CN101174500A - 工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构及制造方法，该绝缘密封结构由陶瓷管，电流引线本体、过渡连接件和液氮容器上盖组成，其中，过渡连接件由上下两段构成，上段分别与陶瓷管上端的镍层及电流引线本体焊接，下段分别与陶瓷管下端的镍层及液氮容器上端板焊接。本发明通过金属间的焊接将电流引线，陶瓷管，过渡连接件及液氮容器上端板连成一体。本发明无活动密封界面，可与所配套的液氮不锈钢容器形成一体结构，从300K－4.6K降温和低温保持过程中能够保持良好的绝缘和密封性能。
Description
技术领域
本发明涉及低温超导技术，特别是一种工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构及制造方法。
背景技术
在已有的超导磁体装置中，浸泡在77K液氮下的高温超导磁体，在由二级G-M制冷机将高温超导磁体连同液氮一起冷却到接近4.2K的液氦温度时，液氮变成了超低温固氮，高温超导磁体处于固氮包围之下。这种超导磁体低温装置主要结构如图1所示。该低温装置主要由外杜瓦1和与之相连的抽气阀7为装置外壳，在外杜瓦1的内部设置一个独立的液氮容器3，来容纳液氮和高温超导磁体5。液氮容器3上设置有不锈钢上端板。外杜瓦1工作在常温下，液氮容器3及高温超导磁体5工作在接近液氦温度的超低温下。在外杜瓦1和液氮容器3之间用抽气阀7抽成高真空并保持，以减小液氮容器3的低温漏热，维持液氮容器3的正常工作状态。超导磁体工作电流强大，一般几十安培至几百安培之间，需要由金属铜或超导材料制成电流引线来为高温超导磁体通电。这两根电流引线的上端，位于外杜瓦1和液氮容器3之间的真空夹层6内；下端置于液氮容器3内并与高温超导磁体相连；电流引线4的中部穿过液氮容器的上端板2并与上端板2绝缘和密封。该密封部位需要同时保证常温、超低温以及液氮容器从常温冷却到超低温过程中的密封。否则，液氮容器中的蒸发氮气会进入真空夹层6，通过气体传热使液氮容器中的液氮迅速蒸发，使高温超导磁体无法工作。因此，工作在超低温下的大电流引线的绝缘密封问题是该低温装置安全运转的重要一环。在常温下，采用橡胶，环氧玻璃钢，聚四氟乙烯及环氧类粘接材料等作电流引线的绝缘密封材料，其电流引线和容器金属端板之间的绝缘密封性能都是可以保证的。但上述非金属材料在从常温冷却到超低温的过程中，其热收缩率远大于铜和不锈钢等金属材料，，从而使大电流引线在穿过液氮容器上端板需要绝缘和密封的部位不能有效密封，导致真空夹层不能保持真空，低温装置无法正常工作。
图2所示是考虑到非金属密封材料在超低温下的热收缩的一种采用环氧玻璃钢做绝缘的低温大电流引线绝缘密封结构。它采用常温下在非金属绝缘层与电流引线间加予紧力的方法，解决超低温下密封问题的结构。在图2中，9为带突出园台(为加予紧力而设计)的铜电流引线本体，10为环氧玻璃钢绝缘块；13为液氮容器上端板；11为环氧玻璃钢与引线及液氮容器上端板两个活动密封界面的软金属铟环，以使软金属铟在超低温下仍能有弹性，来保持密封。通过多个金属螺钉在活动密封界面加予紧力，以克服环氧玻璃钢与铜及不锈钢低温下热收缩率大的差异所产生的微小缝隙，进而保持活动界面的密封。通过使液氮容器及电流引线缓慢降温，其密封结构在超低温下有一定密封效果。但是，在装置恢复常温，重新降温时，由于强大的予紧力在环氧玻璃钢局部产生的永久变形的存在，使活动密封处恢复不到原常温密封及加力的初始状态，活动界面处仍出现漏气，密封失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构，该绝缘结构绝缘密封效果好，能保证超低温装置正常工作和多次重复使用。
本发明因此提出一种工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构及制造方法。该绝缘密封结构由陶瓷管、电流引线本体、液氮容器上端板和过渡连接件组成。所述陶瓷管上、下两端外表面分别设置有一层金属镍层；过渡连接件由上、下两段构成，上段下端与所述陶瓷管上端的镍层焊接，上段上端与电流引线本体焊接，下段上端与陶瓷管下端的镍层焊接，下段下端与液氮容器上端板焊接。所述过渡连接件采用KOVAR合金制成。
本发明制造方法包括如下步骤：
第一步：根据电流引线本体直径确定所选用的陶瓷管的直径和长度等基本尺寸；
第二步：根据电流引线本体和陶瓷管的基本尺寸设计过渡连接件上、下两段的尺寸；
第三步：在温度700℃下，采用真空离子注入机对陶瓷管上、下两端的外表面喷涂金属镍，使形成规定厚度的金属镍层，并保温4小时；
第四步：采用银铜焊将陶瓷管上端镍层与过渡连接件上段下端焊接，电流引线与过渡连接件上段的上端焊接，陶瓷管下端镍层与过渡连接件下段的上端焊接；
