SURFACE LAYER OF SUPERCONDUCTING TAPE, SUPERCONDUCTING TAPE, AND SUPERCONDUCTING COIL

本申请要求于2018年11月09日提交中国专利局、申请号为201811334246.7发明名称为“一种超导带材表层、超导带材及超导线圈”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

本申请涉及电气技术领域，尤其涉及一种超导带材表层、超导带材及超导线圈。

电阻型超导限流器是利用超导带材的超导态-正常态转变特性进行工作的电力装置。电网正常传输电流时，电阻型超导限流器的限流单元所用的导体处于超导态，电流可以几乎无损耗的进行传输。当电网发生故障而产生短路电流时，大的短路电流将使得电阻型超导限流器的限流单元所用的导体转变为正常态，从而表现出较大的电阻，进而提高电网的系统短路阻抗，抑制短路故障电流幅值。由于在限流状态下超导元件的失超要产生大量的热，需要有一个可靠的移除热量的机制，目前绝大多数的电阻型超导限流器均采用液氮(-196℃)作为冷却介质，当限流单元转变为正常的电阻状态后，导体产生的热量将使得导体温度迅速升高，液氮被大量汽化，而汽化后产生的蒸汽层则附着在导体表面，从而极大影响导体与液氮间的热交换效率。

发明内容

本申请实施例提供了一种超导带材表层，解决了超导体在正常电阻状态时表面产生的蒸汽层大大降低超导体与液氮之间热交换效率的技术问题。本申请实施例还提供了一种超导带材以及超导线圈。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种超导带材表层，具有编织网结构，设置于超导带材的表面。

可选地，所述编织网结构具有5mm²～15mm²的编织网孔。

可选地，所述编织网结构为无磁金属编织网。

可选地，所述无磁金属编织网具有0.1mm～0.5mm的丝径。

可选地，所述无磁金属编织网贴合设置于所述超导带材的宽带面。

可选地，所述无磁编织网为耐低温非金属编织网。

可选地，所述耐低温非金属编织网沿所述超导带材的长度方向绕包于所述超导带材上。

可选地，所述耐低温非金属编织网具有1mm～2mm的绕包间隙。

本申请第二方面提供了一种超导带材，表面设置有上述第一方面提供的任一种超导带材表层。

本申请第三方面提供了一种超导线圈，由上述第二方面提供的超导带材绕制而成。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种超导带材表层，设置于超导带材的表面，其具有编织网结构，。当超导带材处在正常电阻态并产生大量热量时，其周边的液氮被大量汽化，由于超导带材的表面设置了编织网结构的超导带材表层，汽化的液氮无法在超导带材表面形成大面积的蒸汽层，只能在编织网的作用下形成气泡；气泡能够较快的扩散开，从而使得超导带材与液氮间的热交换效率大大提高。

为了更清楚地说明本申请实施例具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请实施例的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的超导带材表层的第一个实施例的结构示意图；

图2为本申请提供的超导带材表层的第二个实施例的结构示意图；

图3为设置有无磁金属编织网的超导带材、设置有耐低温非金属编织网的超导带材与原始超导带材的失超恢复曲线对比图；

附图标记：超导带材1，无磁金属编织网2，耐低温非金属编织网3。

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

超导带材在产生巨大的热量时，其与液氮之间会形成大面积的蒸汽层，蒸汽层相当于一层热阻隔层，阻碍了超导带材与液氮之间的热交换。因此，通过破坏蒸汽层可以恢复超导带材与液氮之间的热交换。

在常规的冷却装置中，一般均采用迫流冷却方式，即通过外部增加循环管路，使冷却介质在被冷却结构中流动以破坏形成的蒸汽层，从而提高被冷却结构与冷却介质间的换热效率。但是这类迫流冷却系统均需要额外的在装置外部增设辅助循环部件，导致装置结构较为复杂，且成本较高。

本申请实施例提供了一种超导带材表层，从阻止蒸汽层产生的角度出发，提供了解决上述技术问题的技术方案。

蒸汽层形成的一个基本条件是超导带材表面连续而平滑，若将这个条件打破，则可以很大程度的阻碍蒸汽层的产生。具体的实现方式，可以在超导带材表面设置编织网结构的超导带材表层。编织网结构的超导带材表层可以将超导带材的表面分隔开，形成多个网格，使超导带材的表面不再连续平滑，汽化的液氮只能形成一个个气泡而无法形成大面积的蒸汽层。

