專利名稱：超導電纜及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有外管的超導中空電纜，其中該外管具有環(huán)形的內橫截面并且因此具有圓柱形的內壁。另外，超導中空電纜具有中央冷卻通道，該冷卻通道具有小于外管的內部橫截面的環(huán)形橫截面。布置在外管的內壁和冷卻通道之間的是異型超導導線。這種異型超導導線包括至少一根超導體(超導細絲)并且具有已知為用于羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓。
背景技術：
具有拱頂石橫截面輪廓的異型超導電纜在US6,675,623 B2公布中是已知的。另外，US 2003/0024 730中描述了另一種現(xiàn)有技術。這些已知的拱頂石形狀的超導電纜由彼此在一起絞合成的圓形橫截面的超導導線組成，并且在絞合之后，通過成型輥的幫助給予它們梯形的形狀。
具有圓形(標準的變體，圖16)的Nuclotron型或異型(改進的Nuclotron電纜，圖17)超導導線形成的超導中空電纜的結構在H.Khodzhibagiyan等人在2003年9月的Proc.EUCAS 2003的公布“Designand test of new hollow high current NbTi cable for fast rampedsynchrotron magnets”中是已知的。就已知的中空電纜而言，第一冷卻通道通過提供一種緊湊的CuNi金屬內管來形成。沿縱向方向異型并且具有拱頂石橫截面的超導導線置于或纏繞在內管的外壁上。為了將超導導線固定在緊湊的內管上，NiCr導線沿徑向圍繞在超導導線的外部或者成螺旋配置地纏繞。纏繞在NiCr導線上的Kapton帶形成保護性外部套。纏繞著外部套的玻璃纖維帶保證超導中空電纜電絕緣。
除了其它之外，如此構造的超導中空電纜具有能夠補償高動態(tài)載荷的優(yōu)點，其中，高動態(tài)載荷是由于在快速脈沖的磁力和高磁場的洛倫茲力作用下產生的。在連續(xù)操作中，由于渦流、滯后周期、機械應力場和其它外部影響(例如離子束)引起的脈動場所引起的熱源可以利用緊湊的內管通過內部冷卻通道很有效地冷卻。具有光滑表面的緊湊內管的相對較大的橫截面允許在較小的摩擦阻力的情況下對冷卻劑具有較大的通過量，因此在兩相氦氣流中具有較低的壓降。另外，所有超導導線布置成完全對稱，并且因此置于相同的運行狀況下，因此，就在較高的程度上避免了電纜的臨界電流隨著電磁載荷的提高而降低。
超導導線的這種配置另外還產生較低的電纜感應率，并且因此(除了其它之外)還導致儲存能量的降低。
一般而言，當將要制造的線圈系統(tǒng)用來以極快的脈沖狀態(tài)操作而不是必須存儲將在短持續(xù)時間中以高隨機熱脈沖輸送的大量感應能量時，優(yōu)選另一種電纜類型。在該情形下，連續(xù)的高冷卻性能是次要的，而主要尋求在毫秒范圍內向冷卻超導導線的氦的熱容的可能的最快的熱傳遞。為此，發(fā)展了圖14中所示的CICC型的已知的中空電纜。
然而，因為這些電纜還日益在實際應用中克服更高的機械和熱負荷，其另一種發(fā)展導致CICC型高電流電纜由于附加的構造元件而具有復雜的冷卻，具有兩個基本上不同的冷卻回路，在外冷卻回路中具有超臨界氦并且在中央冷卻通道中具有兩相氦。
復雜的結構不僅具有技術上并因此導致的成本上的缺點，而且還會自動引起中空電纜的平均電流密度的減小。依照現(xiàn)有技術的這類電纜如圖15所示，并且被稱為POLO電纜(例如參見L.Bottura等人在2002年9月在FzK，Karlsruhe的“CHATS”)。它表示下文說明的本發(fā)明的起始點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的問題是克服現(xiàn)有技術中的缺點，并且提供一種超導中空電纜，該電纜可以對超導部件形成可能的強烈冷卻，此外還可以使具有緊湊并且機械穩(wěn)定結構的CICC型中空電纜具有較高的電流密度。提供的解決方案是如何在很大的程度上來克服關于CICC電纜相對于Nuclotron型電纜的缺點，并且如何讓兩種型式的中空電纜的優(yōu)點盡可能地存在于新的超導中空電纜中。
這個問題通過獨立權利要求的主題解決的。有利的發(fā)展出自于從屬權利要求。
依照本發(fā)明，提供了一種具有外管的中空電纜，該外管具有環(huán)形內部橫截面和圓柱形的內壁。在超導中空電纜的中心處，布置了小于外管的內部橫截面的多邊形或環(huán)形橫截面的中央冷卻通道。布置在內壁和冷卻通道之間的是異型超導導線。這些異型超導導線具有至少一根超導細絲(通常為在Cu基質中)。另外，超導導線具有拱頂石的橫截面輪廓。
異型超導導線的橫截面輪廓具有與外管的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域。另外，異型超導導線的橫截面具有與冷卻通道的環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域。最后，橫截面輪廓具有朝向冷卻通道的中心點定向成型的側邊。因此異型超導導線布置在外管的內壁上并且它們的內部區(qū)域形成超導中空電纜的冷卻通道。
