本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1的前序部分的包括絕緣超導線的金屬組件。本發(fā)明還涉及包括這種金屬組件的用于電磁體的線圈，以及涉及傳導冷卻的電磁體。根據(jù)本發(fā)明的金屬組件也可以用在冷卻劑冷卻的磁體中。本發(fā)明的金屬組件主要但不排他地旨在用在DC磁體應用中，例如用在核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)應用中。

現(xiàn)有技術

低溫超導體(例如NbTi和Nb₃Sn或其衍生物)通常在4.2K(液氦溫度)處使用以在超導體應用(如研究磁體、核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)應用)中產生強磁場。各種線圈繞組技術(例如濕繞組、干繞組或環(huán)氧樹脂浸漬)可以用于設計這種應用中使用的超導磁體。在所有這些情況下，線圈包括其外周涂覆有電絕緣層(例如聚乙烯醇縮醛樹脂(Formvar)、聚乙烯亞胺(PEI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纖維、聚酯、聚酰亞胺等等)的超導線，還在磁體的層和線匝之間產生熱絕緣。這種絕緣結構的成功使用強烈依賴于液氦有效冷卻線圈繞組的能力。由于液氦的短缺，存在持續(xù)的努力以最小化超導體應用中對液氦的需要。例如，現(xiàn)在存在可以在沒有液氦的情況下干燥使用的磁體，即，所謂的低溫冷卻的磁體或傳導冷卻的磁體，其中線圈繞組處于真空中，并且憑借低溫泵通過連接到磁體繞組的導熱元件來實現(xiàn)冷卻。例如，可以通過利用例如銅或鋁的附加的導熱元件來布置單獨的導熱通路，從而改善繞組的內部部分的冷卻。然而，用這種方法難以實現(xiàn)磁體的足夠有效的冷卻。另一個問題是使用該方法提供的磁體將遭受降低的總電流密度并因此遭受較低的磁場，或者替代地，需要較大體積和較昂貴的超導線以產生相同的磁場。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是提供一種包括絕緣超導線的金屬組件，該金屬組件至少在某些方面相對于包括絕緣超導線的現(xiàn)有技術金屬組件有改善。具體地，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在傳導冷卻的超導磁體內使用的金屬組件，該金屬組件允許磁體的更有效的冷卻。另一個目的是提供一種用于在傳導冷卻的超導磁體內使用的金屬組件，通過該金屬組件，與如上所述的已知傳導冷卻的磁體相比，可以減小磁體的尺寸。

通過以下金屬組件來實現(xiàn)這些目的，該金屬組件包括在縱向方向上延伸的至少一個絕緣超導線，其中所述至少一個絕緣超導線中的每一個包括：

-超導線，包括嵌入金屬基體中的在限定的溫度范圍內呈現(xiàn)超導性質的材料，和

-在超導線上布置為涂層的電絕緣層。

該金屬組件的特征在于，其還包括導熱元件，該導熱元件包括布置為至少部分地圍繞所述至少一個絕緣超導線的層的導熱材料，使得該金屬組件纏繞成線圈時呈現(xiàn)各向同性或基本上各向同性的導熱性質。