超导带材表层的编制网孔不宜过小也不宜过大。经实验发现，若编织网孔 过大，具体的，若其面积大于15mm²，汽化的液氮会形成大气泡并附着在超导带材表面，无法达到气泡扩散的效果，相当于没有成功阻止蒸汽层的产生；若其面积过小，具体的，若小于5mm²，则超导带材表层的网格过于密集，遮盖了超导带材表面的大部分面积，使得超导带材和液氮间的换热面积不足，热交换效率大打折扣。因此，编织网孔的面积可以在5mm²～15mm²之间。需要说明的是，上述的5mm²～15mm²之间也涵盖了5mm²与15mm²，除特殊说明外，本申请记载的两个数之间，所指代的范围均包括这个两个数本身。

下面请参阅图1，图1为本申请提供的超导带材表层的第一个实施例的结构示意图。

在本实施例中，超导带材表层可以是无磁金属编织网2。无磁金属有很多种，可以是铜和铝。可以通过编织无磁金属丝以形成无磁金属编织网2作为超导带材表层。

考虑到超导带材1经常需要进行弯曲，比如利用超导带材1绕制超导线圈，因此，无磁金属编织网2的编织网结构不应当对超导带材1的弯曲造成限制。可以通过给无磁金属编织网2设置合适的丝径来使其具有合适的软硬度，具体的，无磁金属编织网2的丝径可以设置成在0.1mm～0.5mm之间，这是因为过细的丝径可能使得编织网的强度不够，容易发生断裂，而过粗的丝径则会导致编制网难以弯曲，进而导致超导带材1难以弯曲。

金属材质的编织网硬度较大，在超导带材1上设置时，可以将无磁金属编织网2裁切为宽度比所用的超导带材1的宽度略窄1-2mm的带条，使无磁金属编织网2贴合设置在超导带材1的宽带面。需要说明的是，超导带材1的长与宽形成的面为宽带面，这样的宽带面有两个，在超导带材1平铺时，分别为上宽带面与下宽带面。两个无磁金属编织网2可以分别贴合在超导带材1的上宽带面与下宽带面。

无磁金属编织网2与超导带材1之间可以是普通接触贴合，但为了使贴合更牢固，也可以通过在超导带材1端部绑扎细线的方式进一步使两者贴合。在绕制超导线圈的过程中，也可以利用内圈超导带材1与外圈超导带材1之间压紧力对无磁金属编织网2的贴合进行加固。

可以理解的是，无磁金属编织网2为金属材质，其热导率较高，因此，其 贴合在超导带材1表面，在超导带材1发热后也会迅速将热量传导至无磁金属编织网2上，等效于增加了超导带材1与外围液氮等低温介质的换热面积。又由于金属材料的无磁金属编织网2在紧密贴合在超导带材1表面后，将对超导带材1的综合电阻率带来影响，因此无磁金属编织网2适用于对热稳定性要求较高的稳态超导磁体

以下为本申请第一个实施例提供的具体应用实例：

超导带材1可以使用ST-12-L型钇钡铜氧(Yttrium barium copper oxide，YBCO)带材，带材宽度为12mm，厚度为0.3mm，采用不锈钢封装，具有较高的室温电阻率，适用于制作电阻型超导限流器。无磁金属编织网2可以采用紫铜材料，网孔面积约为8mm²，丝径约为0.3mm，无磁金属编织网2的宽度为11mm，分为上、下两层，分别贴合在超导带材1的上宽带面与下宽带面。无磁金属编织网2与超导带材1之间为普通接触连接，通过绕制成线圈后外圈超导带材1压紧内侧超导带材1的方式进行固定，端部由细的玻璃纤维丝线进行绑扎固定。

以上为本申请提供的一种超导带材表层的第一个实施例的详细说明，下面请参阅图2，图2为本申请提供的超导带材表层的第二个实施例的结构示意图。

在本实施例中，超导带材表层具体可以是耐低温非金属编织网3。考虑到超导带材1长期处于低温的冷却介质中，因此超导带材表层需要能够耐住低温，并且在低温状态下也具有较高的强度。耐低温非金属编织网3可以由热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)等耐低温的高分子聚合物制成，也可以由玻璃纤维制成。

与上述第一个实施例中的无磁金属编织网2不同，耐低温非金属编织网3为非金属材质，其质地更为柔软，因此其与超导带材1的连接方式可以是绕包连接，即可以使耐低温非金属编织网3沿超导带材1的长度方向绕包在超导带材1上。此时，耐低温非金属编织网3相当于一种带条，可以一圈接一圈连续的绕包在超导带材1上。