概要地說，可以提出，超導電纜具有三個主元件，它們具有如下的優(yōu)點。首先，超導細絲減到最少，結果是邁斯納效應和交流電損失減到最低。其次，盡可能多的細絲嵌入金屬基質中，這可以通過機械方式使細絲穩(wěn)定并且保證高等級的熱傳導。第三，多個超導導線在超導電纜內部組合起來并且通過機械方式穩(wěn)定，并且與冷卻劑相接觸。由于彼此電絕緣，因此依照本發(fā)明的超導導線在阻屏下形成用于制造實際線圈元件的原料。因為導線不會彼此融合，所以線圈和/或電纜具有極端的柔性。
除了其它之外，依照本發(fā)明的這種超導中空電纜具有如下的優(yōu)點異型超導導線緊密地靠著彼此布置并且和外管的內壁相配，這樣它們就可以通過基于形狀和基于力的裝配將它們自身保持在適當?shù)奈恢枚鴽]有從現(xiàn)有技術中已知的內管并且它們生成圓柱體，其中的空間形成冷卻通道。這就是說，不再需要內部結構元件來將超導導線在適當?shù)奈恢谩３擞捎诿獬艘粋€部件而導致的材料節(jié)省之外，該超導中空電纜具有另一個優(yōu)點，即冷卻通道的較大橫截面導致對冷卻介質流動的阻力的降低。因此，可以實現(xiàn)更大的效果?；蛘撸梢詫Ω蟮某瑢Ь€并因此對較高的平均電流密度利用附加的自由體積。最后，冷卻介質或冷卻通道與異型超導導線直接接觸。盡管接觸還出現(xiàn)在上述CICC電纜中，對其中的冷卻絞合線中的流阻相當大并且少量超臨界氦的熱容是有限的，這樣使用依照本發(fā)明的中空電纜可實現(xiàn)的冷卻效應就在所有的時間間隔(短的熱脈沖和連續(xù)的加載)中大得多。所有超導導線的對稱配置確保電纜作為一個整體對熱脈沖具有附加的穩(wěn)定性，如上針對Nuclotron電纜所述的那樣。從低溫技術的觀點來看，同起始點相比，現(xiàn)在顯著地簡化的冷卻構成了決定性的優(yōu)點，因為這意味著不再需要兩個冷卻回路并且實際上是兩個質量上不同的冷卻回路，而冷卻性能可以在所有時間間隔(脈沖操作到恒定的連續(xù)操作)中成數(shù)量級地改進。
異型超導導線通過它們的彎曲部分的外部區(qū)域緊密地布置在超導中空電纜的外管的內壁上，并且它們的徑向定向的側邊彼此相鄰，從而在超導中空電纜的所有操作溫度上，它們都以它們的彎曲部分的內部區(qū)域保持中央冷卻通道。因為這種超導中空電纜在其操作中經歷從室溫到幾開氏度的極端的溫差，所以拱頂石形的異型超導導線的緊密結構意味著盡管操作溫度不同，中央冷卻通道仍會保持。為此，在操作中可能在異型超導體之間形成的間隙寬度之和在超導中空電纜的所有操作溫度下都小于各個異型超導體的彎曲部分的外部區(qū)域和內部區(qū)域的長度之差l。在該上下文中，l＝2(ra-ri)/n，n為在外管的內壁上分布的異型超導體的數(shù)目，ra為外管的內徑且ri為流道的內徑。因為外部彎曲部分半徑的長度laklak＝2ra/n并且異型超導體的彎曲部分的內部區(qū)域的長度liklik＝2ri，在超導中空電纜的所有操作溫度下必須滿足下列狀況ns＜l或ns＜lak-lik因此需要滿足下面的條件s＜2(ra-ri)/n2。
這樣就可以保持中央冷卻通道。因此異型超導導線的數(shù)目取決于制造公差，并且如果需要的話，必須保持盡可能小，以便在存在較大公差的情況下可以允許得到的間隙寬度s。一般而言，為了減小渦電流的影響，異型超導導線橫截面的兩個主要尺寸彼此不應相差太大。由于機械應力和變形區(qū)域所產生的同樣不希望的熱量可以通過基于形狀裝配的具有適當偏置的制造來減少到最少。
在本發(fā)明的另一個實施例中，異型超導導線具有交錯的異型側邊。盡管提供了上述觀察并且推斷出從具有異型超導體的橫截面的直線側邊的異型超導體形成中央冷卻通道，這些側邊指向中空電纜的中心，本發(fā)明的該另一個實施例提供了另一種可能，其中側邊也是異型的并且并不沿朝向中心點的直線延伸，具有提高的安全余量以保持中央冷卻通道尤其是因為(除了上述所有間隙寬度s之和sn的長度之差l之外)由于異型側邊也開始起作用。作為容許間隙寬度s的條件，值v的偏移導致值s＜(l+v)/n。
附圖2和4顯示了具有異型側邊和各個偏移值v的異型超導體的兩個實施例。
在本發(fā)明的另一個實施例中，外管為兩層。第一層包括繞著超導異型導線束以螺旋配置的方式纏繞的一個或多個張力調整線。第二層包括電絕緣和密封的外部層。該張力調整線解決方案具有可以連續(xù)地制造任意期望長度的超導中空電纜的優(yōu)點。
在本發(fā)明的另一個實施例中，異型超導導線包括絞合或扭轉的超導細絲。這種異型超導導線的實施例的實例顯示在圖6、7和8中并且將在后面進行解釋。超導細絲設置有可延展的金屬芯部和可延展金屬套，這樣超導導線就可以成型形成。為此，異型超導導線包括金屬基質(具有金屬芯部或中心，通常為銅)，并且為了減少渦電流，可選擇地為附加的高阻力中間層，例如為CuNi合金。超導細絲由例如NbTi導線構成，NbTi導線彼此扭轉或絞合。套同樣優(yōu)選地包括CuNi合金。
在本發(fā)明的另一個實施例中，異型超導導線是陶瓷或高溫超導體。這種HTSC具有它們的臨界溫度基本上比金屬超導體的情形下更高的優(yōu)點。金屬超導體的臨界溫度低于20開氏度。對于HTSC，臨界溫度在一些情形下超過80開氏度，與之相關的優(yōu)點是基本上可以使用更廉價的冷卻劑或者可以在更低的溫度下實現(xiàn)較高的磁場。即使將HTSC加工到異型超導導線中更加困難，然而仍然可以預見基于Y3O3、BaCO3和CuO且具有氧化銀、氧化鉑或氧化鈰的混合物的所謂的YBCO基陶瓷超導體通過適當?shù)娜刍屯嘶疬^程肯定能加工到異型超導導線中。即使由氧化鉍、氧化鍶、氧化鈣和氧化銅構成并且可以包括氧化鉛的附加物的所謂的BSCCO超導體包括90％的超導正交晶材料，且超導正交晶材料可以加工到異型超導導線中。
