專利名稱：高溫超導(dǎo)體引線組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)體引線，特別是涉及用于向超導(dǎo)磁體傳輸電流的高溫超導(dǎo)體引線。
當(dāng)傳統(tǒng)的銅引線流過大電流時產(chǎn)生的電阻性發(fā)熱對低溫冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)造成明顯量的熱泄漏。需要附加的制冷來克服向該系統(tǒng)的熱泄漏，把超導(dǎo)體保持在要求的低溫溫度。
超導(dǎo)陶瓷的純鑄件形式的塊狀超導(dǎo)引線通常是具有金屬端蓋的棒狀或管狀，已經(jīng)用于從非超導(dǎo)體引線向超導(dǎo)磁體提供電能。由于純陶瓷在低溫下是脆性的，所以這些塊狀引線難以處理。存在與塊狀材料和金屬端蓋之間的接觸相關(guān)的明顯電阻性發(fā)熱，這導(dǎo)致向低溫冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的熱泄漏。
塊狀超導(dǎo)引線包含了在向超導(dǎo)引線提供電能的銅引線與低溫冷卻器之間的散熱連接。如

圖1所示，已有的塊狀超導(dǎo)引線2向與低溫冷卻器8的冷端5連接的超導(dǎo)磁體4傳輸電流。銅引線6穿過外殼1并包括與低溫冷卻器8的熱端7的連接3。對低溫冷卻器的散熱來自塊狀材料與引線的金屬端蓋9之間的接觸區(qū)域的熱側(cè)(銅引線6側(cè))。與陶瓷塊狀材料和金屬端蓋之間的接觸相關(guān)的電阻性發(fā)熱仍舊向低溫冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)泄漏。傳輸約5500安培的塊狀引線中的電阻性發(fā)熱可以高達(dá)每對引線約為1.15W/kA。電阻性熱泄漏與每對約為0.04W/kA的傳導(dǎo)性熱泄漏一起，要求每對約為595W/kA的附加制冷(在4K，每瓦的熱泄漏要求向低溫冷卻系統(tǒng)約500W的制冷)。
超導(dǎo)引線中可以包括熱穩(wěn)定器，用于在冷卻不足的條件下防止對超導(dǎo)磁體造成損害。為了使超導(dǎo)體引線熱穩(wěn)定，無論是對塊狀引線還是層疊組合引線，把引線壓制或焊接在具有低熱導(dǎo)率的材料上，例如不銹鋼或黃銅線、棒或條。這可在超導(dǎo)體引線失效之前使磁體放電。另外，可以包括電旁路通道與超導(dǎo)體引線平行，在超導(dǎo)性損失或引線損壞時可使磁體放電。
本發(fā)明涉及能夠降低向低溫冷卻磁體系統(tǒng)的熱泄漏的高溫超導(dǎo)體引線組件。該高溫超導(dǎo)體引線組件包括超導(dǎo)體和與超導(dǎo)體第一端接合的第一引線連接器。安裝裝置把引線連接器固定于用來冷卻連接器的機(jī)械低溫冷卻器。
在本發(fā)明的特定實施例中，超導(dǎo)體是帶的層疊形式或多個帶層疊。超導(dǎo)體安裝在電絕緣和絕熱的支撐上。外支撐圍繞超導(dǎo)體并與引線連接器連接。安裝裝置是電絕緣導(dǎo)熱陶瓷例如氧化鈹或氮化鋁。組件包括帶有用于超導(dǎo)體引線與電源連接的電流接線片的引線連接器。與超導(dǎo)體第二端接合的第二引線連接器包括用于把引線連接器固定于超導(dǎo)磁體的安裝裝置。超導(dǎo)磁體所處溫度低于低溫冷卻器與第一引線連接器的連接點(diǎn)的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，低溫冷卻磁體系統(tǒng)包括，具有熱端和冷端的機(jī)械冷卻器，保持在低溫冷卻器冷端溫度的超導(dǎo)磁體，包含用于固定于機(jī)械冷卻器熱端的安裝裝置的兩個超導(dǎo)體引線，和與超導(dǎo)體引線之一連接的兩個電流傳輸引線，用于從電源向超導(dǎo)體引線提供電能。
在本發(fā)明的特定實施例中，電流傳輸引線是銅塊。銅帶把超導(dǎo)體引線安裝裝置連接至機(jī)械冷卻器的熱端。機(jī)械冷卻器熱端約為60K，機(jī)械冷卻器冷端約為10K。
本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)可以是以下所述中的一個或多個。超導(dǎo)體引線的機(jī)械性穩(wěn)定并易于操縱。安裝裝置設(shè)置在超導(dǎo)體引線上，并且對于超導(dǎo)體引線與低溫冷卻器的連接是導(dǎo)熱的但是電絕緣的。對于要求的電流傳輸容量，可以調(diào)節(jié)層疊中超導(dǎo)帶的數(shù)量和引線中層疊的數(shù)量。
