（制冷及低温工程专业论文）超导直接冷却二元电流引线特性的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 在超导系统中，与传统的液体工质冷却超导磁体相比，直接冷却技术具有很大 的优越性。超导电气系统通过电流引线将室温电源输入到超导系统中，电流引线是 系统的主要漏热源，采用铜引线和高温超导材料结合的二元电流引线能够减少这种 漏热。 华中科技大学低温工程研究所根据国家高技术研究发展计划（863）高温超导磁 能系统课题任务，开始研究设计具有直接冷却技术的、高效可靠的高温超导磁储能 （smes）低温冷却系统。本文以此为背景，研究超导磁储能系统直接冷却中电流引 线的相关特性。 首先阐述了与高温超导引线有关的一些高温超导材料的种类、结构、性质和制 造方法，同时也分析了包裹银合金对高温超导材料特性的影响。 然后建立了二元电流引线的导热模型，根据如何在截流点处获得最小热量来确 定铜引线的实际尺寸，介绍了西北有色金属院提供的高温超导引线的详细参数，分 析了界面热阻对系统导热的影响。 进而介绍了我们设计的直接冷却超导磁储能的低温系统，设计低温系统时，主 要考虑的因素有 gm 制冷机的冷却方案， 制冷机与电流引线高导热和高绝缘的实现， 超导磁体的低温绝缘，以及整个低温系统的漏热。 最后在建立的直接冷却超导磁储能的低温系统中，进行了电流引线的实验特性 研究。得到了电流引线的降温特性和加载电流时动态变化特性，并对实验数据进行 了分析和处理。 本文所做的研究工作为制冷机直接冷却系统中二元电流引线的设计进行了理论 分析计算和实验研究支持。 关键词：关键词：二元电流引线，制冷机，直接冷却，热力学分析 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract in the super-conductive magnet system, compared with the use of liquid substance, the conduction cooled technology has great advantages to cool the magnet. the current leads which combine the power supply and the super-conductive magnet system are the main thermal leakage source. taking the technology of hts current leads can effectively reduce the thermal leakage source. according to the national high-tech development program (863), institute of cryogenics of hust begins to study and design cooling system of smes by cryocooler. based on this background, the characters of conduction cooled htsc is discussed in the paper. firstly the class、structure and property manufacturing methods of hts, which relating with design of binary current leads, would be introduced. the relationship of the covered silver layers and the hts current leads are discussed too. secondly, the conduction model of the binary current leads is built. the copper current leads are fabricated to make sure the heat current crossing the cut-off point is least. the detailed parameter of hts current leads supplied by the northwest institute for nonferrous metal research are introduced, and the relationship of the thermal interface resistance are discussed too. thirdly, the cryogenic system of high temperature superconductive magnetic