專利名稱：：用于低溫保持器的電流貫穿引線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種低溫保持器，其包括用于保持例如超導(dǎo)磁體線圈的被冷卻設(shè)備的制冷劑容器。更M地，本發(fā)明涉及一種制冷劑容器中的被冷卻設(shè)備和外部電源之間的電連4妄。
背景技術(shù)：
：圖1示出了包^^'J冷劑容器12的低溫保持器的傳統(tǒng)布置方式。被冷卻的超導(dǎo)磁體10位于制冷劑容器12內(nèi)，而制冷劑容器12本身保持在外部真空腔(outervacuumchamber(OVC))14內(nèi)。在制冷劑容器12和夕卜部真空腔14之間的真空空間中提供有一個(gè)或多個(gè)熱輻射屏蔽16。在一些已知的布置中，制冷機(jī)17安裝在制冷機(jī)座15中，制冷機(jī)座15位于為了該目的朝向低溫保持器側(cè)設(shè)置的角塔(turret)18中?？商?"也，制冷機(jī)17可以位于入口角塔19中，入口角塔19保持安絲低溫保持器頂部的入口頸部(通氣管)20。制冷機(jī)17提供主動(dòng)的制冷以在制冷劑容器12中冷卻制冷劑氣體，在一些布置中是通過再冷液體冷卻的。制冷機(jī)17還可用于冷卻輻射屏蔽16。如圖l中說明的，制冷機(jī)17可以是兩級(jí)制冷機(jī)。第一冷卻級(jí)熱連接至壽謝屏蔽16,并提供到第一溫度的,4^P,典型的是80-100K的范圍內(nèi)。第二冷卻級(jí)提供制冷劑氣體的冷卻，到更低的溫度，典型的是4-10K的范圍內(nèi)。到磁體的陰極電連接通常通過低溫保持器主體和陰極電纜21a提供到磁體10。陽極電連接通常通過穿itit風(fēng)管20的陽極電纜21提供。為了將外部電源連接至陽極電纜21，電連接線22必須穿過角塔外部組件32的壁提供，并且與制冷劑容器本身的材料電絕緣。這樣的電連接線22通常被稱作貫穿引線，這是本發(fā)明的M。角塔外部組件32的內(nèi)部暴露于制冷劑容器12的氣體中，典型的是超過大氣壓力的陽極電纜21必須電連接到外部電源，所以角塔外部組件必須密封防止制冷劑的泄漏和空氣的滲入。因此，貫穿引線22需要提供外部電源和制冷劑容器中的陽極電纜21之間的電連接。這樣的貫穿引線必須提供外部電源和陽極電纜21之間低阻電連續(xù)性。必須提供氣密的密封來防止制冷劑容器中的制冷劑氣體通過密封逸出，并且防止空^it過密封滲入。M—種常用的制冷劑，如果要用在氦冷卻系統(tǒng)中貫穿引線就必須是氦密封的。貫穿引線還必須提供陽極電纜和外部電源之間的電通路和制冷劑容器的材料之間的電絕緣。如上面提及的，通常采用低溫保持器的主體，包括角塔外部組件32,來作為》茲體的陰極導(dǎo)體。^口到或/A^茲體10得到的電壓因此將表現(xiàn)為橫i^色緣體的電壓，該絕緣體作為貫穿引線的""tl^S殳置。在正常運(yùn)行時(shí)，例如ii7v磁體的感應(yīng)電流，或者/^U茲體中引出的輸出電流，橫跨磁體從而橫跨貫穿引線的絕緣體的電壓將不大于20V。在這樣的電壓下提供有效的電絕緣是相對(duì)容易的。然而，在磁體突失的情況下，超導(dǎo)》茲體突然變?yōu)樽杩剐缘模诖朋w線圈的兩端將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓。在這種情況下，高達(dá)約5kV的電壓可能會(huì)橫跨貫穿虧1線的絕緣體出現(xiàn)。^H可這樣的貫穿引線中因ittJ睹必要提供足以耐受若干千伏的所;^n的電壓的電絕緣。更進(jìn)一步的，在對(duì)制冷劑容器充入液態(tài)制冷劑的過程中，或者在突失過程中液態(tài)的或沸騰的制冷劑被排出低溫保持器的情況下，暴露于制冷劑容器內(nèi)部的貫穿引線的部分可能被冷卻至大約氦的沸點(diǎn)溫度的42K。同時(shí)，暴露于周圍環(huán)妓中的貫穿引線的部分可能i^)j300K或更高。