量，特别适用于传导冷却、少液氦以及高磁场强度的闭环运行的超导磁体。
Description
技术领域
本发明涉及二元电流引线技术领域，特别是一种一级可拔的二元同轴电流引线结构。本发明属于核磁共振成像(MRI)超导磁体，高能物理超导磁体以及其他需要闭环模式工作的超导磁体，特别适用于传导冷却、少液氦以及高磁场强度结构的闭环运行的超导磁体的一种电流引线装置。
背景技术
目前，对于对磁场稳定度有严格要求的超导磁体，比如临床医学成像要求MRI超导磁体具有至少0.1ppm/h的磁场稳定度，由于常规的供电电源都具有一定程度的纹波，所以，它们一般都工作在闭环运行模式下。即超导磁体励磁结束后，卸除电源和电流引线，使得MRI超导线圈与超导开关构成一个闭合回路。由于超导开关处于超导态，以及超导接头的电阻很小，因此，MRI超导磁体的电流可以在很长的时间不发生明显衰减，具有很高的稳定度。
现有技术的可拔电流引线，都为铜引线结构，其可拔接头位于靠近超导磁体的低温端(4K端)。目前可拔接头的接触电阻，因工艺限制，只能做到10e-5欧姆量级，以磁体工作电流500A为例，在磁体励磁时，单根电流引线其接头接触电阻焦耳发热量将达到2.5W。因此，这种结构的可拔引线，具有漏热过大的问题，增加了励磁过程中液氦的消耗。特别对于传导冷却或者少液氦结构的闭环运行超导磁体，由于没有足够的冷却介质与接头进行热交换，其可拔接头的焦耳热很可能传导到磁体内部，从而引发超导磁体的失超，将严重影响着超导磁体的工作性能。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种一级可拔的二元同轴电流引线结构，可以克服传统的可拔引线漏热量大的缺点，具有减小整个励磁过程中的漏热量，特别适用于传导冷却、少液氦以及高磁场强度结构的闭环运行的超导磁体，且结构简单紧凑、性能稳定、运行可靠、漏热小以及便于拆装。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种一级可拔的二元同轴电流引线结构，用于超导装置，包括：连接高温部分的一级电流引线10，连接低温部分的二级电流引线30，及分别连接一级电流引线和二级电流引线，并位于两者之间的可拔型换热器20；其中，
一级电流引线10，包括一级正极引线102，一级负极引线104，绝缘件103，一级正极母排101和一级负极母排105；
二级电流引线30，包括二级正极引线302，二级负极引线304，绝缘件303，二级正极母排301和二级负极母排305；
其位于两者之间的可拔型换热器20，包括正极可拔型换热器21，负极可拔型换热器22，以及间隔件211；其中，
正极可拔型换热器21包括正极公型插头201，正极母型插座202，导热绝缘件203，另一导冷件204，以及弹性件205；
负极可拔型换热器22包括负极公型插头206，负极母型插座207，导热绝缘件208，导冷件209，以及第二弹性件210；
筒状正极公型插头201上端与一级正极引线102连接，下端有周向垂直翻边，筒状正极母型插座202下端与二级正极引线302连接，上部周壁呈[形弯曲，[形弯曲上端向内成直角弯折，形成内孔，内孔内周圆与正极公型插头201下端周向翻边的外周圆固接，相接处有环状弹性件205；
正极母型插座202的上部[形周壁内围成空腔，空腔内有负极公型插头206、负极母型插座207，负极公型插头206上端与一级负极引线104连接，负极母型插座207下端与二级负极引线304连接；其中，负极公型插头206下端有周向垂直翻边，呈圆盘状，负极母型插座207上端为∪状结构，∪状结构内侧壁与负极公型插头206圆盘外周圆固接，相接处有第二环状弹性件210；
负极公型插头206下端圆盘下表面与负极母型插座207上端∪状结构内底面有一间隙；
在负极公型插头206圆盘上表面中心，一级负极引线104下端外周圆设有环状间隔件211，间隔件211上表面与正极公型插头201下端周向翻边的下表面抵接；
正极母型插座202上部空腔的[形周壁一侧有一通孔，正对通孔的负极母型插座207∪状结构的外侧面上，固设有凸起的块状导冷件209，导冷件209与通孔相适配，由通孔中水平伸出；导冷件209与∪状结构外侧面固接处，有导热绝缘件208；
与正极母型插座202上部空腔[形周壁通孔相对的另一侧外表面上，固接有另一块状导冷件204，正极母型插座202另一侧外表面与另一块状导冷件204固接处，有另一导热绝缘件203。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述一级正极引线102和一级负极引线104，由常规金属导电材料制作而成。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述二级正极引线302和二级负极引线304，由超导材料，或低热导率的高温超导材料制作而成；工作时，其处于超导态，不产生焦耳热；不工作时，其热导率低，向低温端的漏热量小。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述间隔件211为绝缘材料制作，保证正极公型插头201和负极公型插头206之间的定位及电气绝缘。
