超导电缆及其制造方法技术

本发明专利技术涉及超导中空电缆及其制造方法。超导中空电缆（１）具有外管（２），该外管（２）具有环形的内部横截面以及圆柱形内壁（３）。另外，超导中空电缆（１）具有中央冷却通道（４），该冷却通道（４）具有多边形或环形的横截面，然而却小于外管（２）的内部横截面。布置在外管（２）和冷却通道（４）之间的是异型超导导线（５）。这种异型超导导线（５）具有用于与已知为罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石相对应的横截面轮廓。为此，横截面轮廓具有至少一个弯曲部分的外部区域（７）和内部区域（８），弯曲部分的外部区域（７）与外管（２）的内径相匹配，内部区域（８）与冷却通道（４）的相匹配。侧边（１２，１３）也可以成直线地朝向冷却通道（４）的中心点（１１）或者通过偏移直线而成型。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有外管的超导中空电缆，其中该外管具有环形的内横截面并且因此具有圆柱形的内壁。另外，超导中空电缆具有中央冷却通道，该冷却通道具有小于外管的内部横截面的环形横截面。布置在外管的内壁和冷却通道之间的是异型超导导线。这种异型超导导线包括至少一根超导体(超导细丝)并且具有已知为用于罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石的横截面轮廓。
技术介绍
具有拱顶石横截面轮廓的异型超导电缆在US6,675,623 B2公布中是已知的。另外，US 2003/0024 730中描述了另一种现有技术。这些已知的拱顶石形状的超导电缆由彼此在一起绞合成的圆形横截面的超导导线组成，并且在绞合之后，通过成型辊的帮助给予它们梯形的形状。具有圆形(标准的变体，图16)的Nuclotron型或异型(改进的Nuclotron电缆，图17)超导导线形成的超导中空电缆的结构在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。就已知的中空电缆而言，第一冷却通道通过提供一种紧凑的CuNi金属内管来形成。沿纵向方向异型并且具有拱顶石横截面的超导导线置于或缠绕在内管的外壁上。为了将超导导线固定在紧凑的内管上，NiCr导线沿径向围绕在超导导线的外部或者成螺旋配置地缠绕。缠绕在NiCr导线上的Kapton带形成保护性外部套。缠绕着外部套的玻璃纤维带保证超导中空电缆电绝缘。除了其它之外，如此构造的超导中空电缆具有能够补偿高动态载荷的优点，其中，高动态载荷是由于在快速脉冲的磁力和高磁场的洛伦兹力作用下产生的。在连续操作中，由于涡流、滞后周期、机械应力场和其它外部影响(例如离子束)引起的脉动场所引起的热源可以利用紧凑的内管通过内部冷却通道很有效地冷却。具有光滑表面的紧凑内管的相对较大的横截面允许在较小的摩擦阻力的情况下对冷却剂具有较大的通过量，因此在两相氦气流中具有较低的压降。另外，所有超导导线布置成完全对称，并且因此置于相同的运行状况下，因此，就在较高的程度上避免了电缆的临界电流随着电磁载荷的提高而降低。超导导线的这种配置另外还产生较低的电缆感应率，并且因此(除了其它之外)还导致储存能量的降低。一般而言，当将要制造的线圈系统用来以极快的脉冲状态操作而不是必须存储将在短持续时间中以高随机热脉冲输送的大量感应能量时，优选另一种电缆类型。在该情形下，连续的高冷却性能是次要的，而主要寻求在毫秒范围内向冷却超导导线的氦的热容的可能的最快的热传递。为此，发展了图14中所示的CICC型的已知的中空电缆。然而，因为这些电缆还日益在实际应用中克服更高的机械和热负荷，其另一种发展导致CICC型高电流电缆由于附加的构造元件而具有复杂的冷却，具有两个基本上不同的冷却回路，在外冷却回路中具有超临界氦并且在中央冷却通道中具有两相氦。复杂的结构不仅具有技术上并因此导致的成本上的缺点，而且还会自动引起中空电缆的平均电流密度的减小。依照现有技术的这类电缆如图15所示，并且被称为POLO电缆(例如参见L.Bottura等人在2002年9月在FzK，Karlsruhe的“CHATS”)。它表示下文说明的本专利技术的起始点。
技术实现思路
