專利名稱：用于將超導負載系統連接到電流饋送點的高溫超導體電線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用來將超導負載系統，具體地說勵磁線圈，連接到電流饋送點上 的電線，該電流饋送點處于比負載系統高的溫度下，該電線包括_扁平的細長載體，和-多個機械平行和電并聯的高溫超導體(HTSC)，其中，各HTSC并排設置在載體上。
背景技術：
概況的現有技術公開在DE 102005058029A1中。超導負載系統被用在(通常強的)電流必須以低電阻流動的任何地方。一種重要 的超導負載系統是超導勵磁線圈，這些超導勵磁線圈用來產生強磁場，例如，用于NMR波譜 儀或MRI斷層掃描儀(tomographs)。超導負載系統為了操作必須保持在低溫下，從而在負 載系統中的超導材料可保持在其臨界溫度Tc以下。為此，超導負載系統必須用低溫冷卻器 致冷；提供冷卻功率所要求的必要冷卻功率或能量是顯著的成本因素。在起動期間或者也在操作期間，電流饋送到超導負載系統中。為此目的，使用電 線。電線因此應該向電流路徑提供良好的導電性。電線將電流饋送點連接到在低溫下的超 導負載系統上。因為電流源(例如地方電網)通常在室溫下提供它們的連接，所以電線總是將導 熱路徑提供給超導負載。相關的熱量輸入增大了超導負載的冷卻功率要求。通常，為電源提供分級冷卻。離電流饋送點最近的電線第一端部或對應的第一連 接元件，由第一低溫冷卻器或低溫冷卻器的第一級保持在中低溫度下(例如，50至90K)。靠 近超導負載的電線第二端部或對應的第二連接元件，由第二低溫冷卻器或低溫冷卻器的第 二級保持在用于超導負載的溫度下(通常1至30K)。這種分級冷卻已經顯著地減小冷卻功 率要求。在DE 102005058029A1中公開的電線是包括兩塊相同板的FRP(玻璃纖維增強塑 料)載體，在這兩塊相同板之間，設置帶條形的、相互平行的高溫超導體(HTSC)。各HTSC在 FRP載體的縱向方向上延伸。HTSC的每個端部均與連接元件導電地相連接。每個帶條形 HTSC均包括正常地傳導的電流路徑。這種電線的缺點是相對于尺寸的較低超導電流容量，并且此外，如果在HTSC中不 再保證超導性(猝熄(quench))，則緊急傳導性能很弱。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有高電流容量和低導熱性的HTSC電線，該HTSC電線 在HTSC中超導性失效的情況下，提供改進的緊急傳導性能。這個目的由上述類型的電線實現，該電線的特征在于，_載體由不銹鋼制成，
-多個HTSC均并排地設置在載體的兩個相對的載體側上，以及-載體按具有切口的板的形狀構成。本發明提出HTSC電線的重新設計，通過這種重新設計，大大地改進電流傳導的性 能。本發明的電線具有多個高溫超導體(HTSC或HTSC導線)，這些高溫超導體的臨界溫度 是Tc彡30K。與正常操作相關的超導電流容量由HTSC確定。載體用作用于(通常帶條形 的)HTSC的支撐件，并且提供機械基礎框架。導熱性能也由載體確定。根據本發明，載體由不銹鋼制成。如果在HTSC中的一個或多個上不再保證超導性 (在猝熄的情況下)，則由不銹鋼制成的載體由于其歐姆導電性而保持電流容量的電流路 徑，從而可較好地控制在猝熄起始的位置處的局部熱量產生，因而能夠保護HTSC免受由于 過電壓和過電流造成的損害。在每個單獨的HTSC中的正常傳導電流路徑(它在現有技術 中是通過HTSC的熱量輸入的主要源)在本發明中可將尺寸設定成顯著較窄，因為它在猝熄 的情況下，通過在載體中的電流路徑而釋放負載。在極端情況下，正常傳導電流路徑實際上 是不必要的，并且可被消除。同時，不銹鋼具有相對低的導熱性(相對于其導電性而言)，從而這已經保證，進 入超導負載中的熱量輸入非常低。