CN106688058A - 包括超导体的金属组件 - Google Patents

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Abstract

一种金属组件(1)，适用于缠绕成线圈并用于DC磁铁应用中。金属组件包括在纵向方向上延伸的绝缘超导线(2)。绝缘超导线包括超导线(4)，该超导线(4)包括嵌入在金属基体(6)中的在限定的温度范围内呈现超导性质的材料(5)和布置为超导线上的涂层的电绝缘层(7)。金属组件还包括导热元件(3)，该导热元件(3)包括布置为至少部分地围绕绝缘超导线的层的导热材料，使得金属组件在缠绕成线圈时呈现出各向同性或基本各向同性的导热性质。

Description

包括超导体的金属组件
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的包括绝缘超导线的金属组件。本发明还涉及包括这种金属组件的用于电磁体的线圈，以及涉及传导冷却的电磁体。根据本发明的金属组件也可以用在冷却剂冷却的磁体中。本发明的金属组件主要但不排他地旨在用在DC磁体应用中，例如用在核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)应用中。
现有技术
低温超导体(例如NbTi和Nb3Sn或其衍生物)通常在4.2K(液氦温度)处使用以在超导体应用(如研究磁体、核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)应用)中产生强磁场。各种线圈绕组技术(例如湿绕组、干绕组或环氧树脂浸渍)可以用于设计这种应用中使用的超导磁体。在所有这些情况下，线圈包括其外周涂覆有电绝缘层(例如聚乙烯醇缩醛树脂(Formvar)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纤维、聚酯、聚酰亚胺等等)的超导线，还在磁体的层和线匝之间产生热绝缘。这种绝缘结构的成功使用强烈依赖于液氦有效冷却线圈绕组的能力。由于液氦的短缺，存在持续的努力以最小化超导体应用中对液氦的需要。例如，现在存在可以在没有液氦的情况下干燥使用的磁体，即，所谓的低温冷却的磁体或传导冷却的磁体，其中线圈绕组处于真空中，并且凭借低温泵通过连接到磁体绕组的导热元件来实现冷却。例如，可以通过利用例如铜或铝的附加的导热元件来布置单独的导热通路，从而改善绕组的内部部分的冷却。然而，用这种方法难以实现磁体的足够有效的冷却。另一个问题是使用该方法提供的磁体将遭受降低的总电流密度并因此遭受较低的磁场，或者替代地，需要较大体积和较昂贵的超导线以产生相同的磁场。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包括绝缘超导线的金属组件，该金属组件至少在某些方面相对于包括绝缘超导线的现有技术金属组件有改善。具体地，本发明的一个目的是提供一种用于在传导冷却的超导磁体内使用的金属组件，该金属组件允许磁体的更有效的冷却。另一个目的是提供一种用于在传导冷却的超导磁体内使用的金属组件，通过该金属组件，与如上所述的已知传导冷却的磁体相比，可以减小磁体的尺寸。
通过以下金属组件来实现这些目的，该金属组件包括在纵向方向上延伸的至少一个绝缘超导线，其中所述至少一个绝缘超导线中的每一个包括：
-超导线，包括嵌入金属基体中的在限定的温度范围内呈现超导性质的材料，和
-在超导线上布置为涂层的电绝缘层。
该金属组件的特征在于，其还包括导热元件，该导热元件包括布置为至少部分地围绕所述至少一个绝缘超导线的层的导热材料，使得该金属组件缠绕成线圈时呈现各向同性或基本上各向同性的导热性质。
使用根据本发明的金属组件，可以实现在磁体的线圈绕组内具有改善的导热的传导冷却的超导磁体。布置成与至少一个绝缘超导线的电绝缘层的至少一部分紧密接触的导热元件允许当金属组件被缠绕成线圈时，在线圈绕组内的所有方向上的热传导。对于具有若干层的线圈，线圈的内层经由导热元件冷却，产生到线圈的外层的导热通路，其中冷却元件位于线圈的外层。当然，取决于从磁体构造的观点来看最方便或成本有效的是什么，替代地或附加地可以将冷却元件定位在线圈的内层或中间层中。通过导热元件提供线圈绕组内的三维各向同性的导热，可以在最少使用氦的情况下有效地传导走热量。利用根据本发明的金属组件，导热元件与至少一个绝缘超导线集成，并且因此包括缠绕成线圈的该组件的磁体可以被制造得比其中金属片形式的导热元件必须插入在线圈绕组的连续层之间的磁体更加紧凑。金属组件特别适用于DC磁体应用。
