CN101996712B

CN101996712B - 用于将超导负载系统连接到电流馈送点的高温超导体电线

Info

Publication number: CN101996712B
Application number: CN201010250624.0A
Authority: CN
Inventors: T·阿恩特; M·蒙茨; A·奥贝尔; B·赛勒
Original assignee: Bruker HTS GmbH
Current assignee: Bruker HTS GmbH
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101996712A; EP2284845B1; EP2284845A1; US8340737B1; US20120309631A1; DE102009028413A1

Abstract

一种用来将超导负载系统(5)，具体地说励磁线圈，连接到电流馈送点(3a)的电线(1)，该电流馈送点(3a)处于比负载系统(5)高的温度下，该电线(1)包括：-扁平的细长载体(6)，和-多个机械平行和电并联的高温超导体(HTSC)(10)，其中，HTSC(10)并排设置在载体(6)上，其特征在于，-载体(6)由不锈钢制成，-多个HTSC(10)均并排地设置在载体(6)的两个相对的载体侧上，以及-载体(6)按具有切口(15；15a-15d)的板的形状构成。本发明提供一种具有高安培容量和低导热性的电线，该电线在HTSC中超导性失效的情况下，提供改进的紧急传导性能。

Description

用于将超导负载系统连接到电流馈送点的高温超导体电线

技术领域

本发明涉及一种用来将超导负载系统，具体地说励磁线圈，连接到电流馈送点上的电线，该电流馈送点处于比负载系统高的温度下，该电线包括：

-扁平的细长载体，和

-多个机械平行和电并联的高温超导体(HTSC)，

其中，各HTSC并排设置在载体上。

背景技术

概况的现有技术公开在DE 102005058029A1中。

超导负载系统被用在(通常强的)电流必须以低电阻流动的任何地方。一种重要的超导负载系统是超导励磁线圈，这些超导励磁线圈用来产生强磁场，例如，用于NMR波谱仪或MRI断层扫描仪(tomographs)。超导负载系统为了操作必须保持在低温下，从而在负载系统中的超导材料可保持在其临界温度Tc以下。为此，超导负载系统必须用低温冷却器致冷；提供冷却功率所要求的必要冷却功率或能量是显著的成本因素。

在起动期间或者也在操作期间，电流馈送到超导负载系统中。为此目的，使用电线。电线因此应该向电流路径提供良好的导电性。电线将电流馈送点连接到在低温下的超导负载系统上。

因为电流源(例如地方电网)通常在室温下提供它们的连接，所以电线总是将导热路径提供给超导负载。相关的热量输入增大了超导负载的冷却功率要求。

通常，为电源提供分级冷却。离电流馈送点最近的电线第一端部或对应的第一连接元件，由第一低温冷却器或低温冷却器的第一级保持在中低温度下(例如，50至90K)。靠近超导负载的电线第二端部或对应的第二连接元件，由第二低温冷却器或低温冷却器的第二级保持在用于超导负载的温度下(通常1至30K)。这种分级冷却已经显著地减小冷却功率要求。

在DE 102005058029A1中公开的电线是包括两块相同板的FRP(玻璃纤维增强塑料)载体，在这两块相同板之间，设置带条形的、相互平行的高温超导体(HTSC)。各HTSC在FRP载体的纵向方向上延伸。HTSC的每个端部均与连接元件导电地相连接。每个带条形HTSC均包括正常地传导的电流路径。

这种电线的缺点是相对于尺寸的较低超导电流容量，并且此外，如果在HTSC中不再保证超导性(猝熄(quench))，则紧急传导性能很弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高电流容量和低导热性的HTSC电线，该HTSC电线在HTSC中超导性失效的情况下，提供改进的紧急传导性能。

