AT524000A1 - Elektromagnet zum Einsatz in einem Ultrahochvakuum mit einer um einen Spulenhalter gewickelten Spule - Google Patents

Abstract

Es wird ein Elektromagnet zum Einsatz in einem Ultrahochvakuum mit einer um einen Spulenhalter (1) gewickelten Spule, deren Windungen (2) zwischen vom Spulenhalter (1) abstehenden Kühlrippen (4) verlaufen, beschrieben. Um trotz kompakter Bauweise des Elektromagneten ein starkes und homogenes Magnetfeld bei geringer Verlustleistung in einem Ultrahochvakuum zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dass der Spulenhalter (1) einen sich von einem Zulauf (5) zu einem Ablauf (6) erstreckenden Strömungskanal (7) für ein Kühlfluid umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagneten zum Einsatz in einem Ultrahochvakuum mit einer um einen Spulenhalter gewickelten Spule, deren

Windungen zwischen vom Spulenhalter abstehenden Kühlrippen verlaufen.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, ein modulierbares Elektromagnetfeld in einer Ultrahochvakuumumgebung zu erzeugen. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Temperatur eines Leiters und seinem elektrischen Widerstand ist die effektive Kühlung eines Elektromagneten

Voraussetzung zum Erreichen der gewünschten Magnetfeldstärken.

Es existieren zwar Möglichkeiten, einen Elektromagneten effektiv mittels Immersion in einem Fluid zu kühlen, jedoch muss der Elektromagnet dabei außerhalb der Ultrahochvakuumumgebung gelagert werden. Dadurch werden aufgrund der Entfernung zum Wirkbereich nicht nur leistungsfähigere Magneten benötigt, sondern auch das Erzeugen eines homogenen Magnetfelds im gewünschten Wirkbereich

erschwert.

Die EP0877395A1 offenbart einen Elektromagneten, bei der die Spule des Elektromagneten auf einen Spulenhalter gewickelt ist, wobei die Windungen der Spule zwischen vom Spulenhalter abstehenden Kühlrippen verlaufen. Über ein stangenförmiges Wärmeleitelement kann entstehende Wärme mittels Konduktion abgeführt werden. Durch diese kompakte Konstruktionsform kann der

Elektromagnet samt Kühlung in einem Ultrahochvakuum gelagert werden.

Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass der Transport der

Wärmeenergie bedingt durch die kompakte Ausführungsform limitiert ist, da die

ineffizient ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, trotz kompakter Bauweise des Elektromagneten ein starkes und homogenes Magnetfeld bei geringer

Verlustleistung in einem Ultrahochvakuum zu erzeugen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Spulenhalter einen sich von einem Zulauf zu einem Ablauf erstreckenden Strömungskanal für ein Kühlfluid umfasst. Dabei wird die abzuführende Wärme zuerst von der Spule an den Spulenhalter konduktiv abgegeben. Über den Zulauf wird Kühlfluid in den Strömungskanal des Spulenhalters eingespült und die abzuführende Wärme vom Spulenhalter auf das Kühlfluid übertragen. Danach wird die abzuführende Wärme durch das anschließende AbflieRen des Kühlfluids aus dem Ablauf abgeführt. Durch den Strom des wärmetauschenden Kühlfluids kann also zusätzlich zur Konduktion auch über Konvektion Wärme vom Spulenhalter abtransportiert und so die Effizienz der Kühlung maßgeblich erhöht werden. Über die Anordnung und Dimensionierung des Strömungskanals im Spulenhalter kann darüber hinaus die Wärme gleichmäßig abgeführt werden, wodurch die Bildung von Temperaturgradienten minimiert werden kann. Der durch den Strömungskanal und den Zu-bzw. Ablauf erhöhte Platzbedarf kann vernachlässigt werden, da sich der Strömungskanal einerseits platzsparend im

Spulenhalter anordnen lässt und durch die verbesserte Kühlung die Größe der

Wirkbereich vereinfacht wird.

