專利名稱：用于超導(dǎo)體元件的電襯套的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超導(dǎo)體元件的電襯套，例如在中等或高電壓下用于傳輸電的電纜。該電襯套用于將低溫下的超導(dǎo)體元件端部連接到環(huán)境溫度下一般在戶外中的器件或設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于在超導(dǎo)體元件和用于連接所述元件之間的溫度差大，即在環(huán)境溫度和可能為大約-200℃的低溫之間，所以有必要在該元件和該設(shè)備之間插入連接結(jié)構(gòu)，以使溫度漸變同時最小化熱損耗，且同時當涉及電纜時仍然遵守例如由于高壓帶來的電約束。該結(jié)構(gòu)包括主要由中心導(dǎo)體制成的電襯套，該中心導(dǎo)體由絕緣護套環(huán)繞，用于將來自超導(dǎo)體電纜的電輸送到環(huán)境溫度下的輸出接口。該結(jié)構(gòu)必須在合理的長度上獲得溫度漸變的同時確保熱導(dǎo)體的熱損耗低，從而避免煮沸冷卻電纜的低溫液體。因此，中心導(dǎo)體的截面不能太大。然而，由于導(dǎo)體通過焦耳效應(yīng)變熱，所以高電流可導(dǎo)致熱損耗，在這種情況下，增加中心導(dǎo)體的截面是有好處的。因此，存在兩個沖突的需求。
其它待解決的技術(shù)問題是控制由電襯套中心導(dǎo)體的中等或高壓產(chǎn)生的電場分布以避免擊穿。
對熱損耗問題的公知解決方案在于提供帶有可謂絕熱中間外罩、氣密(airlock)或“緩沖”外罩的連接結(jié)構(gòu)，其設(shè)置在低溫部分與環(huán)境溫度的連接結(jié)構(gòu)部分之間。電襯套穿過中間外罩。該解決方案記載于例如歐洲專利申請EP1 283 576中。中間外罩的側(cè)壁由低溫恒溫器的側(cè)壁構(gòu)成。底壁和頂壁包括由電襯套穿過的固緊凸緣，底壁與低溫部分相鄰，頂壁與環(huán)境部分相鄰。中間外罩是抽空的或充有提供良好熱絕緣和電絕緣性的氣體。需要選擇真空程度或氣體組分以實現(xiàn)兩種絕緣。中間外罩的外壁連接到地電勢。
該解決方案的缺點在于需要好的中間外罩密封，特別是在電襯套穿過底壁和頂壁位置處，因此導(dǎo)致困難和昂貴的制造約束。例如，即使在低溫部分和中間外罩之間很少量的泄漏(例如，每升秒大約10-8毫巴(mbar/L·s)的泄漏)會不可避免地導(dǎo)致中間外罩中的氣體組分的改變或真空程度的下降。如果低溫液體是液氮，那么泄漏將導(dǎo)致在中間外罩中存在氣態(tài)氮，因此首先導(dǎo)致液氮的額外消耗，其次導(dǎo)致中間外罩的熱和電絕緣性降低。由這種泄漏造成的中間外罩中的過多壓力不適合借助安全閥控制，因為打開安全閥將破壞熱和電絕緣介質(zhì)(真空或氣體)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了對于該技術(shù)問題的解決方案，特別是通過改進電襯套的結(jié)構(gòu)。
更具體地，本發(fā)明提供了一種電襯套，其能夠在環(huán)境溫度連接到位于低溫下的外罩的超導(dǎo)體元件，所述電襯套順序穿過在環(huán)境溫度和低溫之間的中間溫度下的外罩，和在環(huán)境溫度下的外罩，所述襯套至少包括由電絕緣護套圍繞的中心電導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明，連接于地電勢的導(dǎo)電屏圍繞所述絕緣護套，所述圍繞部分從與低溫下的所述外罩接觸的襯套的端部開始至少延伸到中間溫度外罩與環(huán)境溫度外罩之間的連接處。
在一項實施例中，所述屏由粘合到所述部分的絕緣護套的外壁金屬層構(gòu)成，例如鋅層或包含銀涂層的層。