这个目的由上述类型的电线实现，该电线的特征在于，

-载体由不锈钢制成，

-多个HTSC均并排地设置在载体的两个相对的载体侧上，以及

-载体按具有切口的板的形状构成。

本发明提出HTSC电线的重新设计，通过这种重新设计，大大地改进电流传导的性能。本发明的电线具有多个高温超导体(HTSC或HTSC导线)，这些高温超导体的临界温度是Tc≥30K。与正常操作相关的超导电流容量由HTSC确定。载体用作用于(通常带条形的)HTSC的支撑件，并且提供机械基础框架。导热性能也由载体确定。

根据本发明，载体由不锈钢制成。如果在HTSC中的一个或多个上不再保证超导性(在猝熄的情况下)，则由不锈钢制成的载体由于其欧姆导电性而保持电流容量的电流路径，从而可较好地控制在猝熄起始的位置处的局部热量产生，因而能够保护HTSC免受由于过电压和过电流造成的损害。在每个单独的HTSC中的正常传导电流路径(它在现有技术中是通过HTSC的热量输入的主要源)在本发明中可将尺寸设定成显著较窄，因为它在猝熄的情况下，通过在载体中的电流路径而释放负载。在极端情况下，正常传导电流路径实际上是不必要的，并且可被消除。

同时，不锈钢具有相对低的导热性(相对于其导电性而言)，从而这已经保证，进入超导负载中的热量输入非常低。在载体中的切口使得通过致冷用户系统借助本发明的电线输入的热量流动进一步最小化。切口本身减小在电线中存在的导热路径，同时在切口周围在载体中产生用于热传导的瓶颈。本发明的措施使得用来对连接的超导负载系统进行冷却的成本得以降低。切口还能减小对于载体的重量和材料的要求。

由于本发明的通过安装HTSC而双侧使用载体，大量HTSC可装配在电线中。本发明电线的有用的超导电流容量因而相应地很大。

在本发明中，在电线的功能性方面将载体包括到更大程度，并且由载体的结构产生的性能在电线的设计中得到更大程度的考虑，允许电线性能的简单改进。

具有切口的板形载体基本上是扁平的、细长的以及立方体形的。板形载体的外部宽度、外部高度以及外部长度构成(最小)包络立方体，板形载体将大致装配到该包络立方体中。在这个立方体(就是说，由外部宽度、外部高度以及外部长度限定的空间)中未被载体材料占据的区域是载体的切口。在本发明中，外部宽度与外部高度的比值通常是3∶1或更大，而外部长度与外部宽度的比值通常是4∶1或更大。

在本发明电线的一个优选实施例中，由载体的外部长度、外部宽度以及外部高度限定的空间的至少40％，优选地至少60％，由切口占据。与不具有切口的板形(扁平且细长的、立方体形的)载体相比，因为切口的这个比例和伴随的材料的减少，可实现至少类似比例的热量流动的减少。

如下实施例也是优选的，在该实施例中，提供载体长度的一个或多个分段，在这些分段中，由载体的外部宽度和外部高度限定的横截面面积的至少70％，优选地至少85％，由切口占据。就它们的横截面面积而论，符合所述条件的一个或多个分段优选地占据载体的外部长度的至少10％，特别优选地至少25％。根据这个实施例，一个或多个“瓶颈”提供在载体中，在该载体中，与由载体的外部高度和外部宽度限定的横截面面积相比，有助于热传导的横截面面积(与纵向尺度相垂直)局部地减小。一个或多个瓶颈通常确定和限制载体的热传导，从而在载体设计的其它方面中，可优先考虑其它要求(如机械稳定性)。

如下实施例也是优选的，在该实施例中，载体按曲折形状构成。曲折形状由切口实现，这些切口形成为从载体的竖直侧之一开始，就其纵向方向而论横过载体的全部高度，并且在纵向方向上在各竖直侧之间交替。具体地说，切口可在相对的竖直侧的方向上超越载体的中心延伸。曲折形状使热传导路径显著地比载体的外部长度长，并且热阻相应地更高。

在一个有利的实施例中，切口的至少一些在载体的纵向方向上构成为槽口，在这些槽口的每一个中均设置一个HTSC。纵向槽口便于HTSC的定位。细长槽口的侧壁保护HTSC免于机械损坏。