在載體中的切口使得通過致冷用戶系統借助本發明的電 線輸入的熱量流動進一步最小化。切口本身減小在電線中存在的導熱路徑，同時在切口周 圍在載體中產生用于熱傳導的瓶頸。本發明的措施使得用來對連接的超導負載系統進行冷 卻的成本得以降低。切口還能減小對于載體的重量和材料的要求。由于本發明的通過安裝HTSC而雙側使用載體，大量HTSC可裝配在電線中。本發 明電線的有用的超導電流容量因而相應地很大。在本發明中，在電線的功能性方面將載體包括到更大程度，并且由載體的結構產 生的性能在電線的設計中得到更大程度的考慮，允許電線性能的簡單改進。具有切口的板形載體基本上是扁平的、細長的以及立方體形的。板形載體的外部 寬度、外部高度以及外部長度構成(最小)包絡立方體，板形載體將大致裝配到該包絡立方 體中。在這個立方體(就是說，由外部寬度、外部高度以及外部長度限定的空間)中未被載 體材料占據的區域是載體的切口。在本發明中，外部寬度與外部高度的比值通常是3 1 或更大，而外部長度與外部寬度的比值通常是4 1或更大。在本發明電線的一個優選實施例中，由載體的外部長度、外部寬度以及外部高度 限定的空間的至少40%，優選地至少60%，由切口占據。與不具有切口的板形(扁平且細 長的、立方體形的)載體相比，因為切口的這個比例和伴隨的材料的減少，可實現至少類似 比例的熱量流動的減少。如下實施例也是優選的，在該實施例中，提供載體長度的一個或多個分段，在這些 分段中，由載體的外部寬度和外部高度限定的橫截面面積的至少70%，優選地至少85%， 由切口占據。就它們的橫截面面積而論，符合所述條件的一個或多個分段優選地占據載體 的外部長度的至少10%，特別優選地至少25%。根據這個實施例，一個或多個“瓶頸”提供 在載體中，在該載體中，與由載體的外部高度和外部寬度限定的橫截面面積相比，有助于熱 傳導的橫截面面積(與縱向尺度相垂直)局部地減小。一個或多個瓶頸通常確定和限制載 體的熱傳導，從而在載體設計的其它方面中，可優先考慮其它要求(如機械穩定性)。如下實施例也是優選的，在該實施例中，載體按曲折形狀構成。曲折形狀由切口實現，這些切口形成為從載體的豎直側之一開始，就其縱向方向而論橫過載體的全部高度，并 且在縱向方向上在各豎直側之間交替。具體地說，切口可在相對的豎直側的方向上超越載 體的中心延伸。曲折形狀使熱傳導路徑顯著地比載體的外部長度長，并且熱阻相應地更高。在一個有利的實施例中，切口的至少一些在載體的縱向方向上構成為槽口，在這 些槽口的每一個中均設置一個HTSC。縱向槽口便于HTSC的定位。細長槽口的側壁保護 HTSC免于機械損壞。本發明電線的一個特別優選實施例的特征在于，載體由U形截面體制成，該U形截 面體在載體的一個豎直側上是敞開的。換句話說，載體基于U形截面體。U形截面體有利地在支腿側(外部側)上提供大 的面積，該支腿側可用作用于HTSC的支撐件，具有小的載體材料橫截面。在這個實施例的進一步變形中，U形截面體的外部側每個均具有曲折形槽口。按 這種方式，熱傳導路徑與U形截面體的外部長度相比，被有效地加長。以上描述實施例的進一步變化形式也是優選的，在這種變化形式中，與縱向方向 橫交的槽口提供在U形截面體的基部側上，這些槽口分布在載體的縱向方向范圍內。這些 槽口減小由載體材料局部地占據的U形截面體的橫截面，這又減小沿U形截面體的熱量流 動。如下實施例也是特別優選的，在該實施例中，電線具有具體而言由銅制成的兩個 連接元件，這兩個連接元件在載體的縱向端部的區域中焊接到載體上。通過連接元件，電流 傳導到HTSC中；電線通常也通過連接元件冷卻。作為用于連接元件的材料的銅以低成本提 供高導電性。為了將連接元件軟焊到載體上，通常使用包含銀的焊料，這些焊料良好地適于 銅連接元件。