CN1207825A - 高温超导体引线组件 - Google Patents

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Abstract

一种高温超导体引线组件(20),用于降低向低温冷却磁体系统(10)的热泄漏,该系统包括超导体(12)和与超导体(12)的第一端接合的第一引线连接器。引线连接器包括电绝缘导热陶瓷安装装置,用于固定于用来冷却导体的机械低温冷却器(14)。超导体是带的层叠形式。超导体固定于电绝缘和绝热体支撑。低温冷却磁体系统(10)包括具有热端(22)和冷端(24)的机械低温冷却器(14),保持在低温冷却器(14)的冷端(24)温度的超导磁体(12),用于向超导体引线提供电能的两个超导引线和两个电流传输引线(20)。

Description

高温超导体引线组件
本发明涉及高温超导体引线，特别是涉及用于向超导磁体传输电流的高温超导体引线。
当传统的铜引线流过大电流时产生的电阻性发热对低温冷却的超导磁体系统造成明显量的热泄漏。需要附加的制冷来克服向该系统的热泄漏，把超导体保持在要求的低温温度。
超导陶瓷的纯铸件形式的块状超导引线通常是具有金属端盖的棒状或管状，已经用于从非超导体引线向超导磁体提供电能。由于纯陶瓷在低温下是脆性的，所以这些块状引线难以处理。存在与块状材料和金属端盖之间的接触相关的明显电阻性发热，这导致向低温冷却的超导磁体系统的热泄漏。
块状超导引线包含了在向超导引线提供电能的铜引线与低温冷却器之间的散热连接。如图1所示，已有的块状超导引线2向与低温冷却器8的冷端5连接的超导磁体4传输电流。铜引线6穿过外壳1并包括与低温冷却器8的热端7的连接3。对低温冷却器的散热来自块状材料与引线的金属端盖9之间的接触区域的热侧(铜引线6侧)。与陶瓷块状材料和金属端盖之间的接触相关的电阻性发热仍旧向低温冷却的超导磁体系统泄漏。传输约5500安培的块状引线中的电阻性发热可以高达每对引线约为1.15W/kA。电阻性热泄漏与每对约为0.04W/kA的传导性热泄漏一起，要求每对约为595W/kA的附加制冷(在4K，每瓦的热泄漏要求向低温冷却系统约500W的制冷)。
超导引线中可以包括热稳定器，用于在冷却不足的条件下防止对超导磁体造成损害。为了使超导体引线热稳定，无论是对块状引线还是层叠组合引线，把引线压制或焊接在具有低热导率的材料上，例如不锈钢或黄铜线、棒或条。这可在超导体引线失效之前使磁体放电。另外，可以包括电旁路通道与超导体引线平行，在超导性损失或引线损坏时可使磁体放电。
本发明涉及能够降低向低温冷却磁体系统的热泄漏的高温超导体引线组件。该高温超导体引线组件包括超导体和与超导体第一端接合的第一引线连接器。安装装置把引线连接器固定于用来冷却连接器的机械低温冷却器。
在本发明的特定实施例中，超导体是带的层叠形式或多个带层叠。超导体安装在电绝缘和绝热的支撑上。外支撑围绕超导体并与引线连接器连接。安装装置是电绝缘导热陶瓷例如氧化铍或氮化铝。组件包括带有用于超导体引线与电源连接的电流接线片的引线连接器。与超导体第二端接合的第二引线连接器包括用于把引线连接器固定于超导磁体的安装装置。超导磁体所处温度低于低温冷却器与第一引线连接器的连接点的温度。
根据本发明的另一方案，低温冷却磁体系统包括，具有热端和冷端的机械冷却器，保持在低温冷却器冷端温度的超导磁体，包含用于固定于机械冷却器热端的安装装置的两个超导体引线，和与超导体引线之一连接的两个电流传输引线，用于从电源向超导体引线提供电能。
在本发明的特定实施例中，电流传输引线是铜块。铜带把超导体引线安装装置连接至机械冷却器的热端。机械冷却器热端约为60K，机械冷却器冷端约为10K。
本系统的优点可以是以下所述中的一个或多个。超导体引线的机械性稳定并易于操纵。安装装置设置在超导体引线上，并且对于超导体引线与低温冷却器的连接是导热的但是电绝缘的。对于要求的电流传输容量，可以调节层叠中超导带的数量和引线中层叠的数量。
通过以下参考附图的说明可以了解本发明的其它目的、特征和优点。
图1是已有技术的低温冷却器的示意图。
图2是根据本发明的低温冷却器的示意图。
图3是超导体引线的示意图。
图3A是沿图3中的线3A-3A的剖视图。