有利地，電襯套包括電場偏轉(zhuǎn)裝置。例如，鄰近低溫外罩的所述部分的絕緣護套的端部可具有張開的形狀，其由電導(dǎo)體屏覆蓋。張開的形狀可以是球狀物的頂部，其構(gòu)成鄰近低溫外罩的所述部分的絕緣護套的端部。另外，位于環(huán)境溫度下的腔中的所述部分的絕緣護套的端部可有利地包括應(yīng)力錐狀物。
優(yōu)選地，選擇熱膨脹系數(shù)近似相同的材料構(gòu)成中心導(dǎo)體和絕緣護套，以使這些材料與低溫和環(huán)境溫度相適應(yīng)。例如，可由環(huán)氧樹脂制成絕緣護套，由鋁合金制成中心導(dǎo)體。
在預(yù)定長度上，中心導(dǎo)體位于低溫外罩旁邊的部分的截面小于中心導(dǎo)體位于環(huán)境溫度外罩處的部分的截面。
中間外罩優(yōu)選地至少部分地填充低導(dǎo)熱性固體材料，例如泡沫，如玻璃泡沫或聚氨脂泡沫。
通過非限制示例并且參考附圖，本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將由本發(fā)明的實施例的隨后描述示出，其中圖1是示出本發(fā)明的示意圖；和圖2是本發(fā)明實施例的縱向剖面圖。
具體實施例方式
在圖1中，連接至超導(dǎo)體電纜(未示出)的連接結(jié)構(gòu)包括通過位于低溫下的外罩11中的底端連接到超導(dǎo)體元件的電襯套(bushing)10。鄰近低溫外罩11的中間外罩12優(yōu)選地填充有低導(dǎo)熱率的固體材料。該材料可以是以泡沫形式，例如聚氨脂泡沫或多孔玻璃泡沫，例如購買Foamglas商標的泡沫。電襯套10經(jīng)由氣密緊固凸緣13穿過中間外罩11的底壁，并且經(jīng)由氣密緊固凸緣14穿過頂壁。電襯套10延伸經(jīng)過中間外罩12進入到環(huán)境溫度下的外罩15，該外罩15由裝置16終止，該裝置用于電連接該襯套、以及由此連接超導(dǎo)體元件、直至適合的器件和設(shè)備。中間外罩因此位于環(huán)境溫度和低溫流體溫度之間的溫度。低溫下的外罩11和中間外罩12的各個壁部17和18形成低溫恒溫器壁，從而實現(xiàn)良好的熱絕緣。因為中間外罩是防漏的，所以優(yōu)選地裝配有安全閥19(未示出)以緩和任何可能由于凸緣13和14的泄漏而產(chǎn)生的過壓。
電襯套10包括由絕緣護套20環(huán)繞的中心導(dǎo)體19。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地由金屬制成的導(dǎo)電屏21至少在部分護套上環(huán)繞絕緣護套，即在其一定長度上。該屏有利地由在所述部分上噴鍍絕緣護套而制成，其從與低溫接觸的中間外罩部分延伸至少到凸緣14，即在中間外罩12和環(huán)境溫度外罩15之間接合。該屏電連接到地電勢。其功能是僅限制電襯套中沿著導(dǎo)體的電場，更確切地，在中心導(dǎo)體和屏之間。
應(yīng)該清楚，當中間外罩12填充固體材料且不是氣體或真空時，通過凸緣13和14的微小泄漏問題實際上已被消除。即使在通過凸緣13或14存在微小泄漏的情況下，因為該泄漏不影響填充中間外罩的固體材料的絕緣特性，所以將熱絕緣有效性保持在比較恒定的程度上。
在圖2中，示出了本發(fā)明實施例的縱向剖面，由例如液氮的低溫液體31冷卻超導(dǎo)體電纜30，該液體包含在具有外壁34和內(nèi)壁35的低溫恒溫器33中。在這兩個壁之間的真空水平可以是例如約10-5毫巴(mbar)。由附圖標記36指代的區(qū)域處于低溫下，其對于所謂的“高溫”超導(dǎo)體來說是大約-200℃。
超導(dǎo)體電纜的端部通過電連接37連接到電襯套39的底端部38。該襯套主要由銅或鋁合金的中心導(dǎo)體40構(gòu)成，周圍具有模制的例如由環(huán)氧樹脂制成的電絕緣護套41。在其底端部由具有緊固襯圖43的球狀物42終止。球狀物位于襯圈43之上的部分具有張開的形狀，張開最寬的部分處于襯圈。凸緣44將球狀物42以密封方式相對低溫恒溫器33的內(nèi)壁35緊固。