優選地使用L-Ag72型的焊料。連接元件被裝配到載體上，例如通過在端面處 的對接。扁平凹口也可提供在連接元件中，與載體形成近似臺階形接觸表面。橫向槽口也 可設想成，該橫向槽口銑削到連接元件中，并且在載體的外部側上找到突起，該突起作為配 合元件，或者反之亦然。在本發明裝置的一個實施例中，HTSC按帶條形狀構成，并且具體地說，平放在載體 側上。這種構造提供HTSC保護，因為可能經受機械負載的表面保持得很小。況且，這種布 置提供在HTSC與載體之間的大的接觸表面。可選擇地，也可使用圓導體類型的HTSC。如下實施例也是優選的，在該實施例中，HTSC包含-Bi-2212或Bi_2223，具體地說，在上述兩種情況的任一種情況下，是具有Ag或 Ag/Au涂層的PIT(在管子中的粉末)類型的；-或者YBC0，具體地說，是“涂敷的導體”類型的；-或MgB2。這些材料已經證明它們在實際中具有價值，并且可被非常好地包括在本發明中。本發明的其它優點可從說明書和附圖得出。同樣，根據本發明的以上敘述的特征 和以下敘述的特征可單獨地或按任何組合多重地使用。示出和描述的實施例不用于作為窮 舉性清單，而是作為說明本發明的例子。
本發明表示在附圖中，并且使用例子進行更詳細地解釋。附圖表示
圖1是本發明電線的示意圖，該電線連接到電流源和超導負載上；圖2a是用平面視圖表示的本發明電線的示意圖；圖2b是在圖2a的平面視圖中的本發明電線的示意圖，但沒有HTSC ；圖2c是根據圖2a沿橫斷平面A-A的圖2a的電線的示意縱向截面圖；圖2d是根據圖2c沿橫斷平面B-B的圖2a的電線的示意橫向截面圖；圖2e是根據圖2c沿橫斷平面C-C的圖2a的電線的示意橫向截面圖；圖3是用于本發明的在載體與連接元件之間的對接焊接連接部的示意縱向截面 圖；圖4是用于本發明的在載體與連接元件之間的臺階形焊接連接部的示意縱向截 面圖；圖5a是本發明的另一種電線的示意立體圖，該電線具有曲折形載體和縱向槽口， 沒有示出HTSC ；圖5b示出圖5a的電線，其中具有HTSC ；圖6是用于本發明電線的一種載體的示意立體圖；圖7是用于本發明電線的另一種的載體的示意立體圖，該載體基于具有梳狀外部 側的U形截面體；圖8a是另外的本發明電線的示意立體圖，基于在外部側中具有曲折槽口的U形截 面體，沒有表示HTSC ；圖8b示出圖8a的電線，其中具有HTSC。
具體實施例方式圖1示意地表示一種構造，在這種構造中，超導負載5 (在這種情況下為超導磁鐵) 通過本發明的電線1連接到電流饋送點3a上。第一導體2 (例如銅導體)從電流饋送點3a (它在這種情況下在室溫下并且提供 在電流源3上)到達電線1的第一端部Ia ；在那里，提供第一連接元件(未更詳細地表示)。 在第一端部Ia的區域中，連接件5a提供在第一低溫冷卻器(未示出)上，該第一低溫冷卻 器將第一端部Ia冷卻到近似50至90K (對于在HTSC中的MgB2而言最大35K)的中低溫度 Tl。溫度Tl應該在電線1中的HTSC的臨界溫度以下。在電線1的第二端部Ib處，設有用于第二低溫冷卻器(未表示)的連接件5b，該 第二低溫冷卻器將第二端部Ib冷卻到近似1至30K的低溫T2 ；溫度T2應該至少近似地與 超導負載5的操作溫度一樣冷。作為第一和第二低溫冷卻器的替代方式，也可以使用具有 第一和第二冷卻級的一個低溫冷卻器(未示出)。在第二端部Ib處構造的連接元件(未示出)由第二導體(例如HTSC電纜或低溫 超導體電纜)連接到超導負載5上。圖2a至2e表明本發明電線1的第一實施例。如可從平面視圖2a和從縱向截面圖2c (參考在圖2a中的橫斷平面A_A)看到的 那樣，電線1包括載體6，該載體6由不銹鋼(“扁平鋼支撐件”)制成，具體地說，由鋼DIN 1.4306、DIN 1. 