CN1947207A - 超导电缆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

超导电缆及其制造方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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发明的起始点。

发明内容

本发明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。

依照本发明，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，因此依照本发明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，依照本发明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，这样使用依照本发明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(r_a-r_i)/n，

n为在外管的内壁上分布的异型超导体的数目，r_a为外管的内径且r_i为流道的内径。因为外部弯曲部分半径的长度l_ak

l_ak＝2r_a/n

并且异型超导体的弯曲部分的内部区域的长度l_ik

l_ik＝2r_i，

在超导中空电缆的所有操作温度下必须满足下列状况：

ns＜l或

ns＜l_ak-l_ik

因此需要满足下面的条件：

s＜2(r_a-r_i)/n²。

这样就可以保持中央冷却通道。因此异型超导导线的数目取决于制造公差，并且如果需要的话，必须保持尽可能小，以便在存在较大公差的情况下可以允许得到的间隙宽度s。一般而言，为了减小涡电流的影响，异型超导导线横截面的两个主要尺寸彼此不应相差太大。由于机械应力和变形区域所产生的同样不希望的热量可以通过基于形状装配的具有适当偏置的制造来减少到最少。

在本发明的另一个实施例中，异型超导导线具有交错的异型侧边。尽管提供了上述观察并且推断出从具有异型超导体的横截面的直线侧边的异型超导体形成中央冷却通道，这些侧边指向中空电缆的中心，本发明的该另一个实施例提供了另一种可能，其中侧边也是异型的并且并不沿朝向中心点的直线延伸，具有提高的安全余量以保持中央冷却通道尤其是因为(除了上述所有间隙宽度s之和sn的长度之差l之外)由于异型侧边也开始起作用。作为容许间隙宽度s的条件，值v的偏移导致值

s＜(l+v)/n。

附图2和4显示了具有异型侧边和各个偏移值v的异型超导体的两个实施例。

在本发明的另一个实施例中，外管为两层。第一层包括绕着超导异型导线束以螺旋配置的方式缠绕的一个或多个张力调整线。第二层包括电绝缘和密封的外部层。该张力调整线解决方案具有可以连续地制造任意期望长度的超导中空电缆的优点。

在本发明的另一个实施例中，异型超导导线包括绞合或扭转的超导细丝。这种异型超导导线的实施例的实例显示在图6、7和8中并且将在后面进行解释。超导细丝设置有可延展的金属芯部和可延展金属套，这样超导导线就可以成型形成。为此，异型超导导线包括金属基质(具有金属芯部或中心，通常为铜)，并且为了减少涡电流，可选择地为附加的高阻力中间层，例如为CuNi合金。超导细丝由例如NbTi导线构成，NbTi导线彼此扭转或绞合。套同样优选地包括CuNi合金。

在本发明的另一个实施例中，异型超导导线是陶瓷或高温超导体。这种HTSC具有它们的临界温度基本上比金属超导体的情形下更高的优点。金属超导体的临界温度低于20开氏度。对于HTSC，临界温度在一些情形下超过80开氏度，与之相关的优点是基本上可以使用更廉价的冷却剂或者可以在更低的温度下实现较高的磁场。即使将HTSC加工到异型超导导线中更加困难，然而仍然可以预见基于Y₃O₃、BaCO₃和CuO且具有氧化银、氧化铂或氧化铈的混合物的所谓的YBCO基陶瓷超导体通过适当的熔化和退火过程肯定能加工到异型超导导线中。即使由氧化铋、氧化锶、氧化钙和氧化铜构成并且可以包括氧化铅的附加物的所谓的BSCCO超导体包括90％的超导正交晶材料，且超导正交晶材料可以加工到异型超导导线中。

超导中空电缆的外管由金属或非金属材料制成，例如CuNi合金、不锈钢、GFRP或有机材料，并且可以具有环形、方形或梯形的外轮廓或任意其它所需形状。正被讨论的外管可以缠绕在适当的Kapton带和/或玻璃纤维带中以电绝缘。矩形外轮廓具有冷却通道可以沿纵向方向包含在外管中的优点，这样不仅异型拱顶石形超导导线由与超导体直接接触的中央冷却通道冷却，而且，另外，它们还可以由外管或沿纵向方向贯穿外管的冷却通道冷却。相同的情形还适应于梯形外轮廓，因为，在该情形下同样可以直接在外管材料中提供四个附加的冷却通道。外部冷却通道可以在有限的宽度～l_ak上沿着外管的内壁开口。