Die Effektivität der Kühlung wird optimiert und die Magnetfeldleistung erhöht, wenn jede Windung der Spule an einer Kühlrippe anliegt. Jede Windung der Spule kann somit Wärme direkt über eine Kühlrippe an den fluidgekühlten Spulenhalter abgeben, wodurch sich die Problematik möglicher Wärmestaus zwischen den einzelnen Windungen nicht mehr negativ auf den Widerstand der Spule auswirkt. Dabei können die Windungen nicht nur in Richtung der Wicklungsachse, sondern auch in mehreren Windungslagen radial zur Wicklungsachse, sogenannten pancake coils, gewickelt werden. Zwar sinkt durch diese Anordnung die Anzahl der möglichen Windungen in Richtung der Windungsachse, da zwischen zwei benachbarten Kühlrippen jeweils zwei Windungen in Richtung der Windungsachse nebeneinanderliegen können, allerdings kann durch die verbesserte Wärmeabfuhr der Widerstand der Spule niedrig gehalten werden, wodurch sich die Magnetfeldleistung durch höhere Ströme erhöhen lässt. Um nach dem Einbringen des Elektromagneten in das Hochvakuum das Ausgasen zu beschleunigen, können die beiden in Richtung der Windungsachse nebeneinanderliegenden Windungen den gleichen radialen Abstand von der Windungsachse aufweisen. Dadurch

verringert sich das von den Windungen eingeschlossene Totvolumen.

Um bei gegebener Länge der Wicklungsachse den Elektromagneten besser zu kühlen und zusätzlich die äußeren Windungen mechanisch zu stützen, wird vorgeschlagen, dass an den in Richtung der Wicklungsachse einander gegenüberliegenden Enden des Spulenhalters je eine Kühlrippe vorgesehen ist, an der ausschließlich an einer Seite Windungen anliegen. Die an den in Richtung der Wicklungsachse einander gegenüberliegenden Enden des Spulenhalters vorgesehenen Kühlrippen kühlen also die erste und die letzte Windung der Spule

und dienen zusätzlich als physische Barriere. Dadurch kann entstehende Wärme

Die Zuverlässigkeit des Elektromagneten, vor allem für den Betrieb im Hochvakuum, kann erhöht werden, wenn der Spulenhalter aus Kupfer besteht. Zusätzlich zu seinen guten Wärmeleiteigenschaften ist Kupfer in hohem Reinheitsgrad leicht verfügbar. Dadurch können Einflüsse des Spulenhalters auf das Magnetfeld leicht abgeschätzt, bzw. simuliert werden. Auch kommt es bei der Verwendung von Kupfer selbst bei Erwärmung des Spulenhalters zu keiner

Ausgasung im Hochvakuum, was stabilere Messbedingungen ermöglicht.

Um trotz guter elektrischer Isolierung eine gute Wärmeleitung zu garantieren, können die Windungen eine Polyimidbeschichtung aufweisen. Auch wenn Polyimidbeschichtungen eine schlechte spezifische Wärmekapazität aufweisen, kann die Beschichtung so dünn gehalten werden, dass trotz der guten elektrischen Isolationseigenschaften ein guter Wärmeübergang von den Windungen zu den Kühlrippen gewährleistet ist. Zusätzlich gasen Polyimide unter Vakuumbedingungen

nicht aus.

Damit die Kühlleistung mit geringem Aufwand besser justiert werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Kühlfluid gasförmiger Stickstoff ist. Dadurch kann über die Durchflussmenge, beziehungsweise den Druck des Stickstoffes im Strömungskanal die Kühlleistung einfach eingestellt werden. Außerdem kann der gasförmige Stickstoff durch Regulierung des Drucks vor dem Elektromagneten gezielt verflüssigt werden, sodass er erst kurz vor dem Eintritt in den Strömungskanal verdampft, wodurch sich seine Kühlleistung nochmals erhöht. Darüber hinaus ist

gasförmiger Stickstoff billig und leicht verfügbar.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus eine Kühlvorrichtung für einen erfindungsgemäßen Elektromagneten mit einem zylinderförmig entlang einer

Wicklungsachse verlaufenden Spulenhalter und von diesem radial abstehenden

Windungen erleichtert wird.