4404、DIN1. 4571、DIN 1. 4435、AISI 316L、AISI 304L、或 AISI 316LN 制 成，該載體6在其縱向端部處焊接到連接元件7上。連接元件7具有電位抽頭(potentialtap)9和用來安裝電流觸點的鉆孔8。在載體6的頂部側和下側兩者上，都設置多個(在這種情況下五個)高溫超導體 (HTSC) 10，這些高溫超導體10借助于焊接連接部與載體6和與連接元件7兩者相連接。使 用的焊料優選地是SnAg4焊料。也可使用具有熔點<200°C的焊料(例如，來自Fusion GmbH 的焊料，SSX 430-830型焊膏)。載體6用作用于HTSC 10的支撐件，并且承接作用在電線1上的機械負載。必須 注意，載體6和HTSC 10應該具有類似的熱膨脹性能，這是因為，否則的話，由于由溫度波動 引起的不同膨脹，特別是在電線的初始冷卻期間，可能發生損壞。如可從圖2b (它表示在省去HTSC的情況下圖2a的平面圖)和圖2c看到的那樣， 載體6具有多個切口 15，這些切口 15相對于載體6的縱向方向(縱向方向在圖2a、2b以 及2c中從左到右延伸)垂直地延伸。在所示的實施例中，總共十七個切口 15分布在載體 6的外部長度AL上。圖2e表示在切口 15的高度處穿過電線1的橫向截面(參考在圖2c中的橫斷平 面C-C)。具有外部高度AH和外部寬度AB的載體6的外部輪廓限定一橫截面面積，該橫截 面面積僅在橫向腹板處由載體材料占據；所限定的橫截面面積的近似80%由切口 15占據。 在沿載體6縱向方向上的相關聯的分段20中，就是說，在每個切口 15的縱向尺度上(參考 圖2b和2c)，熱傳導因此受到嚴重限制，因為它只可通過兩個腹板的“瓶頸”發生。切口 15 在豎直方向上是連續的。HTSClO的大多數完全橋接切口 15 ；邊緣HTSC部分地位于腹板上。圖2d表示在兩個切口之間穿過電線1的橫向橫截面(參考在圖2c中的橫斷平面 B-B)。在這個區域中，由外部高度AH和外部寬度AB限定的整個橫截面面積由載體材料占 據。在這個區域中，HTSC 10直接位于載體6上，并且在這個實施例中焊接到載體6的表面 上。圖3按縱向剖視圖示出將連接元件7安裝到載體6上作為本發明的一部分的第一 種可能性。載體6和連接元件7在它們的面對的端部(對接端部)處焊接在一起。焊接連接部16 (與焊接連接部的形狀無關)優選地用包含銀的焊料實施，具體地 說用L-Ag72型焊料實施。連接元件7 (與焊接連接部的形狀無關)優選地由Ag、Cu或Au、 或所述材料的各種合金制成；選擇性地，連接元件7可涂有材料Ni、Ag或Au中的一種。連接元件7的一種可選擇性的安裝在圖4中描繪。在這種情況下，載體6和連接 元件7每個均在縱向截面中形成近似L形邊緣，從而近似S形(臺階形)接觸表面設置在 兩個部件之間。焊接連接部16a在整個S形接觸表面上延伸，并且顯著地比在僅在端面上 接觸的情況下的接觸表面大。本發明電線1的第二實施例按示意立體圖表示在圖5a (沒有HTSC)和圖5b (具有 HTSC)中。電線1的載體6具有曲折形結構。每個交替切口 15均從兩個相對的豎直邊緣70a、 70b伸到由載體6的外部長度AL、外部高度AH以及外部寬度AB限定的空間中。切口 15在 整個外部高度AH上延伸(就是說，切口在圖5a中的豎直方向上是連續的)。因此載體6的 一些分段與縱向尺度相平行地(參考分段20)延伸，而另一些分段相對于載體6的縱向尺 度橫交地延伸；載體6因此按曲折路徑延伸。在完全曲折形載體6的情況下，如這里描述 的那樣，這個曲折路徑的長度為載體6的外部長度AL的近似三倍長，這提供相應較高的熱阻。在載體6的、相對于載體的縱向尺度橫向延伸的分段中，另外的切口，就是說縱向 槽口 11，構成在載體6的頂部側和下側中(例如，通過銑削)。