energy storage (smes) is introduced. it includes the cooling plan of the gm cryocooler the insulation and analysis of the heat leak. lastly the experiment was done in the cryogenic system. we get a analysis report of the experiment data. in this paper, we design and fabricate the binary current leads which were used in the smes system and operate well. key words: binary current leads, refrigerator, conduction-cooled, thermodynamic analysis 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 主要符号表 a 面积或横截面积，m2 t 温度，k c 比热，jm-3k-1 t 温差, k hc 界面热导，wm-2k-1 w 输入功率, w i 电流，a x 长度坐标, m k 热导率，wm-2k-1 dx 长度方向微元, m l 电流引线长度，m 密度, kg.m-3 p 压力，pa 电阻率, .m q 热流密度，wm-2 stefan-bolzmanm 常数 q 热量，w 5 .6710-8wk-1 s 熵，wk-1 表面黑度，辐射率 sgen 熵增，wk-1 u 电压, v jc 临界电流密度，a/cm2 htsc 高温超导电流引线 上标、下标 h 高温端 rrr 残余电阻率 l 低温端 cu 铜 r 环境 1st 一级冷头 ain 氮化铝 2nd 二级冷头 min 最小值 max 最大植 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 自荷兰物理学家昂尼斯 1911 年发现汞在 4.2k 有超导现象以来， 科学家就不断尝 试着将物质的超导性运用在实际中来。进入 21 世纪后，超导及超导应用研究正处在 一个新的发展阶段1。目前，世界上商用核磁共振医学成像仪(mri)已超过 5000 台； 美国能源部认为超导技术是 21 世纪电力工业的唯一高科技储备；日本新能源开发机 构认为发展超导电力技术是在 21 世纪国家竞争中保持尖端优势的关键。我国国家科 技部于 2000 年 1 月 26 日发布了： “ 国家重点基础研究发展规划2000 年 66 个领域 重要方向” ，其中把“超导电力科学技术基础研究”列为能源领域的重要研究方向。 目前，我国在高温超导贮能、高温超导电缆、高温超导变压器等方面已经开始在超 导电力上争取应用的突破。 超导技术的发展和进步离不开低温技术的支持，低温技术为超导应用提供最基 本的运行条件，是超导系统整体的一个重要且不可分割的部分，不能把低温技术和 超导看作是前者为后者提供制冷机、杜瓦的关系，低温技术的成熟与否直接关系到 超导设备的效率和安全可靠性2。 在传统的超导设备中，超导体大多浸泡在低温液体 工质中。低温容器、电流引线的漏热使得低温液体工质不断的蒸发和消耗掉，需要 定期补液3。 补充液体是一项繁琐和技术性较强的工作， 需要专业的工作人员来操作， 这些大大限制了超导磁体技术的普及及其应用。早在 1983 年 hoenig 就提出了直接 使用制冷机冷却超导磁体的设想4，由于受当时制冷机发展水平的限制，要实现这一 设想是很困难的。 在随后的十几年间，科学家逐步实现了由制冷机直接冷却超导磁体。一方面是 高温超导材料的发现。从 1911 年昂尼斯发现汞在 4.2k 的超导现象以来，人们一直 在寻找高临界温度 tc 的超导体，但一直进展不大。1973 年找到的最高 tc 是 23.2k 的 nb3ge 薄膜，到 1986 年这个记录一直不变。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1986 年 4 月 bednorz 和 muller 开创了超导新纪元。 他们发现了 la-ba-cu 氧化物 超导体5，其 tc 超过 30k。随后朱经武和赵忠贤等得到了 tc 高于 90k 的 y-ba-cu 氧化物超导体6，使超导在液氮温区的应用变为可能。 随后 michel 等做出了不含稀土元素的 bi-sr-ca-cu-o 氧化物超导体7， 它有两个 相 （bi-2212 和(bi-2223） ， 临界温度分别为 90k 和 110k。 盛正直等发现 tl-ba-ca-cu-o 氧化物超导体，其临界温度 tc 为 123k。目前最高的 tc 是 hg-ba-cu-o，它的临界 温度为 135k，高压下可达 165k。 