CN112997260A - 柔性hts电流引线 - Google Patents

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Abstract

根据第一方面，提供一种HTS电流引线。所述HTS电流引线包括：包含多个HTS带的HTS线缆；围绕所述HTS线缆的编织套筒；以及浸渍所述HTS线缆和所述编织套筒的稳定剂材料。所述稳定剂材料具有高于所述HTS带的临界温度且低于所述HTS带的热降解温度的熔点。

Description

柔性HTS电流引线
技术领域
本发明涉及超导体装置。特别地，本发明涉及包括高温超导体的电流引线。
背景技术
超导材料典型地被分成“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如Nb和NbTi)是可以由BCS理论来描述其超导电性的金属或金属合金。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(高于所述临界温度，即使在零磁场下材料也不能超导)。HTS材料的行为不由BCS理论描述，并且这样的材料可以具有高于约30K的临界温度(但是应注意，超导操作和成分中的物理差异限定HTS材料，而不是所述临界温度限定HTS材料)。最常用的HTS是“铜氧化物超导体”-基于铜氧化物(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其它HTS材料包括铁磷化物(例如FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB2)。
ReBCO典型地被制造为具有如图1所示的结构的带。这样的带100通常大约100微米厚，并且包括衬底101(典型地是大约50微米厚的被电抛光的哈氏合金)，通过IBAD、磁控溅射或另一适当的技术将一系列缓冲层(已知为大约0.2微米厚的缓冲叠层102)沉积到所述衬底101上。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或另一适当的技术来沉积)与所述缓冲叠层重叠15，并且典型地1微米厚。1-2微米的银层104通过溅射或另一适当的技术被沉积到所述HTS层上，并且铜稳定剂层105通过电镀或另一适当的技术被沉积到所述带上，所述铜稳定剂层105经常完全地包封所述带。
所述衬底101提供了可以被进给通过制造线的机械主干，并允许后续层的生长。要求所述缓冲叠层102提供双向织构晶体模板以用于生长所述HTS层，并防止元素从所述衬底至所述HTS的化学扩散(这会破坏其超导性质)。要求所述银层104提供从所述ReBCO至所述稳定剂层的低电阻界面，并且所述稳定剂层105在所述ReBCO的任何部分结束超导(进入“正常”状态)的情况下提供替代的电流路径。
超导系统(诸如磁体)的设计中普遍的问题是在具有至低温环境的最小热负荷的低温下获得高电流。通常，高电流在室温下(即，所述低温环境之外)产生，并且通过电流引线传输到低温保持器。所述电流引线典型地是铜(对于约300K的温度)、黄铜(对于介于300K与77K的温度之间)和高温超导体(HTS)(对于低于77K的温度)的混合物。电流引线还可以被用于在单个温度下在所述系统的各区中传输电流。
可以使用其它解决方案，例如，使开关式电源将电力传递到所述低温保持器中，但这些解决方案通常仍将涉及位于所述电源与所述超导系统之间的HTS电流引线。
HTS电流引线可以是刚性的或柔性的。刚性的引线可能由于所述低温保持器被冷却时的热收缩而引起机械问题。柔性引线必须被小心地处理，因为如果HTS带被弯曲成过小的半径则所述HTS带将发展裂纹，并且如果所述HTS带处于由于操作时弯曲而导致的应变下则所述HTS带将具有减小的临界电流。
发明内容
根据第一方面，提供一种HTS电流引线。所述HTS电流引线包括：包含多个HTS带的HTS线缆；围绕所述HTS线缆的编织套筒；以及浸渍所述HTS线缆和所述编织套筒的稳定剂材料。所述稳定剂材料具有高于所述HTS带的临界温度且低于所述HTS带的热降解温度的熔点。