Um die Wärme im Spulenhalter gleichmäßig abzuführen, wird vorgeschlagen, dass der Spulenhalter einen hohlzylinderförmigen Strömungskanal für ein Kühlfluid umfasst, dessen größte Breite in Richtung der Wicklungsachse verläuft und dass der Strömungskanal zwischen einem Zulauf und einem Ablauf, beispielsweise durch eine Trennwand unterbrochen ist. Durch diesen Verlauf und diese Dimensionierung kann der Wärmeweg zwischen den Windungen und dem Kühlfluid kurzgehalten werden, wodurch die Wärme schneller und gleichmäßiger über das Kühlfluid abgeführt werden kann. Die Unterbrechung zwischen einem Zulauf und einem Ablauf führt zu einer bevorzugten Hauptströmungsrichtung und garantiert damit, dass ein effizienter Wärmetausch zwischen Spulenhalter und Kühlfluid stattfinden

kann.

Die Kühlvorrichtung kann einfacher in eine Hochvakuumkammer eingesetzt werden, wenn die äußersten Kühlrippen an einem Anschlüsse für den Zulauf und den Ablauf aufweisenden Träger befestigt sind. Der Träger dient einerseits als Halterung für den Spulenhalter und die Kühlrippen und andererseits kann über die Anschlüsse der Zulauf und der Ablauf mit Kühlfluid gespeist werden. Durch den dadurch fixierten Abstand zwischen Träger und Spulenhalter können Anschlüsse aus ausgasungsfreiem Material, wie beispielsweise Kupfer, verwendet werden, ohne den Einsatz der Kühlvorrichtung in einer Hochvakuumkammer zu erschweren. Zusätzlich können Leitungen zur Energieversorgung über den Träger zum

Elektromagneten geführt werden.

verbessert wird.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Elektromagneten,

Fig. 2 eine teilweise aufgerissene Seitenansicht des Elektromagneten zur besseren Darstellung des Strömungskanals und

Fig. 3 eine Detailansicht der zwischen den Kühlrippen verlaufenden Wicklungen in

größerem Maßstab.

Ein erfindungsgemäßer Elektromagnet umfasst einen Spulenhalter 1, um den die Windungen 2 einer Spule gewickelt sind. Wie hier gezeigt, können die Windungen 2 in mehreren Windungslagen radial zur Wicklungsachse 3, sogenannten pancake coils, gewickelt werden. Jede Windung 2 liegt dabei an einer vom Spulenhalter 1 abstehenden Kühlrippe 4 an, wobei in der Zeichnung exemplarisch nur die Windungen 2 zwischen drei Kühlrippen 4 gezeigt werden. Der Spulenhalter 1 weist dabei einen Zulauf 5 und einen Ablauf 6 für einen vom Spulenhalter 1 umfassten

Strömungskanal 7 für ein Kühlfluid auf.

und das erzeugte Magnetfeld unbeabsichtigt ändern.

Die Windungen 2 können eine Polyimidbeschichtung 8 aufweisen. Durch dieses Material werden die Windungen 2 elektrisch voneinander isoliert. Aufgrund der verbesserten Kühleigenschaften ergibt sich in den Windungen 2 ein geringerer elektrischer Widerstand, wodurch für die gleiche Magnetfeldstärke eine geringere Spannungsdifferenz an die Spule angelegt werden muss, sodass für die Spannungsisolation die Polyimidbeschichtung dünn gehalten werden kann. Trotz der schlechten Wärmeleiteigenschaften von Polyimid kann somit die Wärme gut von den Windungen 2 auf die Kühlrippen 4 abgegeben werden, um Wärmestaus zu

vermeiden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Kühlvorrichtung für einen Elektromagneten mit einem zylinderförmigen Spulenhalter 1 und von diesem radial abstehenden, scheibenförmigen Kühlrippen 4. Die mechanische Stützfunktion und die

Wärmeübertragungseigenschaften aller Kühlrippen 4 können dabei besser genützt

wenigstens 30% übersteigt.