另一方面是由于找到了合适的低温蓄冷材料，制冷机在低温环境下制冷量不断 加大。gm 制冷机是一种蓄热式制冷机，gm 制冷机原来使用铅丸作为回热器的蓄冷 材料，在温度低于 15k 的时候，铅的体积热容急剧下降，回热器的温度变化增大。 蓄冷损失在整个低温系统所占的比例越来越大，最终导致了制冷效率与制冷性能显 著下降。现在利用稀土磁性材料代替铅丸8,9可以大大提高 gm 制冷机在低温下的制 冷效率，gm 制冷机所能达到的最低温度从 10k 降到 4k 左右。gm 制冷机具有制冷 效率较高，在液氦温度能够提供较大的制冷量，无故障运行时间长（约为 10000 小 时）等优点10，这些都大大促进了 gm 制冷机直接冷却技术在高温超导工程中的应 用。 超导设备通过电流引线从室温电源中获得能源，电流引线一端处在室温环境中， 一端与低温磁体相连。传统的电流引线一般使用铜作为材料，铜是热的良导体，电 流引线两端的巨大温差和通过强电流时产生的焦耳热使得电流引线成为超导设备的 主要漏热源。在制冷机直接冷却技术的发展初期，电流引线的漏热曾是难以逾越的 障碍11。 现在采用二元电流引线结构，可以很好的解决这个问题。引线分为上下两段， 上段为铜引线，铜引线的上端处在室温环境中，下段为高温超导引线，其下端与超 导磁体相连。电流引线的冷却方式也是一个循序发展的过程。在早期，gm 制冷机提 供的冷量有限（一般二级冷头提供的冷量为 0.5w/4.2k，一级冷头的冷量为 40w/77k） ，在使用 gm 制冷机直接冷却高温超导体的时，在铜引线和高温超导引线 的连接处安装一个液氮槽，通过液氮槽中氮气的汽化来截断热流，同时用气化的氮 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 气来冷却铜引线，气化的氮气可以直接排放到环境中，也可以在系统中安装气体制 冷机，将氮气重新液化，补回到液氮槽中。但后者需要增加一个闭式循环，系统相 对复杂些，初投资也较大，前者结构简单，但运行和维护的费用高。 随着 gm 制冷机冷量的不断增大，在一般的中小型超导系统中，现在已经可以 做到完全通过制冷机的直接冷却方式来同时冷却超导磁体和电流引线。但在大型的 超导系统中，考虑到制冷机的冷量有限，一般都安装有液氮槽。如日本的 koichi 等 人为高温超导磁储能系统设计的二元电流引线12。它的高温超导部分采用 ybacuo 材料，该装置的承载运行电流为 3ka,考虑到装置运行时巨大的焦耳热，它采用的冷 却方式是用 gm 制冷机直接冷却高温超导磁体和二元电流引线的高温超导部分，同 时安装液氮槽来冷却铜引线和截断热流。装置产生的氮气直接排放到环境中，同时 给液氮槽配备液氮定期补充装置。 我们在这篇论文中讨论的是在超导系统中，完全不使用液态工质，全部冷却过 程由制冷机来完成的冷却方式，即直接冷却方式。在这种直接冷却方式中，电流引 线的高温超导部分由制冷机二级冷头冷却，上段和下段的连接点由制冷机的一级冷 头冷却。制冷机一级冷头的温度约为 77k，高温超导引线的温度始终在临界温度以 下，处在超导态，没有电阻，在强电流的运行环境中不会产生焦耳热。同时高温超 导材料的热导率很低（bi-2223 体材在 77k4k 温区的平均热导率只有不锈钢的三分 之一） ，使用二元电流引线结构可以明显降低电流引线向二级冷头的漏热。目前，漏 热可以降到铜气冷引线漏热的十分之一以下13,14,15,16。 从低温工程学角度来看，制冷机直接冷却改变了传统的靠低温液氦对流、沸腾 换热的冷却方式，变为主要靠超导材料与金属等其他材料(如铜、氮化铝等)固体间的 接触导热冷却方式。在高温超导制冷机直接冷却系统中，制冷机冷头与电绝缘垫片 之间、电绝缘垫片与电流引线之间都存在界面热阻。超导系统直接冷却的实现，必 须提高由电流引线、高热导的电绝缘垫片和制冷机冷头形成冷链的热效率。尽管采 用 hts 二元电流引线降低了沿电流引线的漏热，但由于在冷链的接触界面存在接触 热阻(电阻)，当电流通过接触界面时就会产生大量的焦耳热。在工程应用中，由于低 温界面热阻(电阻)引起的焦耳热几乎占总漏热的 1/31/217，而且也是超导电流引线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 发生失超的根源之一。因此，减小和控制低温界面热阻(电阻)是实现超导系统直接冷 却的技术关键。在大电流工况环境下，必须对铜引线和 hts 引线接触界面进行研究 和优化，才能保证整个磁体系统的低温环境。因此解决超导电气与制冷机冷链中在 大电流、强磁场下的耦合界面热阻(电阻)的最佳热耦合机理、热、电传播规律，成为 高温超导直接冷却技术中突出的科学问题与关键技术18。 1.2 国内外的研究情况国内外的研究情况 在所查得得文献中，1993 年 toshiba 公司最早使用制冷机完全直接冷却低温超 导磁体系统19。