CN102623130A - 超导接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导接头。一种冷却超导接头包括：接头杯体；在所述接头杯体中缠绕在一起的超导导线；以及与所述超导导线相接触的、填充所述接头杯体的超导材料。所处超导接头与承载制冷剂的管热且机械接触。所述管延伸到所述接头杯体中，并且在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述管延伸。在可替换的装置中，所述承载制冷剂的管可以被固态热导体替代。

Description

超导接头

技术领域

本发明涉及一种超导接头。

背景技术

已知生产相对大的超导导线的电磁体以便在例如磁共振成像（MRI）系统中使用。已知用于MRI系统的磁体可以为直径2m、长度1.5m，并且包括数十千米的导线。虽然已知若干种其它设计，但是通常，磁体由若干个相对短的线圈所组成，所述线圈沿圆柱磁体的轴线轴向间隔开，并且本发明并不局限于任何特定的磁体设计。

这样的超导磁体正常情况下并非由单段的超导导线进行缠绕。如果使用若干个单独线圈，则它们通常单独生产并且在磁体组装期间被电气接合在一起。即使在单个线圈之内，也经常必须将若干段导线接合在一起。

超导导线之间的接头难以制造。最优地，接头本身将是超导的－也就是说，在磁体工作时具有零阻抗。这通常是有所折衷的，并且具有小电阻的“超导”接头通常得以被接受。

普遍已知的制造超导接头的方式是取多段超导导线，并且在其端点或接近端点处的一段从超导丝（filament）剥去任何外部覆层，所述外部覆层通常为铜。

接着可以将两条导线的超导丝绞接在一起。接着将所产生的绞接丝卷入接头杯体（joint cup）：通常为铜或铝的相当浅的容器。

可替换地，在卷入接头杯体之前可以将所述丝进行编织而非绞接。

在其它装置（arrangment）中，导线的丝可以简单地并排放置而无需彼此接触，并且被置于接头杯体中。接着如以下所描述的那样制成超导接头。

所述接头杯体随后被用超导材料填充，该超导材料通常为液态Wood金属，其进行冷却和固化以将所述丝嵌入超导块中。

典型的接头杯体可以是在一端封闭的圆柱体容器。图1示出了常规的接头杯体10，利用导线12的绞接在一起的超导丝14而将所述导线12引入所述接头杯体10中。在图1中，所述丝既没有被绞接也没有被编织在一起。所述接头杯体通常被填充以诸如熔融的Wood金属之类的液态超导接头材料28。随后允许或使得所述超导接头材料得以固化。

本发明并非寻求改变任何这些特征或方法步骤，而是在实质上涉及接头杯体本身。

常规地，超导磁体已经通过部分浸入液态制冷剂（典型地为氦）槽中而被冷却。这将线圈保持在它们的超导转变温度以下的温度。通过将超导接头浸入液态制冷剂之内，它们还可以被保持在超导转变温度以下。

然而，由于成本高并且在一些情况下浪费制冷剂，磁体近来的设计已经避免了制冷剂槽。这些设计可以被提供有制冷回路或热虹吸管：其是与磁体热接触的承载循环制冷剂的热传导管状物。循环制冷剂被冷却并随后引入管状物中，在所述管状物处它从磁体抽取热量。所述制冷剂接着膨胀或沸腾，并通过热对流循环回贮存器，在那里它被重新冷却。循环可以由重力引发或者可以借助于诸如泵之类的任何适当手段。所需要的制冷剂量远远小于采用制冷剂槽的装置中的制冷剂量。磁体线圈的冷却经过管状物的壁，并且可能经过诸如线圈架（former）之类的支撑所述磁体线圈的结构的材料通过传导来进行。

在这些情况下，接头的冷却与更为常规的浸入液态制冷剂相比效果较差。

发明内容

因此，本发明寻求一种改进的超导接头以及用于对超导接头进行冷却以使得所述超导接头能够在磁体中充分冷却的方法，所述接头并未通过浸入液态制冷剂而进行冷却。

为了制造低制冷剂用量（inventory）的超导磁体（也就是说，并不依赖于通过浸入制冷剂槽进行冷却而是通过例如在热虹吸管或冷却回路中制冷剂量有所减少来进行冷却的那些超导磁体），必须要产生无需通过浸入制冷剂中进行冷却的适当冷却的超导接头。