根据本发明的一个实施例，导热元件的平均层厚度为至少一个绝缘超导线的等效直径的至少0.2倍，优选为至少0.5倍。使用这样的层厚度，当金属组件缠绕成具有若干匝和多层的线圈时，金属组件的导热性质变为各向同性的。使用太小的层厚度可能导致在线圈的横向方向上的不足的导热，因此线圈绕组的冷却将不太有效。绝缘超导线的等效直径在这里应理解为具有等于绝缘超导线的实际截面积的截面积的圆形线的直径。在圆形线的情况下，等效直径就是线的直径。
根据本发明的一个实施例，导热元件和至少一个绝缘超导线内的金属基体一起具有为在限定的温度范围内呈现超导性质的材料的体积的至少两倍的体积，优选为至少五倍。利用这样的体积比，如果磁体淬火，即，进入正常的电阻状态，则磁体被保护。此外，该体积比允许导热元件的足够的层厚度，使得可以实现各向同性的导热性质。
根据本发明的一个实施例，导热材料选自铜、铜合金、铝、铝合金或者包含铜和铝的复合物。这些材料提供所需的稳定性并且在低温具有良好的导热性质。如果优选低重量，则可以使用铝合金或包含铜和铝的复合物。
根据本发明的优选实施例，导热材料选自高纯度铜、高纯度铝或者铜包铝复合物。高纯度铜和铝在低温具有优异的热传导性质，以及铜包铝复合物可以在期望低重量和提高的机械强度的结合的情况下使用。
根据本发明的优选实施例，电绝缘层包括电阻率为至少107Ωm并优选为至少1010Ωm的绝缘体。这提供了优异的绝缘性并使介电强度远高于1kV。因此，该层能够例如当超导磁体淬火时承受高电压差，而没有灾难性的缺点。
根据本发明的一个实施例，电绝缘层包含基于聚合物的绝缘体，优选地选自聚乙烯醇缩醛树脂(Formvar)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纤维、聚酯和聚酰亚胺(PI)的集合。除了提供优异的电绝缘以外，基于聚合物的绝缘体具有提供柔性的额外优点。由此，因为减少了损坏电绝缘层的风险，所以可以更容易地处理金属组件。
根据本发明的一个实施例，金属组件还包括布置为导热元件上的涂层的高电阻层。这种层与导热元件相比应当相对薄，并且可用于防止导热元件中的涡流，否则这可能导致不期望的加热。在金属组件主要意在用于高真空中的情况下，优选地，高电阻层具有低的部分蒸发压力。高电阻层在这里应理解为在低温相比于嵌入有超导丝的金属基体具有相对高的电阻率的层，例如高电阻层的电阻率为金属基体的电阻率的至少10倍以上，优选为100倍以上。
根据本发明的一个实施例，所述高电阻层是包括铬、镍、锡、铟或其合金的金属层。这些元素都具有低的部分蒸发压力和高电阻率，并且可以以薄涂层的形式施加。
根据本发明的另一个实施例，所述高电阻层是陶瓷或氧化物层，包括例如氧化铝、氧化铬、氧化钛、氧化锆或氧化铝-二氧化钛。
根据本发明的另一个实施例，所述高电阻层是电绝缘有机聚合物膜。膜可以包括聚乙烯醇缩醛树脂、PEI、PI或PET等。虽然这种膜也具有热绝缘性质，但是如果该层足够薄，例如小于100μm厚并优选小于10μm厚，则包括金属组件的线圈中的总导热仍然是足够的。
根据本发明的一个实施例，金属组件被布置为通道中线(wire-in-channel)的结构，其中至少一个绝缘超导线被布置在导热元件中的纵向凹槽中。因此，通道形成在导热元件中。即使导热元件没有完全覆盖绝缘超导线，当缠绕成具有若干层的线圈时，绝缘超导线的每个连续的匝也将被导热材料围绕。因此，线圈的导热性质仍然是各向同性的。优选地，在该实施例中的金属组件具有矩形或基本上矩形的横向截面，以允许当线圈被缠绕时的高填充因子。
根据本发明的另一个实施例，导热元件被布置为完全围绕至少一个绝缘超导线的层。这种导热元件提供包括金属组件的线圈绕组在需要圆形截面或者当线圈绕组较不紧密地缠绕的情况下，在所有方向上也具有冷却通道。