超導中空電纜的外管由金屬或非金屬材料制成，例如CuNi合金、不銹鋼、GFRP或有機材料，并且可以具有環(huán)形、方形或梯形的外輪廓或任意其它所需形狀。正被討論的外管可以纏繞在適當?shù)腒apton帶和/或玻璃纖維帶中以電絕緣。矩形外輪廓具有冷卻通道可以沿縱向方向包含在外管中的優(yōu)點，這樣不僅異型拱頂石形超導導線由與超導體直接接觸的中央冷卻通道冷卻，而且，另外，它們還可以由外管或沿縱向方向貫穿外管的冷卻通道冷卻。相同的情形還適應于梯形外輪廓，因為，在該情形下同樣可以直接在外管材料中提供四個附加的冷卻通道。外部冷卻通道可以在有限的寬度～lak上沿著外管的內壁開口。
扭轉的異型超導導線與這些通道以不是非常尖銳的角度相交并因此在螺旋位移的每個四分之一轉之后還從外部通過與冷卻劑的直接接觸而冷卻。因此，在這個變體中，同樣，所有導線也都置于完全相同的電磁、機械和熱狀況之下。
根據(jù)制造技術(有或沒有機械偏置)和使用的條件，對于外管的材料而言，可以提供比異型超導導線的材料具有更高或更低系數(shù)的材料。在適當?shù)臅r候，外管材料的性能與超導材料的性能相匹配，以便保證能夠保留中央冷卻通道的形狀和完整性。對于外管的另一種關鍵材料的選擇標準是對渦電流具有較高的電阻，同時具有充分高的機械強度。
制造超導中空電纜的方法可以包括順序不同的多種方法步驟。另外，制造依照本發(fā)明的超導中空電纜的方法還取決于制造異型超導導線的可能性。
依照本發(fā)明的制造超導中空電纜的方法之一包括如下的方法步驟。首先，可以制造具有環(huán)形內部橫截面和盡可能光滑的圓柱形內壁的緊湊的外管。除此之外，制造具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓的異型超導導線。為此，異型超導導線的橫截面輪廓具有與外管的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域。另外，橫截面輪廓具有與冷卻通道的環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域。最后，將形成具有朝向冷卻通道的中心點定向成型的側邊。
在已經制造了依照本發(fā)明的中空電纜的兩個主要部件之后，首先將異型超導導線集合在一起繞著中央冷卻通道形成縱向延伸的環(huán)形束。在集合的過程中，也可以使用輔助手段例如粘合劑物質來保證異型超導導線之間基于物質的連接。然后包括異型超導導線的環(huán)形束拉入超導中空電纜的緊湊的外管中。這種方法具有中空電纜可以由兩個彼此獨立的部件組裝的優(yōu)點。
在另一種方法變體中，外管并不通過緊湊的部件的形式來制造，而是以兩半外殼的形式來制造。然后在組裝超導中空電纜時，將制造的異型超導導線置于半殼中。隨后將半殼與位于內部的異型超導體集合在一起并且焊接起來。這種方法具有在焊接過程之后，外管可以產生收縮同時使位于內部的異型超導導線壓縮致密的優(yōu)點。
在另一種方法變體中，張力調整線繞著異型超導導線束以螺旋配置進行纏繞，優(yōu)選纏繞方向與超導導線的扭轉方向相反。隨后電絕緣的密封外層施加到張力調整線上。這種方法變體具有可以連續(xù)制造包括異型超導導線的無限長超導中空電纜的優(yōu)點。
另一種方法變體提供了如下的可能性，即對形式為緊湊的部件外管加熱，并且對具有中央冷卻通道的異型超導導線束進行冷卻。然后將這兩個部件中的一個推進到另一個部件中。然后，外管收縮到縱向延伸的異型超導導線的環(huán)形束上，并且使超導導線壓在彼此上同時形成中央冷卻通道。這種方法具有如下的優(yōu)點，即，具有中央冷卻通道的超導導線的環(huán)形束更易于拉到緊湊的外管中。在本文中，還可以僅僅對堅硬地構造的外管加熱或僅僅對異型超導導線束進行冷卻。
制造異型超導導線的優(yōu)選方法包括如下的方法步驟。首先，在標準方法中，制造具有圓形橫截面的超導復絲導線，其中該橫截面依照預計的使用條件具有最佳的微觀結構，并且具有適當?shù)母郊拥淖杵?。隨后，壓出圓形超導導線成型以形成異型超導導線。成型可以通過很多種方式來進行。
一方面，可以使用適當?shù)某尚洼?，該成型輥可以制造彎曲部分的內部區(qū)域和彎曲部分的外部區(qū)域以及側面的拱頂石形狀。另外還可以對側邊使用成型輥來提供側邊的偏移，以便異型超導導線可以在更深的程度上在裝配中交錯進入具有中央冷卻通道的束中。代替成型輥的是，還可以通過適當?shù)某尚蛪K來提供異型拉拔，通過該成型塊來拉拔出制備的導線，并且在過程中利用該成型塊來修改導線的橫截面輪廓的形狀。另一種可能在于所謂的整形鍛造，其中利用適當?shù)腻懺爝^程制造期望的輪廓。
