专利名称：用于超导体元件的电衬套的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于超导体元件的电衬套，例如在中等或高电压下用于传输电的电缆。该电衬套用于将低温下的超导体元件端部连接到环境温度下一般在户外中的器件或设备。
背景技术：
由于在超导体元件和用于连接所述元件之间的温度差大，即在环境温度和可能为大约-200℃的低温之间，所以有必要在该元件和该设备之间插入连接结构，以使温度渐变同时最小化热损耗，且同时当涉及电缆时仍然遵守例如由于高压带来的电约束。该结构包括主要由中心导体制成的电衬套，该中心导体由绝缘护套环绕，用于将来自超导体电缆的电输送到环境温度下的输出接口。该结构必须在合理的长度上获得温度渐变的同时确保热导体的热损耗低，从而避免煮沸冷却电缆的低温液体。因此，中心导体的截面不能太大。然而，由于导体通过焦耳效应变热，所以高电流可导致热损耗，在这种情况下，增加中心导体的截面是有好处的。因此，存在两个冲突的需求。
其它待解决的技术问题是控制由电衬套中心导体的中等或高压产生的电场分布以避免击穿。
对热损耗问题的公知解决方案在于提供带有可谓绝热中间外罩、气密(airlock)或“缓冲”外罩的连接结构，其设置在低温部分与环境温度的连接结构部分之间。电衬套穿过中间外罩。该解决方案记载于例如欧洲专利申请EP1 283 576中。中间外罩的侧壁由低温恒温器的侧壁构成。底壁和顶壁包括由电衬套穿过的固紧凸缘，底壁与低温部分相邻，顶壁与环境部分相邻。中间外罩是抽空的或充有提供良好热绝缘和电绝缘性的气体。需要选择真空程度或气体组分以实现两种绝缘。中间外罩的外壁连接到地电势。
该解决方案的缺点在于需要好的中间外罩密封，特别是在电衬套穿过底壁和顶壁位置处，因此导致困难和昂贵的制造约束。例如，即使在低温部分和中间外罩之间很少量的泄漏(例如，每升秒大约10-8毫巴(mbar/L·s)的泄漏)会不可避免地导致中间外罩中的气体组分的改变或真空程度的下降。如果低温液体是液氮，那么泄漏将导致在中间外罩中存在气态氮，因此首先导致液氮的额外消耗，其次导致中间外罩的热和电绝缘性降低。由这种泄漏造成的中间外罩中的过多压力不适合借助安全阀控制，因为打开安全阀将破坏热和电绝缘介质(真空或气体)。
发明内容
本发明提供了对于该技术问题的解决方案，特别是通过改进电衬套的结构。
更具体地，本发明提供了一种电衬套，其能够在环境温度连接到位于低温下的外罩的超导体元件，所述电衬套顺序穿过在环境温度和低温之间的中间温度下的外罩，和在环境温度下的外罩，所述衬套至少包括由电绝缘护套围绕的中心电导体。根据本发明，连接于地电势的导电屏围绕所述绝缘护套，所述围绕部分从与低温下的所述外罩接触的衬套的端部开始至少延伸到中间温度外罩与环境温度外罩之间的连接处。
在一项实施例中，所述屏由粘合到所述部分的绝缘护套的外壁金属层构成，例如锌层或包含银涂层的层。
有利地，电衬套包括电场偏转装置。例如，邻近低温外罩的所述部分的绝缘护套的端部可具有张开的形状，其由电导体屏覆盖。张开的形状可以是球状物的顶部，其构成邻近低温外罩的所述部分的绝缘护套的端部。另外，位于环境温度下的腔中的所述部分的绝缘护套的端部可有利地包括应力锥状物。
优选地，选择热膨胀系数近似相同的材料构成中心导体和绝缘护套，以使这些材料与低温和环境温度相适应。例如，可由环氧树脂制成绝缘护套，由铝合金制成中心导体。
在预定长度上，中心导体位于低温外罩旁边的部分的截面小于中心导体位于环境温度外罩处的部分的截面。
中间外罩优选地至少部分地填充低导热性固体材料，例如泡沫，如玻璃泡沫或聚氨脂泡沫。