根据本发明的一个实施例，金属组件还包括布置在金属组件中的最外面的金属网。如果包括金属组件的线圈绕组要通过环氧树脂浸渍来固定，则布置在导热元件外部的这种金属网是有用的。金属网一方面允许环氧树脂渗透到金属组件中以有效地锁定金属组件，并且另一方面在包括线圈的磁体的操作期间在连续的线圈匝和层之间提供导热桥。
本发明还涉及一种用于电磁体的线圈，该线圈包括如上所述的根据本发明的金属组件，本发明还涉及包括这种线圈的传导冷却的电磁体以及包括这种线圈的冷却剂冷却的电磁体。传导冷却的磁体可以是冷却剂冷却的或不含冷却剂的。这种线圈和电磁体的优选实施例和优点对应于上述那些。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的金属组件的截面，
图2示意性地示出了根据本发明的第二实施例的金属组件的截面，
图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的金属组件的截面，
图4示意性地示出了根据本发明的第四实施例的金属组件的截面，
图5示意性地示出了根据本发明的第五实施例的金属组件的截面，
图6示意性地示出了根据本发明的第六实施例的金属组件的截面，
图7示意性地示出了根据本发明的第七实施例的金属组件的截面。
具体实施方式
图1-7中示意性地示出了根据本发明的金属组件的七个不同实施例的横向截面。对于所有示出的实施例，相同的附图标记用于表示相同或相似的部件。
图1中示出了根据本发明的金属组件1的第一实施例。根据本实施例的金属组件1是所谓的通道中线的结构，其包括在纵向方向上延伸的绝缘超导线2，绝缘超导线2插入形成在导热元件3中的凹槽中。绝缘超导线2包括超导线4，超导线4包括嵌入金属基体6中的在限定的温度范围内呈现超导性质的材料的丝5。绝缘超导线2还包括布置为超导线4上的涂层的电绝缘层7。绝缘超导线2在所示实施例中具有圆形截面。然而，当例如优选高纵横比导体几何形状时，其形状还可以是矩形或正方形。
为了实现绝缘超导线2和导热元件3之间的紧密接触，绝缘超导线可以通过合适的金属形成方法(例如，通过具有矩形开口的模具拉制或者使用例如所谓的4辊土耳其头机架轧制)机械地锁定在凹槽中。也可以例如通过用原位浸渍法在绝缘超导线的表面上施加环氧树脂来实现紧密接触。在一些情况下，可以根据具体应用来选择具有相对低或相对高的导电性的导热环氧树脂或其复合物。
图2中示出了根据本发明的金属组件1的第二实施例。根据本实施例的金属组件1与第一实施例的不同之处在于：导热元件3完全覆盖绝缘超导线2。导热元件3是具有均匀厚度的层的形式，并且金属组件因此具有圆形截面。绝缘超导线2包括与第一实施例相同的元件并具有圆形截面。
图3中示出了根据本发明的金属组件1的第三实施例。如在第二实施例中一样，导热元件3完全覆盖绝缘超导线2。金属组件1与根据第二实施例的金属组件1的不同之处在于：绝缘超导线2和金属组件1具有带圆角的基本上为矩形的截面。
图4中示出了根据本发明的金属组件1的第四实施例。在该实施例中，绝缘超导线2具有圆形截面，而金属组件1具有带圆角的基本上为矩形的截面。当缠绕成线圈时，与圆形截面相比，矩形外截面增加了填充因子。
可以通过用将构成导热元件3的材料(例如，金属带)包覆绝缘超导线2来制造根据第二、第三和第四实施例的金属组件1。这可以使用公知的包覆技术(例如，缠绕或焊接)或使用低温挤压技术，优选为连续挤压技术(例如，所谓的Conform挤压法)来进行。优选地，挤压在小于300℃的温度处进行，之后快速冷却。
图5中示出了根据本发明的金属组件1的第五实施例。在该实施例中，绝缘超导线2被复合物导热元件3覆盖，复合物导热元件3包括铝层8和完全覆盖铝层的铜层9。可以通过使用低温挤压技术在低于300℃的温度处，优选地使用连续挤压技术(诸如Conform挤压法)用铝包覆绝缘超导线2来制造根据该实施例的金属组件。此后，使用在电缆工业中使用的公知的包覆技术用例如高纯度铜来包覆具有铝层8的绝缘超导线2。
图6中示出了金属组件1的第六实施例。在该实施例中，若干绝缘超导线2插入形成在导热元件3中的凹槽中，形成通道中线的结构。绝缘超导线2在插入凹槽中之前可以被转换或捆绑成电缆。
图7中示出了根据本发明的第七实施例的金属组件1。在该实施例中，每个都包括导热元件3’的若干个绝缘超导线2被捆扎或捆绑在一起并插入到形成在较大导热元件3”中的凹槽中。导热元件3’、3”内的导热材料的总量应当使得当金属组件1被缠绕成线圈时实现各向同性的导热。
