CN101521079A - 用于低温保持器的电流贯穿引线 - Google Patents
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Abstract
一种电流贯穿引线，其用于提供容器内部和该容器外部之间的导电通路。该导电通路与该容器的材料电绝缘。该电流贯穿引线包括导电销，该导电销由密封材料包围，并通过该密封材料保持在管状承载主体中，该导电销在该管状承载主体的各端部暴露以在此提供电连接。用于低温保持器的电流贯穿引线。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温保持器，其包括用于保持例如超导磁体线圈的被冷却设备的制冷剂容器。更具体地，本发明涉及一种制冷剂容器中的被冷却设备和外部电源之间的电连接。
背景技术
图1示出了包括制冷剂容器12的低温保持器的传统布置方式。被冷却的超导磁体10位于制冷剂容器12内，而制冷剂容器12本身保持在外部真空腔(outervacuum chamber(OVC))14内。在制冷剂容器12和外部真空腔14之间的真空空间中提供有一个或多个热辐射屏蔽16。在一些已知的布置中，制冷机17安装在制冷机座15中，制冷机座15位于为了该目的朝向低温保持器侧设置的角塔(turret)18中。可替代地，制冷机17可以位于入口角塔19中，入口角塔19保持安装在低温保持器顶部的入口颈部(通气管)20。制冷机17提供主动的制冷以在制冷剂容器12中冷却制冷剂气体，在一些布置中是通过再冷凝成液体冷却的。制冷机17还可用于冷却辐射屏蔽16。如图1中说明的，制冷机17可以是两级制冷机。第一冷却级热连接至辐射屏蔽16，并提供到第一温度的冷却，典型的是80-100K的范围内。第二冷却级提供制冷剂气体的冷却，到更低的温度，典型的是4-10K的范围内。
到磁体的阴极电连接通常通过低温保持器主体和阴极电缆21a提供到磁体10。阳极电连接通常通过穿过通风管20的阳极电缆21提供。为了将外部电源连接至阳极电缆21，电连接线22必须穿过角塔外部组件32的壁提供，并且与制冷剂容器本身的材料电绝缘。这样的电连接线22通常被称作贯穿引线，这是本发明的主题。角塔外部组件32的内部暴露于制冷剂容器12的气体中，典型的是超过大气压力的氦。
阳极电缆21必须电连接到外部电源，所以角塔外部组件必须密封防止制冷剂的泄漏和空气的渗入。因此，贯穿引线22需要提供外部电源和制冷剂容器中的阳极电缆21之间的电连接。这样的贯穿引线必须提供外部电源和阳极电缆21之间低阻电连续性。必须提供气密的密封来防止制冷剂容器中的制冷剂气体通过密封逸出，并且防止空气通过密封渗入。氦是一种常用的制冷剂，如果要用在氦冷却系统中贯穿引线就必须是氦密封的。贯穿引线还必须提供阳极电缆和外部电源之间的电通路和制冷剂容器的材料之间的电绝缘。如上面提及的，通常采用低温保持器的主体，包括角塔外部组件32，来作为磁体的阴极导体。施加到或从磁体10得到的电压因此将表现为横跨绝缘体的电压，该绝缘体作为贯穿引线的一部分设置。在正常运行时，例如进入磁体的感应电流，或者从磁体中引出的输出电流，横跨磁体从而横跨贯穿引线的绝缘体的电压将不大于20V。在这样的电压下提供有效的电绝缘是相对容易的。然而，在磁体突失的情况下，超导磁体突然变为阻抗性的，在磁体线圈的两端将会产生很大的电压。在这种情况下，高达约5kV的电压可能会横跨贯穿引线的绝缘体出现。任何这样的贯穿引线中因此都有必要提供足以耐受若干千伏的所施加的电压的电绝缘。更进一步的，在对制冷剂容器充入液态制冷剂的过程中，或者在突失过程中液态的或沸腾的制冷剂被排出低温保持器的情况下，暴露于制冷剂容器内部的贯穿引线的部分可能被冷却至大约氦的沸点温度的4.2K。同时，暴露于周围环境中的贯穿引线的部分可能达到300K或更高。任何贯穿引线因此必须能够承受大于300K的温度差而不被损坏。