^f可貫穿引線因此必須能夠承受大于300K的溫度差而不被損壞。圖2A和2B以示意性的對(duì)黃截面圖和示意性的透^L圖示出了一種已知的目前用于承載電;/J^制冷劑容器中的貫穿引線。貫穿引線導(dǎo)體30通過陶瓷密封墊34與角塔外部組件32電絕緣。外部不4射鵬己件36密封貫穿引線導(dǎo)體30和陶瓷密封墊34,將陶瓷密封墊定4錄與導(dǎo)體30同心的間隔開的位置。內(nèi)部不銹鋼配件38密封陶瓷密封墊34,并徑向遠(yuǎn)離導(dǎo)體30延伸以提供徑向與導(dǎo)體30間隔開的凸緣40。在4賴中，貫穿引線通過凸緣40焊接到角塔外部殼體32上。通過使得凸緣40與導(dǎo)體30間隔開，在焊接過程中導(dǎo)體短路至凸緣的風(fēng)險(xiǎn)降低。凸緣40上的焊接位置和陶瓷密封墊34之間的熱距離需足夠以避免對(duì)陶瓷密封墊的熱損壞。電流貫穿引線21，在附圖中以柔性金屬疊層示出，可以通過^f可合適的配件連接到導(dǎo)體30的內(nèi)部末端，該合適的配件例如是如示出的簡(jiǎn)單的通孔41和導(dǎo)體30的螺鄉(xiāng)錄端56上的螺母58。一般的，這種設(shè)置已經(jīng)^^現(xiàn)能提供滿意的電性能和滿意的密封。另一方面，這種陶瓷密封墊34已經(jīng)^^口曉由于才;i4成或熱壓力會(huì)破碎。陶瓷密封墊的破碎可導(dǎo)致制冷劑容器被陶資顆粒污染，制冷劑氣體泄漏至空氣中，或者空氣ii7v制冷劑容器。在最近的M中，如圖2A,2B示出的貫穿引線設(shè)置有夕卜部支撐結(jié)構(gòu)，該外部支撐結(jié)構(gòu)減輕了陶瓷密封墊破碎的一些影響，但是并沒有解決現(xiàn)有貫穿引線本質(zhì)上的才;U成在夾點(diǎn)。在如圖2A和2B中示出的貫穿引線中如目前使用的陶瓷密封墊的成本大約為200英鎊(大約400美元)。如果如圖2A，2B示出的陶瓷密封墊34將要被破壞，就有必要切斷凸緣40和壁32之間的焊接，以清潔制冷劑容器的任何污染并更換貫穿引線，包括焊接新貫穿引線的凸緣40和壁32。這樣的操作已知要花費(fèi)2500英鎊左右(5000美元)。如果用戶處的陶乾密封墊的損毀導(dǎo)致被冷卻設(shè)備和^i顯保持器的招回，那么預(yù)期花費(fèi)就可能更高。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種貫穿引線，其適于提供制冷劑容器中的電流貫穿引線和外部電源之間的電連接，該電連接是氣密的，不易由于才M成或熱壓力破碎，該電連接提供比目前可用的釆用陶瓷密封墊的貫穿引線的相當(dāng)可觀的成本節(jié)省，并且優(yōu)選地其易于安裝和替換。相應(yīng)地，本發(fā)明提^"-種如所附權(quán)利要求中限定的裝置。以上以及更多的本發(fā)明的目的，特性以及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在以下結(jié)合附圖對(duì)特定實(shí)施例的描述中變得更加明顯，在附圖中圖1示出了一種包4封皮冷卻設(shè)備的傳統(tǒng)^i顯保持器，其具有/"卜部為被冷卻設(shè)備提供電連續(xù)性的貫穿引線；圖2A和2B示出了傳統(tǒng)貫穿引線的示奮性橫截面圖和示意'l^i^械面圖；圖3A和3B每個(gè)示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的貫穿引線的示意l封黃截面圖；圖4示出了適用于本發(fā)明的實(shí)施例的夾具的視圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的貫穿引線的示奮^it一城面圖。圖6示出了/"h^看，本發(fā)明的貫穿引線的透視圖；圖7示出了從低溫保持器的內(nèi)部看，本發(fā)明的貫穿引線的透視圖；圖8示出了本發(fā)明的貫穿引線的單獨(dú)的透視圖。