通過以下參考附圖的說明可以了解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是已有技術(shù)的低溫冷卻器的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的低溫冷卻器的示意圖。
圖3是超導(dǎo)體引線的示意圖。
圖3A是沿圖3中的線3A-3A的剖視圖。
圖3B和3C是超導(dǎo)體引線中場取向的示意4是與圖3A類似的超導(dǎo)體引線另一實施例的剖視圖。
圖4A是圖4的超導(dǎo)體引線中場取向的示意5是用于超導(dǎo)體引線的熱穩(wěn)定器的示意圖。
圖5A是沿圖5中的線5A-5A的剖視圖。
圖6是用于超導(dǎo)體引線的熱穩(wěn)定器另一實施例的示意圖。
圖6A是沿圖6中的線6A-6A的剖視圖。
參見圖2，例如可用于磁共振成像系統(tǒng)和其它類似應(yīng)用的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，包括外殼11，包含低溫或高溫超導(dǎo)磁體12；兩級機(jī)械低溫冷卻器14，例如CryomechSyracuse，NY銷售的GB37，具有熱端16和冷端18；具有熱端22和冷端24的超導(dǎo)體引線20；和例如銅塊28的頂級，其從電源(未示出)穿過外殼壁并固定于超導(dǎo)體引線20的熱端22。超導(dǎo)體引線20的熱端22通過例如銅帶26固定于低溫冷卻器14的熱端16，冷端24通過例如銅帶26a固定于超導(dǎo)磁體12。對于低溫超導(dǎo)磁體，低溫冷卻器14的的熱端16通常是在約40～100K的范圍，最好是在約60～80K，冷端18通常在約4～20K的范圍，約4K更好。對于高溫超導(dǎo)磁體，低溫冷卻器14的的熱端16也在約40～100K的范圍，最好是在約60～80K，冷端18通常在約4～60K的范圍，約4～20K更好，溫度的選擇取決于特定磁體的溫度要求。
參見圖3，超導(dǎo)體引線20包括高溫復(fù)合超導(dǎo)體42安裝于其上(利用環(huán)氧樹脂沿其長度連續(xù)地或在沿其長度斷續(xù)的位置上)的內(nèi)支撐40，熱端引線連接器44，熱端引線連接器46，和外支撐48。外支撐48具有在約3/8″～1.0″范圍外徑和小于外徑的約1/8″的內(nèi)徑，為引線20提供容易的操作但無須包含在引線的適當(dāng)作用內(nèi)。
例如用是良好的電絕緣和絕熱體的材料、如玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合管材形成內(nèi)外支撐40、48。由SpauldingCompositesRochester，NH作為Garolite生產(chǎn)的G10管材是合適的材料。G10管材具有0.0035W/cm-K的卷繞和填充方向熱導(dǎo)率和0.0027W/cm-K的垂直于波方向的熱導(dǎo)率，10kV/mm的擊穿電壓，在低溫下不脆，可以用通常的工具加工，對系統(tǒng)的熱負(fù)載影響極低。G10管材在300K～77K的總熱收縮約為0.23％，接近于超導(dǎo)體42的熱收縮。G10管材還具有足夠的強(qiáng)度用以為超導(dǎo)體引線20的處理提供方便(在低溫冷卻器工作溫度例如77K下，G10管材在卷繞方向的楊氏模量是36GPa，在填充方向的是31GPa，在垂直于波的方向是23GPa)。
熱端引線連接器44包括用于固定于頂級的銅塊28的電流接線片50，和用于引至低溫冷卻器14的熱端16的銅帶26的固定件的安裝裝置例如熱接觸52。冷端引線連接器46包括用于引至磁體12的銅帶26a的固定件的電流接線片54。引線連接器44和46例如由ETP塊或其它銅合金或銀制成。銅合金可以鍍鎳用于防腐蝕，雖然這會增大引線連接器44和46與銅塊28的連接電阻。熱接觸52例如由電絕緣導(dǎo)熱陶瓷制成，具有大于約1016Ω-cm的電阻率和大于約6W/cm℃的熱導(dǎo)率。合適的材料包括氧化鈹和氮化鋁。
