一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件的制作方法

本发明涉及高温超导电流引线领域，具体是一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件。

背景技术：

热核聚变将为人类提供取之不尽的清洁能源，国际热核聚变实验堆（ITER）计划将在未来十年内建成。高温超导电流引线为其巨型低温超导磁体供电，同时是磁体主要的热负荷来源。

室温终端与电源母排一般通过螺栓连接，母排电传输过程中的焦耳热以及接头电阻焦耳热会提升室温终端的温度，而电流引线优化设计的条件是室温终端运行温区在290±10K，向换热器的热漏为零。因此保持电流引线终端运行温度是保证电流引线工作在优化状态的条件。

对于大电流的电流引线通常采用气流冷却提高制冷效率，然而冷却气流与换热器之间的热交换效率则是能否节省冷却气流流量的关键。日原子能所采用数十万股细铜线组成的换热器，这种细铜线换热器的优点是换热面积特大，但难以保障与气流之间均匀的换热，此外两端的接头电阻也会比较大，所以仅适合1KA以下的电流引线。

电流引线为超导磁体传输电流，绝缘法兰中的真空法兰与真空杜瓦相连接，而真空杜瓦处于接地状态，所以只有绝缘法兰能够承载高压绝缘才能保证电流引线正常安全的运行。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，以解决现有技术中国际热核聚变实验堆换热器存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，其特征在于：包括热端冷却系统、连接在热端冷却系统一端的室温端、套在热端冷却系统上的绝缘法兰，其中：

热端冷却系统包括储冷管和共中心轴设置在储冷管内的铜引线，所述铜引线外壁成型有多组翅片构成的翅片结构，铜引线外壁的多组翅片与储冷管内壁紧密贴合，铜引线的轴向一端即左端一体成型有填满储冷管左端管口的高温超导段热端，且高温超导段热端从储冷管的左端管口穿出，铜引线的轴向另一端即右端填满储冷管右端管口，铜引线内中心设有轴向贯通铜引线及高温超导段热端的线路管道，所述储冷管侧部左、右端分别连接有液氮进管口和液氮出管口；

室温端包括室温铜头，室温铜头连接在铜引线右端，室温铜头顶部连接有U型电源接头，室温铜头内成型有翅槽结构，从室温铜头右端向翅槽结构内通入有冷却水管，由冷却水管、翅槽结构构成用于室温铜头水冷却的水冷却系统；

绝缘法兰包括共中心轴套在储冷管中间段外部的法兰骨架，法兰骨架左端连接有套在储冷管上的真空法兰，法兰骨架右端成型有法兰伞裙，法兰骨架内壁与储冷管之间设有套在储冷管上的法兰支撑架，法兰骨架外壁包绕有法兰绝缘层，且法兰骨架外壁连接有多道嵌入法兰绝缘层中的法兰加强筋。

所述的一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，其特征在于：所述的铜引线外壁的翅片结构中，每相邻两片翅片的相对位置进行部分切除。

所述的一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，其特征在于：所述的法兰骨架外壁的法兰绝缘层为玻璃纤维加强环氧树脂固化而成。

所述的一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，其特征在于：所述的室温铜头与铜引线右端成型为一体。

所述的一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，其特征在于：所述的U型电源接头通过锡焊加螺栓压紧的方式与室温铜头相连。

本发明中，U型电源接头通过锡焊加螺栓压紧的方式与室温铜头相连，并用于连接外部电源方便起吊整根电流引线；为避免电流引线运行过程中终端铜头过热或过冷结霜，铜头内部采用水冷却系统，铜头内采用翅槽结构使得冷却水与铜头充分接触，从而达到用水冷的方法保证铜头的温度。此室温端设计的主要特点是降低接触电阻、连接牢固、保证铜头温度、减少用户连接接口、方便用户安装。

本发明中，热端冷却系统包括有翅片结构的铜引线和储冷管，铜引线内留有线路管道，储冷管外壁焊接有液氮进出管口；室温铜头与翅片结构的铜引线为一体成型。此热端冷却系统设计的主要特点是降低热端温度并保持恒定、增加液氮流阻和压差，使得换热良好。

本发明中，绝缘法兰包括有真空法兰、法兰骨架、法兰加强筋、法兰绝缘层、法兰伞群和法兰支撑架。法兰骨架的一端焊接有真空法兰，真空法兰与核聚变实验堆的真空杜瓦密封连接；法兰骨架的另一端连接有法兰伞群；法兰骨架外壁上焊有多个法兰加强筋，内壁有法兰支撑架进行支撑，外表面包绕法兰绝缘层。法兰绝缘层为玻璃纤维加强环氧树脂固化而成。此绝缘法兰设计的主要特点是增加机械强度、真空密封并高压绝缘。

本发明工作适用于低温电物理装置，为电流引线的室温端的终端结构、与低温杜瓦之间建立真空、绝缘的连接与支撑以及高温超导段热端冷却系统的结构。本发明在聚变堆领域及超导领域具有较好的应用价值。