具體實(shí)施方式圖3A和5說明了根據(jù)本發(fā)明的貫穿引線的示奮陽黃截面圖和示意性透^a面圖。導(dǎo)電銷30被包圍在電絕緣密封材料42中，并通過密封材料42保持在才;i4tJi堅(jiān)固的管狀承載主體44上。徑向延伸的法蘭46設(shè)置在承載主體44的外部末端處或者附近。不銹鋼端口48優(yōu)選設(shè)置于壁32內(nèi)且具有配合法蘭50。法蘭48和50可^t旱接在"^52以將貫穿引線保持定位并提供氣密的密封。徑向延伸的法蘭46確保了焊接52離密封材料42足夠遠(yuǎn)，從而焊接的熱量不^SM/f封可破壞。在伊涵實(shí)施例中，導(dǎo)電銷30是銅，承載主體44是不銹鋼，密封材料42是環(huán)IU對(duì)脂或環(huán)氧油灰。環(huán)氧樹脂或環(huán)氧油灰中可具有諸如玻璃纖維的纖維加強(qiáng)材料。優(yōu)選的材料是&&1(1&@八￥1850環(huán)氧油灰。電流引線21，在圖中以柔性金屬疊層示出，可通過任何合適的配件連接到導(dǎo)體30的內(nèi)部末端，該合適的酉己件例如是如示出的簡(jiǎn)單的通孔和螺母58。在替代實(shí)施例中，如圖3B示出的，貫穿引線可通過4M成夾具54被固持定位，該夾具54作用在7義載主體44的徑向延伸的法蘭46和部分48的法蘭50上。優(yōu)選的，如示出的，法蘭46,50中的至少一個(gè)是徑向錐形的，且夾具54具有互補(bǔ)的作用面56,以使得夾具54的夾緊造成法蘭46,50被緊在"-^。優(yōu)選的，如示出的，密封墊60置于法蘭46，50之間以確保有效的氣密密封。如圖4示出的，夾具54可以由兩個(gè)螺栓64固定在1的半圓輪廓62構(gòu)成。替代的夾具當(dāng)然也可以應(yīng)用。這樣的貫穿？1線比已知的貫穿《1線提供了改進(jìn)的機(jī)械強(qiáng)度和持久性，其預(yù)期花費(fèi)大約為35英鎊(大約70美元)，大大j氐于現(xiàn)有4支術(shù)中的同類貫穿引線。圖3A，3B和5的貫穿引線可以通過下面的方法構(gòu)造。導(dǎo)電銷30可以通過切削合適尺寸的銅棒制成。承載主體44可以通過4^￡或模壓合適尺寸的不銹鋼管制成。導(dǎo)電銷30通過夾具保持定位，環(huán)氧油灰42同時(shí)被引入導(dǎo)電銷30和承載主體44之間的柱狀空隙中。承載主體44和環(huán)氧i對(duì)脂優(yōu)選隨后被壓縮以確保環(huán)氧油灰有效的填充和凈給。圖6,7示出了根據(jù)本發(fā)明的貫穿引線的透視圖，如AU人角塔外部組件的外部(圖6)和內(nèi)部(圖7)所見，其穿過壁32安裝。導(dǎo)電銷30在外部54和內(nèi)部56暴露，以允許連##統(tǒng)的電連接器。例如，內(nèi)徑稍小于導(dǎo)電銷30的外部暴露部分54的外徑的彈性分裂管狀連接器可以被推到外部暴露部分54上。內(nèi)部暴露部分56可以是帶螺紋的，以通過使用以筒單的螺母58連4^體21，例如銅疊層。這樣的連接提供了可靠，簡(jiǎn)單的連接，其可^^1地移去和再連接。密封材料42是清晰可見的，其圍繞導(dǎo)電銷同軸地延伸，將銷保持定位在才M成上堅(jiān)固的管狀承載主體44內(nèi)。凸起，凹槽47(圖5)或其它結(jié)構(gòu)可以^^用在堅(jiān)固的管狀承載主體44的內(nèi)表面，以確保密封材料42在^^)中不移動(dòng)。如圖6，7中肯睹到的，4;i^U堅(jiān)固的管狀7義載主體44的法蘭46被通過焊縫52密封并連接到壁32上。根據(jù)^a升^U堅(jiān)固的管狀承載主體34的材沖襯口壁19,凈給連接可以可替^i也^^i，或者可以如圖3B和4示出地使用夾具。圖8示出了本發(fā)明的貫穿？j線單獨(dú)的透視圖。