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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der Supraleitungstechnik mit einem Kryosystem, an dessen von einer Kälteanlage zu kühlendes kryogenes Medium thermisch
- – die Supraleiter wenigstens eines supraleitenden Gerätes und
- – die mit diesen Supraleitern elektrisch verbundene supraleitende Schaltstrecke eines supraleitenden Schalters
gekoppelt sind, wobei der supraleitenden Schaltstrecke Heizmittel zu einem gesteuerten Überführen des supraleitenden Materials der Schaltstrecke in den normalleitenden Zustand zugeordnet sind.
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Eine entsprechende Supraleitungseinrichtung mit einem solchen Kryosystem ist der
EP 0 074 030 A2 zu entnehmen.
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Bei supraleitenden Schaltern lässt sich der physikalische Effekt des steuerbaren Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zum Realisieren einer Schaltfunktion insbesondere in den Fällen nutzen, in denen keine galvanische Trennung unmittelbar mit dem eigentlichen Schaltvorgang gefordert wird. Entsprechende Schalter werden insbesondere auf dem Gebiet der Kernspintomographie (sogenanntes „Magnet Resonance Imaging [MRI]”) zur medizinischen Diagnostik als sogenannte Dauerstrom- oder Kurzschlussschalter für supraleitende Magnete eingesetzt. Um die supraleitenden Magnetwicklungen solcher Geräte/Magnete mit Strom beaufschlagen zu können, muss die sie überbrückende supraleitende Schaltstrecke des Kurzschlussschalters geöffnet werden. Dabei kann der supraleitende Zustand durch Erhöhen der Temperatur über die kritische Sprungtemperatur, der elektrischen Stromdichte und/oder des magnetischen Feldes an der Schaltstrecke aufgehoben werden. Entsprechende thermisch zu steuernde Schaltstrecken von supraleitenden Schaltern sind seit langem bekannt (vgl. die eingangs genannte EP-A2-Schrift oder
US 3 255 335 A oder
US 4 602 231 A ).
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Aus der
EP 0 645 830 A1 sowie der
US 5 680 085 A sind jeweils Kryosysteme mit supraleitenden Magneten bekannt, die einen supraleitenden Permanentstromschalter aufweisen. Mittels eines zugeordneten Heizelements kann dieser vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführt werden. Durch eine geeignet gestaltete Zuleitung des Kältemittels zum Schalter sowie durch eine Einkapselung des Schalters in ein jeweiliges Gehäuse wird dabei die Wärmeübertragung vom Schalter an das Kältebad reduziert, so dass die Abdampfverluste im normalleitenden Betrieb des Schalters verringert werden.
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Üblicherweise befindet sich der supraleitende Schalter innerhalb eines Kryosystems mit einem kryogenen Medium, welches auch zur Kühlung der Supraleiter eines supraleitenden Gerätes wie z. B. einer Magnetwicklung herangezogen wird (vgl. die eingangs genannte EP-A2-Schrift). Dies bedingt, dass im warmen, normalleitenden Zustand des Schalters dieser eine beträchtliche Wärmemenge in das kryogene Medium des Kryosystems einbringt. Diese Wärmemenge kann in einem Flüssighelium(LHe)-Bad eines MRI-Magneten bis zu einigen Watt betragen. Eine derartige Wärmeeinleitung ist vielfach nicht akzeptabel. Dies trifft insbesondere für rekondensierende, geschlossene Kryosysteme zu, bei denen die Kälteleistung von einem Kaltkopf einer Kälteanlage z. B. in Form eines sogenannten Kryokühlers erbracht wird. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Supraleitungseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass eine sichere Schaltfunktion der thermisch aktivierten Schaltstrecke des supraleitenden Schalters zu gewährleisten ist.
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Diese Aufgabe wird für eine Supraleitungseinrichtung der eingangs genannten Art mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Demgemäß soll an einen Kältemittelraum des kryogenen Mediums zur Kühlung der Supraleiter des mindestens einen Gerätes eine für das kryogene Medium zugängliche Rohrleitung angeschlossen sein, welche ein abgeschlossenes Ende aufweist, an welches die Schaltstrecke des supraleitenden Schalters thermisch angekoppelt ist und die eine Querschnittsverengung derart aufweist, dass die bei Aktivierung der Heizmittel hervorgerufenen dissipierten Verluste größer sind als die von der Kälteanlage mittels des in dem Kältemittelraum befindlichen kryogenen Mediums durch die Querschnittsverengung übertragbare Kälteleistung.