根据第二方面，提供一种制造HTS电流引线的方法。提供包括多个HTS带的HTS线缆。围绕所述线缆放置编织套筒。围绕所述编织套筒放置密封护套。所述密封护套填充有稳定剂材料，所述稳定剂材料具有高于所述HTS带的临界温度且低于所述HTS带的热降解温度的熔点。填充所述密封护套。
根据第三方面，提供一种重塑根据第一方面所述的且另外包括围绕所述稳定剂材料的密封护套的HTS电流引线的方法。所述HTS电流引线被加热至高于所述稳定剂材料的熔点且低于所述HTS带的降解温度的温度。所述HTS电流引线被弯曲成期望的形状。所述HTS电流引线被允许在冷却的同时保持其期望的形状。
附图说明
图1是HTS带的示意图；
图2是HTS电流引线的示例性构造的示意图；
图3是包括接线的HTS电流引线的示例性构造的示意图。
具体实施方式
在图2中示出HTS电流引线的构造。所述HTS电流引线包括被保持在编织套筒202内的多个HTS带201。所述带201和编织套筒202被包封在蜡203中，所述蜡203被护套204保持于适当的位置。
所述HTS带可以被叠置(即，全部平行)或以一些其它定向(例如，双叠层或编织线缆)被布置在线缆中。
所述编织套筒用于使所述电流引线更厚重，这意味着与仅仅弯曲所述线缆相比，非常难以将所述电流引线弯曲成将会对所述带造成损害的弯曲半径。所述编织套筒可以包括金属以同样用作所述HTS带的电“稳定剂”，即在通过所述HTS带的电流超过临界电流的情况下用作替代的电流路径。用于所述编织套筒的适当的金属包括黄铜或铜，并且金属丝可以涂覆有另一金属(诸如PbSn锡料)。
所述编织套筒可以被配置成完全防止低于某一曲率半径的弯曲。
所述蜡用于在所述系统的处理期间和在所述超导系统的操作期间保持所述电流引线在结构上稳定。所述电流引线可以被加热以使所述蜡熔化，使得所述蜡可以被弯曲成期望的形状，然后允许所述蜡冷却以保持所述期望的形状。适当的蜡将具有超过所述电流引线的预期工作温度(例如77K，或所述HTS带的临界温度)或高于室温(290K，以确保所述蜡在室温下是稳定的)但低于所述HTS的降解温度(即，所述HTS将发生永久性损伤的温度，通常约200℃)的熔点。如果所述编织套筒、护套、或所述HTS电流引线中的任何锡料的熔点低于所述HTS降解温度，则所述蜡的熔点也可以低于所述HTS降解温度——或施加热使得防止较低熔点的部件达到与所述蜡相同的温度(例如，避免焊接区域)。
虽然本文中使用蜡作为示例，但是具有高于室温且低于所述HTS降解温度的熔点的其它物质也将适合于用作用于浸渍所述HTS电流引线的稳定剂材料。
在低温冷却期间所述蜡的性质还可以被认为是——如果被冷却到低温并加热回到室温则一些蜡将被分解成粉末，并且将不适合于预期有冷却和加热周期的应用(但是将适合于永久地保持低温的装置)。可以通过常规的实验来确定在低温下表现良好的蜡。
还将根据所述系统的设计约束而考虑所述蜡在室温下和在低温下的刚度。刚性较大的蜡将在操作期间提供更好的结构保护(例如，对抗洛伦兹力)，但是可能遭受由于热收缩而导致的机械问题。柔性较大的蜡将提供对洛伦兹力的较少的保护，但将能够更容易弯曲以考虑到热收缩。
满足以上条件的一种蜡是蜂蜡(熔化温度为60℃并且在整个低温周期上是稳定的)。在本文中使用“蜡”的情况下，所述蜡还可以是不同的蜡或其它材料的混合物以实现期望的性质。
所述护套204可以是热收缩材料，使得当所述蜡被加热以重塑所述线缆时，所述热收缩材料将收缩以促进所述蜡填充所述结构中的任何空隙。一旦所述HTS电流引线已经被成型到适当位置或被成型成适当姿态并且所述蜡已经被凝固，所述护套204就可以被去除(如果期望的话)或被保持以用于额外的电绝缘。
将以其它方式适合于提供密封护套的许多材料将在低温下变脆。因此，所述护套204可以包括第一“室温”护套和围绕所述“室温”护套的第二“低温”护套，所述第一“室温”护套在室温下和在熔化所述蜡所需的温度下是密封的，第二“低温”护套在低温下保持结构完整性。