本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施例的特征，特別是實(shí)現(xiàn)電連接的導(dǎo)電針腳30的特征，并且^f可許多已知的等同的設(shè)置都可以使用，例如插頭，插座，彈簧夾，焊接片，螺絲端等等。類似的，盡管承載主體44已被描述為是不銹鋼的，但其它的材料，例如銅，鋁或合適的金屬^^都可以采用。可替代的，可以采用合成材4牛，例如iE皮璃纖維或碳纖維的纖維材料強(qiáng)化的樹脂(但是不能焊接)。盡管密封材料42被描述為環(huán)氧油灰，其它材料也可以采用，只要其是電絕緣體并能夠耐受4K的溫度和貫穿引線長(zhǎng)度上高于300K的溫差。聚合物，例如聚四氟乙烯或尼龍也是合適的，并可以注射成型入導(dǎo)體30和承載主體44之間的空間以形成密封材料40。用于本發(fā)明目的的有用的貫穿引線必須提供有效的高壓絕緣，這可以在電壓擊穿試驗(yàn)中被測(cè)試。必須提供氣密的絕緣，這可以通過測(cè)量一定壓差下的氣體泄漏率而測(cè)試。貫穿引線必須提供能夠承載需要的電流水平并且提供至少5kV的電絕緣的低阻電連接。因此，在描述的實(shí)施例中，導(dǎo)電銷由銅制成，其直徑約為12mm，長(zhǎng)度約為80mm，可采取合適的電導(dǎo)率。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，確保防止水ii7v密封材料內(nèi)是很重要的，因?yàn)樗甞it絲相對(duì)較小的電壓下的電擊穿，并^f吏得密封墊的枳械堅(jiān)固性打折扣。對(duì)如圖2所示的用環(huán)氧油灰作為密封材料32的本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行性能測(cè)試的結(jié)果如下室溫下的電氣擊穿>5000V在焊接過程中達(dá)到的平均溫度銅針腳30:306.9K不銹鋼承載主體44:308.0K室溫下的電氣擊穿測(cè)試(焊4妄完成后重復(fù))>5000V大約200kPa壓差下的初始真空泄漏率L88xl(f毫巴Z/^/秒沖擊冷卻測(cè)試周期的性能(溫度/人大約300K突降到大約4K，然后測(cè)試大約200kPa壓差下的真空泄漏率)2.3xl(f毫巴Z/Hl"/秒室溫下的電氣擊穿測(cè)試(冷卻測(cè)試周期后重復(fù))>5000V真空下24小時(shí)后的真空泄漏率，隨后重新測(cè)試大約200kPa壓差下的真空泄漏率4.25xl(T9毫巴Z^V秒目前產(chǎn)品的最小標(biāo)準(zhǔn)泄漏率為1.0xlO—s毫巴.^Hl7秒。如通itJi述測(cè)試結(jié)果說明的，本發(fā)明的電流貫穿引線提供了比該最小性能值相當(dāng)好的泄漏棒性。在這些初始測(cè)試之后，進(jìn)行了一些持久測(cè)試。長(zhǎng)期的測(cè)試包括使本發(fā)明的貫穿《1線經(jīng)受1000V下的導(dǎo)體30和承載主體44間的電導(dǎo)率測(cè)試，同時(shí)在大約200kPa壓差下進(jìn)行真空完塾l"生測(cè)試以確定環(huán)氧油灰密封材料42的密封效率。結(jié)果顯示，電性能沒有變壞，但密封效率有些下降，經(jīng)過一定時(shí)間后真空泄漏率增加。密封有效性仍然遠(yuǎn)優(yōu)于上面定義的最小標(biāo)準(zhǔn)泄漏率。過去的時(shí)間(日)真空泄漏率(毫巴.公升/秒)IOOOV下的電導(dǎo)率<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>這些結(jié)果表明，由密封材料提供的絕緣的電擊穿水平開始是很滿意的，并且通過焊接操作或者冷卻溫度周期并沒有變壞。真空泄漏率在一定程度上在焊接之后，以及在冷卻溫度周期之后再次變壞。還發(fā)現(xiàn)真空泄漏率還隨著時(shí)間變壞。然而真空泄漏率還是令人滿意的。