Um die Wärme möglichst gut über Konvektion abzuführen, sollte der Wärmeweg zum Strömungskanal 7 möglichst gering sein. Dies wird dadurch erreicht, dass der Strömungskanal 7 unmittelbar an den Mantel des Spulenhalters 1, an den die Kühlrippen 4 angesetzt sind, anschließt. Vorzugsweise verläuft die größte Breite des Strömungskanals 7 in Richtung der Wicklungsachse 3, wobei der Strömungskanal 7 zwischen einem Zulauf 5 und einem Ablauf 6 unterbrochen ist. Durch diese Dimensionierung kann das Totvolumen im Strömungskanal 7 klein gehalten und der Wärmetausch zwischen Kühlfluid und der Oberfläche des

Strömungskanals 7 maximiert werden.

Die Kühlvorrichtung kann über die äußersten Kühlrippen auf einem Anschlüsse 9 ‚10 aufweisenden Träger 11 montiert sein. Dieser Träger 11 versorgt über die Anschlüsse 9, 10 den Zulauf 5 und den Ablauf 6 des Spulenhalters 1 und vereinfacht zusätzlich das Einsetzen der Kühlvorrichtung in eine Hochvakuumkammer, indem er die Kühlvorrichtung mechanisch stabilisiert. Auch können die elektrischen Leitungen für einen Elektromagneten und die Leitungen für das Kühlfluid, sowie weitere eventuelle Versorgungsleitungen an bzw. in dem Träger 11 angebracht sein. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz ausgasungsfreier, jedoch starrer Anschlüsse 9, 10 für den Zulauf 5 und den Ablauf 6.

Eine Gruppe von Kühlrippen 4 kann von einer parallel zur Wicklungsachse 3 verlaufenden, Durchtrittsöffnung 12 für die Windungen 2 durchbrochen sein. Dadurch kann der Draht aus dem die Windungen 2 gewickelt werden einfach von einem durch zwei Kühlrippen 4 gebildeten Zwischenraum zum nächsten durch zwei Kühlrippen 4 gebildeten Zwischenraum geführt werden. So kann der Draht in unmittelbarer Nähe des Spulenhalters 1 gewickelt werden und es wird vermieden, dass der Draht über eine Kühlrippe 4 geführt werden muss. In einer besonders

bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Durchtrittsöffnung 12 im Bereich

erwärmten Kühlfluid verbessert wird.

Claims (10)

(43077) IV Patentansprüche

1. Elektromagnet zum Einsatz in einem Ultrahochvakuum mit einer um einen Spulenhalter (1) gewickelten Spule, deren Windungen (2) zwischen vom Spulenhalter (1) abstehenden Kühlrippen (4) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenhalter (1) einen sich von einem Zulauf (5) zu einem Ablauf (6)

erstreckenden Strömungskanal (7) für ein Kühlfluid umfasst.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede

Windung (2) der Spule an einer Kühlrippe (4) anliegt.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den in Richtung der Wicklungsachse (3) einander gegenüberliegenden Enden des Spulenhalters (1) je eine Kühlrippe (4) vorgesehen ist, an der ausschließlich an

einer Seite Windungen (2) anliegen.

4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

dass der Spulenhalter (1) aus Kupfer besteht.

5. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Windungen (2) eine Polyimidbeschichtung (8) aufweisen.

6. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass das Kühlfluid gasförmiger Stickstoff ist.

7. Kühlvorrichtung für einen Elektromagneten mit einem zylinderförmig entlang

einer Wicklungsachse (3) verlaufenden Spulenhalter (1) und von diesem radial

Radius der Kühlrippen (4) den des Spulenhalters (1) um wenigstens 30% übersteigt.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenhalter (1) einen hohlzylinderförmigen Strömungskanal (7) für ein Kühlfluid umfasst, dessen größte Breite in Richtung der Wicklungsachse (3) verläuft und dass der Strömungskanal (7) zwischen einem Zulauf (5) und einem Ablauf (6)

unterbrochen ist.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußersten Kühlrippen an einem Anschlüsse (9,10) für den Zulauf (5) und den Ablauf

(6) aufweisenden Träger (11) befestigt sind.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Kühlrippen (4) von einer parallel zur Wicklungsachse (3)

verlaufenden Durchtrittsöffnung für die Windungen (2) durchbrochen ist.