取代堅硬地構造的外管的是，對異型超導導線的加套也可以使用例如由NiCr制成的成螺旋方式纏繞的張力調整線來實現(xiàn)，如圖13所示。隨后例如通過聚合作用來制造電絕緣的緊密密封外層；因此，依照一個實施例，本發(fā)明涉及的超導中空電纜具有如下的特征-具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的外管(2)；-具有多邊形或環(huán)形橫截面的中央冷卻通道(4)，該橫截面小于外管(2)的內部橫截面，在內壁(3)和冷卻通道(4)之間布置有異型超導導線(5)；-異型超導導線(5)，包括至少一個超導細絲(6)并且具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，其特征在于，異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有彎曲部分的外部區(qū)域(7)和內部區(qū)域(8)，該外部區(qū)域(7)與外管(2)的多邊形或環(huán)形內部橫截面匹配，該內部區(qū)域(8)與冷卻通道(4)的環(huán)形橫截面匹配，橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)，異型超導導線(5)布置在外管(2)的內壁(3)上，異型超導導線(5)的內部區(qū)域(8)形成超導中空電纜(1)的冷卻通道(4)。
超導中空電纜的特征在于，異型超導導線(5)通過它們的彎曲部分的外部區(qū)域(7)緊密地布置在超導中空電纜(1)的外管(2)的內壁(3)上，并且它們的徑向朝向的側邊(9，10)彼此相鄰，從而在超導中空電纜(1)的所有操作溫度上，它們使用其彎曲部分的內部區(qū)域(8)保持中央冷卻通道(4)。
超導中空電纜的特征在于，在超導中空電纜(1)的所有操作溫度上，異型超導導線(5)之間可能形成的徑向間隙之和的間隙寬度(s)小于各個異型超導導線的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和內部區(qū)域(8)之間的長度之差(l)。
另外，超導中空電纜的特征在于，異型超導導線(5)具有交錯的異型側邊(12，13)。
另外，超導中空電纜的特征在于，異型超導導線(5)具有特殊的表面涂層或局部阻力較高的加套裝置，以便減小渦流影響和熱損失。
另外，超導中空電纜的特征在于，異型超導導線(5)繞著中央冷卻通道進行扭轉。
另外，超導中空電纜的特征在于，異型超導導線(5)具有陶瓷超導體或高溫超導體。
另外，超導中空電纜的特征在于，外管(2)具有環(huán)形、方形或梯形的外輪廓(17)。
另外，超導中空電纜的特征在于，外管(2)包括沿著它的縱向方向延伸的冷卻通道(18)。
另外，超導中空電纜的特征在于，緊湊的外管(2)所用材料的熱膨脹系數(shù)大于異型超導體(5)的熱膨脹系數(shù)。
依照另一個實施例，本發(fā)明還涉及一種用于制造超導中空電纜(1)的方法，該方法包括如下的方法步驟-制造具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的外管(2)；-制造異型超導導線(5)，它具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；-使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；-將具有中央冷卻通道(4)的環(huán)形束(28)拉入外管(2)中。
依照另一個實施例，本發(fā)明還涉及一種用于制造超導中空電纜(1)的方法，該方法包括如下的方法步驟-制造異型超導導線(5)，它具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；-使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；-將至少一根張力調整線繞著束以螺旋配置的方式進行纏繞；-使用超導中空電纜的電絕緣和密封外層覆蓋纏繞的張力調整線。
依照另一個實施例，本發(fā)明還涉及一種用于制造超導中空電纜(1)的方法，該方法包括如下的方法步驟-制造具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的由兩個半外殼的緊湊的外管(2)；
-制造異型超導導線(5)，它具有已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；-使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；-將半殼集合在一起，使束位于內部，從而形成超導中空電纜的緊湊的外管。
制造用于超導中空電纜的異型超導導線的方法包括如下的方法步驟-成型超導導線(5)的標準的圓形形狀。
導線的成型通過成型輥來實現(xiàn)。
另外，導線的成型通過成型塊來實現(xiàn)。
另外，導線的成型通過整形鍛造來實現(xiàn)。
另外，對異型超導導線的附加的局部加套可以由金屬涂層來提供。


現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明進行更詳細的說明。
圖1以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第一實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖2以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第二實施例的超導中空電纜的剖面圖；