第五步：采用氦质谱检漏仪对上述焊接部位抽真空检漏；
第六步：采用亚弧焊将过渡连接件下段的下端焊接在液氮容器上端板上；
第七步：采用氦质谱检漏仪对包括电流引线绝缘密封结构在内的液氮容器抽真空检漏；
本发明通过金属间的焊接将电流引线本体，陶瓷管，过渡连接件及液氮容器上端板连接起来，形成无活动密封界面的绝缘密封结构，与所配套的液氮不锈钢容器形成一体，从300K-4.6K降温和低温保持过程中能保持良好的绝缘性能和密封性能，保证超低温装置正常工作和多次重复使用。
附图说明
图1是已有超导磁体低温装置示意图；
图2是已有采用环氧玻璃钢做绝缘的低温大电流引线绝缘密封结构简图；
图3是本发明工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构简图。
图1中：1为外杜瓦，2为液氮容器上端板，3为液氮容器，4为大电流引线，5为超导磁体，6为外杜瓦与液氮容器之间的真空夹层，7为抽气阀，8为液氮容器内的液氮区；
图2中：9为电流引线本体，10为环氧玻璃钢绝缘块，11为软金属密封铟环，12为压紧螺钉，13为液氮容器上端板；
图3中：14为电流引线本体，15为过渡连接件，16为陶瓷管，17为液氮容器上端板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述：
图3为本发明的绝缘密封结构简图，图3中16为绝缘用陶瓷管，14为电流引线本体，17为液氮容器上端板，15为过渡连接件。陶瓷管16上、下两端分别设置有一层金属镍层，过渡连接件15分为上、下两段，上段下端与陶瓷管上端镍层焊接，上段上端与电流引线本体14焊接，下段上端与陶瓷管下端的镍层焊接，下段下端与液氮容器17上端板焊接。
所述陶瓷管16用作电流引线本体14与液氮容器17上端板之间的绝缘材料，可保证电流引线本体14与液氮容器17上端板的良好绝缘性能。其上下两端分别设置有一层金属镍层，镍层厚度取值范围通常为100nm-0.001mm，可根据连接强度的要求选定。该镍层可通过真空离子注入技术，在温度700℃下喷涂形成，具有镍颗粒小、致密性好、不含其它杂质、与陶瓷的结合性能好等优点。镍层与陶瓷管16表面具有很强的结合力，在超低温度下不会开裂；过渡连接件15采用由Fe85％、Co5％、Ni10％组成的KOVAR合金制成，热收缩率与陶瓷管材料十分接近，与镍层有很好的焊接性能，作为陶瓷管16与电流引线本体14，及陶瓷管16与液氮容器17上端板的连接过渡构件，可保证所述连接结构从300K的常温降到4.6K的超低温过程中，不会开列，连接牢固。过渡连接件15与电流引线14连接固定采用通用的银铜焊，液氮容器17上端板的连接固定采用通用的氩弧焊即能满足密封要求。
采用上述结构和制造方法，制成工作在4.6K超低温下的大电流引线绝缘密封结构。该结构的引线电流300A，铜引线截面直径12毫米、陶瓷管外径18毫米、过渡连接件最大外径24毫米。该结构在从常温300K到超低温4.6K的降温过程和超低温保持过程中，安装有两个电流引线及其绝缘密封结构的液氮不锈钢容器与外杜瓦之间的真空夹层保持10-3Pa的高真空。目前已经受了4次从300K-4.6K循环过程的考验。
Claims (3)
1.一种工作在超低温下的大电流引线绝缘密封结构，其特征在于：该绝缘密封结构由陶瓷管，电流引线本体和过渡连接件组成，所述过渡连接件由上、下两段构成，上段下端与陶瓷管上端的镍层焊接，上段上端与电流引线本体焊接，下段上端与陶瓷管下端镍层焊接，下段下端与液氮容器上端板焊接。
2.根据权利要求1所述的绝缘密封结构，其特征在于：所述过渡连接件采用KOVAR合金制成。
3.一种权利要求1所述的密封结构的制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步：根据电流引线本体直径确定所选用的陶瓷管的直径和长度；
第二步：根据电流引线本体和陶瓷管的基本尺寸设计过渡连接件上、下两段的尺寸；
第三步：在温度700℃下，采用真空离子注入机在陶瓷管上下两端的外表面喷涂金属镍，使形成规定厚度的金属镍层，并保温4小时；
第四步：采用银铜焊将陶瓷管上端镍层与过渡连接件上段的下端焊接，电流引线本体与过渡连接件上段的上端焊接，陶瓷管下端的镍层与过渡连接件下段的上端焊接；
第五步：采用氦质谱检漏仪对上述焊接部位抽真空检漏；
第六步：采用亚弧焊将过渡连接件下段的下端焊接在液氮容器上端板上；
第七步：采用氦质谱检漏仪对包括电流引线绝缘密封结构在内的液氮容器抽真空检漏。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080507 |