本发明电线的一个特别优选实施例的特征在于，载体由U形截面体制成，该U形截面体在载体的一个竖直侧上是敞开的。

换句话说，载体基于U形截面体。U形截面体有利地在支腿侧(外部侧)上提供大的面积，该支腿侧可用作用于HTSC的支撑件，具有小的载体材料横截面。

在这个实施例的进一步变形中，U形截面体的外部侧每个均具有曲折形槽口。按这种方式，热传导路径与U形截面体的外部长度相比，被有效地加长。

以上描述实施例的进一步变化形式也是优选的，在这种变化形式中，与纵向方向横交的槽口提供在U形截面体的基部侧上，这些槽口分布在载体的纵向方向范围内。这些槽口减小由载体材料局部地占据的U形截面体的横截面，这又减小沿U形截面体的热量流动。

如下实施例也是特别优选的，在该实施例中，电线具有具体而言由铜制成的两个连接元件，这两个连接元件在载体的纵向端部的区域中焊接到载体上。通过连接元件，电流传导到HTSC中；电线通常也通过连接元件冷却。作为用于连接元件的材料的铜以低成本提供高导电性。为了将连接元件软焊到载体上，通常使用包含银的焊料，这些焊料良好地适于铜连接元件。优选地使用L-Ag72型的焊料。连接元件被装配到载体上，例如通过在端面处的对接。扁平凹口也可提供在连接元件中，与载体形成近似台阶形接触表面。横向槽口也可设想成，该横向槽口铣削到连接元件中，并且在载体的外部侧上找到突起，该突起作为配合元件，或者反之亦然。

在本发明装置的一个实施例中，HTSC按带条形状构成，并且具体地说，平放在载体侧上。这种构造提供HTSC保护，因为可能经受机械负载的表面保持得很小。况且，这种布置提供在HTSC与载体之间的大的接触表面。可选择地，也可使用圆导体类型的HTSC。

如下实施例也是优选的，在该实施例中，HTSC包含：

-Bi-2212或Bi-2223，具体地说，在上述两种情况的任一种情况下，是具有Ag或Ag/Au涂层的PIT(在管子中的粉末)类型的；

-或者YBCO，具体地说，是“涂敷的导体”类型的；

-或MgB₂。

这些材料已经证明它们在实际中具有价值，并且可被非常好地包括在本发明中。

本发明的其它优点可从说明书和附图得出。同样，根据本发明的以上叙述的特征和以下叙述的特征可单独地或按任何组合多重地使用。示出和描述的实施例不用于作为穷举性清单，而是作为说明本发明的例子。