圖3以簡圖的形式顯示了依照圖2的超導中空電纜的細節(jié)的剖面圖；圖4以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第三實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖5以簡圖的形式顯示了在設置被成型之前的超導導線的初始形式；圖6以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照圖1的本發(fā)明的第一實施例的超導中空電纜的成型形狀之后的異型超導導線的剖面圖；圖7以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照圖2的本發(fā)明的第二實施例的超導電纜的成型形狀之后的異型超導導線的剖面圖；圖8以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照本發(fā)明的第三實施例的超導中空導體電纜的成型形狀之后的異型超導體的剖面圖；圖9以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第四實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖10以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明第五實施例的超導中空電纜的兩個變體的剖面圖；圖11以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第六實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖12以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第七實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖13以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第八實施例的超導中空電纜的剖面圖；圖14中圖14a和圖14b分別以簡圖的形式顯示了標準配置中的CICC型超導中空電纜的照片和圖形。
圖15中圖15a和圖15b以簡圖的形式顯示了依照現(xiàn)有技術(POLO電纜)的CICC型超導中空電纜的照片和剖面圖。
圖16中，圖16a和圖16b以簡圖的形式顯示了標準配置中的Nuclotron型超導電纜的照片和圖形。
圖17以簡圖的形式顯示了改進的配置中的Nuclotron型超導中空電纜的剖面圖。
具體實施例方式
圖1以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第一實施例的超導中空電纜的剖面圖。該中空電纜1具有由異型超導導線5圍繞的中央冷卻通道4，該超導導線5通常為扭轉復絲導線。在此處所示的剖面圖中，這些異型超導導線5形成了直接圍繞中央冷卻通道4的環(huán)，以便這些異型超導導線可以由冷卻劑流強烈地冷卻。異型超導導線5由堅硬地構造的外管2夾持在一起，該外管2具有讓異型超導導線5緊密壓靠著的內壁3。異型超導導線5具有與用于羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒鄬臋M截面。
該異型外形具有彎曲的外部區(qū)域7，該彎曲部分與外管2的內壁3的彎曲部分相匹配。另外，異型超導導線5的橫截面具有彎曲的內區(qū)域8，該彎曲部分與中央冷卻通道4的彎曲部分匹配。在本發(fā)明的第一實施例中，異型超導導線5具有光滑的側邊9和10，側邊9和10朝向中央冷卻通道4的中心點11定向。相鄰的超導導線5的側邊之間的間隙寬度s不能如所期望的那樣大，因為否則異型超導導線5的環(huán)形結構以及因此導致的冷卻通道4的操作就會被損壞。因此，所有間隙寬度s之和ns必須小于彎曲的外部區(qū)域7的弧長lak減去異型超導導線5的外形中的彎曲的內區(qū)域8的弧長lik所得的差。
因為在本發(fā)明的第一實施例中設置了二十個異型超導導線5，所以需要嚴格地限制可以容納在相鄰的超導導線5側邊之間的間隙寬度s。同樣，這個限制決不取決于外管2的內徑ra和冷卻通道4的內徑ri之差，如上文的公式所說明的那樣。這種超導中空電纜1具有冷卻通道4內的流阻極低的優(yōu)點，因此，可以實現(xiàn)較高的冷卻速率和較高的機械穩(wěn)定性。另外，它還具有冷卻介質直接接觸異型超導導線5的優(yōu)點，因此，即使在出現(xiàn)短暫的熱脈沖時也可以保證強烈的冷卻。最后，該中空電纜還具有大體上僅僅由兩層或兩個部件構成的優(yōu)點即同心束的拱頂石形的異型超導導線5和堅硬地構造的外管2。另外，為了(附加的)電絕緣，依照本發(fā)明的該超導中空電纜1可以具有纏繞著外管2的外輪廓17的Kapton帶，并且如果有必要的話可以還具有例如由玻璃纖維帶形成的更多電絕緣層。這可以應用到與圖1、2、4、9、10、11和12對應的所有變體上。
第二實施例的中空電纜1與第一實施例的中空電纜1的不同之處在于異型超導導線5的成型。除了拱頂石形狀之外，這些異型超導導線5可以具有偏移值v，這還改進了異型超導導線5的交錯性能，并且允許這些異型超導導線5的相鄰的異型側邊12和13之間具有更大的間隙寬度s?？赡艿拈g隙寬度s和彎曲部分的外部區(qū)域與內部區(qū)域之間的長度l的差以及偏移值v之間的關系已經在上文中詳細討論了。