对于该问题的一种方法是使用柔性热导体，诸如将接头热链接到制冷器的铜或铝的编织物或薄片，或者通过使用电气隔离粘接层将超导接头附接到冷却组件上。后一种方法例如在GB2453734（等同于US2009/0101325A1）中有所描述。

该后一种选项的困难在于在保持足够的热传导以便有效冷却超导接头的同时实现充分的电气隔离。如GB2453734中所描述的一些示例中所看到的，这通常在冷却组件和超导接头之间产生多个接口。

共同未决的英国专利申请号GB1011475.9中描述了另一种方法，其中超导接头被形成为与冷却组件热接触，但是通过电气隔离层与之隔离开来。

该文档提出了有所改进的超导接头以及用于形成超导接头的改进方法，其中仅在超导接头和冷却组件之间放置单个电气隔离涂层。与之前所采用的电气隔离层相比，该电气隔离涂层可以更薄但是热传导性更高。

本发明试图通过提供如所附权利要求中所限定的超导接头来对这些较早结构进行改进。

附图说明

通过以下结合附图对特定实施例所进行的描述，本发明的以上和其它目的、特征以及优势将变得更加显而易见，其中：

图1示出常规超导接头，其使用用于填充Wood金属的接头杯体；

图2示出通过本发明实施例的示意性截面图；

图3示出图2的实施例的透视图；

图4A-4C图示由多个相同零件所组装的接头杯体的实施例；

图5示意性图示根据本发明实施例的通过热虹吸管回路进行冷却并且被提供有多个超导接头的超导磁体结构的部分轴向截面图示例；以及

图6示出通过根据本发明可替换实施例的超导接头60的示意性截面图。

具体实施方式

本发明提供了一种超导接头，与以上所提到的常规装置的那些相比，所述超导接头被有效冷却并且占据较小空间。本发明允许大量接头被安装于低制冷剂用量的超导磁体系统中并且得以有效冷却。

如以上所讨论的，低制冷剂用量的超导磁体通常通过热虹吸管进行冷却，热虹吸管是与磁体热接触的热传导管并且环绕闭合回路承载制冷剂，制冷剂在所述闭合回路中被重复冷却和重复循环。

特别地，本发明提供了一种超导接头，其直接与热虹吸管的传导管热接触。如果所述管为导电材料，则在形成超导接头之前在所述管的适当表面区域应用电气绝缘涂层。在可替换实施例中，所述热虹吸管或至少其适当的部分为非导电材料，在这种情况下，就不必在所述管的表面上提供电气绝缘涂层。

图2示出通过本发明的实施例的示意性截面图，并且图3示出类似的透视图。

根据本发明的该实施例，超导接头18包括接头杯体20，所述接头杯体20在其基座中具有孔22。热虹吸管24穿过接头杯体20的基座中的孔22。这是通过沿管24将接头杯体滑入接头的期望位置而实现的。如实质上参见现有技术和图1描述的，超导导线12的丝14被置于接头杯体中。所述丝可以被铰接或编织在一起，或者不进行铰接或编织。至少在接头杯体10的附近，热虹吸管24被提供有电气隔离涂层26。这可以是氧化铝或陶瓷在铜管上的喷涂沉积，铜管上化学产生的氧化铜层，或者是例如通过阳极氧化而在铝管上喷涂或形成的氧化铝层。可替换地，例如可以通过喷涂而在管的相关表面上形成环氧树脂层或类似的层。

所述接头杯体被填充有熔融的超导材料28，诸如Wood金属，其随后允许被冷却和硬化。该步骤本质上是常规的。

在使用中，图2-3的结构通过流过管24的制冷剂而被冷却至制冷温度。在冷却中，假设已经选择了具有适当的相对热扩散系数的材料，超导材料28将在管24上收缩，从而确保超导材料28和管24之间紧密的机械对接，它们之间具有电气绝缘层26。