扭转的异型超导导线与这些通道以不是非常尖锐的角度相交并因此在螺旋位移的每个四分之一转之后还从外部通过与冷却剂的直接接触而冷却。因此，在这个变体中，同样，所有导线也都置于完全相同的电磁、机械和热状况之下。

根据制造技术(有或没有机械偏置)和使用的条件，对于外管的材料而言，可以提供比异型超导导线的材料具有更高或更低系数的材料。在适当的时候，外管材料的性能与超导材料的性能相匹配，以便保证能够保留中央冷却通道的形状和完整性。对于外管的另一种关键材料的选择标准是对涡电流具有较高的电阻，同时具有充分高的机械强度。

制造超导中空电缆的方法可以包括顺序不同的多种方法步骤。另外，制造依照本发明的超导中空电缆的方法还取决于制造异型超导导线的可能性。

依照本发明的制造超导中空电缆的方法之一包括如下的方法步骤。首先，可以制造具有环形内部横截面和尽可能光滑的圆柱形内壁的紧凑的外管。除此之外，制造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的异型超导导线。为此，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，横截面轮廓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，将形成具有朝向冷却通道的中心点定向成型的侧边。

在已经制造了依照本发明的中空电缆的两个主要部件之后，首先将异型超导导线集合在一起绕着中央冷却通道形成纵向延伸的环形束。在集合的过程中，也可以使用辅助手段例如粘合剂物质来保证异型超导导线之间基于物质的连接。然后包括异型超导导线的环形束拉入超导中空电缆的紧凑的外管中。这种方法具有中空电缆可以由两个彼此独立的部件组装的优点。

在另一种方法变体中，外管并不通过紧凑的部件的形式来制造，而是以两半外壳的形式来制造。然后在组装超导中空电缆时，将制造的异型超导导线置于半壳中。随后将半壳与位于内部的异型超导体集合在一起并且焊接起来。这种方法具有在焊接过程之后，外管可以产生收缩同时使位于内部的异型超导导线压缩致密的优点。

在另一种方法变体中，张力调整线绕着异型超导导线束以螺旋配置进行缠绕，优选缠绕方向与超导导线的扭转方向相反。随后电绝缘的密封外层施加到张力调整线上。这种方法变体具有可以连续制造包括异型超导导线的无限长超导中空电缆的优点。

另一种方法变体提供了如下的可能性，即对形式为紧凑的部件外管加热，并且对具有中央冷却通道的异型超导导线束进行冷却。然后将这两个部件中的一个推进到另一个部件中。然后，外管收缩到纵向延伸的异型超导导线的环形束上，并且使超导导线压在彼此上同时形成中央冷却通道。这种方法具有如下的优点，即，具有中央冷却通道的超导导线的环形束更易于拉到紧凑的外管中。在本文中，还可以仅仅对坚硬地构造的外管加热或仅仅对异型超导导线束进行冷却。

制造异型超导导线的优选方法包括如下的方法步骤。首先，在标准方法中，制造具有圆形横截面的超导复丝导线，其中该横截面依照预计的使用条件具有最佳的微观结构，并且具有适当的附加的阻屏。随后，压出圆形超导导线成型以形成异型超导导线。成型可以通过很多种方式来进行。

一方面，可以使用适当的成型辊，该成型辊可以制造弯曲部分的内部区域和弯曲部分的外部区域以及侧面的拱顶石形状。另外还可以对侧边使用成型辊来提供侧边的偏移，以便异型超导导线可以在更深的程度上在装配中交错进入具有中央冷却通道的束中。代替成型辊的是，还可以通过适当的成型块来提供异型拉拔，通过该成型块来拉拔出制备的导线，并且在过程中利用该成型块来修改导线的横截面轮廓的形状。另一种可能在于所谓的整形锻造，其中利用适当的锻造过程制造期望的轮廓。

取代坚硬地构造的外管的是，对异型超导导线的加套也可以使用例如由NiCr制成的成螺旋方式缠绕的张力调整线来实现，如图13所示。随后例如通过聚合作用来制造电绝缘的紧密密封外层；