本发明已成功应用于俄罗斯JINR研究所的16根6kA高温超导电流引线上，且各项性能完全满足俄方要求，并获得俄方的好评！该换热器在0电流下的液氮消耗0.4g/s，6kA额定电流下的液氮消耗1.1g/s；该换热器的绝缘法兰在6kV直流电压下的漏电流<0.1μA；该换热器的室温铜头在低温实验过程中运行温区在290±10K 。

本发明的优点是：

本发明提供了一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，具有强绝缘、稳定性高、安全性强、适用于大电流的工作环境下等特点，同时具有以下优点：（1）降低接触电阻，连接牢固；（2）增加液氮流阻和压差，使得换热良好；（3）增加机械强度且真空密封；（4）结构紧凑，节约空间且高压绝缘。

附图说明

图1为本发明的结构截面图。

图2为本发明中室温端截面图。

图3为本发明中绝缘法兰截面图。

图4为本发明热端冷却系统结构截面图。

具体实施方式

如图1所示，一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件，包括热端冷却系统3、连接在热端冷却系统3一端的室温端1、套在热端冷却系统3上的绝缘法兰2，其中：

如图1、图4所示，热端冷却系统3包括储冷管16和共中心轴设置在储冷管16内的铜引线14，铜引线14外壁成型有多组翅片构成的翅片结构，铜引线14外壁的多组翅片与储冷管16内壁紧密贴合，铜引线14的轴向一端即左端一体成型有填满储冷管16左端管口的高温超导段热端15，且高温超导段热端15从储冷管16的左端管口穿出，铜引线14的轴向另一端即右端填满储冷管16右端管口，铜引线14内中心设有轴向贯通铜引线14及高温超导段热端15的线路管道17，储冷管16侧部左、右端分别连接有液氮进管口18和液氮出管口19；

本发明中，热端冷却系统3包括有翅片结构的铜引线14和储冷管16，将翅片结构的铜引线14插入到处于高温环境下的储冷管16中，插入后经冷却使得翅片与管内壁紧密贴合，确保液氮在贴合处无渗漏。所述翅片结构的铜引线14是将每相邻两片翅片的相对位置进行部分切除，且翅片结构的铜引线14内留有线路管道17，线路管道17用于高温超导段检测线路的安放，节约空间；储冷管16的两端分别与室温铜头7和高温超导段热端15进行密封焊接，储冷管16外壁分别焊接有液氮进管口18和液氮出管口19；所述的高温超导段热端15采用翅片式端头，用于存放少量液氮对热端进行传导冷却；所述的室温铜头7与翅片结构的铜引线14为一体成型。

如图1、图2所示，室温端1包括室温铜头7，室温铜头7连接在铜引线14右端，室温铜头7顶部连接有U型电源接头4，室温铜头7内成型有翅槽结构，从室温铜头7右端向翅槽结构内通入有冷却水管6，由冷却水管6、翅槽结构构成用于室温铜头7水冷却的水冷却系统5；

本发明中，室温端1包括有室温铜头7、U型电源接头4和水冷却系统5，室温铜头7与铜引线14右端成型为一体。U型电源接头4通过锡焊加螺栓压紧的方式与室温铜头7相连，并用于连接外部电源方便起吊整根电流引线；为避免电流引线运行过程中终端铜头过热或过冷结霜，室温铜头7内部采用水冷却系统5，水冷却系统5是室温铜头7内置进出冷却水管6，铜头内采用翅槽结构使得冷却水与铜头充分接触，从而达到用水冷的方法保证铜头的温度。

如图1、图3所示，绝缘法兰2包括共中心轴套在储冷管16中间段外部的法兰骨架9，法兰骨架9左端连接有套在储冷管上的真空法兰8，法兰骨架9右端成型有法兰伞裙12，法兰骨架9内壁与储冷管16之间设有套在储冷管16上的法兰支撑架13，法兰骨架9外壁包绕有法兰绝缘层11，且法兰骨架9外壁连接有多道嵌入法兰绝缘层11中的法兰加强筋10。

本发明中，绝缘法兰2包括有真空法兰8、法兰骨架9、法兰加强筋10、法兰绝缘层11、法兰伞群12和法兰支撑架13。法兰骨架9的一端焊接有真空法兰8，真空法兰8与真空杜瓦通过多个螺栓密封连接，法兰骨架9的另一端连接有法兰伞群12，法兰骨架9外壁上焊有多个法兰加强筋，内壁有法兰支撑架13进行支撑，外表面包绕法兰绝缘层11。法兰伞群12结构设计的特点是增加爬电距离，有效地保障了电流引线及低温电物理装置的安全运行，法兰伞群12与储冷管16的外壁进行密封焊接。法兰绝缘层11用环氧浸渍的玻璃丝带包绕并在真空环境下对其进行压制使得包绕中产生的气泡全部释放再对其进行加热使其固化。