使用根據(jù)本發(fā)明的金屬組件，可以實現(xiàn)在磁體的線圈繞組內具有改善的導熱的傳導冷卻的超導磁體。布置成與至少一個絕緣超導線的電絕緣層的至少一部分緊密接觸的導熱元件允許當金屬組件被纏繞成線圈時，在線圈繞組內的所有方向上的熱傳導。對于具有若干層的線圈，線圈的內層經由導熱元件冷卻，產生到線圈的外層的導熱通路，其中冷卻元件位于線圈的外層。當然，取決于從磁體構造的觀點來看最方便或成本有效的是什么，替代地或附加地可以將冷卻元件定位在線圈的內層或中間層中。通過導熱元件提供線圈繞組內的三維各向同性的導熱，可以在最少使用氦的情況下有效地傳導走熱量。利用根據(jù)本發(fā)明的金屬組件，導熱元件與至少一個絕緣超導線集成，并且因此包括纏繞成線圈的該組件的磁體可以被制造得比其中金屬片形式的導熱元件必須插入在線圈繞組的連續(xù)層之間的磁體更加緊湊。金屬組件特別適用于DC磁體應用。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，導熱元件的平均層厚度為至少一個絕緣超導線的等效直徑的至少0.2倍，優(yōu)選為至少0.5倍。使用這樣的層厚度，當金屬組件纏繞成具有若干匝和多層的線圈時，金屬組件的導熱性質變?yōu)楦飨蛲缘?。使用太小的層厚度可能導致在線圈的橫向方向上的不足的導熱，因此線圈繞組的冷卻將不太有效。絕緣超導線的等效直徑在這里應理解為具有等于絕緣超導線的實際截面積的截面積的圓形線的直徑。在圓形線的情況下，等效直徑就是線的直徑。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，導熱元件和至少一個絕緣超導線內的金屬基體一起具有為在限定的溫度范圍內呈現(xiàn)超導性質的材料的體積的至少兩倍的體積，優(yōu)選為至少五倍。利用這樣的體積比，如果磁體淬火，即，進入正常的電阻狀態(tài)，則磁體被保護。此外，該體積比允許導熱元件的足夠的層厚度，使得可以實現(xiàn)各向同性的導熱性質。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，導熱材料選自銅、銅合金、鋁、鋁合金或者包含銅和鋁的復合物。這些材料提供所需的穩(wěn)定性并且在低溫具有良好的導熱性質。如果優(yōu)選低重量，則可以使用鋁合金或包含銅和鋁的復合物。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，導熱材料選自高純度銅、高純度鋁或者銅包鋁復合物。高純度銅和鋁在低溫具有優(yōu)異的熱傳導性質，以及銅包鋁復合物可以在期望低重量和提高的機械強度的結合的情況下使用。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，電絕緣層包括電阻率為至少10⁷Ωm并優(yōu)選為至少10¹⁰Ωm的絕緣體。這提供了優(yōu)異的絕緣性并使介電強度遠高于1kV。因此，該層能夠例如當超導磁體淬火時承受高電壓差，而沒有災難性的缺點。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電絕緣層包含基于聚合物的絕緣體，優(yōu)選地選自聚乙烯醇縮醛樹脂(Formvar)、聚乙烯亞胺(PEI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纖維、聚酯和聚酰亞胺(PI)的集合。除了提供優(yōu)異的電絕緣以外，基于聚合物的絕緣體具有提供柔性的額外優(yōu)點。由此，因為減少了損壞電絕緣層的風險，所以可以更容易地處理金屬組件。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬組件還包括布置為導熱元件上的涂層的高電阻層。這種層與導熱元件相比應當相對薄，并且可用于防止導熱元件中的渦流，否則這可能導致不期望的加熱。在金屬組件主要意在用于高真空中的情況下，優(yōu)選地，高電阻層具有低的部分蒸發(fā)壓力。高電阻層在這里應理解為在低溫相比于嵌入有超導絲的金屬基體具有相對高的電阻率的層，例如高電阻層的電阻率為金屬基體的電阻率的至少10倍以上，優(yōu)選為100倍以上。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述高電阻層是包括鉻、鎳、錫、銦或其合金的金屬層。這些元素都具有低的部分蒸發(fā)壓力和高電阻率，并且可以以薄涂層的形式施加。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所述高電阻層是陶瓷或氧化物層，包括例如氧化鋁、氧化鉻、氧化鈦、氧化鋯或氧化鋁-二氧化鈦。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所述高電阻層是電絕緣有機聚合物膜。膜可以包括聚乙烯醇縮醛樹脂、PEI、PI或PET等。雖然這種膜也具有熱絕緣性質，但是如果該層足夠薄，例如小于100μm厚并優(yōu)選小于10μm厚，則包括金屬組件的線圈中的總導熱仍然是足夠的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬組件被布置為通道中線(wire-in-channel)的結構，其中至少一個絕緣超導線被布置在導熱元件中的縱向凹槽中。因此，通道形成在導熱元件中。即使導熱元件沒有完全覆蓋絕緣超導線，當纏繞成具有若干層的線圈時，絕緣超導線的每個連續(xù)的匝也將被導熱材料圍繞。因此，線圈的導熱性質仍然是各向同性的。優(yōu)選地，在該實施例中的金屬組件具有矩形或基本上矩形的橫向截面，以允許當線圈被纏繞時的高填充因子。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，導熱元件被布置為完全圍繞至少一個絕緣超導線的層。這種導熱元件提供包括金屬組件的線圈繞組在需要圓形截面或者當線圈繞組較不緊密地纏繞的情況下，在所有方向上也具有冷卻通道。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬組件還包括布置在金屬組件中的最外面的金屬網。如果包括金屬組件的線圈繞組要通過環(huán)氧樹脂浸漬來固定，則布置在導熱元件外部的這種金屬網是有用的。金屬網一方面允許環(huán)氧樹脂滲透到金屬組件中以有效地鎖定金屬組件，并且另一方面在包括線圈的磁體的操作期間在連續(xù)的線圈匝和層之間提供導熱橋。