图2A和2B以示意性的横截面图和示意性的透视图示出了一种已知的目前用于承载电流进入制冷剂容器中的贯穿引线。贯穿引线导体30通过陶瓷密封垫34与角塔外部组件32电绝缘。外部不锈钢配件36密封贯穿引线导体30和陶瓷密封垫34，将陶瓷密封垫定位在与导体30同心的间隔开的位置。内部不锈钢配件38密封陶瓷密封垫34，并径向远离导体30延伸以提供径向与导体30间隔开的凸缘40。在使用中，贯穿引线通过凸缘40焊接到角塔外部壳体32上。通过使得凸缘40与导体30间隔开，在焊接过程中导体短路至凸缘的风险降低。凸缘40上的焊接位置和陶瓷密封垫34之间的热距离需足够以避免对陶瓷密封垫的热损坏。电流贯穿引线21，在附图中以柔性金属叠层示出，可以通过任何合适的配件连接到导体30的内部末端，该合适的配件例如是如示出的简单的通孔41和导体30的螺纹末端56上的螺母58。
一般的，这种设置已经被发现能提供满意的电性能和满意的密封。另一方面，这种陶瓷密封垫34已经被知晓由于机械或热压力会破碎。陶瓷密封垫的破碎可导致制冷剂容器被陶瓷颗粒污染，制冷剂气体泄漏至空气中，或者空气进入制冷剂容器。在最近的发展中，如图2A，2B示出的贯穿引线设置有外部支撑结构，该外部支撑结构减轻了陶瓷密封垫破碎的一些影响，但是并没有解决现有贯穿引线本质上的机械缺点。
在如图2A和2B中示出的贯穿引线中如目前使用的陶瓷密封垫的成本大约为200英镑(大约400美元)。
如果如图2A，2B示出的陶瓷密封垫34将要被破坏，就有必要切断凸缘40和壁32之间的焊接，以清洁制冷剂容器的任何污染并更换贯穿引线，包括焊接新贯穿引线的凸缘40和壁32。这样的操作已知要花费2500英镑左右(5000美元)。如果用户处的陶瓷密封垫的损毁导致被冷却设备和低温保持器的招回，那么预期花费就可能更高。
本发明的一个目的是提供一种贯穿引线，其适于提供制冷剂容器中的电流贯穿引线和外部电源之间的电连接，该电连接是气密的，不易由于机械或热压力破碎，该电连接提供比目前可用的采用陶瓷密封垫的贯穿引线的相当可观的成本节省，并且优选地其易于安装和替换。
相应地，本发明提供一种如所附权利要求中限定的装置。
附图说明
以上以及更多的本发明的目的，特性以及优点将会在以下结合附图对特定实施例的描述中变得更加明显，在附图中：
图1示出了一种包括被冷却设备的传统低温保持器，其具有从外部为被冷却设备提供电连续性的贯穿引线；
图2A和2B示出了传统贯穿引线的示意性横截面图和示意性透视截面图；
图3A和3B每个示出了根据本发明的实施例的贯穿引线的示意性横截面图；
图4示出了适用于本发明的实施例的夹具的视图；
图5示出了根据本发明的实施例的贯穿引线的示意性透视截面图。
图6示出了从外部看，本发明的贯穿引线的透视图；
图7示出了从低温保持器的内部看，本发明的贯穿引线的透视图；
图8示出了本发明的贯穿引线的单独的透视图。
具体实施方式
图3A和5说明了根据本发明的贯穿引线的示意性横截面图和示意性透视截面图。导电销30被包围在电绝缘密封材料42中，并通过密封材料42保持在机械上坚固的管状承载主体44上。径向延伸的法兰46设置在承载主体44的外部末端处或者附近。不锈钢端口48优选设置于壁32内且具有配合法兰50。法兰48和50可被焊接在一起52以将贯穿引线保持定位并提供气密的密封。径向延伸的法兰46确保了焊接52离密封材料42足够远，从而焊接的热量不会造成任何破坏。在优选实施例中，导电销30是铜，承载主体44是不锈钢，密封材料42是环氧树脂或环氧油灰。环氧树脂或环氧油灰中可具有诸如玻璃纤维的纤维加强材料。优选的材料是
AV1850环氧油灰。电流引线21，在图中以柔性金属叠层示出，可通过任何合适的配件连接到导体30的内部末端，该合适的配件例如是如示出的简单的通孔和螺母58。