这在制冷剂和接头之间提供良好的热连接，接头的超导材料28仅通过管24的材料和电气绝缘层26与制冷剂隔离开来。

虽然电气绝缘层26必须能够经得起在骤冷（quench）期间可能出现的例如高达5kV的大电压，但其可以相对薄。这样的陶瓷或环氧层可以被喷涂在管上。诸如由Emerson & Cuming在品牌STYCAST?下出售的那样一些之类的一些环氧树脂具有比通常的导热性更大的导热性，并且被认为可以用在该应用之中。

如图2和3所示，所述接头杯体可以具有环绕孔22外围的边缘（lip）30。优选地，边缘30具有截头锥形式，该截头锥形式的较窄端远离孔22的边32。在可替换实施例中，如所图示的，边缘30可以定向为伸入杯体体积之内，或者可以以相反方向远离杯体体积进行定向（未示出）。优选地，形成所述边缘以使得在形成超导接头之前其将所述杯体保持在管状物上的适当位置，并且防止任何熔融的超导材料28在形成超导接头时漏出接头杯体。还应当形成所述边缘以使得其在被设置于管上之时并不损坏电气绝缘层26。

在图4A-4C所示的可替换实施例中，提供了接头杯体40，其被划分为两个或更多的零件42。优选地，如图4A-4C所示，可以使用多个相同的零件，并且将它们组装在一起以形成接头杯体40。

在所图示的实施例中，在接头杯体40的每一零件42的边缘形成闩锁结构（latching formation）43、44，使得它们能够组装在一起。而且优选地并且如图所示，每一零件的基座被提供有重叠突起45，其帮助于接头杯体的基座处在各零件42之间对接头进行密封，以防止熔融的超导材料在形成超导接头期间泄露。除此之外或可替换地，至少直到超导接头形成为止，可以环绕接头杯体部件的外围应用夹具（clamp）。在一些实施例中，闩锁结构43、44可以皱缩在一起以在接头杯体的部件之间提供更为安全的密封和接头。

利用这样其中接头杯体40由多个优选相同的部件所构成的实施例中，无需沿管滑动接头杯体，相反可以在期望位置由部件组装接头杯体。损坏电气绝缘层26的风险由此得以降低。

诸如通常使用的Wood金属的一些超导材料在其熔融状态时具有非常高的表面张力。这有助于防止任何熔融的超导材料从在接头杯体的各部件之间的接合处泄露，或者有助于在接头杯体和管之间的对接。

图5示意性图示根据本发明实施例的通过热虹吸管回路进行冷却并且被提供有多个超导接头的超导磁体结构的部分轴向截面图示例。

如所示出的，提供在这种情况下沿轴线A-A轴向对齐的多个超导导线的线圈50。示出了制冷剂管24的一部分，所述制冷剂管24自身是冷却回路装置的一部分。虽然轴线A-A在该示例中意在是水平的，但是管24被提供有微小的梯度以协助制冷剂环绕制冷回路的重力馈送循环。沿所述管形成多个超导接头18。如以上所讨论的，通常需要构成每个线圈的若干条超导导线之间的接头，以及线圈之间的接头，从而所需超导接头的数量通常明显超过所提供线圈的数量。在图中并未示出从线圈50向接头18延伸的超导导线，并且也没有示出超导材料28。在诸如图5所示的装置中，当磁体竖着（其中轴线A-A垂直）时更简易地利用超导材料填充接头杯体20。这在这种磁体的制造过程中是常见步骤。

在使用中，在向磁体应用任何电流之前，超导接头18将被冷却为低于其超导转变温度。因此，在每个接头18中消散的功率数量应当是可以忽略不计的，这意味着冷却回路上来自超导接头的稳定状态的热负载应当是相对小的。如本领域所公知的，这种情形并不在骤冷的情况下应用，但是并不与本发明直接相关。

图6示出通过根据本发明可替换实施例的超导接头60的示意性截面图。在该实施例中，承载制冷剂68的管24被提供有分支（spur）62，所述分支62从管延伸离开但是具有朝管24内部开口的内部空腔64，从而在管包含制冷剂时容纳制冷剂68。在该实施例中，接头杯体66在其基座中并不具有孔，并且分支62通过其开口端70延伸入接头杯体的体积之中。分支62或者至少其将与超导材料28相接触的部分被涂覆有电气绝缘层26。这可以以任何材料并且通过参见图2和3的实施例所讨论的任何方法来形成。