低溫恒溫器33的內(nèi)壁35和外壁34垂直延伸，以形成中間外罩45的側(cè)壁。該外罩因此得以良好的熱絕緣。該中間外罩的底部由球狀物42以密封的方式密封，外罩的頂部由板46密封，該板可由金屬合金制成(例如不銹鋼或鋁合金)。區(qū)域47的溫度處于低溫和環(huán)境溫度之間。
絕緣護套的部分的外壁由例如噴鍍金屬的導(dǎo)電材料層63覆蓋。例如，沉積在該外壁的金屬可以是噴灑到外壁上的鋅。可選擇地，壁可以由導(dǎo)電涂層、包含銀的涂層覆蓋而實現(xiàn)導(dǎo)電。絕緣護套的覆蓋在金屬層63中的部分從球狀物42上的襯圈43延伸到與中間外罩45的頂部接近的頂板46的緊固和密封凸緣49。金屬層63電連接到地電勢。因此，其形成具有在中心導(dǎo)體40和金屬層63之間引導(dǎo)電力線作用的電屏。因為金屬層連接到地電勢并且因為超導(dǎo)體電纜處于高壓下，所以絕緣護套的底端部38以及因此金屬層63有利地具有類似位于襯圈43上方的球狀物42的部分的張開形狀，從而增加在地與高壓之間的漏電距離(creepage distance)，由此避免在端部38的電擊穿。替代沉積在絕緣電纜外壁上的導(dǎo)電層63，其構(gòu)成了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，也可以使用柱狀金屬管，該管圍繞絕緣護套41的外壁的并且在其接近球狀物42的端部具有張開的形狀。類似導(dǎo)電層63，該管應(yīng)該連接到地電勢。
可以清楚，在區(qū)域47中的中心導(dǎo)體40的溫度從球狀物42處的低溫到頂板46處的環(huán)境溫度進行變化。因為中心導(dǎo)體40的電阻率隨著溫度的增加而減小，所以可有利地減小低溫的中心導(dǎo)體的截面，從而限制沿著環(huán)境溫度部分和低溫部分之間的導(dǎo)體的熱流動，同時通過焦耳效應(yīng)將熱損耗保持在低水平。因此，在圖2中，中心導(dǎo)體40在球狀物42處的截面小于在中間腔45頂部處的截面。在理論上，導(dǎo)體的截面應(yīng)該從與超導(dǎo)體元件連接處37一直逐漸地增加到環(huán)境溫度下的頂板46。然而，制造這樣的導(dǎo)體部分是昂貴的且滿足在短長度上進行這種截面的變化，如圖2所述。
中間外罩優(yōu)選填充有低導(dǎo)熱的固體材料。該材料有利地采用泡沫的形式，例如聚氨脂泡沫或多孔玻璃泡沫，例如Foamglas商標種類的多孔玻璃泡沫。優(yōu)選地完全采用該固體材料填充中間外罩，但是也可以僅部分填充。為了填充中間外罩，可以加工一塊或多塊的固體泡沫，例如采用半殼(half-shell)形式的兩塊或加工有中孔的單塊，該中孔與電襯套39位于中間外罩45中的部分形狀互補，隨后將所述(各)塊放入中間外罩內(nèi)。
在中間外罩45上方，環(huán)境溫度下的外罩48緊固于板46。該板呈現(xiàn)良好的導(dǎo)熱性從而在環(huán)境溫度的氣體和環(huán)境溫度下外罩48的底部之間建立良好的熱交換。電襯套39經(jīng)由緊固和密封凸緣49以氣密的方式穿過該頂壁46，并且電襯套經(jīng)由環(huán)境溫度下的所述外罩的頂壁50伸出到外罩48的外部。外罩的側(cè)壁由電絕緣體51構(gòu)成，例如玻璃纖維強化的環(huán)氧樹脂，一般稱為纖維強化的聚合物(FRP)。該壁的外表面承載連續(xù)的絕緣材料鰭狀物(fin)52，例如硅酮，用于延長表面上由于周圍的污染和雨滴(rain)沉積在所述表面上形成雜質(zhì)引起的任何漏電流的路徑長度。環(huán)境溫度下的外罩48利用如硅油的良好的電絕緣液體54填充到水平53。除了對電襯套39提供良好的電絕緣外，液體54易于實現(xiàn)環(huán)境溫度下外罩內(nèi)側(cè)的溫度穩(wěn)定。因此，區(qū)域55的溫度接近環(huán)境溫度。