通过非限制示例并且参考附图，本发明的其它优点和特征将由本发明的实施例的随后描述示出，其中图1是示出本发明的示意图；和图2是本发明实施例的纵向剖面图。
具体实施例方式
在图1中，连接至超导体电缆(未示出)的连接结构包括通过位于低温下的外罩11中的底端连接到超导体元件的电衬套(bushing)10。邻近低温外罩11的中间外罩12优选地填充有低导热率的固体材料。该材料可以是以泡沫形式，例如聚氨脂泡沫或多孔玻璃泡沫，例如购买Foamglas商标的泡沫。电衬套10经由气密紧固凸缘13穿过中间外罩11的底壁，并且经由气密紧固凸缘14穿过顶壁。电衬套10延伸经过中间外罩12进入到环境温度下的外罩15，该外罩15由装置16终止，该装置用于电连接该衬套、以及由此连接超导体元件、直至适合的器件和设备。中间外罩因此位于环境温度和低温流体温度之间的温度。低温下的外罩11和中间外罩12的各个壁部17和18形成低温恒温器壁，从而实现良好的热绝缘。因为中间外罩是防漏的，所以优选地装配有安全阀19(未示出)以缓和任何可能由于凸缘13和14的泄漏而产生的过压。
电衬套10包括由绝缘护套20环绕的中心导体19。根据本发明，优选地由金属制成的导电屏21至少在部分护套上环绕绝缘护套，即在其一定长度上。该屏有利地由在所述部分上喷镀绝缘护套而制成，其从与低温接触的中间外罩部分延伸至少到凸缘14，即在中间外罩12和环境温度外罩15之间接合。该屏电连接到地电势。其功能是仅限制电衬套中沿着导体的电场，更确切地，在中心导体和屏之间。
应该清楚，当中间外罩12填充固体材料且不是气体或真空时，通过凸缘13和14的微小泄漏问题实际上已被消除。即使在通过凸缘13或14存在微小泄漏的情况下，因为该泄漏不影响填充中间外罩的固体材料的绝缘特性，所以将热绝缘有效性保持在比较恒定的程度上。
在图2中，示出了本发明实施例的纵向剖面，由例如液氮的低温液体31冷却超导体电缆30，该液体包含在具有外壁34和内壁35的低温恒温器33中。在这两个壁之间的真空水平可以是例如约10-5毫巴(mbar)。由附图标记36指代的区域处于低温下，其对于所谓的“高温”超导体来说是大约-200℃。
超导体电缆的端部通过电连接37连接到电衬套39的底端部38。该衬套主要由铜或铝合金的中心导体40构成，周围具有模制的例如由环氧树脂制成的电绝缘护套41。在其底端部由具有紧固衬图43的球状物42终止。球状物位于衬圈43之上的部分具有张开的形状，张开最宽的部分处于衬圈。凸缘44将球状物42以密封方式相对低温恒温器33的内壁35紧固。
低温恒温器33的内壁35和外壁34垂直延伸，以形成中间外罩45的侧壁。该外罩因此得以良好的热绝缘。该中间外罩的底部由球状物42以密封的方式密封，外罩的顶部由板46密封，该板可由金属合金制成(例如不锈钢或铝合金)。区域47的温度处于低温和环境温度之间。
绝缘护套的部分的外壁由例如喷镀金属的导电材料层63覆盖。例如，沉积在该外壁的金属可以是喷洒到外壁上的锌。可选择地，壁可以由导电涂层、包含银的涂层覆盖而实现导电。绝缘护套的覆盖在金属层63中的部分从球状物42上的衬圈43延伸到与中间外罩45的顶部接近的顶板46的紧固和密封凸缘49。金属层63电连接到地电势。因此，其形成具有在中心导体40和金属层63之间引导电力线作用的电屏。因为金属层连接到地电势并且因为超导体电缆处于高压下，所以绝缘护套的底端部38以及因此金属层63有利地具有类似位于衬圈43上方的球状物42的部分的张开形状，从而增加在地与高压之间的漏电距离(creepage distance)，由此避免在端部38的电击穿。替代沉积在绝缘电缆外壁上的导电层63，其构成了本发明的优选实施例，也可以使用柱状金属管，该管围绕绝缘护套41的外壁的并且在其接近球状物42的端部具有张开的形状。类似导电层63，该管应该连接到地电势。