如在圖5b中看到的那樣，在這種情況下，縱向槽口 11具有與HTSC 10的高度近似 相對應的深度，這些HTSC 10設置在載體6上。HTSC 10被攜帶在縱向槽口 11中，這便于制 造，并且HTSC 10由縱向槽口 11的側壁機械地穩定和保護。縱向槽口 11也減小載體6沿 曲折路徑的熱傳導性。圖6表示用于本發明電線的載體6的示意立體圖，該載體6與圖2b的載體6相類 似。基本上扁平的、細長的、立方體形的載體6具有多個切口 15，這些切口 15分布在縱向尺 度上，穿過載體的全部高度切成并留下橫向腹板(以保證機械完整性)。圖7表示用于本發明電線的另一種載體6的立體圖。載體6基于U形截面體，該U形截面體具有在豎直側70a處的基部，并且在相對的 豎直側70b處敞開。U形截面體的支腿構成載體6的頂部側和下側(外部側)90、91，在該 頂部側和下側90、91上設置HTSC (未表示)。外部側90、91設置成從背對基部的豎直側70b開始，具有在橫向方向上延伸的槽 口狀切口 15a。槽口狀切口 15a顯著地減小載體6在縱向方向上的熱傳導性。在載體6的 U形截面體的內部中的敞開區域，形成在由圖7的載體6的外部寬度AB、外部高度AH以及 外部長度AL限定的空間(體積)中的最大切口 15b。在載體6基于U形截面體的情況下，由外部寬度AB、外部高度AH以及外部長度AL 限定的空間被載體材料的占有率特別低，就是說，這個限定的空間主要由切口 15a、15b占 據(在這種情況下大于90% )，并因此熱傳導相應地很低。外部高度AH是優質鋼載體6延伸過的高度范圍(在載體6的整個縱向尺度上看 到)。外部寬度AB是優質鋼載體6延伸過的寬度范圍(在載體6的整個縱向尺度上看到)。 外部長度AL是優質鋼載體6延伸過的長度范圍(在載體6的整個豎向尺度和縱向尺度上 看到)。外部高度AH、外部寬度AB以及外部長度AL按直角測量。扁平的、細長的立方體由 相對于載體6的外部輪廓存在的外部長度AL、外部寬度AB以及外部高度AH構成(“限定 的空間”)，載體6大致裝配到其中。本發明電線1的另一個實施例表示在圖8a (沒有HTSC)和圖8b (具有HTSC)中。電線1同樣具有基于U形截面體的載體6(類似于在圖7中的載體)。U形截面體 的支腿構成載體6的頂部側和下側(外部側)90、91，在該頂部側和下側90、91上設置HTSC 10。外部側90、91每個均具有切口 15c，這些切口 15c呈曲折形槽口的形狀。這減小載 體6在縱向方向上(朝外部長度AL的方向)的熱傳導。此外，設有縫隙狀切口(槽口)15d，這些縫隙狀切口 15d相對于在U形截面狀載體 6的基部側的豎直側70a中的縱向方向橫向地延伸。這也減小了在基部區域中在縱向方向 上的熱傳導。最大切口 15b由在載體6的U形截面的內部中的自由區域構成。注意，在用來保護HTSC的本發明電線上，為了電絕緣，HTSC帶狀導體區域可封裝 在環氧樹脂中，如在Stycast 1266中，和/或包裹在Kapton帶中。
附圖標記清單
1電線
2導體
3電流源
3a電流饋送點
4導體
5超導負載系統
5a用于低溫冷卻器的連接件
5b用于低溫冷卻器的連接件
6載體
7連接元件
8鉆孔
9電位抽頭
10HTSC
11縱向槽口
15切口
15a-15d切口
16、16a焊接連接部
20分段
70a,70b豎直側
90外部側
91外部側
AB外部寬度
AH外部高度
AL外部長度
權利要求
1.用來將超導負載系統(5)，具體地說勵磁線圈，連接到電流饋送點(3a)的電線(1)， 該電流饋送點(3a)處于比負載系統(5)高的溫度下，該電線⑴包括-扁平的細長載體(6)，和-多個機械平行和電并聯的高溫超導體(=HTSC) (10)， 其中，HTSC(IO)并排設置在載體上(6)， 其特征在于，-載體(6)由不銹鋼制成，-多個HTSC(IO)均并排地設置在載體(6)的兩個相對的載體側上，以及 -載體(6)按具有切口(15 ；15a-15d)的板的形狀構成。