图3是根据图2的HTS电流引线与接线盒之间的连接的示意图。所述接线盒可以被用于将所述HTS电流引线以电气的方式、热的方式且在结构上连接至其它部件。
所述HTS电流引线200具有与先前相同的部件——即，所述HTS带、编织套筒202、蜡203和护套204。所述HTS带201延伸超过所述编织套筒202并延伸到所述接线盒300中。额外的铜带可以被放置在所述HTS带之间，使得所述HTS带在所述接线盒内被进一步隔开并在电流较大的情况下提供额外的铜——所述接线盒可能经历电阻加热，所述电阻加热将降低所述带的临界电流并导致更大的淬火风险，并且过量的铜帮助减轻这种情形。
所述接线盒可以由上部部分301和下部部分302形成，所述HTS带被夹持在上部部分301和下部部分302之间。替代地，所述接线盒可以形成为具有用于接收所述HTS带的凹部或通孔的单个单元。也可以使用其它合适的构造。所述接线盒中的所述凹部或通孔(或在夹持示例中介于这两部分之间的空间)可以将所述HTS带安装在0.1mm内以允许所述HTS带容易被焊接至所述接线盒。
所述编织套筒202围绕位于所述接线盒的侧上的突起303，并且所述护套204还围绕这个突起延伸。所述编织套筒202、HTS带201和接线盒300可以通过焊接来连接，例如通过将整个接线盒和所述突起浸在锡料中(保持所述护套204和蜡203远离热的锡料)。应选择具有低于所述HTS的降解温度的熔点的锡料。可以施加密封剂以在所述接线盒与所述护套204之间进行联接。
可以通过以下步骤来制造包括接线盒的所述HTS电流引线：
1.将HTS带切割成一定长度，并(例如通过叠置)将所述HTS带组装成线缆。
2.将第一接线盒放置在所述线缆的一端上。
3.将所述编织套筒切割呈期望的长度并且在所述线缆上滑动直至所述第一接线盒并围绕所述突起。
4.将所述第一接线盒浸在锡料中以将所述HTS线缆和编织套筒彼此固定并固定至所述第一接线盒。
5.将所述护套在所述编织套筒上滑动，并在邻近所述第一接线盒的端部处密封所述护套。
6.用蜡填充所述护套并将所述护套暂时固定在距所述第一接线盒较远的端部处，使得所述端部被保持为稍微远离将附接所述第二接线盒的位置。
7.将所述第二接线盒放置在自由线缆端上，并使所述编织套筒在第二接线盒的所述突起上滑动。
8.将所述第二接线盒浸在锡料中以将所述HTS线缆和编织套筒彼此固定并固定至所述第二接线盒。
9.将所述护套滑下至第二接线盒，并在所述端部处密封所述护套。
10.加热所述组件以使所述蜡熔化(并且如果所述护套使用所述热收缩材料，则使所述热收缩材料收缩)。
除了关于图3描述的所述接线盒之外，对于各接线，这些步骤可以被适当地变化。通常，形成所述HTS电流引线将需要以下步骤：
1.提供包括多个带的HTS线缆。
2.围绕所述线缆放置编织套筒。
3.围绕所述编织套筒放置护套。
4.用蜡(熔融的或呈小球形式的蜡)填充所述护套。
5.密封所述护套。
6.如果使用小球则熔化所述蜡。
这些步骤可以根据需要而被重新定顺序或被分解成子步骤，以将所述HTS线缆连接至所使用的终端。
在使用包括叠置带的HTS线缆(并且可能用于其它线缆设计)的情况下，所述接线盒的相对定向将被限制为接近制造所述线缆时所述接线盒的定向(例如，如果所述接线盒是平行的，则当所述HTS电流引线被弯曲时所述接线盒仍将接近平行)。这是因为所述接线盒的相对定向的显著改变将要求所述叠层的一侧上的HTS带相对于所述叠层的另一侧上的HTS带延伸。这可以通过在附连所述第二接线盒之前预弯曲叠置的HTS线缆来减轻，使得所述接线盒处于期望的相对定向。

Claims (22)

1.一种高温超导电流引线，即HTS电流引线，所述HTS电流引线包括：
HTS线缆，所述HTS线缆包括多个HTS带；
编织套筒，所述编织套筒围绕所述HTS线缆；
稳定剂材料，所述稳定剂材料浸渍所述HTS线缆和所述编织套筒，所述稳定剂材料具有高于所述HTS带的临界温度且低于所述HTS带的热降解温度的熔点。