以上的測(cè)試結(jié)果通過測(cè)試原型裝置獲得，相信通過本發(fā)明貫穿引線的產(chǎn)品形式將會(huì)達(dá)到更好的電絕緣并減小真空泄漏率。權(quán)利要求1、一種電流貫穿引線，其用于提供容器(12)內(nèi)部和該容器外部之間的導(dǎo)電通路(30)，所述導(dǎo)電通路(30)與該容器的材料(32)電絕緣(42)，所述電流貫穿引線包括導(dǎo)電銷(30)，所述導(dǎo)電銷由電絕緣密封材料(42)包圍，并通過該密封材料保持在管狀承載主體(44)中，所述導(dǎo)電銷在所述管狀承載主體的各端部(54，56)暴露以提供電連接。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流貫穿引線，其中所述導(dǎo)線銷(30)由銅制成，所述承載主體(44)由不4秀鋼制成，并且所述密封材料(42)由環(huán)氧樹脂或環(huán)氧油灰制成。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流貫穿引線，其中在所述環(huán)IU對(duì)脂或環(huán)氧油灰內(nèi)設(shè)置有纖維增強(qiáng)材料。4、設(shè)置有根據(jù)在前任一權(quán)利要求所述的電流貫穿引線的容器，該容器提供容器內(nèi)部和容器外部之間的導(dǎo)電通路，所述管狀7fc載主體(44)橫過所述容器的壁(32)，并且被密封和連接到所ii^器的所述壁上。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的容器，其中所錄器設(shè)置有端口(48),所述端口具有密封并連接到所述容器的所述壁上的第一末端，還具有密封并連接到所述電流貫穿引線的所述管^7lc載主體(42)上的第二末端。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的容器，其中所述端口(48)的所述第二末端通過焊接被密封并連接到所述電流貫穿《1線的所述管狀承載主體上。7、才艮據(jù)權(quán)利要求5所述的容器，其中所述端口(48)的該所述第二末端通過夾具(54)被密封并連接到所述電流貫穿引線的所述管^^載主體上。8、沖艮據(jù)權(quán)利要求5-7中任意一項(xiàng)所述的容器，其中所述管^^載主體(42)設(shè)置有徑向延伸的法蘭(46)，并且所述端口(48)的所述第二末端設(shè)置有配合法蘭(50),并且其中所述徑向延伸的法蘭(46)被密封并連接到所述配合法蘭(50)。9、沖艮據(jù)當(dāng)/鎮(zhèn)于權(quán)利要求7時(shí)權(quán)利要求8的容器，其中所述徑向延伸法蘭(46)和所述g給法蘭(50)中的一個(gè)是徑向錐形的，所述夾具包括與所述錐形面互補(bǔ)的作用面(56)以及與所述徑向延伸法蘭(46)和所述配合法蘭(50)中的另一個(gè)的相應(yīng)面互補(bǔ)的作用面。10、根據(jù)權(quán)利要求6-9所述的容器，其中密封墊(60)設(shè)置在所述徑向延伸法蘭(46)和所述配合法蘭(50)之間。全文摘要一種電流貫穿引線，其用于提供容器內(nèi)部和該容器外部之間的導(dǎo)電通路。該導(dǎo)電通路與該容器的材料電絕緣。該電流貫穿引線包括導(dǎo)電銷，該導(dǎo)電銷由密封材料包圍，并通過該密封材料保持在管狀承載主體中，該導(dǎo)電銷在該管狀承載主體的各端部暴露以在此提供電連接。用于低溫保持器的電流貫穿引線。文檔編號(hào)H01F6/04GK101521079SQ20081017991公開日2009年9月2日申請(qǐng)日期2008年11月3日優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日發(fā)明者尼爾·J·貝爾頓,斯蒂芬·P·特羅韋爾,馬丁·H·亨普斯特德申請(qǐng)人:西門子磁體技術(shù)有限公司