图3B和3C是超导体引线中场取向的示意图
图4是与图3A类似的超导体引线另一实施例的剖视图。
图4A是图4的超导体引线中场取向的示意图
图5是用于超导体引线的热稳定器的示意图。
图5A是沿图5中的线5A-5A的剖视图。
图6是用于超导体引线的热稳定器另一实施例的示意图。
图6A是沿图6中的线6A-6A的剖视图。
参见图2，例如可用于磁共振成像系统和其它类似应用的低温冷却磁体系统，包括外壳11，包含低温或高温超导磁体12；两级机械低温冷却器14，例如CryomechSyracuse，NY销售的GB37，具有热端16和冷端18；具有热端22和冷端24的超导体引线20；和例如铜块28的顶级，其从电源(未示出)穿过外壳壁并固定于超导体引线20的热端22。超导体引线20的热端22通过例如铜带26固定于低温冷却器14的热端16，冷端24通过例如铜带26a固定于超导磁体12。对于低温超导磁体，低温冷却器14的的热端16通常是在约40～100K的范围，最好是在约60～80K，冷端18通常在约4～20K的范围，约4K更好。对于高温超导磁体，低温冷却器14的的热端16也在约40～100K的范围，最好是在约60～80K，冷端18通常在约4～60K的范围，约4～20K更好，温度的选择取决于特定磁体的温度要求。
参见图3，超导体引线20包括高温复合超导体42安装于其上(利用环氧树脂沿其长度连续地或在沿其长度断续的位置上)的内支撑40，热端引线连接器44，热端引线连接器46，和外支撑48。外支撑48具有在约3/8″～1.0″范围外径和小于外径的约1/8″的内径，为引线20提供容易的操作但无须包含在引线的适当作用内。
例如用是良好的电绝缘和绝热体的材料、如玻璃纤维环氧树脂复合管材形成内外支撑40、48。由SpauldingCompositesRochester，NH作为Garolite生产的G10管材是合适的材料。G10管材具有0.0035W/cm-K的卷绕和填充方向热导率和0.0027W/cm-K的垂直于波方向的热导率，10kV/mm的击穿电压，在低温下不脆，可以用通常的工具加工，对系统的热负载影响极低。G10管材在300K～77K的总热收缩约为0.23％，接近于超导体42的热收缩。G10管材还具有足够的强度用以为超导体引线20的处理提供方便(在低温冷却器工作温度例如77K下，G10管材在卷绕方向的杨氏模量是36GPa，在填充方向的是31GPa，在垂直于波的方向是23GPa)。
热端引线连接器44包括用于固定于顶级的铜块28的电流接线片50，和用于引至低温冷却器14的热端16的铜带26的固定件的安装装置例如热接触52。冷端引线连接器46包括用于引至磁体12的铜带26a的固定件的电流接线片54。引线连接器44和46例如由ETP块或其它铜合金或银制成。铜合金可以镀镍用于防腐蚀，虽然这会增大引线连接器44和46与铜块28的连接电阻。热接触52例如由电绝缘导热陶瓷制成，具有大于约1016Ω-cm的电阻率和大于约6W/cm℃的热导率。合适的材料包括氧化铍和氮化铝。
热端热接触52与低温冷却器14的连接，在超导体引线20的热端22与铜块28的电连接的超导体侧或冷侧提供明显的散热，通过传导消散连接的电阻性发热。在热端而不是冷端的散热明显节省制冷。例如，在热端(约60K)散热1W约需50W的制冷，而在冷端(约10K)散热1W约需500W的制冷。由于在高温下消散铜块28与引线20的连接的电阻性发热实质上需要较少的能量，因此最好提供从超导体引线20的热端到低温冷却器的热端的连接。对于工作在4K的磁体，如图2和3所示结构的向低温冷却磁体的热泄漏，每对引线仅约为200mW/kA，约25％来自电阻性发热，其余来自传导性发热。在冷端需要的额外制冷仅约为每对100W/kA。
如图3A～3C所见，复合超导体42的多个层叠(展示了四个层叠)位于内支撑40的沟道58中。由于复合超导体42的各向异性，所以使超导体的良好或b方向取外场F1和内场F2的方向。虽然内场降低超导体的性能，但其沿超导体良好方向取向时其效应减小。参见图3B，层叠42b和42d沿外场F1取向，全部四个层叠42a～42d沿内场F2取向。参见图3C，全部四个层叠42a’～42d’沿外场F1取向，层叠42b’和42d’沿内场F2取向。