同样在图2-5所示的实施例中，单个绝缘超导线2可以更换为绝缘超导线束，例如电缆。
在所有示出的实施例中，导热元件可以进一步涂覆有形成覆盖金属组件的薄的高电阻层(未示出)的材料。该层通常为1-50μm厚，优选1-10μm厚，并且可以是例如，包含铬、镍、锡、铟及其合金的金属、陶瓷或氧化物层，这些元素具有低的部分蒸发压力和高的电阻率。锡、铟及其合金可以使用例如熔融金属涂覆或电镀来涂覆，而其它金属可以使用例如电镀、化学气相沉积或物理气相沉积来涂覆。涂层可以在导热元件和绝缘超导线的组装之前或之后施加到导热元件。
高电阻层也可以由诸如聚乙烯醇缩醛树脂、PEI、PET、PI等的有机聚合物材料形成。在这种情况下，优选地，在使用例如在接近环境温度优选低于300℃的温度处的紫外线固化或电子束固化将导热元件和绝缘超导线组装之后，将该层施加在导热元件的表面上。虽然所述有机聚合物材料也具有热绝缘性质，但是1-50μm并优选为1-10μm的薄层仍然允许由金属组件制成的线圈的绕组内的良好的导热通道。
在所有示出的实施例中，超导线4可以包括可以以圆形、矩形或带形状的长长度制造的任何超导材料。超导线4可以例如是包括材料(例如NbTi或Nb3Sn或其合金)的一个或多个丝5的所谓的低温线。
其中嵌入有丝5的金属基体6可以是高纯度铜基体或者铝或铝合金基体。对于AC磁体应用，嵌入在与锰或镍合金化的铜合金基体6中的NbTi丝5是合适的。对于DC磁体应用，嵌入在高纯度铜基体中的NbTi丝5是合适的。
如果使用Nb3Sn丝，那么这些含铌丝优选地嵌入紧密的含铜锡基体(所谓的青铜法)中，或者在具有锡或锡合金源的铜基体(所谓的内锡法)中，通常被铌和/或钽扩散阻挡和稳定铜围绕。在与导热元件集成之前，线或者替换地电缆复合物用例如高温玻璃绝缘来绝缘。形成Nb3Sn超导相的高温反应可以在线圈绕组操作之前或之后进行。由于高的反应温度，导热元件用合适的铬、陶瓷或氧化物涂层来绝缘。
标准化为包含50％的超导材料的超导线4通常具有0.5-1.5mm的等效直径，以便能够承载足够大的电流用于在大体积中产生强磁场。
在所有示出的实施例中，电绝缘层7可以由通常用于NbTi领域的绝缘材料制成。这种材料包括陶瓷绝缘体以及基于聚合物的绝缘体，基于聚合物的绝缘体例如选自聚乙烯醇缩醛树脂(Formvar)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纤维、聚酯和聚酰亚胺(PI)的集合。电绝缘层7的厚度通常在30-100μm之间变化，在匝和层之间提供足够的电绝缘，并且被布置为使得其完全覆盖超导线4的周边。
在所有示出的实施例中，导热元件3优选地由高纯度低温级铜或高纯度铝制成。取决于对最终产品的要求，它也可以由如图5所示的铜包铝复合物通道或构造、铜合金或铝合金制成。导热元件3优选地是沿着绝缘超导线2延伸并且与绝缘超导线2紧密接触的层的形式，它在绝缘超导线2的周边周围具有均匀的厚度或者具有在绝缘超导线2的周边周围变化的厚度。该层可以完全或部分地覆盖绝缘超导线2。在该层仅部分地覆盖绝缘超导线2的情况下，其应该优选地覆盖线表面的主要部分，使得当金属组件1被缠绕成线圈时，绝缘超导线2被导热元件3的材料围绕。
取决于超导线4的尺寸，导热元件3通常应具有0.10mm或更大并优选为至少0.50mm的平均层厚度。优选地，导热元件3的平均层厚度为绝缘超导线2的等效直径的至少0.2倍，优选为至少0.5倍。导热元件3和在绝缘超导线2内的金属基体6应当一起优选地具有超导丝5的体积的至少两倍并且更优选地至少五倍的体积。
根据任何所示实施例的金属组件1用于冷却剂冷却的磁体，例如，用于液氦冷却的磁体中，或者替换地在没有冷却剂的传导冷却的磁体中，金属组件1缠绕成螺线管形式的线圈，包括至少一层金属组件1，优选为数层。在传导冷却的磁体中，除了提供导热之外，导热元件3还提供电稳定。如果在操作中，由于某些原因，例如由于磁干扰、磁通量跳跃、机械线移动等原因，超导线4经历到正常级的转变，提供电稳定特别重要的。在这种情况下，电流被自动地引导通过导热元件3，并且允许超导线4冷却从而可以恢复超导级。