因此，依照一个实施例，本发明涉及的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，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，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)。

超导中空电缆的特征在于，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)。

超导中空电缆的特征在于，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(l)。

另外，超导中空电缆的特征在于，异型超导导线(5)具有交错的异型侧边(12，13)。

另外，超导中空电缆的特征在于，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。

另外，超导中空电缆的特征在于，异型超导导线(5)绕着中央冷却通道进行扭转。

另外，超导中空电缆的特征在于，异型超导导线(5)具有陶瓷超导体或高温超导体。

另外，超导中空电缆的特征在于，外管(2)具有环形、方形或梯形的外轮廓(17)。

另外，超导中空电缆的特征在于，外管(2)包括沿着它的纵向方向延伸的冷却通道(18)。

另外，超导中空电缆的特征在于，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。

依照另一个实施例，本发明还涉及一种用于制造超导中空电缆(1)的方法，该方法包括如下的方法步骤：

-制造具有环形的内部横截面和圆柱形内壁(3)的外管(2)；

-制造异型超导导线(5)，它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，该异型超导导线(5)的横截面轮廓具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

-使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

-将具有中央冷却通道(4)的环形束(28)拉入外管(2)中。

依照另一个实施例，本发明还涉及一种用于制造超导中空电缆(1)的方法，该方法包括如下的方法步骤：

-制造异型超导导线(5)，它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，该异型超导导线(5)的横截面轮廓具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

-使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

-将至少一根张力调整线绕着束以螺旋配置的方式进行缠绕；

-使用超导中空电缆的电绝缘和密封外层覆盖缠绕的张力调整线。

依照另一个实施例，本发明还涉及一种用于制造超导中空电缆(1)的方法，该方法包括如下的方法步骤：

-制造具有环形的内部横截面和圆柱形内壁(3)的由两个半外壳的紧凑的外管(2)；

-制造异型超导导线(5)，它具有已知为罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石的横截面轮廓，该异型超导导线(5)的横截面轮廓具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