可以清楚，在区域47中的中心导体40的温度从球状物42处的低温到顶板46处的环境温度进行变化。因为中心导体40的电阻率随着温度的增加而减小，所以可有利地减小低温的中心导体的截面，从而限制沿着环境温度部分和低温部分之间的导体的热流动，同时通过焦耳效应将热损耗保持在低水平。因此，在图2中，中心导体40在球状物42处的截面小于在中间腔45顶部处的截面。在理论上，导体的截面应该从与超导体元件连接处37一直逐渐地增加到环境温度下的顶板46。然而，制造这样的导体部分是昂贵的且满足在短长度上进行这种截面的变化，如图2所述。
中间外罩优选填充有低导热的固体材料。该材料有利地采用泡沫的形式，例如聚氨脂泡沫或多孔玻璃泡沫，例如Foamglas商标种类的多孔玻璃泡沫。优选地完全采用该固体材料填充中间外罩，但是也可以仅部分填充。为了填充中间外罩，可以加工一块或多块的固体泡沫，例如采用半壳(half-shell)形式的两块或加工有中孔的单块，该中孔与电衬套39位于中间外罩45中的部分形状互补，随后将所述(各)块放入中间外罩内。
在中间外罩45上方，环境温度下的外罩48紧固于板46。该板呈现良好的导热性从而在环境温度的气体和环境温度下外罩48的底部之间建立良好的热交换。电衬套39经由紧固和密封凸缘49以气密的方式穿过该顶壁46，并且电衬套经由环境温度下的所述外罩的顶壁50伸出到外罩48的外部。外罩的侧壁由电绝缘体51构成，例如玻璃纤维强化的环氧树脂，一般称为纤维强化的聚合物(FRP)。该壁的外表面承载连续的绝缘材料鳍状物(fin)52，例如硅酮，用于延长表面上由于周围的污染和雨滴(rain)沉积在所述表面上形成杂质引起的任何漏电流的路径长度。环境温度下的外罩48利用如硅油的良好的电绝缘液体54填充到水平53。除了对电衬套39提供良好的电绝缘外，液体54易于实现环境温度下外罩内侧的温度稳定。因此，区域55的温度接近环境温度。
位于环境温度外罩48中的应力锥状物56在金属层63结束处环绕电衬套39。该应力锥状物的导电部分借助例如使用半导体带(tape)的带57电连接于金属层63且也电连接到导电的气密紧固凸缘49。金属层63可到达紧固凸缘49的端部水平，或可直接延伸至应力锥56的导电部分，关键点在于，在金属层63和应力锥的导电部分之间具有良好的电连续性。该应力锥状物的功能是偏转或张开在金属端部的电力线，从而避免可能导致电击穿的任何不连续性。电衬套39通过连接接头58在环境温度外罩48的外侧终止，该接头用于在中等或高压下为超导体电缆供电，或用于在来自超导体电缆30的中等或高压下为环境温度下的设备供电。
板46优选设置有安全阀62以排出任何来自中间外罩45的过压，该过压可能是由于冷却液体通过衬圈43和紧固凸缘44泄漏而造成，然后冷却液体在气态形式下穿过中间外罩。
环境温度下的外罩也具有两个连接阀59和60，使得它能够被油填充，该阀58连接到聚乙烯浸入管61，其使外罩中油的深度能够被监控。
因为电场限制在中心导体40和导电层63之间并且在导体层63的两端首先通过由于球状物42的形状形成的张开形状、其次通过应力锥状物56偏转，所以对于中间外罩不需要抽空或填充电绝缘材料(例如，气体)上述电连接结构包括有利地填充有良好热绝缘体的固体材料的中间外罩，该结构在低温部分和环境温度部分之间可提供良好的温度渐变，进入低温液体中的热量流动受到限制，与安装时工作条件相适应并且易于在现场和车间进行维修。该结构的高度，特别是中间外罩的高度可以容易地调整以适应低温部分和环境部分之间的温差条件，以及诸如电压和电流的电条件该实施例涉及连接超导体电缆。然而，对于本领域技术人员来说，将本发明应用于连接任何在低温下的且需要连接到环境温度的器件或装置或设备的超导体元件是显而易见的。