附图说明

本发明表示在附图中，并且使用例子进行更详细地解释。附图表示：

图1是本发明电线的示意图，该电线连接到电流源和超导负载上；

图2a是用平面视图表示的本发明电线的示意图；

图2b是在图2a的平面视图中的本发明电线的示意图，但没有HTSC；

图2c是根据图2a沿横断平面A-A的图2a的电线的示意纵向截面图；

图2d是根据图2c沿横断平面B-B的图2a的电线的示意横向截面图；

图2e是根据图2c沿横断平面C-C的图2a的电线的示意横向截面图；

图3是用于本发明的在载体与连接元件之间的对接焊接连接部的示意纵向截面图；

图4是用于本发明的在载体与连接元件之间的台阶形焊接连接部的示意纵向截面图；

图5a是本发明的另一种电线的示意立体图，该电线具有曲折形载体和纵向槽口，没有示出HTSC；

图5b示出图5a的电线，其中具有HTSC；

图6是用于本发明电线的一种载体的示意立体图；

图7是用于本发明电线的另一种的载体的示意立体图，该载体基于具有梳状外部侧的U形截面体；

图8a是另外的本发明电线的示意立体图，基于在外部侧中具有曲折槽口的U形截面体，没有表示HTSC；

图8b示出图8a的电线，其中具有HTSC。

具体实施方式

图1示意地表示一种构造，在这种构造中，超导负载5(在这种情况下为超导磁铁)通过本发明的电线1连接到电流馈送点3a上。

第一导体2(例如铜导体)从电流馈送点3a(它在这种情况下在室温下并且提供在电流源3上)到达电线1的第一端部1a；在那里，提供第一连接元件(未更详细地表示)。在第一端部1a的区域中，连接件5a提供在第一低温冷却器(未示出)上，该第一低温冷却器将第一端部1a冷却到近似50至90K(对于在HTSC中的MgB2而言最大35K)的中低温度T1。温度T1应该在电线1中的HTSC的临界温度以下。

在电线1的第二端部1b处，设有用于第二低温冷却器(未表示)的连接件5b，该第二低温冷却器将第二端部1b冷却到近似1至30K的低温T2；温度T2应该至少近似地与超导负载5的操作温度一样冷。作为第一和第二低温冷却器的替代方式，也可以使用具有第一和第二冷却级的一个低温冷却器(未示出)。

在第二端部1b处构造的连接元件(未示出)由第二导体(例如HTSC电缆或低温超导体电缆)连接到超导负载5上。

图2a至2e表明本发明电线1的第一实施例。

如可从平面视图2a和从纵向截面图2c(参考在图2a中的横断平面A-A)看到的那样，电线1包括载体6，该载体6由不锈钢(“扁平钢支撑件”)制成，具体地说，由钢DIN 1.4306、DIN 1.4404、DIN1.4571、DIN 1.4435、AISI 316L、AISI 304L、或AISI 316LN制成，该载体6在其纵向端部处焊接到连接元件7上。连接元件7具有电位抽头(potential tap)9和用来安装电流触点的钻孔8。

在载体6的顶部侧和下侧两者上，都设置多个(在这种情况下五个)高温超导体(HTSC)10，这些高温超导体10借助于焊接连接部与载体6和与连接元件7两者相连接。使用的焊料优选地是SnAg4焊料。也可使用具有熔点＜200℃的焊料(例如，来自Fusion GmbH的焊料，SSX 430-830型焊膏)。

载体6用作用于HTSC 10的支撑件，并且承接作用在电线1上的机械负载。必须注意，载体6和HTSC 10应该具有类似的热膨胀性能，这是因为，否则的话，由于由温度波动引起的不同膨胀，特别是在电线的初始冷却期间，可能发生损坏。

如可从图2b(它表示在省去HTSC的情况下图2a的平面图)和图2c看到的那样，载体6具有多个切口15，这些切口15相对于载体6的纵向方向(纵向方向在图2a、2b以及2c中从左到右延伸)垂直地延伸。在所示的实施例中，总共十七个切口15分布在载体6的外部长度AL上。

图2e表示在切口15的高度处穿过电线1的横向截面(参考在图2c中的横断平面C-C)。具有外部高度AH和外部宽度AB的载体6的外部轮廓限定一横截面面积，该横截面面积仅在横向腹板处由载体材料占据；所限定的横截面面积的近似80％由切口15占据。在沿载体6纵向方向上的相关联的分段20中，就是说，在每个切口15的纵向尺度上(参考图2b和2c)，热传导因此受到严重限制，因为它只可通过两个腹板的“瓶颈”发生。切口15在竖直方向上是连续的。HTSC10的大多数完全桥接切口15；边缘HTSC部分地位于腹板上。

图2d表示在两个切口之间穿过电线1的横向横截面(参考在图2c中的横断平面B-B)。在这个区域中，由外部高度AH和外部宽度AB限定的整个横截面面积由载体材料占据。在这个区域中，HTSC 10直接位于载体6上，并且在这个实施例中焊接到载体6的表面上。

图3按纵向剖视图示出将连接元件7安装到载体6上作为本发明的一部分的第一种可能性。载体6和连接元件7在它们的面对的端部(对接端部)处焊接在一起。

焊接连接部16(与焊接连接部的形状无关)优选地用包含银的焊料实施，具体地说用L-Ag72型焊料实施。连接元件7(与焊接连接部的形状无关)优选地由Ag、Cu或Au、或所述材料的各种合金制成；选择性地，连接元件7可涂有材料Ni、Ag或Au中的一种。