2.根據權利要求1所述的電線(1)，其特征在于，由載體(6)的外部長度(AL)、外 部寬度(AB)以及外部高度(AH)限定的空間的至少40%，優選地至少60%，由切口(15; 15a-15d)占據。
3.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，提供載體(6)的長度的一個 或多個分段(20)，在這些分段(20)中，由載體(6)的外部寬度(AB)和外部高度(AH)限定 的橫截面面積的至少70%，優選地至少85%，由切口(15 ； 15a-15d)占據。
4.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，載體(6)按曲折形狀構成。
5.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，切口(15)的至少一些在載 體(6)的縱向方向上構成為槽口(11)，在這些槽口(11)的每一個中，設置一個HTSC(10)。
6 根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，載體(6)由U形截面體制 成，該U形截面體在載體(6)的一個豎直側(70a)處是敞開的。
7.根據權利要求6所述的電線(1)，其特征在于，U形截面體的外部側(90、91)均具有 曲折形槽口(15c)。
8.根據權利要求6或7所述的電線(1)，其特征在于，在U形截面體的基部側上，設有 在載體(6)的縱向方向范圍內分布的槽口(15d)，這些槽口(15d)與縱向方向橫交。
9.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，電線(1)具有具體地由銅制 成的兩個連接元件(7)，這兩個連接元件(7)在載體(6)的縱向端部的區域中焊接到載體 (6)上。
10.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，HTSC(IO)按帶條形狀構 成，并且具體地說，平放在載體側上。
11.根據以上權利要求任一項所述的電線(1)，其特征在于，HTSC(IO)包含 -Bi-2212或Bi-2223，具體地說，在兩種情況的任一種情況下，是具有Ag或Ag/Au涂層的PIT (在管子中的粉末)類型的；-或者YBC0，具體地說，是“涂敷的導體”類型的； -或 MgB2。
全文摘要
一種用來將超導負載系統(5)，具體地說勵磁線圈，連接到電流饋送點(3a)的電線(1)，該電流饋送點(3a)處于比負載系統(5)高的溫度下，該電線(1)包括-扁平的細長載體(6)，和-多個機械平行和電并聯的高溫超導體(HTSC)(10)，其中，HTSC(10)并排設置在載體(6)上，其特征在于，-載體(6)由不銹鋼制成，-多個HTSC(10)均并排地設置在載體(6)的兩個相對的載體側上，以及-載體(6)按具有切口(15；15a-15d)的板的形狀構成。本發明提供一種具有高安培容量和低導熱性的電線，該電線在HTSC中超導性失效的情況下，提供改進的緊急傳導性能。
文檔編號H01B12/06GK101996712SQ20101025062
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月10日 優先權日2009年8月10日
發明者A·奧貝爾, B·賽勒, M·蒙茨, T·阿恩特 申請人:布魯克Hts有限公司