熱端熱接觸52與低溫冷卻器14的連接，在超導(dǎo)體引線20的熱端22與銅塊28的電連接的超導(dǎo)體側(cè)或冷側(cè)提供明顯的散熱，通過傳導(dǎo)消散連接的電阻性發(fā)熱。在熱端而不是冷端的散熱明顯節(jié)省制冷。例如，在熱端(約60K)散熱1W約需50W的制冷，而在冷端(約10K)散熱1W約需500W的制冷。由于在高溫下消散銅塊28與引線20的連接的電阻性發(fā)熱實質(zhì)上需要較少的能量，因此最好提供從超導(dǎo)體引線20的熱端到低溫冷卻器的熱端的連接。對于工作在4K的磁體，如圖2和3所示結(jié)構(gòu)的向低溫冷卻磁體的熱泄漏，每對引線僅約為200mW/kA，約25％來自電阻性發(fā)熱，其余來自傳導(dǎo)性發(fā)熱。在冷端需要的額外制冷僅約為每對100W/kA。
如圖3A～3C所見，復(fù)合超導(dǎo)體42的多個層疊(展示了四個層疊)位于內(nèi)支撐40的溝道58中。由于復(fù)合超導(dǎo)體42的各向異性，所以使超導(dǎo)體的良好或b方向取外場F1和內(nèi)場F2的方向。雖然內(nèi)場降低超導(dǎo)體的性能，但其沿超導(dǎo)體良好方向取向時其效應(yīng)減小。參見圖3B，層疊42b和42d沿外場F1取向，全部四個層疊42a～42d沿內(nèi)場F2取向。參見圖3C，全部四個層疊42a’～42d’沿外場F1取向，層疊42b’和42d’沿內(nèi)場F2取向。
參見圖4和4A，位于溝道58內(nèi)的一個層疊復(fù)合超導(dǎo)體42具有可以沿外加場取向的優(yōu)點(diǎn)，但存在較大的垂直“壞”內(nèi)場的缺點(diǎn)。如果超導(dǎo)體引線在弱磁環(huán)境下工作，例如在約64K的熱端溫度下低于約2000高斯，則圖3B的構(gòu)型較好，因為主要的磁場是內(nèi)場。如果超導(dǎo)體引線在強(qiáng)磁環(huán)境下工作，則圖3C的四個層疊構(gòu)型優(yōu)于圖3B的四個層疊構(gòu)型，圖4的一個層疊構(gòu)型通常優(yōu)于多個層疊構(gòu)型。這是因為對于相同的電流傳輸能力，一個層疊構(gòu)型易于制造并且在層疊中具有較多數(shù)量的單個帶，使得層疊更堅固和容易處理。
在本發(fā)明的所示實施例中，高溫復(fù)合超導(dǎo)體42由厚約10密耳，寬170密耳的超導(dǎo)體帶元件形成，其長度約10～80cm。該元件最好層疊燒結(jié)以獲得超導(dǎo)體各向異性的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合超導(dǎo)體42具有低的熱導(dǎo)率，例如在4～60K的范圍內(nèi)約0.45W/cm-K，在或低于其工作溫度、電流和磁場的條件下實際上不存在電阻性發(fā)熱。溝道58的數(shù)量和深度以及層疊中帶元件的數(shù)量由要求的電流傳輸容量決定，例如對于77K熱端，如下所述的16條帶的層疊可以在無外加場的情況下傳輸約500A。
例如，在承載母體中可以使用氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、氮化物、碳化硼或氧化碳酸鹽類的超導(dǎo)陶瓷。超導(dǎo)氧化物最好，例如可以使用氧化物超導(dǎo)體的稀土(RBCO)族，氧化物超導(dǎo)體的鉍(BSCCO)族，氧化物超導(dǎo)體的鉈(TBCCO)族，或氧化物超導(dǎo)體的汞(HBCCO)族。銀和其它貴金屬是母體承載或粘結(jié)超導(dǎo)陶瓷的優(yōu)選材料?？梢允褂脤嵸|(zhì)上包含貴金屬的合金，包括分散氧化物增強(qiáng)的(ODS)銀，例如Al2O3-Ag?！百F金屬”是指這樣的金屬，在制造和使用的期望條件下(溫度、壓力、氣氛)，實質(zhì)上不與超導(dǎo)陶瓷和前期物質(zhì)以及形成它們所需的氣體不發(fā)生反應(yīng)。優(yōu)選的貴金屬包括銀(Ag)、金(Au)、鉑(Pt)、鈀(Pd)。在1～15at％、更好在3at％的Au/Ag合金母體是優(yōu)選的母體。
在50～2000安培的電流傳輸容量的系統(tǒng)中通常使用超導(dǎo)體引線20。在這些電流下，不需要熱穩(wěn)定器來防止磁體損失冷卻，因為這些系統(tǒng)中的小磁體在幾秒的耦合中可以關(guān)閉而無損壞。參見圖5和5A，如果需要，可以通過把不銹鋼或黃銅條70接合于超導(dǎo)體42來設(shè)置熱穩(wěn)定器，對引線增加熱質(zhì)量，防止在引線熱端損失冷卻的情況下溫度迅速升高。超導(dǎo)體42可以焊接在延伸于超導(dǎo)體整個長度的條70(圖5和5A)，或者焊接在僅沿超導(dǎo)體部分長度延伸的條70，例如從熱端起約一半(圖6和6A)。圖6的實施例是優(yōu)選的，因為其在穩(wěn)定熱端的同時向冷端而不是圖5所示穩(wěn)定的引線傳導(dǎo)少量的熱。在組合過程中，用例如環(huán)氧樹脂把條70安裝于溝道58。條72可以同樣地安裝于溝道58，用具有與條72相同構(gòu)型的G10材料(未示出)的附加片，沿溝道58中的超導(dǎo)體其余長度延伸并與其接合。