他们用的是 nbti 磁体，在 53.7a 的工作电流下获得了 7.7t 的中心 场强，同时采用的是 bi-2212 高温超导电流引线，临界温度 90k，临界电流密度 100a/cm2, 用两级 gm 制冷机冷却，一级冷头温度 45k，二级冷头温度 4.2k；整个 系统从室温降到 4.2k 需 6 个小时。 住友工业开发了中心场达到 15.1t 的 nb3sn 磁体系统20，电流引线用 bi-2223 管和铜组成二元电流引线， bi-2223 电流引线的内径20mm， 外径23mm， 长180mm， 室温孔52mm；制冷机一级冷头温度和负荷为 37w/40k，二级冷头温度和负荷为 1.0w/4.2k；磁体从室温冷却到 3.6k 大约需要 114 小时。 2002 年意大利的 1mj 高温超导磁储系统中21， 采用单级 gm 制冷机冷却高温超 导电流引线，gm 制冷机的冷量为 120w/60k,电流引线采用 bi-2223 材料，最终电流 引线被冷却到 70k 以下，整个系统在 1100a 的电流下运行情况良好。 在文献12中，2003 年日本为超导磁储能系统设计了承载 3000a 的二元电流引 线，二元电流引线材料中的高温超导电流引线采用 ybco 材料，在该系统中，铜引 线在液氮浴中冷却，高温超导引线与 gm 制冷机相连，gm 制冷机的冷量为 9w/4k， 实验过程中，高温超导电流引线的热端温度为 76.5k，冷端温度为 9.4k，整个系统 3000a 的电流下运行情况良好。 2005 年 11 月， 国内首台直接能却高温超导磁储能系统在华中科技大学成功试运 行22。磁体是 bi-2223 磁体，电流引线采用 bi-2223 与铜结合的二元电流引线。在 140a 的时候产生了 4.5t 的磁场。bi-2223 电流引线的临界温度为 110k，用两级 gm 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 制冷机冷却，一级冷头的温度 77k，二级冷头温度 20k；磁体从室温降到 19k 需 19 个小时。 前期对铜引线和高温超导电流引线的研究主要集中于气冷二元电流引线的实 验、理论模拟和优化设计23,24,对制冷机直接冷却电流引线的研究主要集中在理论分 析上面25-29。ho-myung chang 等30针对 bi-2223/ag 与铜组成的直接冷却二元电流 引线，在理想假设前提下对其进行了热力学优化，得出了制冷机的最小功耗和二元 电流引线最佳的截流点温度。但是其研究结果忽略的因素过多，不能够为电流引线 的设计和分析提供足够的信息，缺乏工程上的使用性。我们认为在对直接冷却二元 电流引线的研究中，只考虑理想条件是远远不够的，还必须考虑实际中存在的一些 重要因素。如商用制冷机制冷循环的不可逆性，接触界面热阻对系统的影响。因此 从工程应用的角度出发，对制冷机直接冷却的二元电流引线的最小功耗，漏热分析 进行理论建模，分析计算和实验研究是很有意义的。 1.3 主要的研究内容主要的研究内容 本文主要是介绍中国首台直接冷却35kj高温超导磁储能系统中电流引线的设计 过程和电流引线的实验特性研究。电流引线的设计包括对二元电流引线的传热情况 进行理论建模和分析计算。在电流引线的设计过程中，纯粹从理论的角度分析电流 引线的漏热没有意义。在低温装置的实际设计过程中，必须考虑低温装置的各种漏 热途径和允许的电流引线的最大漏热量，同时还必须考虑电流引线所能承载的运行 电流和低温装置允许电流引线的安装空间。同时我们还要考虑铜引线，高温超导引 线，制冷机冷头的连接结构和方式，尽可能的实现直接冷却过程中的高导热和高绝 缘的特点。电流引线的实验研究主要包括电流引线的降温特性，和动态电流加载特 性。 1.4 本章小结本章小结 本章首先指出了超导技术的重要性，超导技术的发展离不开低温技术的支持。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 然后论证了直接冷却技术的可行性和它的优点。后来又对国内外的二元电流引线作 了概括性的论述，最后对论文的主要研究内容作了简单的介绍。为此，我们可以得 到以下结论： （1）超导技术的应用越来越广泛，直接冷却技术将成为超导技术的主要研究和 发展方向之一。 （2）二元电流引线是直接冷却的关键，二元电流引线的设计的好坏，直接关系 到超导系统能否可靠运行。 （3）电流引线的理论建模和分析计算要通过实验来验证，实验的结果可以反过 来指导电流引线的设计。 （4） 在电流引线的设计过程中， 必须重点考虑各接触界面的热阻对漏热的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 高温超导电流引线的材料特性和制作工艺高温超导电流引线的材料特性和制作工艺 2.1 高温超导超导材料的种类高温超导超导材料的种类 从 1911 年物理学家昂尼斯发现超导现象以来到 1986 年的 75 年间，所发现的超 导体大多数为金属及其合金，而最高的临界温度是铌和锗的合金所达到的 23k,与 1911 年汞的 4.2k 相比，只提高了 19k。