-使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

-将半壳集合在一起，使束位于内部，从而形成超导中空电缆的紧凑的外管。

制造用于超导中空电缆的异型超导导线的方法包括如下的方法步骤：

-成型超导导线(5)的标准的圆形形状。

导线的成型通过成型辊来实现。

另外，导线的成型通过成型块来实现。

另外，导线的成型通过整形锻造来实现。

另外，对异型超导导线的附加的局部加套可以由金属涂层来提供。

附图说明

现在将参照附图对本发明进行更详细的说明。

图1以简图的形式显示了依照本发明的第一实施例的超导中空电缆的剖面图；

图2以简图的形式显示了依照本发明的第二实施例的超导中空电缆的剖面图；

图3以简图的形式显示了依照图2的超导中空电缆的细节的剖面图；

图4以简图的形式显示了依照本发明的第三实施例的超导中空电缆的剖面图；

图5以简图的形式显示了在设置被成型之前的超导导线的初始形式；

图6以简图的形式显示了在设置有用于依照图1的本发明的第一实施例的超导中空电缆的成型形状之后的异型超导导线的剖面图；

图7以简图的形式显示了在设置有用于依照图2的本发明的第二实施例的超导电缆的成型形状之后的异型超导导线的剖面图；

图8以简图的形式显示了在设置有用于依照本发明的第三实施例的超导中空导体电缆的成型形状之后的异型超导体的剖面图；

图9以简图的形式显示了依照本发明的第四实施例的超导中空电缆的剖面图；

图10以简图的形式显示了依照本发明第五实施例的超导中空电缆的两个变体的剖面图；

图11以简图的形式显示了依照本发明的第六实施例的超导中空电缆的剖面图；

图12以简图的形式显示了依照本发明的第七实施例的超导中空电缆的剖面图；

图13以简图的形式显示了依照本发明的第八实施例的超导中空电缆的剖面图；

图14中图14a和图14b分别以简图的形式显示了标准配置中的CICC型超导中空电缆的照片和图形。

图15中图15a和图15b以简图的形式显示了依照现有技术(POLO电缆)的CICC型超导中空电缆的照片和剖面图。

图16中，图16a和图16b以简图的形式显示了标准配置中的Nuclotron型超导电缆的照片和图形。

图17以简图的形式显示了改进的配置中的Nuclotron型超导中空电缆的剖面图。

具体实施方式

图1以简图的形式显示了依照本发明的第一实施例的超导中空电缆的剖面图。该中空电缆1具有由异型超导导线5围绕的中央冷却通道4，该超导导线5通常为扭转复丝导线。在此处所示的剖面图中，这些异型超导导线5形成了直接围绕中央冷却通道4的环，以便这些异型超导导线可以由冷却剂流强烈地冷却。异型超导导线5由坚硬地构造的外管2夹持在一起，该外管2具有让异型超导导线5紧密压靠着的内壁3。异型超导导线5具有与用于罗马石桥或穹棱拱顶的拱顶石相对应的横截面。

该异型外形具有弯曲的外部区域7，该弯曲部分与外管2的内壁3的弯曲部分相匹配。另外，异型超导导线5的横截面具有弯曲的内区域8，该弯曲部分与中央冷却通道4的弯曲部分匹配。在本发明的第一实施例中，异型超导导线5具有光滑的侧边9和10，侧边9和10朝向中央冷却通道4的中心点11定向。相邻的超导导线5的侧边之间的间隙宽度s不能如所期望的那样大，因为否则异型超导导线5的环形结构以及因此导致的冷却通道4的操作就会被损坏。因此，所有间隙宽度s之和ns必须小于弯曲的外部区域7的弧长l_ak减去异型超导导线5的外形中的弯曲的内区域8的弧长l_ik所得的差。

因为在本发明的第一实施例中设置了二十个异型超导导线5，所以需要严格地限制可以容纳在相邻的超导导线5侧边之间的间隙宽度s。同样，这个限制决不取决于外管2的内径r_a和冷却通道4的内径r_i之差，如上文的公式所说明的那样。这种超导中空电缆1具有冷却通道4内的流阻极低的优点，因此，可以实现较高的冷却速率和较高的机械稳定性。另外，它还具有冷却介质直接接触异型超导导线5的优点，因此，即使在出现短暂的热脉冲时也可以保证强烈的冷却。最后，该中空电缆还具有大体上仅仅由两层或两个部件构成的优点：即同心束的拱顶石形的异型超导导线5和坚硬地构造的外管2。另外，为了(附加的)电绝缘，依照本发明的该超导中空电缆1可以具有缠绕着外管2的外轮廓17的Kapton带，并且如果有必要的话可以还具有例如由玻璃纤维带形成的更多电绝缘层。这可以应用到与图1、2、4、9、10、11和12对应的所有变体上。

第二实施例的中空电缆1与第一实施例的中空电缆1的不同之处在于异型超导导线5的成型。除了拱顶石形状之外，这些异型超导导线5可以具有偏移值v，这还改进了异型超导导线5的交错性能，并且允许这些异型超导导线5的相邻的异型侧边12和13之间具有更大的间隙宽度s。可能的间隙宽度s和弯曲部分的外部区域与内部区域之间的长度l的差以及偏移值v之间的关系已经在上文中详细讨论了。

图3以简图的形式显示了依照图2的超导中空电缆1的细节的剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。图3以放大的比例显示了异型超导导线5通过相邻的异型侧边12和13的偏移19形成的交错的图形。

图4以简图的形式显示了依照本发明的第三实施例的超导中空电缆1的剖面图。本发明的第三实施例与上述实施例的不同之处在于异型超导导线5的数目已经从图1和2的二十个减小到图4的十个。超导导线5在它们的异型侧边12和13上具有尖角外形20，通过这样来提高异型超导导线5的交错性能。这些尖角外形20形成偏移值v，该偏移值v与异型超导导线5的横截面的弯曲部分的外部区域7和内部区域8之间的长度l之差一起增大了间隙宽度s的公差，从而可以允许关于间隙宽度s形成较大的公差，而无需布置在外管2内部的超导导线5的结构被压缩。