参见图4和4A，位于沟道58内的一个层叠复合超导体42具有可以沿外加场取向的优点，但存在较大的垂直“坏”内场的缺点。如果超导体引线在弱磁环境下工作，例如在约64K的热端温度下低于约2000高斯，则图3B的构型较好，因为主要的磁场是内场。如果超导体引线在强磁环境下工作，则图3C的四个层叠构型优于图3B的四个层叠构型，图4的一个层叠构型通常优于多个层叠构型。这是因为对于相同的电流传输能力，一个层叠构型易于制造并且在层叠中具有较多数量的单个带，使得层叠更坚固和容易处理。
在本发明的所示实施例中，高温复合超导体42由厚约10密耳，宽170密耳的超导体带元件形成，其长度约10～80cm。该元件最好层叠烧结以获得超导体各向异性的优点。复合超导体42具有低的热导率，例如在4～60K的范围内约0.45W/cm-K，在或低于其工作温度、电流和磁场的条件下实际上不存在电阻性发热。沟道58的数量和深度以及层叠中带元件的数量由要求的电流传输容量决定，例如对于77K热端，如下所述的16条带的层叠可以在无外加场的情况下传输约500A。
例如，在承载母体中可以使用氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、氮化物、碳化硼或氧化碳酸盐类的超导陶瓷。超导氧化物最好，例如可以使用氧化物超导体的稀土(RBCO)族，氧化物超导体的铋(BSCCO)族，氧化物超导体的铊(TBCCO)族，或氧化物超导体的汞(HBCCO)族。银和其它贵金属是母体承载或粘结超导陶瓷的优选材料。可以使用实质上包含贵金属的合金，包括分散氧化物增强的(ODS)银，例如Al2O3-Ag。“贵金属”是指这样的金属，在制造和使用的期望条件下(温度、压力、气氛)，实质上不与超导陶瓷和前期物质以及形成它们所需的气体不发生反应。优选的贵金属包括银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)。在1～15at％、更好在3at％的Au/Ag合金母体是优选的母体。
在50～2000安培的电流传输容量的系统中通常使用超导体引线20。在这些电流下，不需要热稳定器来防止磁体损失冷却，因为这些系统中的小磁体在几秒的耦合中可以关闭而无损坏。参见图5和5A，如果需要，可以通过把不锈钢或黄铜条70接合于超导体42来设置热稳定器，对引线增加热质量，防止在引线热端损失冷却的情况下温度迅速升高。超导体42可以焊接在延伸于超导体整个长度的条70(图5和5A)，或者焊接在仅沿超导体部分长度延伸的条70，例如从热端起约一半(图6和6A)。图6的实施例是优选的，因为其在稳定热端的同时向冷端而不是图5所示稳定的引线传导少量的热。在组合过程中，用例如环氧树脂把条70安装于沟道58。条72可以同样地安装于沟道58，用具有与条72相同构型的G10材料(未示出)的附加片，沿沟道58中的超导体其余长度延伸并与其接合。
再次参见图2，超导体引线20的结构提供向低温冷却磁体系统10安装的便利。电流接线片50和54限定销孔60，分别用于安装铜块28和铜带26a，热接触52提供与铜带26的连接点。
为了组合超导体引线20，用例如环氧树脂把超导体42接合在内支撑40，至少在沿内支撑40的长度的断续点上，以使在由磁体产生的并对超导体产生弯曲力的背景磁场中，超导体上的力传输给内支撑40，防止对超导体42的损坏以及性能的降低。超导体与内支撑40的接合保证超导体低于其临界应力。然后焊接引线连接器44、46，对于在约180℃的超导体42形成低电阻接点(超导体42可以发热至约200℃而无损坏)。然后在组件上滑上外支撑48。
使用例如环氧树脂把热端引线连接器44紧固于外支撑48。冷端引线连接器46用销子62和槽63的装置可滑动地、轴向固定在外支撑48内。于是，当温度降低时，超导体42与外支撑的G-10管材之间热收缩的任何差异都被引线连接器46在外支撑48内的滑动所吸收。另外，期望具有紧固于外支撑48的两个引线连接器44、46是容易的。
安装过程中，使用者把超导体引线与铜块28和铜带26a销接。然后铜带26a连接于磁体12。铜带26a也可以预先焊接在热接触52，或者在向低温冷却器14安装和连接的过程中由使用者焊接在热接触52。通过预先焊接铜带26a于热接触52，使用者仅需按位置销接超导体引线，防止因在200℃以上的温度焊接会导致的对超导体42的损坏和早期焊点的熔化。