所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述弹性件205，为减小正极公型插头201和正极母型插座202的接触电阻，以减小工作时的焦耳发热；第二弹性件210，为减小负极公型插头206和负极母型插座207的接触电阻，以减小工作时的焦耳发热。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述一级正极母排101与室温端的供电电源正极相连，一级负极母排105与室温端的供电电源负极相连；二级正极母排301与低温端的超导磁体正极相连，二级负极母排305与低温端的超导磁体负极相连。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述另一导冷件204或导冷件209，分别与外部冷源相连。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述另一导热绝缘件203或导热绝缘件208的材料，为氮化铝陶瓷基片、氧化铍陶瓷基片、碳化硅陶瓷基片、氧化铝陶瓷基片其中之一。
所述的二元同轴电流引线结构，其负责将电流从室温端的供电电源顺序通过一级正极母排101、一级正极引线102、正极公型插头201、弹性件205、正极母型插座202、二级正极引线302、二级正极母排301，传输到低温端的超导磁体正极，电流从超导磁体的负极通过二级负极母排305、二级负极引线304、负极母型插座207、第二弹性件210、负极公型插头206、一级负极引线104、一级负极母排105返回到室温端的供电电源负极。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述可拔型换热器20，在通电时，将一级正极引线102和一级负极引线104产生的焦耳热和传导漏热、以及正极公型插头201和正极母型插座202、负极公型插头206和负极母型插座207的接触电阻发热，通过另一导热绝缘件203、导热绝缘件208、另一导冷件204或导冷件209传递给相连的外部冷源。
所述的二元同轴电流引线结构，其所述外部冷源，为Gifford-McMahon制冷机或脉管制冷机的冷头，或由液氮等低温液体提供冷量的低温冷源。
由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种一级可拔的二元同轴电流引线结构，将传统可拔引线位于低温端的可拔接头，创新性的转移到中间温度，中间温度的高低具体由外部冷却冷源决定。这避免了传统可拔引线低温端接触电阻焦耳发热过大的问题，具有减小整个励磁过程中的漏热量，减小了超导磁体由于引线接头发热量过大所可能引发的失超问题，特别适用于传导冷却、少液氦以及高磁场强度结构的闭环运行的超导磁体。
2、本发明提供的这种一级可拔的二元同轴电流引线结构，其高温部分，包括室温正极母排、负极母排、一级正极引线、一级负极引线、正极公型插头和负极公型插头，在超导磁体励磁结束后，可以拔出。这减小了磁体在正常工作时，系统的热负荷。
3、本发明提供的这种一级可拔的二元同轴电流引线结构，是一种制冷机冷却的电流引线，其中的关键问题是：在保证电流引线与制冷机良好的电气绝缘下，引线与制冷机之间的热桥热阻应尽可能小。本发明采用具有良好导热性能和介电性能的氮化铝陶瓷基片以及厚度适中的金属箔片来减小换热器内部的固体接触热阻，减小了高温超导电流引线的上端工作温度，进而提高了电流引线工作的可靠性。
4、本发明提供的这种一级可拔的二元同轴电流引线结构，具有结构简单紧凑、制作简便、工作可靠且向低温端漏热小的特点，可以应用于各种闭环运行模式的超导磁体，特别适用于传导冷却、少液氦以及高磁场强度结构的闭环运行的超导磁体。
5、本发明提供的是一种结构简单紧凑、性能稳定、运行可靠而且漏热小的一级可拔的二元同轴电流引线结构，最大限度的减小了换热器内部的温差，从而降低了高温电流引线的上端温度，提高了引线的稳定性。
6、本发明提供的是一种结构简单、性能稳定、运行可靠而且漏热小的一级可拔的二元同轴电流引线结构，最大限度的增加了低温端磁体进出线的稳定性，从而避免了传统可拔电流引线的可能引发的超导磁体失超的可能性，提高了超导磁体的稳定性。
7、本发明提出一种一级可拔的二元同轴电流引线结构，结合了传统可拔引线和二元电流引线的优点，可克服可拔引线现有技术中的弊端。
附图说明
图1为本发明的一种一级可拔的二元同轴电流引线结构的示意图；
其中，10-一级电流引线；20-可拔型换热器；30-二级电流引线。
图2为本发明的一种一级可拔的二元同轴电流引线结构中一级电流引线10的示意图；
其中：101-一级正极母排102-一级正极引线 103-绝缘件
104-一级负极引线 105-一级负极母排
图3为本发明的一种一级可拔的二元同轴电流引线结构中可拔型换热器20的示意图；
其中21-正极可拔型换热器 22-负极可拔型换热器 211-间隔件