但科学家一直都没有放弃对更高 tc 超导体 的追逐。在 1986 年瑞士苏黎世的 ibm 实验室内，科学家 k.a.muller 和 j.g.bednorz 在镧钡铜氧体系中发现了临界温度为 30k 的超导体，从而引发了高温超导体“淘金 热”的序幕。这些新发现的高温超导体都具有复杂的层状结构，与一般的低温超导 体不同的是，它们很难制成单晶体。高温超导体种类繁多，种类多达数百种以上， 但由于材料的制作工艺和经济成本的限制，目前应用在工程上的高温超导体材料主 要是铋锶钙铜氧体系和铱钡铜氧体系。 2.1.1 铋锶钙铜氧系高温超导材料铋锶钙铜氧系高温超导材料 michel 等人发现了第一个铋系超导体，它的结构为 bi2sr2cuo6(bi-2201),临界温 度约为 10k。torardi 等用单晶 x 射线衍射测得的超导相 bi-2201 基本结构属正交晶 系31，如图 2-1 所示32，在它的结构中，cu 原子与 6 个 o 原子形成畸变的八面体配 位，情形和 la2cuo4中 cu 的环境相似，cu-o-cu 键角大约为 ? 174。 第 一 个 临 界 温 度 大 于100k的 超 导 体 是maeda等 33 人 发 现 的 bi2sr2cacu2o8(bi-2212)和bi2sr2ca2cu3o10(bi-2223)的 混 合 物 ， 两 者 为 bi2sr2can-1cuno2n+4系列中n=2和n=3的成员。bi-2212可以看作是在bi-2201中 插入一层ca和一层cuo2面，如图所示，这种变化使bi-2212中的cu的配位由八面 体六配位转变为四角锥五配位。 在bi-2212中再插入一个cacuo2单元，就可以得到临界温度为110k的新超导 体bi-2223，它具有准四角结构。不同于bi-2201和bi-2212，bi-2223中含有两种cu 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 的位置，即被两个ca原子层所夹的平面四配位位置以及与bi-2212中相似的四角锥 五配位位置。 继续增加cacuo2单元的数目是可能的。例如bi2sr2ca3cu4o12(bi-2234)34，但 是合成越来越困难。制备bi-2223和bi-2234需要加pb来稳定结构。目前，在bi系 列中，应用最为广泛的是bi-2212和bi-2223。 2.1.2 铱钡铜氧系高温超导体铱钡铜氧系高温超导体 在第一个高温超导体la2-xbaxcuo4问世后不久，中国科学院北京物理所的赵忠 贤宣布发现了铱钡铜氧新超导体yba2cu3o 7 ， 简称为y-123相， 临界温度为90k, 取得了液氮温度以上超导的重大突破。它是一种典型的氧缺位化合物。其中，的 值可以在0到1之间连续变化，当的值在0到0.5之间时为正交超导相，越小， y-123的临界温度越高。 如果的值在0.5到1之间,它的结构由正交相转变为四角相， 不呈现出超导性。y-123的结构如图2-2所示： 图 2-1 bi2sr2can-1cuno2n+4的晶体结构示意图 (a) bi2sr2cuo6 (b) bi2sr2cacu2o8 (c) bi2sr2ca2cu3o10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 在y系中除了123相为， 通过在其结构的重组可以得到很多的高温超导化合物， 如marsh等35合成的新超导化合物yba2cu4o8（简称为y-124） （tc=80k） ，可以看 作是y-123中cu-o链处插入另一个cu-o链而产生的衍生物。 另外，由于在y-123中，y原子层在结构上只起了空间上分隔cuo2层的作用， 用+3价的各种稀土元素完全取代y3+可以形成rbacu3o7超导系列（r=la, nd, sm, eu, gd, dy, ho, er, tm, yb, lu） ，它们都具有十分相似的晶体结构和物理性质，tc值 也都在90k左右。但实际运用最广的还是y-123。 2.2 高温超导材料的制造方法高温超导材料的制造方法 k.a.muller和j.g.bednorz在发现 42 cuobala xx 时，采用了传统的陶瓷制造工 艺。而高温超导体材料基本上属于金属氧化物陶瓷的一种，其制备过程并不困难， 图 2-2 yba2cu3o7 的晶体结构示意图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 只要把握下列合成条件即可制备出具有超导性的粉末样品，即合适的化学配方，烧 结时间，温度和气氛的控制，以及利用物理或化学方法提高粉末的均匀性。传统的 方法是先将原材料按一定的比例混合，然后烧结，再研磨，再烧结，反复几次后压 饼成形，即可以得到可供一般实验研究的超导样品。这种方法在探索和合成新型超 导材料时简单实用，且容易控制和改变它的合成条件。