另外，由于焊接是低于销接的低电阻连接，超导体引线20可以预先焊接在铜块28和铜带20，或者在安装过程中由使用者焊接。任何前期组装焊接应低于180℃，低于120℃更好。
对于本领域的技术人员来说，对本发明的所示实施例的补充、减少和其他改进将是显而易见的，并包含在权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种高温超导体引线组件，包括：
超导体，和
与所述超导体第一端接合的第一引线连接器，所述引线连接器包括安装装置，用于固定于用来冷却所述连接器的机械低温冷却器。
2.根据权利要求1的组件，其中所述超导体是带形式。
3.根据权利要求2的组件，其中所述超导体包括带的层叠。
4.根据权利要求3的组件，其中所述超导体包括多个带的层叠。
5.根据权利要求1的组件，还包括所述超导体固定于其上的支撑。
6.根据权利要求5的组件，其中所述支撑包括电绝缘和绝热体。
7.根据权利要求1的组件，还包括围绕所述超导体的外支撑，所述外支撑与所述引线连接器连接。
8.根据权利要求1的组件，其中所述安装装置包括电绝缘导热材料。
9.根据权利要求8的组件，其中所述机械安装装置包括氧化铍。
10.根据权利要求8的组件，其中所述机械安装装置包括氮化铝。
11.根据权利要求1的组件，其中所述引线连接器还包括机械安装装置，用于所述超导体引线与电源的连接。
12.根据权利要求1的组件，还包括与所述超导体第二端接合的第二引线连接器，所述第二引线连接器包括用于把所述引线连接器固定于超导磁体的安装装置，所述超导磁体所处温度低于所述低温冷却器与所述第一引线连接器的连接点的温度。
13.一种高温超导体引线组件，包括：
超导体，
与所述超导体第一端接合的第一引线连接器，所述第一引线连接器包括安装装置，用于固定于机械低温冷却器，以及用于所述超导体引线与电源的连接，
与所述超导体第二端接合的第二引线连接器，所述第二引线连接器包括用于所述超导体引线与超导磁体连接的安装装置，所述超导磁体所处温度低于所述低温冷却器与所述第一引线连接器的连接点的温度，
包括所述超导体固定于其上的电绝缘和绝热体的支撑，
围绕所述超导体的外支撑，所述外支撑与所述引线连接器连接。
14.一种低温冷却磁体系统，包括：
具有热端和冷端的机械冷却器，
保持在所述低温冷却器的所述冷端温度的超导磁体，
两个超导体引线，每个超导体引线包含
超导体，和
与所述超导体第一端接合的第一引线连接器，所述引线连接器包括安装装置，用于固定于所述机械低温冷却器的所述热端，和
两个电流传输引线，每个连接于所述超导体引线之一，所述电流传输引线用于从电源向所述超导体引线提供电能。
15.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，其中所述电流传输引线包括铜块。
16.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，还包括铜带，用于所述超导体引线安装装置与所述机械冷却器的所述热端的连接。
17.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，其中所述安装装置包括氧化铍。
18.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，其中所述安装装置包括氮化铝。
19.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，还包括与所述超导体第二端接合的第二引线连接器，所述第二引线连接器包括用于固定于所述超导磁体的安装装置。
20.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，其中所述机械低温冷却器热端是约60K。
21.根据权利要求14的低温冷却磁体系统，其中所述机械低温冷却器冷端是约10K。
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