圖3以簡圖的形式顯示了依照圖2的超導中空電纜1的細節(jié)的剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。圖3以放大的比例顯示了異型超導導線5通過相鄰的異型側邊12和13的偏移19形成的交錯的圖形。
圖4以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第三實施例的超導中空電纜1的剖面圖。本發(fā)明的第三實施例與上述實施例的不同之處在于異型超導導線5的數(shù)目已經從圖1和2的二十個減小到圖4的十個。超導導線5在它們的異型側邊12和13上具有尖角外形20，通過這樣來提高異型超導導線5的交錯性能。這些尖角外形20形成偏移值v，該偏移值v與異型超導導線5的橫截面的彎曲部分的外部區(qū)域7和內部區(qū)域8之間的長度l之差一起增大了間隙寬度s的公差，從而可以允許關于間隙寬度s形成較大的公差，而無需布置在外管2內部的超導導線5的結構被壓縮。
圖5以簡圖的形式顯示了標準配置中的超導復絲導線剖面圖。這種導線具有環(huán)形的橫截面，并且如上文中所述的一樣，包括在或多或少的復合Cu基質中的扭轉超導細絲。
圖6以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照圖1的本發(fā)明的第一實施例的超導中空電纜的成型形狀之后的異型超導導線5的剖面圖。在設置該形狀的過程中，使用不同的輥子外形來滾軋依照圖5的導線，從而一方面形成彎曲部分的外部區(qū)域7，另一方面形成彎曲部分的內部區(qū)域8。另外，通過相對于彼此設置成適當角度的輥子來滾軋側邊9和10。也可以應用能夠提供適當形狀的拉拔模來進行拉拔，從而代替滾軋機構。在使用這種方法的情形下，圖5中所示的圓形導線重新形成具有由拉拔?？刂频臋M截面的異型超導導線5。
圖7以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照圖2的本發(fā)明的第二實施例的超導電纜1的成型形狀之后的異型超導導線5的剖面圖。在替代如圖6所示的光滑側邊的情形下，這些成型的異型側邊12和13通過使用拉拔塊成形或者拉拔成形。在形成臺肩19的過程中，當裝配中空電纜時，該臺肩可能在異型超導導線5之間形成交錯排列。
圖8以簡圖的形式顯示了在設置有用于依照圖4的本發(fā)明的第三實施例的超導中空電纜的成型形狀之后的異型超導導線5的剖面圖。在側邊12上具有尖角外形20的這種外形也可以通過如圖5所示的最初的環(huán)形剖面圖經過適當?shù)某尚味玫?。為此，四種不同成形的成形成型輥或者具有適當形狀的拉拔孔這兩者之一都可以用于產生異型超導導線5的橫截面的四個外形邊緣。圖8的這些異型超導導線5較之于圖7的優(yōu)點在于相對于具有圖7的臺肩外形的外形，異型側邊12的向外凸出的尖角外形20可以通過成型輥更易于產生，并且優(yōu)點還在于這種形狀的交錯性能有利于超導導線使自身繞著冷卻通道進行定向。
圖9以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第四實施例的超導中空導體電纜1的剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。與上述實施例的差別在于作為堅硬地構造的外管2雖然具有圓柱形的內壁3，但是卻具有方形的外輪廓17，結果是一方面提高了外管2的強度另一方面還可以基本上簡化對緊湊的線圈的制造。
圖10以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第五實施例的超導中空導體電纜1的兩個變體剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。本發(fā)明的第五實施例與上述實施例的不同之處在于，具有方形外輪廓17的外管2的角落處具有沿中空電纜1的縱向方向布置的附加冷卻通道18。因此，如上文已經描述的冷卻操作可以在這個中空電纜1中進一步得到強化。
圖11以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第六實施例的超導中空導體電纜1的剖面圖，參考數(shù)字5表示異型超導導線，參考數(shù)字2表示外管，參考數(shù)字18表示外管2中沿著它的縱向方向布置的冷卻通道。通過這些沿著外管內壁延伸并且具有通向異型超導導線束的開口的外部冷卻通道18，在每個四分之一轉的螺旋移位之后，扭轉的異型超導導線還通過與外部的冷卻劑直接接觸而進一步冷卻。在這個變體中，所有導線也都置于完全相同的電磁、機械和熱狀況之下。
圖12以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第七實施例的超導中空導體電纜1的剖面圖。本發(fā)明的第六實施例與上述實施例的不同之處在于外管2具有梯形的外輪廓17。當多個這種超導中空電纜1組裝到環(huán)形線圈中時，或者需要通過機械緊湊的方式以及盡可能穩(wěn)定的方式來生產具有特定幾何尺寸的線圈時，這種梯形外輪廓17就非常有利。