随着高温超导体材料向实用 化方向发展，人们通过改善这一方法，以获得优质的超导样品。 2.2.1 熔融结构法制造高温超导块状材料熔融结构法制造高温超导块状材料 传统的使用烧结方法制造出来的块状材料存在以下缺陷，具体表现在空隙率较 高（约为20%30%） ，材料内部晶粒大小相差较大；晶粒边界和晶粒内部均有杂质 相存在；成分也只是大体上均匀。这种高温超导体的烧结材料很难通过很大的电流， 必须对烧结工艺作重大的改进，后来人们想到了用熔融结构法（melt-texture-growth， 简称为mtg法） 36来制造来制造高温超导块状材料。以 yba2cu3o 7 即y-123相 的制作工程来说明它的制作方法。 将cuo,bao,y2o3的混合物加热到1020c，让其充分溶解混合，然后迅速将温 度升到1100c，维持这个温度约一个小时，然后慢慢冷却，冷却的速率约为5c/h, 当冷却到400c时对其进行氧化处理。最后冷却到室温后就可以得到高致密度的 y-123相材料。 熔融织构法制备的ybco块在77k的临界电流密度如图2-3所示37。ybco块 材的积分热导率（ab面方向）比粉末法做的bi-2223材料大数倍，但ybco块材的 临界电流密度比bi-2223材料大数倍，因此ybco块材的电流引线截面积也减少为 几分之一， 按漏热来说，ybco块材的电流引线和bi-2223材料制备的电流引线基本 相同。但在高温度和强磁场的应用场合，bi-2223材料电流引线的临界电流小。在文 献12中ybco块材的电流引线，截面积为404mm,长40mm，在77k的温度，4t 的磁场时仍能通过3000a的电流。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2.2.2 pit 法制作高温超导体线材法制作高温超导体线材 制造高温超导体线圈需要高温超导体线材，高温超导体陶瓷硬而脆，不能像一 般的金属那样很容易的制成细丝。随着人们经验的积累，人们发现用用银套管填充 bi系氧化物粉末法（oxide powder in tube）可以得到高温超导线材，这种方法简称为 pit法。 pit 技术包括一系列的塑性变形工艺，如旋锻、拉拔、平辊轧制和压制。pit 技 术重要的一点是使片状的 bi-2223 化合物粉末在变形过程中产生取向(织构)性，片 状晶粒在加工中得到排列。bi-2223 相在热处理和机加工过程中形成。通过 2 次热 加工循环，在短线上可使临界电流密度达到10ka/cm2 (77k，自场)。但对于长带， 要达到如此高的jc值， 需要更好地控制加工工艺38。jc 性能受到bi-2223相的纯度、 晶粒的排列、晶粒间的连接及钉扎的影响，尤其是长带的jc 性能更依懒于相的纯度 和晶粒间的连接39。 目前 ,采用 pit法制备长 1. 02. 0km的 ag 或 ag合金 基 bi -系多芯复合超 图 2-3 熔织结构 ybco 临界电流和临界电流密度随磁场的变化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 导带的技术已比较成熟。bi系超导丝主要为 bi- 2212（临界温度90k）和 bi- 2223 （临界温度110k）其中 bi- 2223是主流产品。 现在世界上主要有美国超导公司、日本住友电气公司、丹麦北欧超导技术公司 等三家单位商业化供应bi- 2223带材。美国超导公司年生产能力为 10000km,提供的 带材性能为:工程临界电流大于 115ka(77k)，工程临界电流密度大于 13500a/cm2 。 日本住友电气公司是最早在世界上主导 bscco导线发展的公司，提供的带材性能 为:工程临界电流密度大于 10000a/cm2，单线长度大于 500m。丹麦北欧超导技术公 司的年生产能力为 350km,提供的带材性能为:工程临界电流大于 60ka,工程临界电 流密度为 6000a/cm2，标准生产长度为 700m,最长可达 1200m以上。目前丹麦北欧 超导技术公司与德国真空公司建立了联盟关系，以推动高温超导技术尽快取得商业 突破，具体目标是将带材的工程临界电流密度提高到 25000a/cm2 ,并进一步降低价 格。 我国自 1988年以来，一直在开展铋系高温超导材料的研究，目前从事 bscco 系超导带材研究的主要有清华大学、北京有色金属研究总院、西北有色金属研究院 和北京英纳超导技术有限公司。其中西北有色金属研究院2003年组建成立西部超导 材料科技有限公司和北京英纳超导技术公司是国内两个超导材料生产企业，具备了 批量生产工程应用超导线材的能力。西北有色金属研究院在2001年初成功制出 200m长的带材，工程临界电流超过20ka。北京英纳超导技术有限公司的设计生产 能力为年产量200km,公司现已产出单线长度超过1000m，单线可通过电流达43a, 工程临界电流密度超过 6000a/cm2的铋系带材，达到国际先进水平。 