一种热控超导开关制造技术

一种热控式超导开关，包括开关骨架（１）、超导线圈（２）、加热器（３）和绝热层（４）。超导开关骨架（１）由导热差的绝缘材料制成；超导线圈（２）由高电阻率的超导线无感绕制而成。加热器（３）包括齿状不锈钢薄片和聚酰亚胺薄膜，超导线圈（２）和加热器（３）间隔排列，每层超导线圈（２）的内外表面均粘贴加热器（３）。绝热层（４）位于最外层加热器（３）的外侧。本发明专利技术的超导开关具有制作简单易行，受热均匀且快速及加热效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超导开关，特别涉及一种热控式超导开关。
技术介绍
随着铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)等实用超导材料的出现，超导磁体的应用得到迅 速发展。超导磁体的运行有两种基本模式，即电源供电模式和闭环运行模式。在电源供电模 式中，超导磁体的供电电源是低压大电流的稳压或稳流电源，为保证超导磁体稳定地工作， 一般要求电源的纹波比要小，可以缓慢而均勻地调节，尤其是不应有明显的抖动，这种模式 适用于运行时间较短，对磁场稳定度要求不高，励磁和退磁操作较频繁的工况。闭环运行 模式(也叫持续电流运行模式)是在超导磁体的两端并联一个超导开关，在磁体励磁结束 后，由超导开关和超导磁体绕组组成闭环回路，使磁体在无损耗或磁场衰减很慢的状态下 运行，从而与外部电源脱离，这种模式适用于运行时间较长，对磁场稳定度要求较高，励磁 和退磁操作较少的工况。与电源供电模式相比，闭环运行模式的超导磁体具有很多优点，例 如，可以获得极高稳定度的磁场；在持续电流运行期间与外部电源脱离，节约了电能并减少 了液氦的消耗，从而降低了运行费用；还可以降低外界噪声对超导磁体系统的影响，提高磁 体运行的可靠性等。超导开关是实现超导磁体闭环运行的一个重要部件，具有断开和导通两种工作状 态，分别对应于超导开关由超导态转变为正常态和由正常态转变为超导态，通过控制超导 开关的导通和断开，可以实现磁体的闭环运行。通常超导开关的状态转变可以通过改变超 导材料的温度或磁场来实现，分别称为热控式和磁控式超导开关。其中，热控式超导开关由 于结构相对简单，应用最广泛。热控式超导开关一般由开关线圈和加热丝线圈组成，开关线圈由超导线绕制，通 过给加热丝通入电流产生一定的热量，使得超导线的温度高于临界温度，实现超导开关由 超导态-正常态的转变；切断加热丝的供电电源后，超导开关由冷却液体使温度降到临界 温度之下，从而由正常态恢复到超导态。为了消除超导开关对电路和环境的感抗影响，开 关线圈和加热丝线圈均需绕成无感线圈，为了使加热均勻，常常使开关的超导线圈和加热 丝线圈间隔绕制，这时就需要副骨架，用来暂时存放尚未绕完的超导线，以便在线圈的中间 部分绕制加热丝，并在绕加热丝时使副骨架上的待绕导线一起转动，中国专利CN 1095591C 给出了详细的绕制装置和方法。传统的热控式超导开关的加热丝线圈不能做到完全的无感绕制，对电路和开关线 圈总是存在感抗干扰影响；开关绕制过程较为复杂，交替绕制开关线圈和加热丝线圈，且交 换绕制时需要副骨架用来暂存待绕的导线，装置复杂，操作繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统热控式超导开关绕制过程复杂的缺点，提出了一种新的 热控式超导开关。本专利技术的热控式超导开关包括开关骨架、超导线圈、加热器以及绝热层，其中超导 线圈是隔层无感绕制在开关骨架上的，加热器分布在每层超导线圈的内外侧，绝热层位于 最外层加热器的外侧。开关骨架是采用低导热的绝缘材料制成的空心圆筒，开关骨架的两 端带有法兰，绕制时无需做特别的绝缘处理。超导线圈采用以高电阻率合金，如铜镍合金为 基体的超导线或超导绞缆无感绕制而成。所述的超导线圈和加热器间隔排列，每层超导线圈的外表面均粘贴加热器，为了 使加热效果更好，可以紧贴着开关骨架先粘贴一层加热器，然后在粘有加热器的骨架上绕 制一层超导线圈，再在超导线圈上粘贴一层加热器，以此类推。本专利技术的超导开关的加热器为粘有聚酰亚胺薄膜的齿状不锈钢薄片，薄片厚度在 10-100 μ m左右，薄片的长度与超导线圈轴向方向的长度相等，薄片的宽度为每层超导线圈 的周长。