需要说明的是，采用绕包的方式时，绕包的角度需要根据超导带材1的宽度和采用的耐低温非金属编织网3的宽度确定，绕包角度应当要使得绕包间隙在1mm～2mm之间。这是由于过小的间隙将阻碍接缝处的换热，而过大的间 隙将有可能使得接缝处形成较大的蒸汽层。

耐低温非金属编织网3的宽度可以在一定范围内变动，若假定所用的超导体带材宽度为d，则一般可以采用宽度为d～2d的耐低温非金属编织网3进行绕包。另一方面，耐低温非金属编织网3的厚度一般不宜大于0.5mm，也就是说，耐低温非金属编织网3的丝径不宜大于0.5mm，否则会影响整体的换热效果。

与上述第一个实施例相同的是，耐低温非金属编织网3与超导带材1之间也可以是普通接触贴合，也可以通过在超导带材1端部绑扎细线对贴合效果进行加权，也可以利用内圈超导带材1与外圈超导带材1之间压紧力对贴合进行加固。

无磁金属编织网2与超导带材1之间可以是普通接触贴合，但为了使贴合更牢固，也可以通过在超导带材1端部绑扎细线的方式进一步使两者贴合。在绕制超导线圈的过程中，也可以利用内圈超导带材1与外圈超导带材1之间压紧力对无磁金属编织网2的贴合进行加固。

以下为本申请第二个实施例提供的具体应用实例：

超导带材1可以使用ST-12-L型钇钡铜氧(Yttrium barium copper oxide，YBCO)带材，带材宽度为12mm，厚度为0.3mm，采用不锈钢封装，具有较高的室温电阻率，适用于制作电阻型超导限流器。耐低温非金属编织网3可以采用玻璃纤维，网孔面积约为6mm²，丝径约为0.2mm，玻璃纤维编织网的宽度为12mm，采用绕包方式包覆在超导带材1的表面，相邻包覆层间隙(即绕包间隙)为1mm。玻璃纤维编织网与超导带材1之间为普通接触连接，通过绕制成线圈后外圈超导带材1压紧内侧超导带材1的方式进行固定，端部由细的玻璃纤维丝线进行绑扎固定。

下面结合图3对本申请提供的超导带材表层的应用效果进行说明，图3为设置有无磁金属编织网的超导带材、设置有耐低温非金属编织网的超导带材与原始超导带材的失超恢复曲线对比图。

失超恢复是指超导带材1从常规有电阻状态转变为零电阻超导态的过程。通过对比实验可以看出，在同等实验条件下，没有设置本申请提供的超导带材表层的原始超导带材1从有电阻状态恢复至超导态需要1.1s，设置有无磁金属 编织网2的超导带材1从有电阻状态恢复至超导态需要0.5s，设置有耐低温非金属编织网3的超导带材1从有电阻状态恢复至超导态需要0.7s。可见，设置本申请提供的超导带材表层的超导带材1的失超恢复时间能够得到有效较小，提高了超导带材1的热稳定性，对于超导限流器、超导电缆、超导变压器等超导电力装置的应用具有重要意义。

进一步的，可以看到，设置有无磁金属编织网2的超导带材1比设置有耐低温非金属编织网3的超导带材1具有更强的失超恢复能力，其原因在于无磁金属编织网2的热导率较高，等效于增加了超导带材1与液氮间的热传导面积，而耐低温非金属编织网3的热导率较低，在某种程度上阻碍了超导带材1和液氮间的热传导。但是，耐低温非金属编织网3相比无磁金属编织网2具有良好的电气绝缘性能，因此在超导限流器、超导变压器等场合同样具有应用价值；无磁金属编织网2能够提高整体的热稳定性，在超导电缆等场合具有应用价值。

本申请实施例提供了一种超导带材表层，该超导带材表层具有编织网结构，可以设置于超导带材的表面。当超导带材处在正常电阻态并产生大量热量时，其周边的液氮被大量汽化，由于超导带材的表面设置了编织网结构的超导带材表层，汽化的液氮无法在超导带材表面形成大面积的蒸汽层，只能在编织网的作用下形成气泡；气泡能够较快的扩散开，从而使得超导带材与液氮间的热交换效率大大提高。

本申请实施例还提供了一种超导带材，该超导带材表面设置有上述任一种超导带材表层。

本申请实施例还提供了一种超导线圈，该超导线圈由本申请提供的超导带材绕制而成。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的 那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。