2.3 包裹银合金对高温超导材料的影响包裹银合金对高温超导材料的影响 在高温超导体的拉丝过程中，为了实现高温超导体高度的晶相取向和优异的超 导特性，一般采用一定的金属稳定剂作为包裹材料。包裹材料的选择对超导材料的 临界温度和临界电流都有较大的影响。目前广泛采用的是用银作为金属稳定剂。对 于bi-2223/ag高温超导线材来说，由于纯银的电阻率很低，在包裹层内产生感应电 流，所有的超导芯完全耦合在一起，使多芯超导带材表现为单芯超导带材的性能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 同时在高温超导线材外面包裹一层银合金是很有必要的，在高温超导电流引线发生 故障失超时，高温超导带材的银合金材料还可以作为电流和热的分流通路，从而保 障电流引线的安全运行。 不同的应用领域对 bi - 2223高温超导带材的性能要求是不同的。用于制造电流 引线的 b-2223高温超导带材除了载流能力和强度特性等方面的要求以外， 还应该具 有尽可能低的热导率以降低沿电流引线的传导漏热。由于高温超导材料本身为陶瓷 材料,热导率很低（较常规金属材料小 23个数量级） ，因此高温超导带材的传热特 性主要由其包敷材料决定。因此，选择合适的银合金材料是高温超导电流引线研制 成功的关键。降低金属材料热导率的通常作法是将其制成合金，制造常规 bi-2223 高温超导带材的银或者银镁合金的热导率都较大，不适用于制造电流引线，需要采 用新的银合金材料。一般而言，新合金材料选用原则有二:一是材料的热导率要低， 二是保证在带材加工过程中及热处理过程中所添加的新元素不会造成超导相的改 变，进而引起高温超导材料载流能力的退化。目前普遍采用的方法是向银中添加金 元素，随着金含量的增加，银金合金材料的热导率降低，但是当添加的金含量超过 一定量后，热导率的降低逐渐饱和，目前实际工艺中使用的银金合金材料通常是添 加了百分之几到百分之十几的金元素，此时，材料热导率40的降低已经很显著了， 文献40中指出:对于含金11%的银金合金材料而言，在 20k时其热导率较纯银材料 小三个数量级。 除此以外，银金材料与超导材料的比例也应该控制在合理的范围之内，几乎所 有的hts应用，最重要的参数是工程电流密度jc ，它与磁场和温度有关，同时也 与银金材料与超导材料的比例有关，较小的银超比增加会导致较大的jc 值变化，在 制备高温超导电流引线的时候，必须将这个比例控制在合理的范围之内41。 从微低温工程学的角度来看，不论是采用其它金属或金属合金材料取代纯银作 为包裹材料，还是在超导纤维芯中间引入氧化物层的办法，虽然提高了超导带材的 横向电阻率，但同时也降低了超导带材的热导率。热导率的降低，一方面降低了沿 超导材料传导漏入的漏热量，另一方面却影响了超导系统的热稳定性，因为较低的 热导率阻碍了超导体内产生的热量有效而迅速的释放出去。因此，我们有必要对高 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 温超导带材进行优化设计，寻找高温超导带材最优的横向电阻率和热导率，在不降 低超导系统稳定性的条件下，尽量选择较高的横向电阻率，以降低交流损耗。 2.4 本章小结本章小结 本章介绍了高温超导体的发展历程，以及主要种类高温超导体的性质、制作方 法和应用范围，为此我们可以得到以下结论： （1）与低温超导体相比，高温超导体是一类具有复杂结构层状结构，很难制成 单晶体的超导体，临界温度比低温超导体高的多。 （2）在各类高温超导体中，bi-2223有很高的临界温度（110k） ，它的带材制作 工艺比较成熟，基本实现产业化，能够满足超导工程应用的需求。 （3）一般使用纯银作为高温超导体的包裹材料来增强其稳定性，它不断可以使 多芯超导线材表现为单芯超导线材的性能，还可以作为热流和电流的分流通路。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 3 电流引线的热分析电流引线的热分析 制冷机直接冷却改变了传统的低温液体冷却方式，变为超导材料与金属等其它 材料接触导热。制冷机直接冷却的关键是控制各种漏热在制冷机的负荷范围内，为 此必须采用二元电流引线。二元电流引线由高温超导引线和常规铜引线组成，铜引 线工作在室温和中间热截流温度之间；高温超导引线工作在热截流温度和超导系统 工作温度之间。超导电气系统是通过电流引线将室温电源输入到超导系统中的，因 此，电流引线便成为向低温环境漏热的主要途径。在直接冷却系统中，制冷机提供 的冷量有限。电流引线的漏热是装置的主要漏热源之一，它设计的好坏直接关系到 整个超导系统能否稳定可靠的运行。 3.1 电流引线设计的理论分析电流引线设计的理论分析 二元电流引线的分析模型如图3-1所示：它由一台两级gm制冷机冷却，高温 超导电流引线安装在一级冷头和二级冷头之间，主要由制冷机的二级冷头冷却，铜 引线安装在室温环境和制冷机一级冷头之间，它由制冷机的一级冷头冷却。