其中：正极可拔型换热器21包括：
201-正极公型插头 202-正极母型插座 203-导热绝缘件
204-导冷件 205-弹性件
负极可拔型换热器22包括：
206-负极公型插头 207-负极母型插座 208-导热绝缘件
209-导冷件 210-弹性件
图4为本发明的一种一级可拔的二元同轴电流引线结构的二级电流引线30的示意图；
其中：301-二级正极母排 302-二级正极引线 303-绝缘件
304-二级负极引线 305-二级负极母排
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
图1为本发明的一种一级可拔的二元同轴电流引线结构的示意图。该电流引线结构为一级可拔的二元同轴电流引线结构，结构简单紧凑，性能可靠，具体包括：连接高温部分的一级电流引线10；连接低温部分的二级电流引线30；连接在所述一级电流引线和二级电流引线之间的可拔型换热器20。
其中该一级电流引线10中的一级正极引线102和一级负极引线104，连接高温部分，采用最佳长度截面尺寸的铜电流引线，实现最小漏热的要求，见图2。
其中该二级电流引线30中的二级正极引线302和二级负极引线304，连接低温部分，由超导材料，特别是低热导率的高温超导材料制作而成。在工作时，由于其处于超导态，不产生焦耳热；不工作时，由于热导率低，向低温段的漏热量小，见图4。
其中所述可拔型换热器20包括：正极可拔型换热器21，负极可拔型换热器22，以及间隔件211。
其中所述正极可拔型换热器21包括正极公型插头201，正极母型插座202，导热绝缘件203，导冷件204，以及弹性件205。
其中所述负极可拔型换热器22包括负极公型插头206，负极母型插座207，导热绝缘件208，导冷件209，以及弹性件210。
其中所述间隔件211为绝缘材料，保证正极公型插头201和负极公型插头206之间的定位以及电气绝缘。
其中所述弹性件205位于正极公型插头201和正极母型插座202之间，目的为减小公型插头201和母型插座202的接触电阻，减小工作时的焦耳发热。
其中所述弹性件210位于负极公型插头206和负极母型插座207之间，目的为减小公型插头206和母型插座207的接触电阻，减小工作时的焦耳发热。
其中所述一级正极母排101与室温端的供电电源正极相连，一级负极母排105与室温端的供电电源负极相连。
其中所述二级正极母排301与低温端的超导磁体正极相连，二级负极母排305，与低温端的超导磁体负极相连。
其中所述导冷件204，与外部冷源相连。
其中所述导冷件209，与外部冷源相连。
其中所述一级可拔的二元同轴电流引线结构，它负责将电流从室温端的供电电源通过一级正极母排101、一级正极引线102、正极公型插头201、正极母型插座202、二级正极引线302、二级正极母排301，传输到低温端的超导磁体正极，电流从超导磁体的负极通过二级负极母排305、二级负极引线304、负极母型插座207、负极公型插头206、一级负极引线104、一级负极母排105返回到室温端的供电电源负极。
其中所述可拔型换热器20，它负责在通电时，将一级正极引线102和一级负极引线104产生的焦耳热和传导漏热、以及正极公型插头201和正极母型插座202、负极公型插头206和负极母型插座207的接触电阻发热，通过导热绝缘件203和导热绝缘件208、导冷件204和导冷件209传递给与之相连的外部冷源。
其中所述导热绝缘件203和导热绝缘件208，可为氮化铝陶瓷基片、氧化铍陶瓷基片、碳化硅陶瓷基片、氧化铝陶瓷基片等具有导热绝缘功能的材料。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求书保护范围所涵盖。
Claims (11)
1.一种一级可拔的二元同轴电流引线结构，用于超导装置，包括：连接高温部分的一级电流引线(10)，连接低温部分的二级电流引线(30)，及分别连接一级电流引线和二级电流引线，并位于两者之间的可拔型换热器(20)；其中，
一级电流引线(10)，包括一级正极引线(102)，一级负极引线(104)，绝缘件(103)，一级正极母排(101)和一级负极母排(105)；
二级电流引线(30)，包括二级正极引线(302)，二级负极引线(304)，绝缘件(303)，二级正极母排(301)和二级负极母排(305)；
其特征在于，位于两者之间的可拔型换热器(20)，包括正极可拔型换热器(21)，负极可拔型换热器(22)，以及间隔件(211)；其中，
正极可拔型换热器(21)包括正极公型插头(201)，正极母型插座(202)，导热绝缘件(203)，另一导冷件(204)，以及弹性件(205)；
负极可拔型换热器(22)包括负极公型插头(206)，负极母型插座(207)，导热绝缘件(208)，导冷件(209)，以及第二弹性件(210)；
筒状正极公型插头(201)上端与一级正极引线(102)连接，下端有周向垂直翻边，筒状正极母型插座(202)下端与二级正极引线(302)连接，上部周壁呈[形弯曲，[形弯曲上端向内成直角弯折，形成内孔，内孔内周圆与正极公型插头(201)下端周向翻边的外周圆固接，相接处有环状弹性件(205)；