圖13以簡圖的形式顯示了依照本發(fā)明的第八實施例的超導中空電纜的剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。在這種情形下外管由兩層形成具有例如由NiCr形成的張力調整線33構成的第一層，該層以螺旋配置的方式進行纏繞，以及例如通過聚合制造的電絕緣密封外層34。如在上文中已經描述的，本發(fā)明的第八實施例與上述實施例的不同之處在于代替堅硬地構造的外管，異型超導導線的加套通過螺旋配置中的張力調整線來實現(xiàn)，并且隨后在該線上施加電絕緣的緊密密封的外層。
圖14中圖14a和圖14b分別以簡圖的形式顯示了標準配置中的CICC型超導中空電纜的照片和圖形。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。圖14顯示了在緊密密封的管32中延伸的扭轉超導導線束30。
圖15中的圖15a和圖15b以簡圖的形式顯示了依照現(xiàn)有技術(POLO電纜)的CICC型超導中空電纜的照片和剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。在這種情形下，超導導線30布置在堅硬地構造的內管21上作為內部支撐管，內部冷卻通道提供給兩相氦流并且超臨界氦在超導導線30之間的直接流通可能具有高的流阻。
圖16中的圖16a和圖16b以簡圖的形式顯示了標準配置中的Nuclotron型超導電纜的照片和圖形。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。圖16顯示了由CuNi的緊湊內管21形成的中央冷卻通道中穿過其中的兩相氦35。在內管21上纏繞了超導導線30，該超導導線30由NiCr張力調整線33夾持在一起。Kapton帶24形成了電絕緣件，玻璃纖維帶25用于超導中空電纜的隔熱。
圖17以簡圖的形式顯示了改進的配置中的Nuclotron型超導中空電纜1的剖面圖。與上述圖中的部件具有相同功能的部件由相同的參考符號來標示并且不單獨進行討論。圖16顯示了由CuNi構成的緊湊內管21形成的中央冷卻通道4。在內管21上纏繞了異型超導導線5，該異型超導導線5由NiCr張力調整線夾持在一起。電絕緣的緊密密封的外層34布置在張力調整線33上。
參考符號列表1 超導中空電纜2 外管3 外管的內壁4 中央冷卻通道5 異型超導導線6 超導細絲7 彎曲部分的外部區(qū)域8 彎曲部分的內部區(qū)域9 光滑的側邊10光滑的側邊11冷卻通道的中心點12異型側邊13異型側邊14超導細絲15超導復絲導體的金屬芯部或穩(wěn)定基質的中心16異型導線超導復絲導體的穩(wěn)定基質的套17外管的外輪廓18沿著外管的縱向方向冷卻通道19臺肩(臺階形輪廓)20側邊的尖角外形21緊湊的內管24Kapton帶25玻璃纖維帶26內管的外部套殼
27內管的內壁28包括超導細絲的束29包括超導細絲和穩(wěn)定基質的束中的導線30超導導線31扭轉的超導導線束32緊密密封的管33以螺旋配置的方式纏繞的張力調整線34電絕緣密封外層35兩相氦lak彎曲部分的外部區(qū)域的長度lik彎曲部分的內部區(qū)域的長度l 長度之差s 間隙寬度v 偏移值n 每根超導中空電纜中的異型超導導線的數(shù)目ra外管的內徑ri中央冷卻通道的半徑
權利要求
1.一種超導中空電纜，具有如下的特征—具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的外管(2)；—具有多邊形或環(huán)形橫截面的中央冷卻通道(4)，該橫截面小于外管(2)的內部橫截面，在內壁(3)和冷卻通道(4)之間布置有異型超導導線(5)；—異型超導導線(5)包括至少一個超導細絲(6)并且其具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，其特征在于，異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有彎曲部分的外部區(qū)域(7)和彎曲部分的內部區(qū)域(8)，該外部區(qū)域(7)與外管(2)的多邊形或環(huán)形內部橫截面匹配，該內部區(qū)域(8)與冷卻通道(4)的環(huán)形橫截面匹配，和所述橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)，異型超導導線(5)布置在外管(2)的內壁(3)上，以及異型超導導線(5)的內部區(qū)域(8)形成超導中空電纜(1)的冷卻通道(4)。
2.如權利要求1所述的超導中空電纜，其特征在于，異型超導導線(5)通過它們的彎曲部分的外部區(qū)域(7)緊密地布置在超導中空電纜(1)的外管(2)的內壁(3)上，并且它們的徑向朝向的側邊(9，10)彼此相鄰，從而在超導中空電纜(1)的所有操作溫度上，它們使用其彎曲部分的內部區(qū)域(8)保持中央冷卻通道(4)。
3.如權利要求2所述的超導中空電纜，其特征在于，在超導中空電纜(1)的所有操作溫度上，異型超導導線(5)之間可能形成的徑向間隙之和的間隙寬度(s)小于各個異型超導導線的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和內部區(qū)域(8)之間的長度之差(Δ1)。