高温超 导引线和铜引线相连接的中间截流点由制冷机的一级冷头冷却。 冷端截流点热端 图 3-1 两级 gm 制冷机冷却高温超导电流二元引线模型图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 对高温超导引线来说，在高温超导段，只有引线的传导热，没有焦耳热。 dtk l a qq j l t t htsc htsc htsc l = 1 （3-1） 式中 ahtsc、lhtsc、khtsc分别是高温超导引线的横截面积、长度和热导率 对铜引线来说，不仅有传导热，还有电流产生的焦耳热。 0)( 2 =+ c c cc a i dx dt ak dx d （3-2） 式（3-2）中 kc为铜引线在整个温区（77k300k）的平均热导率，ac为铜引线 的横截面积， c 为铜引线在整个温区（77k300k）的平均电阻率，i 为电流引线的 承载电流。由式（3-2）可以得到： r c jr c c c c cc c tx l tt l ak i x ak i xt+ +=) 2 1 ( 2 1 )( 2 2 2 2 2 （3-3） 式（3-3）中，tr为环境温度，lc为铜引线的长度，tj为铜引线和超导引线的连 接点温度。 铜引线任意点的热流量为： c jr c l tt lx += cc c c 2 cc ak)2( 2a i ) dx dt (a-kq(x) （3-4） 在冷端截流点处j时： )( 2 2 jr c c c c cc j tt l a k a li q+= （3-5） 用制冷机冷却二元电流引线，超导电流引线和铜电流引线连接都布置在制冷机 的一级冷头上，该连接处又称为热截流点。制冷机的二级冷头与高温超导引线的低 温端直接相连。假设制冷机工作状态是理想的卡诺循环，则制冷机的功耗可以表示 为： j j h l l h q t t q t t w) 1() 1(+= （3-6） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3.2 铜引线实际尺寸的确定铜引线实际尺寸的确定 如果在热截流点的 j q最小，那么制冷机一级冷头的耗功将最小，铜引线传到给 超导引线的热流也将最小，可以根据这一点来确定铜引线的最佳长度和横截面积比。 由(3-5)式可以得到 当)( 2 2 jr c c c c cc tt l a k a li = 时，热截流点有最小的热流密度： )(2min, 2 jrccj ttkiq= （3-7） 而 c c c a l i 2 的物理意义为整段铜引线的焦耳热，)( jr c c c tt l a k是铜电流引线的传 导漏热，满足最小热流的条件表明，当传导漏热为焦耳热的一半时，在热截流点的 热流最小。很显然，最小热流除与铜引线的物性有关外，还与运行的电流有关。 在式（3-7）成立的条件下可以得到，此时铜引线的长度和横截面比为： c jrc c c i ttk a l 2 )(2 = （3-8） 该电流引线是为35kj高温超导磁储能系统设计的， 设计时装置的最大承载电流 为200a,根据这个承载电流，我们选定铜引线的直径为mmd6=，根据式(3-8),可以 得到选用的铜引线的长度为： c jrc cc i ttk al 2 )(2 = （3-9） 图 3-2 纯铜在不同温度下的热导率和电阻率 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 式（3-7）中kc为铜引线在整个温区（77k300k）的平均热导率，根据图3-2 铜在不同温度下热导率和电阻率的变化曲线，可以得到铜在这一温区的平均热导率 为 11 500 kwm， c 为铜引线在整个温区（77k300k）的平均电阻率，由图3-2可 得m c = 8 10，环境温度ktr300=，gm制冷机一级冷头温度为ktj77=,最大 运行的电流值为i=200a。 按i=200a来设计铜电流引线，lc=0.667m，代入式（3-4）可以得到，单根铜引 线截流点的热流量为9.44w，两根铜引线的热流量18.88w。 在不同的电流运行情况 下， 温度的分布如图3-3所示， 由图可知，运行的电流越小， 焦耳热在整个漏热中所占的 比例越小， 整个漏热中热传导 的比例就越大， 温度越接近于 线性分布。以i=200a的铜引 线的温度分布曲线分析可知， 铜引线越接近高温端， 温度的 变化率越小，越接近低温端， 铜引线的温度变化率越大。 对低温装置系统来说，系统的体积越小，漏热越小。为了减少电流引线的安装 空间，我们将电流引线制成稀疏螺线管型，在电流引线的相同导热路径上，可以压 缩电流引线占用的空间高度，从而减小整个装置的体积，使这个装置结构更加紧凑。 3.3 高温超导引线的参数高温超导引线的参数 目前，制作高温超导电流引线较好的材料是bi-2223和bi-2212体材料，ybco 块材和bi-