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Bei dem Kryosystem der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung erfolgt somit die thermische Ankopplung des supraleitenden Schalters über den in der Rohrleitung befindlichen Teil des kryogenen Mediums an den die Supraleiter des supraleitenden Gerätes kühlenden Teil des kryogenen Mediums. Dabei ist es einerseits möglich, bei geringer dissipierter Leistung im Schalter eine Kühlung mit sehr guter Ankopplung zu realisieren, die vergleichbar mit einer Badkühlung ist; andererseits lässt sich durch die Wahl des Querschnitts der Rohrleitung im Bereich ihrer Verengung die an den Schalter übertragbare Kälteleistung effektiv begrenzen, indem der Wärmestrom von der aktivierten, nunmehr resistiven Schaltstrecke in den an die Rohrleitung angeschlossenen Kältemittelraum reduziert ist. Auf diese Weise ist es zu realisieren, den Schalter im normalleitenden Zustand zu halten mit verhältnismäßig geringen dissipierten Verlusten U2/R (mit U = die über der resistiv gewordenen Schaltstrecke abfallende Spannung bzw. mit R = deren Widerstand), die deutlich unter dem Watt-Bereich bekannter thermisch geschalteter Schalter liegen kann. Eine eventuell am Schalter vorhandene überschüssige Verlustleistung führt dann zu einer kontinuierlichen Erwärmung der Schaltstrecke im aktivierten/resistiven Zustand. Vorteilhaft lässt sich so ein sicherer Schaltzustand gewährleisten und dabei die erforderliche Kälteleistung des Kryosystems bzw. seiner Kälteanlage begrenzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Supraleitungseinrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.
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Eine gewünschte Begrenzung eines Wärmestroms in das kryogene Medium in dem Kältemittelraum lässt sich im Allgemeinen mit einer Querschnittsfläche der Querschnittsverengung zwischen 0,5 mm2 und 100 mm2, vorzugsweise zwischen 7 mm2 und 30 mm2, realisieren. Damit ist einerseits eine hinreichend gute Kühlung der Schaltstrecke zu gewährleisten, ohne dass andererseits zu viel Wärme in das Kältemittelleitungssystem gelangt.
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Bevorzugt sollte sich die Querschnittsverengung in einem dem supraleitenden Schalter zugewandten Teil der Rohrleitung befinden, um einen Wärmeeintrag in größere Teile des kryogenen Mediums zu unterbinden.
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Der Kältemittelraum kann vorteilhaft Teil eines Kältemittelleitungssystems mit Kältemittelwegen an dem oder durch das mindestens eine supraleitende Gerät sein. Die erforderliche Menge an kryogenem Medium ist so zu begrenzen.
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Dabei kann vorteilhaft eine Zirkulation des kryogenen Mediums in dem Kältemittelleitungssystem gemäß dem sogenannten Thermosyphon-Effekt vorgesehen sein (vgl. z. B.
WO 03/098 645 A1 ).
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In das in dem Kältemittelleitungssystem zirkulierende kryogene Medium lässt sich die Kälteleistung bevorzugt mittels wenigstens eines Kaltkopfes wenigstens einer Kälteanlage einbringen. Da der Wärmeeintrag in das kryogene Medium durch die erfindungsgemäße Verwendung der Rohrleitung mit Verengung begrenzt ist, können bekannte Kälteanlagen mit begrenzter Kälteleistung zum Einsatz kommen.
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Das mindestens eine supraleitende Gerät und der supraleitende Schalter können in einem gemeinsamen Vakuumraum angeordnet sein. Durch den Vakuumraum können dann vorteilhaft supraleitende Verbindungsleiter zwischen der Schaltstrecke und den Supraleitern der Geräte ohne besondere aufwendige Kühlmaßnahmen verlaufen.
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Auch in der Rohrleitung kann vorteilhaft eine Zirkulation des kryogenen Mediums gemäß dem Thermosyphon-Effekt eingestellt sein.
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Im Allgemeinen handelt es sich bei dem kryogenen Medium um Helium. Diese Medium wird insbesondere dann erforderlich, wenn die supraleitenden Teile der Supraleitungseinrichtung als supraleitendes Material sogenanntes Low-Tc-Supraleitermaterial (LTC-Supraleitermaterial) aufweisen. Bei Verwendung von oxidischem High-Tc-Supraleitermaterial (HTC-Supraleitermaterial) sind selbstverständlich auch andere kryogene Medien verwendbar.
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Der supraleitende Schalter kann in an sich bekannter Weise als Dauerstromschalter oder Kurzschlussschalter ausgebildet sein. Entsprechende Schalter sind insbesondere für einen Dauerbetrieb von supraleitenden Magnetwicklungen geeignet, die keine permanente Stromzufuhr von außen benötigen.
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Entsprechende Magnetwicklungen können bevorzugt die eines MRI-Magneten sein.