本發(fā)明還涉及一種用于電磁體的線圈，該線圈包括如上所述的根據(jù)本發(fā)明的金屬組件，本發(fā)明還涉及包括這種線圈的傳導冷卻的電磁體以及包括這種線圈的冷卻劑冷卻的電磁體。傳導冷卻的磁體可以是冷卻劑冷卻的或不含冷卻劑的。這種線圈和電磁體的優(yōu)選實施例和優(yōu)點對應于上述那些。

附圖說明

下面參照附圖詳細描述本發(fā)明。在附圖中：

圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的金屬組件的截面，

圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的金屬組件的截面，

圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的金屬組件的截面，

圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的金屬組件的截面，

圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的金屬組件的截面，

圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的金屬組件的截面，

圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的金屬組件的截面。

具體實施方式

圖1-7中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件的七個不同實施例的橫向截面。對于所有示出的實施例，相同的附圖標記用于表示相同或相似的部件。

圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1的第一實施例。根據(jù)本實施例的金屬組件1是所謂的通道中線的結構，其包括在縱向方向上延伸的絕緣超導線2，絕緣超導線2插入形成在導熱元件3中的凹槽中。絕緣超導線2包括超導線4，超導線4包括嵌入金屬基體6中的在限定的溫度范圍內呈現(xiàn)超導性質的材料的絲5。絕緣超導線2還包括布置為超導線4上的涂層的電絕緣層7。絕緣超導線2在所示實施例中具有圓形截面。然而，當例如優(yōu)選高縱橫比導體幾何形狀時，其形狀還可以是矩形或正方形。

為了實現(xiàn)絕緣超導線2和導熱元件3之間的緊密接觸，絕緣超導線可以通過合適的金屬形成方法(例如，通過具有矩形開口的模具拉制或者使用例如所謂的4輥土耳其頭機架軋制)機械地鎖定在凹槽中。也可以例如通過用原位浸漬法在絕緣超導線的表面上施加環(huán)氧樹脂來實現(xiàn)緊密接觸。在一些情況下，可以根據(jù)具體應用來選擇具有相對低或相對高的導電性的導熱環(huán)氧樹脂或其復合物。

圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1的第二實施例。根據(jù)本實施例的金屬組件1與第一實施例的不同之處在于：導熱元件3完全覆蓋絕緣超導線2。導熱元件3是具有均勻厚度的層的形式，并且金屬組件因此具有圓形截面。絕緣超導線2包括與第一實施例相同的元件并具有圓形截面。

圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1的第三實施例。如在第二實施例中一樣，導熱元件3完全覆蓋絕緣超導線2。金屬組件1與根據(jù)第二實施例的金屬組件1的不同之處在于：絕緣超導線2和金屬組件1具有帶圓角的基本上為矩形的截面。

圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1的第四實施例。在該實施例中，絕緣超導線2具有圓形截面，而金屬組件1具有帶圓角的基本上為矩形的截面。當纏繞成線圈時，與圓形截面相比，矩形外截面增加了填充因子。

可以通過用將構成導熱元件3的材料(例如，金屬帶)包覆絕緣超導線2來制造根據(jù)第二、第三和第四實施例的金屬組件1。這可以使用公知的包覆技術(例如，纏繞或焊接)或使用低溫擠壓技術，優(yōu)選為連續(xù)擠壓技術(例如，所謂的Conform擠壓法)來進行。優(yōu)選地，擠壓在小于300℃的溫度處進行，之后快速冷卻。

圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬組件1的第五實施例。在該實施例中，絕緣超導線2被復合物導熱元件3覆蓋，復合物導熱元件3包括鋁層8和完全覆蓋鋁層的銅層9。可以通過使用低溫擠壓技術在低于300℃的溫度處，優(yōu)選地使用連續(xù)擠壓技術(諸如Conform擠壓法)用鋁包覆絕緣超導線2來制造根據(jù)該實施例的金屬組件。此后，使用在電纜工業(yè)中使用的公知的包覆技術用例如高純度銅來包覆具有鋁層8的絕緣超導線2。

圖6中示出了金屬組件1的第六實施例。在該實施例中，若干絕緣超導線2插入形成在導熱元件3中的凹槽中，形成通道中線的結構。絕緣超導線2在插入凹槽中之前可以被轉換或捆綁成電纜。

圖7中示出了根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的金屬組件1。在該實施例中，每個都包括導熱元件3’的若干個絕緣超導線2被捆扎或捆綁在一起并插入到形成在較大導熱元件3”中的凹槽中。導熱元件3’、3”內的導熱材料的總量應當使得當金屬組件1被纏繞成線圈時實現(xiàn)各向同性的導熱。

同樣在圖2-5所示的實施例中，單個絕緣超導線2可以更換為絕緣超導線束，例如電纜。

在所有示出的實施例中，導熱元件可以進一步涂覆有形成覆蓋金屬組件的薄的高電阻層(未示出)的材料。該層通常為1-50μm厚，優(yōu)選1-10μm厚，并且可以是例如，包含鉻、鎳、錫、銦及其合金的金屬、陶瓷或氧化物層，這些元素具有低的部分蒸發(fā)壓力和高的電阻率。錫、銦及其合金可以使用例如熔融金屬涂覆或電鍍來涂覆，而其它金屬可以使用例如電鍍、化學氣相沉積或物理氣相沉積來涂覆。涂層可以在導熱元件和絕緣超導線的組裝之前或之后施加到導熱元件。

高電阻層也可以由諸如聚乙烯醇縮醛樹脂、PEI、PET、PI等的有機聚合物材料形成。在這種情況下，優(yōu)選地，在使用例如在接近環(huán)境溫度優(yōu)選低于300℃的溫度處的紫外線固化或電子束固化將導熱元件和絕緣超導線組裝之后，將該層施加在導熱元件的表面上。雖然所述有機聚合物材料也具有熱絕緣性質，但是1-50μm并優(yōu)選為1-10μm的薄層仍然允許由金屬組件制成的線圈的繞組內的良好的導熱通道。

在所有示出的實施例中，超導線4可以包括可以以圓形、矩形或帶形狀的長長度制造的任何超導材料。超導線4可以例如是包括材料(例如NbTi或Nb₃Sn或其合金)的一個或多個絲5的所謂的低溫線。

其中嵌入有絲5的金屬基體6可以是高純度銅基體或者鋁或鋁合金基體。對于AC磁體應用，嵌入在與錳或鎳合金化的銅合金基體6中的NbTi絲5是合適的。對于DC磁體應用，嵌入在高純度銅基體中的NbTi絲5是合適的。