在替代实施例中，如图3B示出的，贯穿引线可通过机械夹具54被固持定位，该夹具54作用在承载主体44的径向延伸的法兰46和部分48的法兰50上。优选的，如示出的，法兰46，50中的至少一个是径向锥形的，且夹具54具有互补的作用面56，以使得夹具54的夹紧造成法兰46，50被紧在一起。优选的，如示出的，密封垫60置于法兰46，50之间以确保有效的气密密封。如图4示出的，夹具54可以由两个螺栓64固定在一起的半圆轮廓62构成。替代的夹具当然也可以应用。
这样的贯穿引线比已知的贯穿引线提供了改进的机械强度和持久性，其预期花费大约为35英镑(大约70美元)，大大低于现有技术中的同类贯穿引线。
图3A，3B和5的贯穿引线可以通过下面的方法构造。导电销30可以通过切削合适尺寸的铜棒制成。承载主体44可以通过旋压或模压合适尺寸的不锈钢管制成。导电销30通过夹具保持定位，环氧油灰42同时被引入导电销30和承载主体44之间的柱状空隙中。承载主体44和环氧树脂优选随后被压缩以确保环氧油灰有效的填充和粘合。
图6，7示出了根据本发明的贯穿引线的透视图，如从从角塔外部组件的外部(图6)和内部(图7)所见，其穿过壁32安装。导电销30在外部54和内部56暴露，以允许连接传统的电连接器。例如，内径稍小于导电销30的外部暴露部分54的外径的弹性分裂管状连接器可以被推到外部暴露部分54上。内部暴露部分56可以是带螺纹的，以通过使用以简单的螺母58连接导体21，例如铜叠层。这样的连接提供了可靠，简单的连接，其可被反复地移去和再连接。密封材料42是清晰可见的，其围绕导电销同轴地延伸，将销保持定位在机械上坚固的管状承载主体44内。凸起，凹槽47(图5)或其它结构可以被应用在坚固的管状承载主体44的内表面，以确保密封材料42在使用中不移动。如图6，7中能看到的，机械上坚固的管状承载主体44的法兰46被通过焊缝52密封并连接到壁32上。根据机械上坚固的管状承载主体34的材料和壁19，粘合连接可以可替代地使用，或者可以如图3B和4示出地使用夹具。
图8示出了本发明的贯穿引线单独的透视图。
本发明不局限于所描述的实施例的特征，特别是实现电连接的导电针脚30的特征，并且任何许多已知的等同的设置都可以使用，例如插头，插座，弹簧夹，焊接片，螺丝端等等。
类似的，尽管承载主体44已被描述为是不锈钢的，但其它的材料，例如铜，铝或合适的金属合金都可以采用。可替代的，可以采用合成材料，例如玻璃纤维或碳纤维的纤维材料强化的树脂(但是不能焊接)。尽管密封材料42被描述为环氧油灰，其它材料也可以采用，只要其是电绝缘体并能够耐受4K的温度和贯穿引线长度上高于300K的温差。聚合物，例如聚四氟乙烯或尼龙也是合适的，并可以注射成型入导体30和承载主体44之间的空间以形成密封材料40。
用于本发明目的的有用的贯穿引线必须提供有效的高压绝缘，这可以在电压击穿试验中被测试。必须提供气密的绝缘，这可以通过测量一定压差下的气体泄漏率而测试。贯穿引线必须提供能够承载需要的电流水平并且提供至少5kV的电绝缘的低阻电连接。因此，在描述的实施例中，导电销由铜制成，其直径约为12mm，长度约为80mm，可采取合适的电导率。
我们已经发现，确保防止水进入密封材料内是很重要的，因为水会造成在相对较小的电压下的电击穿，并会使得密封垫的机械坚固性打折扣。
对如图2所示的用环氧油灰作为密封材料32的本发明的实施例进行性能测试的结果如下：
室温下的电气击穿 >5000V
在焊接过程中达到的平均温度：
铜针脚30： 306.9K
不锈钢承载主体44： 308.0K
室温下的电气击穿测试(焊接完成后重复) >5000V
大约200kPa压差下的初始真空泄漏率 1.88×10-9毫巴.公升/秒
冲击冷却测试周期的性能(温度
从大约300K突降到大约4K，然后测试大约