连接元件7的一种可选择性的安装在图4中描绘。在这种情况下，载体6和连接元件7每个均在纵向截面中形成近似L形边缘，从而近似S形(台阶形)接触表面设置在两个部件之间。焊接连接部16a在整个S形接触表面上延伸，并且显著地比在仅在端面上接触的情况下的接触表面大。

本发明电线1的第二实施例按示意立体图表示在图5a(没有HTSC)和图5b(具有HTSC)中。

电线1的载体6具有曲折形结构。每个交替切口15均从两个相对的竖直边缘70a、70b伸到由载体6的外部长度AL、外部高度AH以及外部宽度AB限定的空间中。切口15在整个外部高度AH上延伸(就是说，切口在图5a中的竖直方向上是连续的)。因此载体6的一些分段与纵向尺度相平行地(参考分段20)延伸，而另一些分段相对于载体6的纵向尺度横交地延伸；载体6因此按曲折路径延伸。在完全曲折形载体6的情况下，如这里描述的那样，这个曲折路径的长度为载体6的外部长度AL的近似三倍长，这提供相应较高的热阻。

在载体6的、相对于载体的纵向尺度横向延伸的分段中，另外的切口，就是说纵向槽口11，构成在载体6的顶部侧和下侧中(例如，通过铣削)。

如在图5b中看到的那样，在这种情况下，纵向槽口11具有与HTSC 10的高度近似相对应的深度，这些HTSC 10设置在载体6上。HTSC 10被携带在纵向槽口11中，这便于制造，并且HTSC 10由纵向槽口11的侧壁机械地稳定和保护。纵向槽口11也减小载体6沿曲折路径的热传导性。

图6表示用于本发明电线的载体6的示意立体图，该载体6与图2b的载体6相类似。基本上扁平的、细长的、立方体形的载体6具有多个切口15，这些切口15分布在纵向尺度上，穿过载体的全部高度切成并留下横向腹板(以保证机械完整性)。

图7表示用于本发明电线的另一种载体6的立体图。

载体6基于U形截面体，该U形截面体具有在竖直侧70a处的基部，并且在相对的竖直侧70b处敞开。U形截面体的支腿构成载体6的顶部侧和下侧(外部侧)90、91，在该顶部侧和下侧90、91上设置HTSC(未表示)。

外部侧90、91设置成从背对基部的竖直侧70b开始，具有在横向方向上延伸的槽口状切口15a。槽口状切口15a显著地减小载体6在纵向方向上的热传导性。在载体6的U形截面体的内部中的敞开区域，形成在由图7的载体6的外部宽度AB、外部高度AH以及外部长度AL限定的空间(体积)中的最大切口15b。

在载体6基于U形截面体的情况下，由外部宽度AB、外部高度AH以及外部长度AL限定的空间被载体材料的占有率特别低，就是说，这个限定的空间主要由切口15a、15b占据(在这种情况下大于90％)，并因此热传导相应地很低。

外部高度AH是优质钢载体6延伸过的高度范围(在载体6的整个纵向尺度上看到)。外部宽度AB是优质钢载体6延伸过的宽度范围(在载体6的整个纵向尺度上看到)。外部长度AL是优质钢载体6延伸过的长度范围(在载体6的整个竖向尺度和纵向尺度上看到)。外部高度AH、外部宽度AB以及外部长度AL按直角测量。扁平的、细长的立方体由相对于载体6的外部轮廓存在的外部长度AL、外部宽度AB以及外部高度AH构成(“限定的空间”)，载体6大致装配到其中。

本发明电线1的另一个实施例表示在图8a(没有HTSC)和图8b(具有HTSC)中。

电线1同样具有基于U形截面体的载体6(类似于在图7中的载体)。U形截面体的支腿构成载体6的顶部侧和下侧(外部侧)90、91，在该顶部侧和下侧90、91上设置HTSC 10。