接头60可以通过以下方法来产生。如本质上为常规的，待接合的超导丝14被剥去其保护外护套，可选地被铰接或编织在一起，或者不进行铰接或编织，并且被置于接头杯体66中。通常，所述丝被盘绕以便安装进接头杯体。优选地，这是以分支62通过导线线圈的中心延伸的方式来执行的。接着，熔融的超导材料28被倒入接头杯体以覆盖超导丝14并且填充接头杯体至期望深度，足以与分支62的期望长度相接触。在该实施例中，必须要提供保持装置（未示出）以将接头杯体固定在适当位置，在其相对于管24的期望位置处，直至超导材料28已经固化为止。

图6的装置优于图2和3的装置的优势在于其并不需要接头杯体基座中的孔，排除了从这样的孔中泄露的可能性。图6的装置可以在优选在管24水平行进的位置构造超导接头的情况下使用。这无需沿管滑动接头杯体，或者围绕管组装接头杯体。这实质上排除了任何在组装期间损坏电气隔离层的风险。另一方面，图6的装置并不要求在管中的每个要提供超导接头的位置都提供分支62。

在图6所示实施例的变化形式中，接头杯体66可以在其基座中提供有孔，并且分支64可以通过所述孔向上延伸至接头杯体中，而不是如图6中那样通过其开口端向下延伸至接头杯体中。

虽然以上所描述的实施例都通过承载制冷剂的管进行冷却，但是本发明还延伸至类似装置，其中超导接头通过经固态热导体的传导进行冷却，所述固态热导体自身通过诸如机械制冷器或制冷剂贮存器之类的远程冷却源进行冷却，或者甚至是并不穿过超导接头的承载制冷剂的管。所有以上实施例可以通过在每种情况下简单地利用固态热导体替代承载制冷剂的管而适用于这样的装置。上下文中的“固态”指的是物质的固体状态——不是液体或气体。固态热导体因此可以由诸如铝或铜的导热材料的编织物或薄片所构成，或者由单条材料所构成。与制冷剂管的实施例一样，任何导电的固态热导体都应当在其与超导接头相接触的区域被涂覆以电气绝缘层。如以上参见制冷剂管实施例所讨论的，可以使用氧化铝、陶瓷或环氧树脂的涂层。可替换地，可以使用非导电的固态热导体，这将不需要在其与超导接头相接触的区域中进行专门涂覆。所述固态热导体可以形成冷却装置的一部分，在使用中，所述冷却装置用于将磁体冷却至其工作温度。

虽然已经参见有限数量的特定示例对本发明进行了描述，但是各种修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，可以使用不同于Wood金属的超导材料来形成超导接头，并且不管使用的制冷剂或者接合的超导导线被置于的应用都可以应用本发明。虽然以上所描述的超导磁体是超导接头的常见应用，但是本发明可以在诸如电动机、发电机或能量存储系统之类的任何超导系统中找到应用。

已经参见特定实施例对本发明进行了描述，所有这些实施例都使用了形状为圆柱体的接头杯体。然而，接头杯体自身的形状并非是本发明的限制，并且本发明可以被应用于例如横截面为圆形、矩形、三角形、椭圆形等的接头杯体。实际上，接头杯体可以具有任何形状以及任何适当的大小，以作为超导接头的容器并且容纳适当体积的诸如Wood金属之类的熔融超导材料。

如以上所讨论的，在形成超导接头之前，导线12的超导丝14可以被铰接在一起；或者可以被编织在一起；或者可以简单地并排放置。根据接头杯体的形状，所述丝可能需要被盘绕以允许它们被置于接头杯体之中。

Claims (23)

1.一种冷却超导接头（18，60），包括：

- 接头杯体（20，40，66）；

- 置于所述接头杯体中的多段超导丝（14）；以及

- 与所述超导丝相接触的、填充所述接头杯体的超导材料（28），

以使得所述超导接头与承载制冷剂（68）的管（24）进行热和机械接触，

其特征在于所述管延伸到所述接头杯体中，并且在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述管延伸。

2.根据权利要求1所述的接头，其中所述管由导电材料制成，并且在所述管的表面上提供电气隔离层（26），以使得电气绝缘层在所述管和超导材料之间延伸，由此所述超导接头与所述管电气隔离。