如果使用Nb₃Sn絲，那么這些含鈮絲優(yōu)選地嵌入緊密的含銅錫基體(所謂的青銅法)中，或者在具有錫或錫合金源的銅基體(所謂的內錫法)中，通常被鈮和/或鉭擴散阻擋和穩(wěn)定銅圍繞。在與導熱元件集成之前，線或者替換地電纜復合物用例如高溫玻璃絕緣來絕緣。形成Nb₃Sn超導相的高溫反應可以在線圈繞組操作之前或之后進行。由于高的反應溫度，導熱元件用合適的鉻、陶瓷或氧化物涂層來絕緣。

標準化為包含50％的超導材料的超導線4通常具有0.5-1.5mm的等效直徑，以便能夠承載足夠大的電流用于在大體積中產生強磁場。

在所有示出的實施例中，電絕緣層7可以由通常用于NbTi領域的絕緣材料制成。這種材料包括陶瓷絕緣體以及基于聚合物的絕緣體，基于聚合物的絕緣體例如選自聚乙烯醇縮醛樹脂(Formvar)、聚乙烯亞胺(PEI)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻璃纖維、聚酯和聚酰亞胺(PI)的集合。電絕緣層7的厚度通常在30-100μm之間變化，在匝和層之間提供足夠的電絕緣，并且被布置為使得其完全覆蓋超導線4的周邊。

在所有示出的實施例中，導熱元件3優(yōu)選地由高純度低溫級銅或高純度鋁制成。取決于對最終產品的要求，它也可以由如圖5所示的銅包鋁復合物通道或構造、銅合金或鋁合金制成。導熱元件3優(yōu)選地是沿著絕緣超導線2延伸并且與絕緣超導線2緊密接觸的層的形式，它在絕緣超導線2的周邊周圍具有均勻的厚度或者具有在絕緣超導線2的周邊周圍變化的厚度。該層可以完全或部分地覆蓋絕緣超導線2。在該層僅部分地覆蓋絕緣超導線2的情況下，其應該優(yōu)選地覆蓋線表面的主要部分，使得當金屬組件1被纏繞成線圈時，絕緣超導線2被導熱元件3的材料圍繞。

取決于超導線4的尺寸，導熱元件3通常應具有0.10mm或更大并優(yōu)選為至少0.50mm的平均層厚度。優(yōu)選地，導熱元件3的平均層厚度為絕緣超導線2的等效直徑的至少0.2倍，優(yōu)選為至少0.5倍。導熱元件3和在絕緣超導線2內的金屬基體6應當一起優(yōu)選地具有超導絲5的體積的至少兩倍并且更優(yōu)選地至少五倍的體積。

根據(jù)任何所示實施例的金屬組件1用于冷卻劑冷卻的磁體，例如，用于液氦冷卻的磁體中，或者替換地在沒有冷卻劑的傳導冷卻的磁體中，金屬組件1纏繞成螺線管形式的線圈，包括至少一層金屬組件1，優(yōu)選為數(shù)層。在傳導冷卻的磁體中，除了提供導熱之外，導熱元件3還提供電穩(wěn)定。如果在操作中，由于某些原因，例如由于磁干擾、磁通量跳躍、機械線移動等原因，超導線4經歷到正常級的轉變，提供電穩(wěn)定特別重要的。在這種情況下，電流被自動地引導通過導熱元件3，并且允許超導線4冷卻從而可以恢復超導級。

在用于包括金屬組件1的電磁繞組中的線圈中，金屬組件可以被固定以避免金屬組件在線圈內的相對移動。金屬組件可以例如使用環(huán)氧樹脂浸漬來固定。在這種情況下，優(yōu)選地為金屬組件提供包覆在導熱元件上的金屬網或設置在導熱元件的外側上的涂層。金屬網可以例如被包覆在金屬組件的表面上并且呈圍繞金屬組件編織的薄的高純度銅或鋁線的形式。

絕緣超導線也可以基于MgB₂合金，或適于使用現(xiàn)有構造線設計來以長的長度制造并產生強磁場的任何其它超導材料。

本發(fā)明當然不以任何方式限于上述實施例，而是在不脫離如所附權利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，對本領域技術人員來說，許多對其修改的可能性是顯而易見的。