位于環(huán)境溫度外罩48中的應(yīng)力錐狀物56在金屬層63結(jié)束處環(huán)繞電襯套39。該應(yīng)力錐狀物的導(dǎo)電部分借助例如使用半導(dǎo)體帶(tape)的帶57電連接于金屬層63且也電連接到導(dǎo)電的氣密緊固凸緣49。金屬層63可到達緊固凸緣49的端部水平，或可直接延伸至應(yīng)力錐56的導(dǎo)電部分，關(guān)鍵點在于，在金屬層63和應(yīng)力錐的導(dǎo)電部分之間具有良好的電連續(xù)性。該應(yīng)力錐狀物的功能是偏轉(zhuǎn)或張開在金屬端部的電力線，從而避免可能導(dǎo)致電擊穿的任何不連續(xù)性。電襯套39通過連接接頭58在環(huán)境溫度外罩48的外側(cè)終止，該接頭用于在中等或高壓下為超導(dǎo)體電纜供電，或用于在來自超導(dǎo)體電纜30的中等或高壓下為環(huán)境溫度下的設(shè)備供電。
板46優(yōu)選設(shè)置有安全閥62以排出任何來自中間外罩45的過壓，該過壓可能是由于冷卻液體通過襯圈43和緊固凸緣44泄漏而造成，然后冷卻液體在氣態(tài)形式下穿過中間外罩。
環(huán)境溫度下的外罩也具有兩個連接閥59和60，使得它能夠被油填充，該閥58連接到聚乙烯浸入管61，其使外罩中油的深度能夠被監(jiān)控。
因為電場限制在中心導(dǎo)體40和導(dǎo)電層63之間并且在導(dǎo)體層63的兩端首先通過由于球狀物42的形狀形成的張開形狀、其次通過應(yīng)力錐狀物56偏轉(zhuǎn)，所以對于中間外罩不需要抽空或填充電絕緣材料(例如，氣體)上述電連接結(jié)構(gòu)包括有利地填充有良好熱絕緣體的固體材料的中間外罩，該結(jié)構(gòu)在低溫部分和環(huán)境溫度部分之間可提供良好的溫度漸變，進入低溫液體中的熱量流動受到限制，與安裝時工作條件相適應(yīng)并且易于在現(xiàn)場和車間進行維修。該結(jié)構(gòu)的高度，特別是中間外罩的高度可以容易地調(diào)整以適應(yīng)低溫部分和環(huán)境部分之間的溫差條件，以及諸如電壓和電流的電條件該實施例涉及連接超導(dǎo)體電纜。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，將本發(fā)明應(yīng)用于連接任何在低溫下的且需要連接到環(huán)境溫度的器件或裝置或設(shè)備的超導(dǎo)體元件是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種電襯套(39)，該電襯套能夠在環(huán)境溫度下連接到位于在低溫下外罩(31)中的超導(dǎo)體元件(30)，所述電襯套連續(xù)穿過在環(huán)境溫度和低溫之間的中間溫度下的外罩(45)，和環(huán)境溫度下的外罩(48)，所述襯套至少包括由電絕緣護套(41)圍繞的中心電導(dǎo)體(40)，該襯套的特征在于，連接于地電勢的導(dǎo)電屏(63)圍繞所述絕緣護套(41)，所述圍繞部分從與低溫下的所述外罩接觸的襯套的端部(43)開始至少延伸到中間溫度外罩與環(huán)境溫度外罩之間的連接處(49)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電襯套，其特征在于，所述屏是由粘合到所述部分的絕緣護套(41)的外壁的金屬層(63)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電襯套，其特征在于，所述金屬層(63)由沉積在所述部分的絕緣護套(41)的外壁上的鋅層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電襯套，其特征在于，所述金屬層(63)由含銀的涂層形成。