本专利技术的问题是克服现有技术中的缺点，并且提供一种超导中空电缆，该电缆可以对超导部件形成可能的强烈冷却，此外还可以使具有紧凑并且机械稳定结构的CICC型中空电缆具有较高的电流密度。提供的解决方案是如何在很大的程度上来克服关于CICC电缆相对于Nuclotron型电缆的缺点，并且如何让两种型式的中空电缆的优点尽可能地存在于新的超导中空电缆中。这个问题通过独立权利要求的主题解决的。有利的发展出自于从属权利要求。依照本专利技术，提供了一种具有外管的中空电缆，该外管具有环形内部横截面和圆柱形的内壁。在超导中空电缆的中心处，布置了小于外管的内部横截面的多边形或环形横截面的中央冷却通道。布置在内壁和冷却通道之间的是异型超导导线。这些异型超导导线具有至少一根超导细丝(通常为在Cu基质中)。另外，超导导线具有拱顶石的横截面轮廓。异型超导导线的横截面轮廓具有与外管的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域。另外，异型超导导线的横截面具有与冷却通道的环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域。最后，横截面轮廓具有朝向冷却通道的中心点定向成型的侧边。因此异型超导导线布置在外管的内壁上并且它们的内部区域形成超导中空电缆的冷却通道。概要地说，可以提出，超导电缆具有三个主元件，它们具有如下的优点。首先，超导细丝减到最少，结果是迈斯纳效应和交流电损失减到最低。其次，尽可能多的细丝嵌入金属基质中，这可以通过机械方式使细丝稳定并且保证高等级的热传导。第三，多个超导导线在超导电缆内部组合起来并且通过机械方式稳定，并且与冷却剂相接触。由于彼此电绝缘，因此依照本专利技术的超导导线在阻屏下形成用于制造实际线圈元件的原料。因为导线不会彼此融合，所以线圈和/或电缆具有极端的柔性。除了其它之外，依照本专利技术的这种超导中空电缆具有如下的优点异型超导导线紧密地靠着彼此布置并且和外管的内壁相配，这样它们就可以通过基于形状和基于力的装配将它们自身保持在适当的位置而没有从现有技术中已知的内管并且它们生成圆柱体，其中的空间形成冷却通道。这就是说，不再需要内部结构元件来将超导导线在适当的位置。除了由于免除了一个部件而导致的材料节省之外，该超导中空电缆具有另一个优点，即冷却通道的较大横截面导致对冷却介质流动的阻力的降低。因此，可以实现更大的效果。或者，可以对更大的超导导线并因此对较高的平均电流密度利用附加的自由体积。最后，冷却介质或冷却通道与异型超导导线直接接触。尽管接触还出现在上述CICC电缆中，对其中的冷却绞合线中的流阻相当大并且少量超临界氦的热容是有限的，这样使用依照本专利技术的中空电缆可实现的冷却效应就在所有的时间间隔(短的热脉冲和连续的加载)中大得多。所有超导导线的对称配置确保电缆作为一个整体对热脉冲具有附加的稳定性，如上针对Nuclotron电缆所述的那样。从低温技术的观点来看，同起始点相比，现在显著地简化的冷却构成了决定性的优点，因为这意味着不再需要两个冷却回路并且实际上是两个质量上不同的冷却回路，而冷却性能可以在所有时间间隔(脉冲操作到恒定的连续操作)中成数量级地改进。异型超导导线通过它们的弯曲部分的外部区域紧密地布置在超导中空电缆的外管的内壁上，并且它们的径向定向的侧边彼此相邻，从而在超导中空电缆的所有操作温度上，它们都以它们的弯曲部分的内部区域保持中央冷却通道。因为这种超导中空电缆在其操作中经历从室温到几开氏度的极端的温差，所以拱顶石形的异型超导导线的紧密结构意味着尽管操作温度不同，中央冷却通道仍会保持。为此，在操作中可能在异型超导体之间形成的间隙宽度之和在超导中空电缆的所有操作温度下都小于各个异型超导体的弯曲部分的外部区域和内部区域的长度之差l。在该上下文中，l＝2(ra-ri)/n，n为在外管的内壁上分布的异型超导体的数目，ra为外管的内径且ri为流道的内径。