外部侧90、91每个均具有切口15c，这些切口15c呈曲折形槽口的形状。这减小载体6在纵向方向上(朝外部长度AL的方向)的热传导。

此外，设有缝隙状切口(槽口)15d，这些缝隙状切口15d相对于在U形截面状载体6的基部侧的竖直侧70a中的纵向方向横向地延伸。这也减小了在基部区域中在纵向方向上的热传导。

最大切口15b由在载体6的U形截面的内部中的自由区域构成。

注意，在用来保护HTSC的本发明电线上，为了电绝缘，HTSC带状导体区域可封装在环氧树脂中，如在Stycast 1266中，和/或包裹在Kapton带中。

附图标记清单

1 电线

2 导体

3 电流源

3a 电流馈送点

4 导体

5 超导负载系统

5a 用于低温冷却器的连接件

5b 用于低温冷却器的连接件

6 载体

7 连接元件

8 钻孔

9 电位抽头

10 HTSC

11 纵向槽口

15 切口

15a-15d 切口

16、16a 焊接连接部

20 分段

70a、70b 竖直侧

90 外部侧

91 外部侧

AB 外部宽度

AH 外部高度

AL 外部长度

Claims

1.用来将超导负载系统(5)连接到电流馈送点(3a)的电线(1)，该电流馈送点(3a)处于比负载系统(5)高的温度下，该电线(1)包括：

-扁平的细长载体(6)，和

-多个机械平行和电并联的高温超导体(10)，

其中，高温超导体(10)并排设置在载体上(6)，

其特征在于，

-载体(6)由不锈钢制成，

-多个高温超导体(10)均并排地设置在载体(6)的两个相对的载体侧上，以及

-载体(6)按具有切口(15；15a-15d)的板的形状构成。

2.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，由载体(6)的外部长度(AL)、外部宽度(AB)以及外部高度(AH)限定的空间的至少40％由切口(15；15a-15d)占据。

3.根据权利要求2所述的电线(1)，其特征在于，所述空间的至少60％由切口(15；15a-15d)占据。

4.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，提供载体(6)的长度的一个或多个分段(20)，在这些分段(20)中，由载体(6)的外部宽度(AB)和外部高度(AH)限定的横截面面积的至少70％由切口(15；15a-15d)占据。

5.根据权利要求4所述的电线(1)，其特征在于，所述横截面面积的至少85％由切口(15；15a-15d)占据。

6.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，载体(6)按曲折形状构成。

7.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，切口(15)的至少一些在载体(6)的纵向方向上构成为槽口(11)，在这些槽口(11)的每一个中，设置一个高温超导体(10)。

8.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，载体(6)由U形截面体制成，该U形截面体在载体(6)的一个竖直侧(70a)处是敞开的。

9.根据权利要求8所述的电线(1)，其特征在于，U形截面体的外部侧(90、91)均具有曲折形槽口(15c)。

10.根据权利要求8或9所述的电线(1)，其特征在于，在U形截面体的基部侧上，设有在载体(6)的纵向方向范围内分布的、与纵向方向横交的槽口(15d)。

11.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，电线(1)具有两个连接元件(7)，这两个连接元件(7)在载体(6)的纵向端部的区域中焊接到载体(6)上。

12.根据权利要求11所述的电线(1)，其特征在于，所述两个连接元件(7)由铜制成。

13.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，高温超导体(10)按带条形状构成。

14.根据权利要求13所述的电线(1)，其特征在于，高温超导体(10)平放在载体侧上。

15.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，高温超导体(10)包含：

-Bi-2212或Bi-2223；

-或YBCO；

-或MgB₂。

16.根据权利要求15所述的电线(1)，其特征在于，高温超导体(10)包括YBCO并且是“涂敷的导体”类型的。

17.根据权利要求1所述的电线(1)，其特征在于，所述超导负载系统(5)是励磁线圈。