正极母型插座(202)的上部[形周壁内围成空腔，空腔内有负极公型插头(206)、负极母型插座(207)，负极公型插头(206)上端与一级负极引线(104)连接，负极母型插座(207)下端与二级负极引线(304)连接；其中，负极公型插头(206)下端有周向垂直翻边，呈圆盘状，负极母型插座(207)上端为∪状结构，∪状结构内侧壁与负极公型插头(206)圆盘外周圆固接，相接处有第二环状弹性件(210)；
负极公型插头(206)下端圆盘下表面与负极母型插座(207)上端∪状结构内底面有一间隙；
在负极公型插头(206)圆盘上表面中心，一级负极引线(104)下端外周圆设有环状间隔件(211)，间隔件(211)上表面与正极公型插头(201)下端周向翻边的下表面抵接；
正极母型插座(202)上部空腔的[形周壁一侧有一通孔，正对通孔的负极母型插座(207)∪状结构的外侧面上，固设有凸起的块状导冷件(209)，导冷件(209)与通孔相适配，由通孔中水平伸出；导冷件(209)与∪状结构外侧面固接处，有导热绝缘件(208)；
与正极母型插座(202)上部空腔[形周壁通孔相对的另一侧外表面上，固接有另一块状导冷件(204)，正极母型插座(202)另一侧外表面与另一块状导冷件(204)固接处，有另一导热绝缘件(203)。
2.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述一级正极引线(102)和一级负极引线(104)，由常规金属导电材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述二级正极引线(302)和二级负极引线(304)，由超导材料，或低热导率的高温超导材料制作而成；工作时，其处于超导态，不产生焦耳热；不工作时，其热导率低，向低温端的漏热量小。
4.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述间隔件(211)为绝缘材料制作，保证正极公型插头(201)和负极公型插头(206)之间的定位及电气绝缘。
5.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述弹性件(205)，为减小正极公型插头(201)和正极母型插座(202)的接触电阻，以减小工作时的焦耳发热；第二弹性件(210)，为减小负极公型插头(206)和负极母型插座(207)的接触电阻，以减小工作时的焦耳发热。
6.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述一级正极母排(101)与室温端的供电电源正极相连，一级负极母排(105)与室温端的供电电源负极相连；二级正极母排(301)与低温端的超导磁体正极相连，二级负极母排(305)与低温端的超导磁体负极相连。
7.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述另一导冷件(204)或导冷件(209)，分别与外部冷源相连。
8.根据权利要求1所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述另一导热绝缘件(203)或导热绝缘件(208)的材料，为氮化铝陶瓷基片、氧化铍陶瓷基片、碳化硅陶瓷基片、氧化铝陶瓷基片其中之一。
9.根据权利要求1或6所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，负责将电流从室温端的供电电源顺序通过一级正极母排(101)、一级正极引线(102)、正极公型插头(201)、弹性件(205)、正极母型插座(202)、二级正极引线(302)、二级正极母排(301)，传输到低温端的超导磁体正极，电流从超导磁体的负极通过二级负极母排(305)、二级负极引线(304)、负极母型插座(207)、第二弹性件(210)、负极公型插头(206)、一级负极引线(104)、一级负极母排(105)返回到室温端的供电电源负极。
10.根据权利要求1或7所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述可拔型换热器(20)，在通电时，将一级正极引线(102)和一级负极引线(104)产生的焦耳热和传导漏热、以及正极公型插头(201)和正极母型插座(202)、负极公型插头(206)和负极母型插座(207)的接触电阻发热，通过另一导热绝缘件(203)、导热绝缘件(208)、另一导冷件(204)或导冷件(209)传递给相连的外部冷源。
11.根据权利要求10所述的二元同轴电流引线结构，其特征在于，所述外部冷源，为Gifford-McMahon制冷机或脉管制冷机的冷头，或由低温液体提供冷量的低温冷源。
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