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Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Supraleitungseinrichtung mit dem besonders ausgestalteten Kryosystem gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kryosystems noch weiter beschrieben wird. Dabei zeigen
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deren 1 in stark schematisierter Ansicht einen Längsschnitt durch eine Supraleitungseinrichtung mit erfindungsgemäß ausgeführtem Kryosystem sowie
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deren 2 als Detailansicht den supraleitenden Schalter der Einrichtung nach 1.
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In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das erfindungsgemäß ausgeführte Kryosystem kann an sich für beliebige Einrichtungen der Supraleitungstechnik vorgesehen sein, die mindestens einen supraleitenden Schalter für ihr wenigstens ein supraleitendes Gerät erfordern. Bei den supraleitenden Geräten oder Vorrichtungen kann es sich beispielsweise um eine Magneten, eine Maschine oder einen Transformator handeln; auch kann es ein supraleitendes Kabel sein. Bevorzugt ist das supraleitende Gerät ein MRI-Magnet oder ein entsprechendes Magnetsystem, das mittels wenigstens eines supraleitenden Dauerstromschalters für den Betriebszustand kurzzuschließen ist. Von einem derartigen Ausführungsbeispiel sei nachfolgend ausgegangen.
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Die in
1 allgemein mit
2 bezeichnete Supraleitungseinrichtung weist ein Kryosystem
3 mit einem Kryostaten
4 auf. In dessen Innenraum ist zur thermischen Isolierung ein Strahlungsschild
5 vorhanden und ein Vakuumraum
6 ausgebildet. In diesem Vakuumraum sind als supraleitende Geräte vier supraleitende Magnete
7a bis
7d eines MRI-Magnetsystems untergebracht. Zur Kühlung der Supraleiter dieser Magnete mit einem kryogenen Medium M wie beispielsweise Helium ist ein Kältemittelleitungssystem
8 vorgesehen, dessen Kältemittelwege an den oder durch die Magnete verlaufen. Das Leitungssystem
8 umfasst einen Kältemittelraum
9, in dem sich das kryogene Medium nach Durchlaufen der Magneten
7a bis
7d an deren Unterseite sammelt. Bevorzugt kann das kryogene Medium M in dem Kältemittelleitungssystem
8 gemäß dem Thermosyphon-Effekt strömen; d. h., es wird auf eine bekannte Badkühlung verzichtet. Hierzu ist kryogene Medium M in dem Kältemittelleitungssystem
8 auf dessen oberer Seite thermisch an den Kaltkopf
11 einer Kälteanlage
10 angekoppelt, wo eine (Re-)Kondensation von gasförmigem Helium GHe zu flüssigem Helium LHe erfolgt. Gegebenenfalls kann das Leitungssystem
8 auch als ein Ein-Rohr-System in an sich bekannter Weise ausgebildet sein (vgl. die genannte
WO 03/098 645 A1 ). In einem solchen Leitungssys- tem erfolgt sowohl die Strömung des kälteren Mediums in Richtung auf den Kältemittelraum
9 und damit zu der zu kühlenden Schaltstrecke
16 als auch die Rückströmung des erwärmten Mediums zu dem Kaltkopf
11 in derselben Leitung.
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Die Enden der elektrisch hintereinander geschalteten Magnete 7a bis 7d sind über elektrische Anschlussleiter 13a und 13b mit einer außerhalb des Kryostaten befindlichen Stromquelle zu verbinden. Zwischen diese Anschlussleiter der Stromquelle ist innerhalb des Vakuumraums 6 ein an sich bekannter thermischer Dauerstrom- bzw. Kurzschlussschalter 15 geschaltet, mit dem die Hintereinanderschaltung der supraleitenden Magnete 7a bis 7d kurzzuschließen ist. Hierzu weist der Schalter 15 eine supraleitende Schaltstrecke 16 auf, die im Bedarfsfall mittels eines von außen ansteuerbaren elektrischen Heizelementes 17 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführt werden kann. Beispielsweise hat dann die Schaltstrecke einen Widerstand R von 20 bis 30 Ω bei einem Spannungsabfall U von etwa 10 V.
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Zur Kühlung dieser Schaltstrecke 16 ist der Schalter 15 nicht direkt in das Kältemittelleitungssystem 8 mit dem kryogenen Medium M integriert. Vielmehr ist eine besondere Rohrleitung 20 an den unteren Kältemittelraum 9 des Leitungssystems 8 angeschlossen, über die das kryogene Medium M bis zu dem Schalter 15 gelangen kann. Zur thermischen Ankopplung des Schalters 15 an das untere, abgeschlossene Ende dieser Rohrleitung 20 dient ein Wärme-Bus in Form z. B. einer Platte 21 aus einem thermisch gut leitenden Material wie z. B. Cu. Diese Platte ist elektrisch isolierend, jedoch hinreichend gut wärmeleitend mit dem Inneren des Schalters 15 und damit mit der Schaltstrecke 16 verbunden. Beispielsweise kann hierfür eine Verklebung 22 mit einem geeigneten Epoxidharz-Kleber wie z. B. mit der Warenbezeichnung „Stycast” (Firma Emerson and Cuming, US) vorgesehen kann, der außerdem hinreichend tieftemperaturtauglich sein muss.
