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械冷卻器的熱端。機械冷卻器熱端約為60K，機械冷卻器冷端約為10K。
本系統(tǒng)的優(yōu)點可以是以下所述中的一個或多個。超導(dǎo)體引線的機械性穩(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。
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，但存在較大的垂直“壞”內(nèi)場的缺點。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。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。
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(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充、減少和其他改進將是顯而易見的，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