3.根据权利要求1所述的接头，其中所述管由非导电材料制成。

4.根据前述任一项权利要求所述的接头，其中所述管穿过所述接头杯体，并且在所述接头杯体内，所述超导材料环绕在所述管延伸。

5.根据权利要求4所述的接头，其中所述接头杯体在其基座中提供有孔（22），并且所述管延伸通过在所述接头杯体的基座中的所述孔（22）。

6.根据权利要求4所述的接头，其中所述接头杯体以至少两个零件（42）形成，并且在形成所述超导接头之前环绕所述管组装所述接头杯体。

7.根据权利要求4所述的接头，其中所述接头杯体被形成为单个零件，并且在形成所述超导接头之前所述接头杯体被置于所述管之上。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的接头，其中在对应的多个接头杯体中形成多个超导接头（18），所述管穿过每一个接头杯体。

9.根据前述任一项权利要求所述的接头，其中所述管被提供有分支（62），并且所述管的分支延伸到所述接头杯体中；在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述管延伸，并且所述管的分支被涂覆有电气绝缘层，所述电气绝缘层在所述管的分支和超导材料之间延伸。

10.根据权利要求2所述的接头，其中所述电气隔离涂层包括应用于所述管的外表面的陶瓷喷涂涂层。

11.一种冷却超导磁体，包括通过根据前述任一项权利要求所述的接头（18）相接合的多个超导导线的线圈（50），其中所述管（24）形成热虹吸管的一部分，在使用中，所述热虹吸管用于将所述磁体冷却到其工作温度。

12.一种冷却超导接头，包括：

- 接头杯体；

- 置于所述接头杯体中的超导丝；以及

- 与所述超导丝相接触的、填充所述接头杯体的超导材料，

以使得所述超导接头与固态热导体进行热和机械接触，

其特征在于所述固态热导体延伸到所述接头杯体中，并且在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述固态热导体延伸。

13.根据权利要求12所述的冷却超导接头，其中所述固态热导体是热传导材料的编织物或薄片或者单条材料中的一个。

14.根据权利要求12或13所述的接头，其中所述固态热导体由导电材料制成，并且在所述固态热导体的表面上提供电气隔离层（26）以使得电气绝缘层在所述固态热导体和超导材料之间延伸，由此所述超导接头与所述固态热导体电气隔离。

15.根据权利要求12所述的接头，其中所述固态热导体由非导电材料制成。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的接头，其中所述固态热导体穿过所述接头杯体，并且在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述固态热导体延伸。

17.根据权利要求16所述的接头，其中所述接头杯体在其基座中提供有孔（22），并且所述固态热导体延伸通过在所述接头杯体的基座中的所述孔（22）。

18.根据权利要求16所述的接头，其中所述接头杯体以至少两个零件（42）形成，并且在形成所述超导接头之前环绕所述固态热导体组装所述接头杯体。

19.根据权利要求16所述的接头，其中所述接头杯体被形成为单个零件，并且在形成所述超导接头之前将所述接头杯体置于所述固态热导体之上。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的接头，其中在对应的多个接头杯体中形成多个超导接头（18），所述固态热导体穿过每一个接头杯体。

21.根据权利要求12-20中任一项所述的接头，其中所述固态热导体被提供有分支（62），并且所述固态热导体的分支延伸到所述接头杯体中；在所述接头杯体内，所述超导材料环绕所述固态热导体延伸，并且所述固态热导体的分支被涂覆有电气绝缘层，所述电气绝缘层在所述固态热导体的分支和超导材料之间延伸。

22.根据权利要求14所述的接头，其中所述电气隔离涂层包括应用于所述固态热导体的外表面的陶瓷喷涂涂层。

23.一种冷却超导磁体，包括通过根据任一前述权利要求所述的接头（18）相接合的多个超导导线的线圈（50），其中所述固态热导体（24）形成冷却装置的一部分，在使用中，所述冷却装置用于将所述磁体冷却到其工作温度。

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