因为外部弯曲部分半径的长度lakl本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导中空电缆，具有如下的特征：　　　　－具有环形的内部横截面和圆柱形内壁（３）的外管（２）；　　　　－具有多边形或环形横截面的中央冷却通道（４），该横截面小于外管（２）的内部横截面，在内壁（３）和冷却通道（４）之间布置有异型超导导线（５）；　　　　－异型超导导线（５）包括至少一个超导细丝（６）并且其具有用于已知为罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石的横截面轮廓，　　　　其特征在于，异型超导导线（５）的横截面轮廓具有弯曲部分的外部区域（７）和弯曲部分的内部区域（８），该外部区域（７）与外管（２）的多边形或环形内部横截面匹配，该内部区域（８）与冷却通道（４）的环形横截面匹配，和所述横截面轮廓具有朝向冷却通道（４）的中心点（１１）定向成型的侧边（９，１０），异型超导导线（５）布置在外管（２）的内壁（３）上，以及异型超导导线（５）的内部区域（８）形成超导中空电缆（１）的冷却通道（４）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2004-4-23 04009730.51.一种超导中空电缆，具有如下的特征—具有环形的内部横截面和圆柱形内壁(3)的外管(2)；—具有多边形或环形横截面的中央冷却通道(4)，该横截面小于外管(2)的内部横截面，在内壁(3)和冷却通道(4)之间布置有异型超导导线(5)；—异型超导导线(5)包括至少一个超导细丝(6)并且其具有用于已知为罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石的横截面轮廓，其特征在于，异型超导导线(5)的横截面轮廓具有弯曲部分的外部区域(7)和弯曲部分的内部区域(8)，该外部区域(7)与外管(2)的多边形或环形内部横截面匹配，该内部区域(8)与冷却通道(4)的环形横截面匹配，和所述横截面轮廓具有朝向冷却通道(4)的中心点(11)定向成型的侧边(9，10)，异型超导导线(5)布置在外管(2)的内壁(3)上，以及异型超导导线(5)的内部区域(8)形成超导中空电缆(1)的冷却通道(4)。2.如权利要求1所述的超导中空电缆，其特征在于，异型超导导线(5)通过它们的弯曲部分的外部区域(7)紧密地布置在超导中空电缆(1)的外管(2)的内壁(3)上，并且它们的径向朝向的侧边(9，10)彼此相邻，从而在超导中空电缆(1)的所有操作温度上，它们使用其弯曲部分的内部区域(8)保持中央冷却通道(4)。3.如权利要求2所述的超导中空电缆，其特征在于，在超导中空电缆(1)的所有操作温度上，异型超导导线(5)之间可能形成的径向间隙之和的间隙宽度(s)小于各个异型超导导线的弯曲部分的外部区域(7)和内部区域(8)之间的长度之差(Δ1)。4.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，异型超导导线(5)具有交错的异型侧边(12，13)。5.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，异型超导导线(5)具有特殊的表面涂层或局部阻力较高的加套装置，以便减小涡流影响和热损失。6.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，异型超导导线(5)绕着中央冷却通道进行扭转。7.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，异型超导导线(5)具有陶瓷超导体或高温超导体。8.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，外管(2)具有环形、方形或梯形的外轮廓(17)。9.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，外管(2)包括沿着它的纵向方向延伸的冷却通道(18)。10.如上述权利要求之一所述的超导中空电缆，其特征在于，紧凑的外管(2)所用材料的热膨胀系数大于异型超导体(5)的热膨胀系数。11.一种制造超导中空电缆(1)的方法，包括如下的方法步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃格伯特菲舍尔，哈姆雷特霍吉巴吉扬，亚力山大科瓦连科，格布哈特莫里茨，
申请(专利权)人：重离子研究有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]