权利要求
1.一种电衬套(39)，该电衬套能够在环境温度下连接到位于在低温下外罩(31)中的超导体元件(30)，所述电衬套连续穿过在环境温度和低温之间的中间温度下的外罩(45)，和环境温度下的外罩(48)，所述衬套至少包括由电绝缘护套(41)围绕的中心电导体(40)，该衬套的特征在于，连接于地电势的导电屏(63)围绕所述绝缘护套(41)，所述围绕部分从与低温下的所述外罩接触的衬套的端部(43)开始至少延伸到中间温度外罩与环境温度外罩之间的连接处(49)。
2.根据权利要求1所述的电衬套，其特征在于，所述屏是由粘合到所述部分的绝缘护套(41)的外壁的金属层(63)构成。
3.根据权利要求2所述的电衬套，其特征在于，所述金属层(63)由沉积在所述部分的绝缘护套(41)的外壁上的锌层形成。
4.根据权利要求2所述的电衬套，其特征在于，所述金属层(63)由含银的涂层形成。
5.根据前述任一权利要求所述的电衬套，其特征在于，所述绝缘护套(41)在所述部分的两个端部的至少一个处包括电场偏转装置(42，56)。
6.根据权利要求5所述的电衬套，其特征在于，所述部分邻近所述低温外罩的绝缘护套的端部(42)是张开形状的，并且被覆盖在所述金属屏中。
7.根据权利要求6所述的电衬套，其特征在于，所述部分邻近所述低温外罩的绝缘护套的端部是球状物(42)的形状，其设置在所述低温外罩(31)和所述中间温度外罩(45)之间，所述球状物位于中间温度外罩中的部分具有所述张开的形状。
8.根据权利要求5所述的电衬套，其特征在于，所述屏(63)延伸入环境温度下的外罩(48)，以及，应力锥状物(56)围绕所述绝缘护套(41)固定并且与所述屏的位于所述环境温度外罩中的端部电连接。
9.根据前述任一权利要求所述的电衬套，其特征在于，构成中心导体(40)和绝缘护套(41)的材料的热膨胀系数大概相同，以使所述材料与低温和环境温度相适应。
10.根据权利要求9所述的电衬套，其特征在于，所述绝缘护套(41)由环氧树脂制成，所述中心导体(40)由铝合金制成。
11.根据前述任一权利要求所述的电衬套，其特征在于，在预定长度上，所述中心导体(40)位于所述低温外罩旁边的部分的截面小于所述中心导体位于所述环境温度外罩处的部分的截面。
12.根据前述任一权利要求所述的电衬套，其特征在于，中间温度下的外罩(45)中至少部分地填充具有低导热性的固体材料。
13.根据权利要求12所述的电衬套，其特征在于，所述材料是基于泡沫的。
14.根据权利要求12所述的电衬套，其特征在于，所述材料是多孔玻璃泡沫或聚氨脂泡沫。
全文摘要
本发明公开一种电衬套(39)，其用于在环境温度下连接到位于在低温下外罩(31)中的超导体元件(30)，该电衬套连续穿过在环境温度和低温之间的中间温度下的外罩(45)，和环境温度下的外罩(48)，该衬套包括由电绝缘护套(41)围绕的中心电导体(40)。根据本发明，连接于地电势的导电屏(63)围绕所述绝缘护套(41)，所述围绕部分从与低温下的所述外罩接触的衬套的端部(43)开始至少延伸到中间温度外罩与环境温度外罩之间的连接处(49)。本发明尤其可应用于连接超导体电缆。
文档编号H02G15/02GK1874096SQ200610077430
公开日2006年12月6日 申请日期2006年3月17日 优先权日2005年3月17日
发明者皮埃尔·米拉博, 尼古拉斯·拉洛伊特, 塞巴斯蒂安·德尔普莱斯, 里吉斯·拉皮埃尔 申请人:尼克桑斯公司