加热器是一块沿着其宽度方向开缝的齿状结构的薄片，在薄片的上下两个表面分 别粘有一层聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜起到使加热器与超导线圈绝缘的作用。每层加热 器串联连接起来，接入加热器电源两端，通电后加热器产生一定的加热功率，可以实现超导 开关的均勻受热。本专利技术超导开关在最外层的加热器外侧绕制玻璃丝布和环氧树脂作为绝热层，环 氧树脂与玻璃丝布固化在一起。本专利技术的超导开关受热均勻，具有快速导通和关断的优点。 附图说明图1是本专利技术实施例的超导开关整体剖面示意图，图中1超导开关骨架，2开关线 圈，3加热器，4绝热层；图2是本专利技术实施例的超导开关加热器示意图；图3是本专利技术实施例的超导开关绝热层剖面示意图，图中41玻璃丝布，42环氧树 脂。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。如图1所示，本专利技术的超导开关包括开关骨架1，超导线圈2，加热器3和绝热层4。 开关骨架1是两端带有法兰的圆筒，由导热差的绝缘材料制成，例如聚四氟乙烯、环氧玻璃 钢、胶木等。超导线圈2为无感线圈，目的是消除其对电路的感抗影响，用来绕制超导线圈2 的线材为高电阻率的铜镍基超导线或由多根铜镍基超导线制成的绞缆，以承载较大的磁体 闭环电流。超导线圈2的内外侧均用环氧树脂粘贴有加热器3，即紧贴着开关骨架1粘贴 有一层不锈钢薄片加热器3，加热器3上绕制有一层超导线圈2，超导线圈2上再粘贴一层 加热器3，加热器3和超导线圈2，如此类推层叠。根据实际运行的需要设计超导线圈2的 层数，从而也就确定了加热器3的层数。超导线圈2和加热器3之间填充掺杂高导热率氮 化铝粉的环氧树脂并粘接，不仅可以加固超导开关，而且可以加快热量传递，使得超导线圈 2受热更加均勻。绝热层4是由热绝缘材料制成，位于最外层加热器3的外侧，其作用是阻 止加热器3产生的热量传导进低温液体中。如图2所示，本专利技术的超导开关的加热器3包括齿状不锈钢薄片31及聚酰亚胺薄膜32，不锈钢薄片31厚度在10-100 μ m左右，长度与超导线圈2的轴向方向的长度相等，宽 度为超导线圈2的周长，并沿着宽度方向开有齿状狭缝，这种齿状结构可以增大超导开关 的加热电阻，提高加热效率，从而加快超导开关的响应时间；聚酰亚胺薄膜32粘在不锈钢 薄片31的内外表面，起到使加热器3与超导线圈2绝缘的作用，同时将齿状的不锈钢薄片 31连成一个整体，便于粘贴在超导线圈2上。加热器3用掺入高导热氮化铝粉的环氧树脂 粘贴在超导线圈2的内外两侧，使超导线圈2受热更均勻，且加热效率更高，更易触发。将每 层加热器串联连接后，接入加热电源，通电后即形成一定的加热功率，触发超导开关失超， 由超导态转变为正常态，即超导开关在电路中处于断开状态；停止对加热器3通电后，超导 开关在低温液体的冷却下，当温度达到超导体的临界温度以下时，超导开关就恢复到超导 态，即超导开关在电路中处于导通状态。 如图3所示，超导开关最外部的绝热层4起热绝缘作用，阻止超导开关的加热器3 产生的热量传导到外部的低温液体，保证超导线圈2能够受热失超。绝热层4由玻璃丝布 41和环氧树脂42间隔绕制而成，即绕一层玻璃丝布41后，均勻涂一层环氧树脂42，直至达 到设计要求的厚度为止。环氧树脂42具有很好的渗透性，与玻璃丝布41固化在一起，起到 隔热保温的作用，同时也起到加固超导开关的作用。权利要求1.一种热控式超导开关，其特征是，所述的超导开关包括绝缘材料制成的开关骨架 (1)、由超导线无感绕制的超导线圈O)、加热器(3)和绝热层；开关骨架(1)是两端带 有法兰的圆筒，超导线圈O)隔层绕制在开关骨架(1)上，加热器(3)粘贴在开关线圈(2) 的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热控式超导开关，其特征是，所述的超导开关包括绝缘材料制成的开关骨架（１）、由超导线无感绕制的超导线圈（２）、加热器（３）和绝热层（４）；开关骨架（１）是两端带有法兰的圆筒，超导线圈（２）隔层绕制在开关骨架（１）上，加热器（３）粘贴在开关线圈（２）的内侧和外侧，绝热层（４）位于最外层加热器（３）的外侧。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔春艳，王秋良，雷沅忠，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]