再次參見圖2，超導(dǎo)體引線20的結(jié)構(gòu)提供向低溫冷卻磁體系統(tǒng)10安裝的便利。電流接線片50和54限定銷孔60，分別用于安裝銅塊28和銅帶26a，熱接觸52提供與銅帶26的連接點(diǎn)。
為了組合超導(dǎo)體引線20，用例如環(huán)氧樹脂把超導(dǎo)體42接合在內(nèi)支撐40，至少在沿內(nèi)支撐40的長度的斷續(xù)點(diǎn)上，以使在由磁體產(chǎn)生的并對超導(dǎo)體產(chǎn)生彎曲力的背景磁場中，超導(dǎo)體上的力傳輸給內(nèi)支撐40，防止對超導(dǎo)體42的損壞以及性能的降低。超導(dǎo)體與內(nèi)支撐40的接合保證超導(dǎo)體低于其臨界應(yīng)力。然后焊接引線連接器44、46，對于在約180℃的超導(dǎo)體42形成低電阻接點(diǎn)(超導(dǎo)體42可以發(fā)熱至約200℃而無損壞)。然后在組件上滑上外支撐48。
使用例如環(huán)氧樹脂把熱端引線連接器44緊固于外支撐48。冷端引線連接器46用銷子62和槽63的裝置可滑動地、軸向固定在外支撐48內(nèi)。于是，當(dāng)溫度降低時，超導(dǎo)體42與外支撐的G-10管材之間熱收縮的任何差異都被引線連接器46在外支撐48內(nèi)的滑動所吸收。另外，期望具有緊固于外支撐48的兩個引線連接器44、46是容易的。
安裝過程中，使用者把超導(dǎo)體引線與銅塊28和銅帶26a銷接。然后銅帶26a連接于磁體12。銅帶26a也可以預(yù)先焊接在熱接觸52，或者在向低溫冷卻器14安裝和連接的過程中由使用者焊接在熱接觸52。通過預(yù)先焊接銅帶26a于熱接觸52，使用者僅需按位置銷接超導(dǎo)體引線，防止因在200℃以上的溫度焊接會導(dǎo)致的對超導(dǎo)體42的損壞和早期焊點(diǎn)的熔化。
另外，由于焊接是低于銷接的低電阻連接，超導(dǎo)體引線20可以預(yù)先焊接在銅塊28和銅帶20，或者在安裝過程中由使用者焊接。任何前期組裝焊接應(yīng)低于180℃，低于120℃更好。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的所示實施例的補(bǔ)充、減少和其他改進(jìn)將是顯而易見的，并包含在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高溫超導(dǎo)體引線組件，包括超導(dǎo)體，和與所述超導(dǎo)體第一端接合的第一引線連接器，所述引線連接器包括安裝裝置，用于固定于用來冷卻所述連接器的機(jī)械低溫冷卻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述超導(dǎo)體是帶形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其中所述超導(dǎo)體包括帶的層疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其中所述超導(dǎo)體包括多個帶的層疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，還包括所述超導(dǎo)體固定于其上的支撐。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的組件，其中所述支撐包括電絕緣和絕熱體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，還包括圍繞所述超導(dǎo)體的外支撐，所述外支撐與所述引線連接器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述安裝裝置包括電絕緣導(dǎo)熱材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的組件，其中所述機(jī)械安裝裝置包括氧化鈹。