图5以简图的形式显示了标准配置中的超导复丝导线剖面图。这种导线具有环形的横截面，并且如上文中所述的一样，包括在或多或少的复合Cu基质中的扭转超导细丝。

图6以简图的形式显示了在设置有用于依照图1的本发明的第一实施例的超导中空电缆的成型形状之后的异型超导导线5的剖面图。在设置该形状的过程中，使用不同的辊子外形来滚轧依照图5的导线，从而一方面形成弯曲部分的外部区域7，另一方面形成弯曲部分的内部区域8。另外，通过相对于彼此设置成适当角度的辊子来滚轧侧边9和10。也可以应用能够提供适当形状的拉拔模来进行拉拔，从而代替滚轧机构。在使用这种方法的情形下，图5中所示的圆形导线重新形成具有由拉拔模控制的横截面的异型超导导线5。

图7以简图的形式显示了在设置有用于依照图2的本发明的第二实施例的超导电缆1的成型形状之后的异型超导导线5的剖面图。在替代如图6所示的光滑侧边的情形下，这些成型的异型侧边12和13通过使用拉拔块成形或者拉拔成形。在形成台肩19的过程中，当装配中空电缆时，该台肩可能在异型超导导线5之间形成交错排列。

图8以简图的形式显示了在设置有用于依照图4的本发明的第三实施例的超导中空电缆的成型形状之后的异型超导导线5的剖面图。在侧边12上具有尖角外形20的这种外形也可以通过如图5所示的最初的环形剖面图经过适当的成形而得到。为此，四种不同成形的成形成型辊或者具有适当形状的拉拔孔这两者之一都可以用于产生异型超导导线5的横截面的四个外形边缘。图8的这些异型超导导线5较之于图7的优点在于：相对于具有图7的台肩外形的外形，异型侧边12的向外凸出的尖角外形20可以通过成型辊更易于产生，并且优点还在于这种形状的交错性能有利于超导导线使自身绕着冷却通道进行定向。

图9以简图的形式显示了依照本发明的第四实施例的超导中空导体电缆1的剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。与上述实施例的差别在于：作为坚硬地构造的外管2虽然具有圆柱形的内壁3，但是却具有方形的外轮廓17，结果是一方面提高了外管2的强度另一方面还可以基本上简化对紧凑的线圈的制造。

图10以简图的形式显示了依照本发明的第五实施例的超导中空导体电缆1的两个变体剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。本发明的第五实施例与上述实施例的不同之处在于，具有方形外轮廓17的外管2的角落处具有沿中空电缆1的纵向方向布置的附加冷却通道18。因此，如上文已经描述的冷却操作可以在这个中空电缆1中进一步得到强化。

图11以简图的形式显示了依照本发明的第六实施例的超导中空导体电缆1的剖面图，参考数字5表示异型超导导线，参考数字2表示外管，参考数字18表示外管2中沿着它的纵向方向布置的冷却通道。通过这些沿着外管内壁延伸并且具有通向异型超导导线束的开口的外部冷却通道18，在每个四分之一转的螺旋移位之后，扭转的异型超导导线还通过与外部的冷却剂直接接触而进一步冷却。在这个变体中，所有导线也都置于完全相同的电磁、机械和热状况之下。

图12以简图的形式显示了依照本发明的第七实施例的超导中空导体电缆1的剖面图。本发明的第六实施例与上述实施例的不同之处在于外管2具有梯形的外轮廓17。当多个这种超导中空电缆1组装到环形线圈中时，或者需要通过机械紧凑的方式以及尽可能稳定的方式来生产具有特定几何尺寸的线圈时，这种梯形外轮廓17就非常有利。

图13以简图的形式显示了依照本发明的第八实施例的超导中空电缆的剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。在这种情形下外管由两层形成：具有例如由NiCr形成的张力调整线33构成的第一层，该层以螺旋配置的方式进行缠绕，以及例如通过聚合制造的电绝缘密封外层34。如在上文中已经描述的，本发明的第八实施例与上述实施例的不同之处在于：代替坚硬地构造的外管，异型超导导线的加套通过螺旋配置中的张力调整线来实现，并且随后在该线上施加电绝缘的紧密密封的外层。

图14中图14a和图14b分别以简图的形式显示了标准配置中的CICC型超导中空电缆的照片和图形。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。图14显示了在紧密密封的管32中延伸的扭转超导导线束30。