200kPa压差下的真空泄漏率) 2.3×10-9毫巴.公升/秒
室温下的电气击穿测试(冷却测试周期后重复) >5000V
真空下24小时后的真空泄漏率，随后重新
测试大约200kPa压差下的真空泄漏率 4.25×10-9毫巴.公升/秒
目前产品的最小标准泄漏率为1.0×10-3毫巴.公升/秒。如通过上述测试结果说明的，本发明的电流贯穿引线提供了比该最小性能值相当好的泄漏特性。
在这些初始测试之后，进行了一些持久测试。长期的测试包括使本发明的贯穿引线经受1000V下的导体30和承载主体44间的电导率测试，同时在大约200kPa压差下进行真空完整性测试以确定环氧油灰密封材料42的密封效率。结果显示，电性能没有变坏，但密封效率有些下降，经过一定时间后真空泄漏率增加。
密封有效性仍然远优于上面定义的最小标准泄漏率。
| 过去的时间(日) | 真空泄漏率(毫巴.公升/秒) | 1000V下的电导率 |
| 0 | 1.20×10-9 | 0 |
| 40 | 1.58×10-9 | 0 |
| 92 | 2.85×10-9 | 0 |
这些结果表明，由密封材料提供的绝缘的电击穿水平开始是很满意的，并且通过焊接操作或者冷却温度周期并没有变坏。真空泄漏率在一定程度上在焊接之后，以及在冷却温度周期之后再次变坏。还发现真空泄漏率还随着时间变坏。然而真空泄漏率还是令人满意的。以上的测试结果通过测试原型装置获得，相信通过本发明贯穿引线的产品形式将会达到更好的电绝缘并减小真空泄漏率。
Claims (10)
1、一种电流贯穿引线，其用于提供容器(12)内部和该容器外部之间的导电通路(30)，所述导电通路(30)与该容器的材料(32)电绝缘(42)，所述电流贯穿引线包括导电销(30)，所述导电销由电绝缘密封材料(42)包围，并通过该密封材料保持在管状承载主体(44)中，所述导电销在所述管状承载主体的各端部(54，56)暴露以提供电连接。
2、根据权利要求1所述的电流贯穿引线，其中所述导线销(30)由铜制成，所述承载主体(44)由不锈钢制成，并且所述密封材料(42)由环氧树脂或环氧油灰制成。
3、根据权利要求2所述的电流贯穿引线，其中在所述环氧树脂或环氧油灰内设置有纤维增强材料。
4、设置有根据在前任一权利要求所述的电流贯穿引线的容器，该容器提供容器内部和容器外部之间的导电通路，所述管状承载主体(44)横过所述容器的壁(32)，并且被密封和连接到所述容器的所述壁上。
5、根据权利要求4所述的容器，其中所述容器设置有端口(48)，所述端口具有密封并连接到所述容器的所述壁上的第一末端，还具有密封并连接到所述电流贯穿引线的所述管状承载主体(42)上的第二末端。
6、根据权利要求5所述的容器，其中所述端口(48)的所述第二末端通过焊接被密封并连接到所述电流贯穿引线的所述管状承载主体上。
7、根据权利要求5所述的容器，其中所述端口(48)的该所述第二末端通过夹具(54)被密封并连接到所述电流贯穿引线的所述管状承载主体上。
8、根据权利要求5-7中任意一项所述的容器，其中所述管状承载主体(42)设置有径向延伸的法兰(46)，并且所述端口(48)的所述第二末端设置有配合法兰(50)，并且其中所述径向延伸的法兰(46)被密封并连接到所述配合法兰(50)。
9、根据当从属于权利要求7时权利要求8的容器，其中所述径向延伸法兰(46)和所述配合法兰(50)中的一个是径向锥形的，所述夹具包括与所述锥形面互补的作用面(56)以及与所述径向延伸法兰(46)和所述配合法兰(50)中的另一个的相应面互补的作用面。
10、根据权利要求6-9所述的容器，其中密封垫(60)设置在所述径向延伸法兰(46)和所述配合法兰(50)之间。
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