在用于包括金属组件1的电磁绕组中的线圈中，金属组件可以被固定以避免金属组件在线圈内的相对移动。金属组件可以例如使用环氧树脂浸渍来固定。在这种情况下，优选地为金属组件提供包覆在导热元件上的金属网或设置在导热元件的外侧上的涂层。金属网可以例如被包覆在金属组件的表面上并且呈围绕金属组件编织的薄的高纯度铜或铝线的形式。
绝缘超导线也可以基于MgB2合金，或适于使用现有构造线设计来以长的长度制造并产生强磁场的任何其它超导材料。
本发明当然不以任何方式限于上述实施例，而是在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，对本领域技术人员来说，许多对其修改的可能性是显而易见的。

Claims (17)

1.一种金属组件(1)，包括在纵向方向上延伸的至少一个绝缘超导线(2)，其中所述至少一个绝缘超导线(2)包括：
-超导线(4)，包括嵌入金属基体(6)中的在限定的温度范围内呈现出超导性质的材料(5)，以及
-布置为所述超导线(4)上的涂层的电绝缘层(7)，
其特征在于：
所述金属组件(1)还包括导热元件(3)，所述导热元件(3)包括布置为至少部分地围绕所述至少一个绝缘超导线(2)的层的导热材料，使得所述金属组件(1)缠绕成线圈时，呈现出各向同性或基本各向同性的导热性质。
2.根据权利要求1所述的金属组件，其中，所述导热元件(3)的平均层厚度为所述至少一个绝缘超导线(2)的等效直径的至少0.2倍，优选为至少0.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的金属组件，其中所述导热元件(3)和所述至少一个绝缘超导线(2)内的所述金属基体(6)一起具有为在限定的温度范围内呈现出超导性质的所述材料(5)的体积的至少两倍、优选为至少五倍的体积。
4.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述导热材料选自铜、铜合金、铝、铝合金或包含铜和铝的复合物。
5.根据权利要求4所述的金属组件，其中所述导热材料选自高纯度铜、高纯度铝或铜包铝复合物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述电绝缘层(7)包括具有至少107Ωm、优选地至少1010Ωm的电阻率的绝缘体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述电绝缘层(7)包括基于聚合物的绝缘体，优选地选自聚乙烯醇缩醛树脂(Formvar)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纤维、聚酯和聚酰亚胺(PI)的集合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述金属组件还包括布置为所述导热元件(3)上的涂层的高电阻层。
9.根据权利要求8所述的金属组件，其中所述高电阻层是包括铬、镍、锡或其合金的金属层。
10.根据权利要求8所述的金属组件，其中所述高电阻层是包括例如氧化铝、氧化铬、氧化钛、氧化锆或氧化铝-二氧化钛的陶瓷或氧化物层。
11.根据权利要求8所述的金属组件，其中所述高电阻层是电绝缘有机聚合物膜。
12.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述金属组件(1)被布置为通道中线的结构，其中所述至少一个绝缘超导线(2)布置在所述导热元件(3)中的纵向凹槽中。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的金属组件，其中所述导热元件(3)被布置为完全地围绕所述至少一个绝缘超导线(2)的层。
14.根据前述权利要求中任一项所述的金属组件，其中所述金属组件还包括布置在所述金属组件中的最外面的金属网。
15.一种用于电磁体的线圈，包括根据前述权利要求中任一项所述的金属组件(1)。
16.一种传导冷却的电磁体，包括根据权利要求15所述的线圈。
17.一种冷却剂冷却的电磁体，包括根据权利要求15所述的线圈。
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