图15中的图15a和图15b以简图的形式显示了依照现有技术(POLO电缆)的CICC型超导中空电缆的照片和剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。在这种情形下，超导导线30布置在坚硬地构造的内管21上作为内部支撑管，内部冷却通道提供给两相氦流并且超临界氦在超导导线30之间的直接流通可能具有高的流阻。

图16中的图16a和图16b以简图的形式显示了标准配置中的Nuclotron型超导电缆的照片和图形。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。图16显示了由CuNi的紧凑内管21形成的中央冷却通道中穿过其中的两相氦35。在内管21上缠绕了超导导线30，该超导导线30由NiCr张力调整线33夹持在一起。Kapton带24形成了电绝缘件，玻璃纤维带25用于超导中空电缆的隔热。

图17以简图的形式显示了改进的配置中的Nuclotron型超导中空电缆1的剖面图。与上述图中的部件具有相同功能的部件由相同的参考符号来标示并且不单独进行讨论。图16显示了由CuNi构成的紧凑内管21形成的中央冷却通道4。在内管21上缠绕了异型超导导线5，该异型超导导线5由NiCr张力调整线夹持在一起。电绝缘的紧密密封的外层34布置在张力调整线33上。

参考符号列表

1     超导中空电缆

2     外管

3     外管的内壁

4     中央冷却通道

5     异型超导导线

6     超导细丝

7     弯曲部分的外部区域

8     弯曲部分的内部区域

9     光滑的侧边

10    光滑的侧边

11    冷却通道的中心点

12    异型侧边

13    异型侧边

14    超导细丝

15    超导复丝导体的金属芯部或稳定基质的中心

16    异型导线超导复丝导体的稳定基质的套

17    外管的外轮廓

18    沿着外管的纵向方向冷却通道

19    台肩(台阶形轮廓)

20    侧边的尖角外形

21    紧凑的内管

24    Kapton带

25    玻璃纤维带

26    内管的外部套壳

27    内管的内壁

28    包括超导细丝的束

29    包括超导细丝和稳定基质的束中的导线

30    超导导线

31    扭转的超导导线束

32    紧密密封的管

33    以螺旋配置的方式缠绕的张力调整线

34    电绝缘密封外层

35    两相氦

l_ak  弯曲部分的外部区域的长度

l_ik  弯曲部分的内部区域的长度

l     长度之差

s     间隙宽度

v     偏移值

n     每根超导中空电缆中的异型超导导线的数目

r_a   外管的内径

r_i   中央冷却通道的半径

Claims (18)

1.一种超导中空电缆，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：

—制造具有环形的内部横截面和圆柱形内壁(3)的外管(2)；

—制造异型超导导线(5)，它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，该异型超导导线(5)的横截面轮廓具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和具有与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

—使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

—将具有中央冷却通道(4)的环形束(28)拉入外管(2)中。

12.一种制造超导中空电缆(1)的方法，包括如下的方法步骤：

—制造异型超导导线(5)，它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，该异型超导导线(5)的横截面轮廓具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

—使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

—将至少一根张力调整线绕着所述束以螺旋配置的方式进行缠绕；

—使用超导中空电缆的电绝缘和密封外层覆盖缠绕的张力调整线。

13.一种制造超导中空电缆(1)的方法，包括如下的方法步骤：

—制造具有环形的内部横截面和圆柱形内壁(3)的由两半外壳构成的紧凑的外管(2)；

—制造异型超导导线(5)，它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，该异型超导导线(5)的横截面轮廓的弯曲部分具有与外管(2)的环形内部横截面相匹配的弯曲部分的外部区域(7)和与中央冷却通道(4)的多边形或环形横截面相匹配的弯曲部分的内部区域(8)，并且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)；

—使异型超导导线(5)集合在一起绕着中央冷却通道(4)形成纵向延伸的环形束(28)；

—将半壳集合在一起，使所述束位于内部，从而形成超导中空电缆的紧凑的外管。

14.依照权利要求11至13之一的制造用于超导中空电缆的异型超导导线的方法，包括如下的方法步骤：

—成型超导导线(5)的标准的圆形形状。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，

导线的成型通过成型辊来实现。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，

导线的成型通过成型块来实现。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，

导线的成型通过整形锻造来实现。

18.如权利要求11至17之一所述的方法，其特征在于，

对异型超导导线的附加的局部加套由金属涂覆来提供。

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