2.根据权利要求1所述的HTS电流引线，其中，所述稳定剂材料具有高于290K的熔点。
3.根据权利要求2所述的HTS电流引线，其中，所述稳定剂材料是蜡。
4.根据任一前述权利要求所述的HTS电流引线，其中，所述编织套筒包括金属并被电连接至所述HTS线缆。
5.根据权利要求4所述的HTS电流引线，其中，所述金属是铜或黄铜。
6.根据任一前述权利要求所述的HTS电流引线，所述HTS电流引线包括位于所述HTS线缆的每个端部处的相应的接线盒，每个接线盒被电连接至所述HTS带，并且所述HTS电流引线被配置用于与外部部件的电连接。
7.根据权利要求6所述的HTS电流引线，其中，每个接线盒被焊接至所述HTS线缆。
8.根据权利要求6或7所述的HTS电流引线，其中，每个接线盒被附连至所述编织套筒。
9.根据权利要求7所述的HTS电流引线，其中，每个接线盒被焊接至所述编织套筒。
10.根据权利要求8或9所述的HTS电流引线，其中，每个接线盒包括围绕所述HTS线缆的一部分延伸的突起，并且所述编织套筒围绕所述突起延伸。
11.根据任一前述权利要求所述的HTS电流引线，所述HTS电流引线包括包围所述稳定剂材料的密封护套。
12.根据权利要求11所述的HTS电流引线，其中，所述密封护套是能够移除的。
13.根据权利要求11所述的HTS电流引线，其中，所述密封护套包括由密封材料形成的内护套、和由在冷却至低于77K之后保持结构完整性的材料形成的外护套。
14.一种制造HTS电流引线的方法，所述方法包括：
提供HTS线缆，所述HTS线缆包括多个HTS带；
围绕所述HTS线缆放置编织套筒；
围绕所述编织套筒放置密封护套；
用稳定剂材料填充所述密封护套，所述稳定剂材料具有高于所述HTS带的临界温度且低于所述HTS带的热降解温度的熔点；
密封所述密封护套。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述稳定剂材料具有高于290K的熔点。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，用稳定剂材料填充所述密封护套的步骤包括：
将所述稳定剂材料的小球嵌入到所述密封护套中；
熔化所述小球。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，所述方法包括：在至少一个端部处，将所述HTS线缆附连至接线盒。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括：将所述编织套筒附连至所述接线盒。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述编织套筒和所述HTS线缆附连至所述接线盒包括：将所述接线端子、所述HTS线缆的一部分、和所述套筒的一部分一起浸到锡料浴中。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，所述方法包括：在将第二接线盒附连至所述HTS线缆之前使所述HTS线缆弯曲，使得所述第一接线盒和第二接线盒在被附连相对于彼此成一角度。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其中，所述密封护套由热收缩材料形成，并且所述方法包括：在用稳定剂材料填充所述密封护套步骤之后加热所述密封护套以熔化所述稳定剂材料并使所述密封护套收缩。
22.一种重塑根据权利要求11至13中任一项所述的HTS电流引线的方法，所述方法包括：
将所述HTS电流引线加热至高于所述稳定剂材料的熔点且低于所述HTS带的降解温度的温度；
将所述HTS电流引线弯曲成期望的形状；以及
在保持所述HTS电流引线的期望的形状的同时允许所述HTS电流引线冷却。
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