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的組件，其中所述機(jī)械安裝裝置包括氮化鋁。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中所述引線連接器還包括機(jī)械安裝裝置，用于所述超導(dǎo)體引線與電源的連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，還包括與所述超導(dǎo)體第二端接合的第二引線連接器，所述第二引線連接器包括用于把所述引線連接器固定于超導(dǎo)磁體的安裝裝置，所述超導(dǎo)磁體所處溫度低于所述低溫冷卻器與所述第一引線連接器的連接點(diǎn)的溫度。
13.一種高溫超導(dǎo)體引線組件，包括超導(dǎo)體，與所述超導(dǎo)體第一端接合的第一引線連接器，所述第一引線連接器包括安裝裝置，用于固定于機(jī)械低溫冷卻器，以及用于所述超導(dǎo)體引線與電源的連接，與所述超導(dǎo)體第二端接合的第二引線連接器，所述第二引線連接器包括用于所述超導(dǎo)體引線與超導(dǎo)磁體連接的安裝裝置，所述超導(dǎo)磁體所處溫度低于所述低溫冷卻器與所述第一引線連接器的連接點(diǎn)的溫度，包括所述超導(dǎo)體固定于其上的電絕緣和絕熱體的支撐，圍繞所述超導(dǎo)體的外支撐，所述外支撐與所述引線連接器連接。
14.一種低溫冷卻磁體系統(tǒng)，包括具有熱端和冷端的機(jī)械冷卻器，保持在所述低溫冷卻器的所述冷端溫度的超導(dǎo)磁體，兩個超導(dǎo)體引線，每個超導(dǎo)體引線包含超導(dǎo)體，和與所述超導(dǎo)體第一端接合的第一引線連接器，所述引線連接器包括安裝裝置，用于固定于所述機(jī)械低溫冷卻器的所述熱端，和兩個電流傳輸引線，每個連接于所述超導(dǎo)體引線之一，所述電流傳輸引線用于從電源向所述超導(dǎo)體引線提供電能。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，其中所述電流傳輸引線包括銅塊。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，還包括銅帶，用于所述超導(dǎo)體引線安裝裝置與所述機(jī)械冷卻器的所述熱端的連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，其中所述安裝裝置包括氧化鈹。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，其中所述安裝裝置包括氮化鋁。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，還包括與所述超導(dǎo)體第二端接合的第二引線連接器，所述第二引線連接器包括用于固定于所述超導(dǎo)磁體的安裝裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，其中所述機(jī)械低溫冷卻器熱端是約60K。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的低溫冷卻磁體系統(tǒng)，其中所述機(jī)械低溫冷卻器冷端是約10K。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)體引線組件(20),用于降低向低溫冷卻磁體系統(tǒng)(10)的熱泄漏,該系統(tǒng)包括超導(dǎo)體(12)和與超導(dǎo)體(12)的第一端接合的第一引線連接器。引線連接器包括電絕緣導(dǎo)熱陶瓷安裝裝置,用于固定于用來冷卻導(dǎo)體的機(jī)械低溫冷卻器(14)。超導(dǎo)體是帶的層疊形式。超導(dǎo)體固定于電絕緣和絕熱體支撐。低溫冷卻磁體系統(tǒng)(10)包括具有熱端(22)和冷端(24)的機(jī)械低溫冷卻器(14),保持在低溫冷卻器(14)的冷端(24)溫度的超導(dǎo)磁體(12),用于向超導(dǎo)體引線提供電能的兩個超導(dǎo)引線和兩個電流傳輸引線(20)。
文檔編號H01F6/00GK1207825SQ96199652
公開日1999年2月10日 申請日期1996年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月27日
發(fā)明者布魯斯·R·本特, 安東尼·J·羅登布什, 威廉·E·布羅肯伯勒 申請人:美國超導(dǎo)體公司