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Wie ferner insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist die Rohrleitung 20 zwischen ihrem der Cu-Platte 21 zugewandten Ende und dem Kältemittelraum 9 eine vorbestimmte Querschnittsverengung 23 auf. Vorzugsweise wird diese Querschnittsverengung in der unteren, der Cu-Platte 21 zugewandten Hälfte der Rohrleitung 20 vorgesehen. Die Querschnittsfläche F dieser Verengung 23 soll dabei so gewählt werden, dass der bei Aktivierung des Heizelementes 17 hervorgerufene, durch eine gepfeilte Linie dargestellte Wärmestrom W in das in dem Kältemittelraum 9 befindliche kryogene Medium M mindestens zu begrenzen ist. Das bedeutet, dass bei einer Aktivierung des Heizelementes die hervorgerufene dissipierte Verlustleistung U2/R größer sein soll als die Kälteleistung, welche über das in dem Kältemittelraum befindliche kryogene Medium durch die Engstelle hindurch zur Verfügung gestellt wird.
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Für bekannte MRI-Magnetsysteme und thermische Kurzschlussschalter weist die Querschnittsverengung 23 einen Durchmesser in der Größenordnung etwa zwischen 0,8 und 11,2 mm auf, so dass dann die Querschnittsfläche F etwa zwischen 0,5 mm2 und 100 mm2 zu liegen kommt. Vorzugsweise wird die Fläche F zwischen etwa 7 mm2 und 30 mm2 bzw. der Durchmesser zwischen etwa 2 mm und 10 mm liegend gewählt. Auf diese Weise ist es möglich, den Schalter 15 mit einer dissipierten Leistung von größenordnungsmäßig nur 0,1 W bis zu einigen 0,1 W im normalleitenden Zustand bei Aktivierung seines Heizelementes 17 und/oder durch die entlang der Schaltstrecke auftretende Wärmeleistung (U2/Rnormalleitend) zu halten. Mittels dieser Querschnittsverengung ist die erforderliche Kälteleistung seitens des Kältemittelleitungssystems 8 und damit der Kälteanlage 10 zu begrenzen (sogenanntes „Entrainment-Limit”). Der unter diesen Gesichtspunkten konkret zu wählende Wert der Querschnittsfläche F lässt sich in einfachen Versuchen ermitteln.
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Bei dem vorstehend angenommenen Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die Supraleiter der supraleitenden Einrichtung 2 mit ihren Magneten 7a bis 7d mittels eines Kältemittelleitungssystems 8, in dem gegebenenfalls eine Zirkulation des kryogenen Mediums gemäß dem Thermosyphon-Effekt erfolgt, zu kühlen sind. Selbstverständlich sind auch andere Kühlarten geeignet, um die Leiter unterhalb der kritischen Sprungtemperatur ihres supraleitenden Materials zu halten. So kann hierfür z. B. auch eine Badkühlung vorgesehen sein.
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Selbstverständlich ist das erfindungsgemäß gestaltete Kryosystem einer Supraleitungseinrichtung auch für supraleitende Geräte einsetzbar, deren Leiter eine Kühlung auch bei höheren Temperaturen als denen des LHe zulassen. Hierbei kann es sich insbesondere um Leiter mit sogenanntem Hoch-Tc-Supraleitermaterial handeln, deren kritische Sprungtemperatur über 77 K, der Siedetemperatur des LN2, liegt. Für die supraleitende Schaltstrecke des Schalters ist dann ein entsprechendes Material zu wählen. Es ist jedoch auch denkbar, dass hierfür ein anderes Supraleitermaterial mit einer unterschiedlichen kritischen Sprungtemperatur zum Einsatz kommt.
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Ferner wurde angenommen, dass es sich bei dem mindestens einen supraleitenden Gerät um einen Magneten einer MRI-Anlage handelt. Selbstverständlich kann es sich auch um den Magneten einer Strahlführungsanlage oder einer Energiespeicheranlage handeln. Da es sich bei dem supraleitenden Schalter nicht unbedingt um einen Kurzschlussschalter für einen entsprechenden Magneten handeln muss, kann das supraleitende Gerät auch die Wicklung eines Transformators oder einer elektrischen Maschine oder ein Abschnitt eines Kabels sein.