4.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，異型超導導線(5)具有交錯的異型側邊(12，13)。
5.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，異型超導導線(5)具有特殊的表面涂層或局部阻力較高的加套裝置，以便減小渦流影響和熱損失。
6.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，異型超導導線(5)繞著中央冷卻通道進行扭轉。
7.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，異型超導導線(5)具有陶瓷超導體或高溫超導體。
8.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，外管(2)具有環(huán)形、方形或梯形的外輪廓(17)。
9.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，外管(2)包括沿著它的縱向方向延伸的冷卻通道(18)。
10.如上述權利要求之一所述的超導中空電纜，其特征在于，緊湊的外管(2)所用材料的熱膨脹系數(shù)大于異型超導體(5)的熱膨脹系數(shù)。
11.一種制造超導中空電纜(1)的方法，包括如下的方法步驟—制造具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的外管(2)；—制造異型超導導線(5)，它具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和具有與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；—使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；—將具有中央冷卻通道(4)的環(huán)形束(28)拉入外管(2)中。
12.一種制造超導中空電纜(1)的方法，包括如下的方法步驟—制造異型超導導線(5)，它具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；—使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；—將至少一根張力調整線繞著所述束以螺旋配置的方式進行纏繞；—使用超導中空電纜的電絕緣和密封外層覆蓋纏繞的張力調整線。
13.一種制造超導中空電纜(1)的方法，包括如下的方法步驟—制造具有環(huán)形的內部橫截面和圓柱形內壁(3)的由兩半外殼構成的緊湊的外管(2)；—制造異型超導導線(5)，它具有用于已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒臋M截面輪廓，該異型超導導線(5)的橫截面輪廓的彎曲部分具有與外管(2)的環(huán)形內部橫截面相匹配的彎曲部分的外部區(qū)域(7)和與中央冷卻通道(4)的多邊形或環(huán)形橫截面相匹配的彎曲部分的內部區(qū)域(8)，并且橫截面輪廓具有朝向冷卻通道(4)的中心點(11)定向成型的側邊(9，10)；—使異型超導導線(5)集合在一起繞著中央冷卻通道(4)形成縱向延伸的環(huán)形束(28)；—將半殼集合在一起，使所述束位于內部，從而形成超導中空電纜的緊湊的外管。
14.依照權利要求11至13之一的制造用于超導中空電纜的異型超導導線的方法，包括如下的方法步驟—成型超導導線(5)的標準的圓形形狀。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，導線的成型通過成型輥來實現(xiàn)。
16.如權利要求14所述的方法，其特征在于，導線的成型通過成型塊來實現(xiàn)。
17.如權利要求14所述的方法，其特征在于，導線的成型通過整形鍛造來實現(xiàn)。
18.如權利要求11至17之一所述的方法，其特征在于，對異型超導導線的附加的局部加套由金屬涂覆來提供。
全文摘要
本發(fā)明涉及超導中空電纜及其制造方法。超導中空電纜(1)具有外管(2)，該外管(2)具有環(huán)形的內部橫截面以及圓柱形內壁(3)。另外，超導中空電纜(1)具有中央冷卻通道(4)，該冷卻通道(4)具有多邊形或環(huán)形的橫截面，然而卻小于外管(2)的內部橫截面。布置在外管(2)和冷卻通道(4)之間的是異型超導導線(5)。這種異型超導導線(5)具有用于與已知為羅馬石橋或穹棱拱頂?shù)墓绊斒鄬臋M截面輪廓。為此，橫截面輪廓具有至少一個彎曲部分的外部區(qū)域(7)和內部區(qū)域(8)，彎曲部分的外部區(qū)域(7)與外管(2)的內徑相匹配，內部區(qū)域(8)與冷卻通道(4)的相匹配。側邊(12，13)也可以成直線地朝向冷卻通道(4)的中心點(11)或者通過偏移直線而成型。
文檔編號H01B12/10GK1947207SQ200580012711
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權日2004年4月23日
發(fā)明者埃格伯特·菲舍爾, 哈姆雷特·霍吉巴吉揚, 亞力山大·科瓦連科, 格布哈特·莫里茨 申請人:重離子研究有限公司