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電襯套，其特征在于，所述絕緣護套(41)在所述部分的兩個端部的至少一個處包括電場偏轉(zhuǎn)裝置(42，56)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電襯套，其特征在于，所述部分鄰近所述低溫外罩的絕緣護套的端部(42)是張開形狀的，并且被覆蓋在所述金屬屏中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電襯套，其特征在于，所述部分鄰近所述低溫外罩的絕緣護套的端部是球狀物(42)的形狀，其設(shè)置在所述低溫外罩(31)和所述中間溫度外罩(45)之間，所述球狀物位于中間溫度外罩中的部分具有所述張開的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電襯套，其特征在于，所述屏(63)延伸入環(huán)境溫度下的外罩(48)，以及，應(yīng)力錐狀物(56)圍繞所述絕緣護套(41)固定并且與所述屏的位于所述環(huán)境溫度外罩中的端部電連接。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電襯套，其特征在于，構(gòu)成中心導(dǎo)體(40)和絕緣護套(41)的材料的熱膨脹系數(shù)大概相同，以使所述材料與低溫和環(huán)境溫度相適應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電襯套，其特征在于，所述絕緣護套(41)由環(huán)氧樹脂制成，所述中心導(dǎo)體(40)由鋁合金制成。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電襯套，其特征在于，在預(yù)定長度上，所述中心導(dǎo)體(40)位于所述低溫外罩旁邊的部分的截面小于所述中心導(dǎo)體位于所述環(huán)境溫度外罩處的部分的截面。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的電襯套，其特征在于，中間溫度下的外罩(45)中至少部分地填充具有低導(dǎo)熱性的固體材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電襯套，其特征在于，所述材料是基于泡沫的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電襯套，其特征在于，所述材料是多孔玻璃泡沫或聚氨脂泡沫。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電襯套(39)，其用于在環(huán)境溫度下連接到位于在低溫下外罩(31)中的超導(dǎo)體元件(30)，該電襯套連續(xù)穿過在環(huán)境溫度和低溫之間的中間溫度下的外罩(45)，和環(huán)境溫度下的外罩(48)，該襯套包括由電絕緣護套(41)圍繞的中心電導(dǎo)體(40)。根據(jù)本發(fā)明，連接于地電勢的導(dǎo)電屏(63)圍繞所述絕緣護套(41)，所述圍繞部分從與低溫下的所述外罩接觸的襯套的端部(43)開始至少延伸到中間溫度外罩與環(huán)境溫度外罩之間的連接處(49)。本發(fā)明尤其可應(yīng)用于連接超導(dǎo)體電纜。
文檔編號H02G15/02GK1874096SQ200610077430
公開日2006年12月6日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月17日
發(fā)明者皮埃爾·米拉博, 尼古拉斯·拉洛伊特, 塞巴斯蒂安·德爾普萊斯, 里吉斯·拉皮埃爾 申請人:尼克桑斯公司