DE10201322A1

DE10201322A1 - Schalteinrichtung der Supraleitungstechnik

Info

Publication number: DE10201322A1
Application number: DE10201322A
Authority: DE
Inventors: Martino Leghissa; Marijn Pieter Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: JP4612991B2; DE10201322B4; JP2003273415A; US6809618B2; CN100375305C; US20040189427A1; CN1433091A

Abstract

Die Schalteinrichtung (2) der Supraleitungstechnik umfasst eine supraleitfähiges Material aufweisende Schaltstrecke (4), Mittel zur Kühlung der Schaltstrecke auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur (T¶a¶) und mit Mitteln zur gesteuerten Überschreitung wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials zum Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand der Schaltstrecke (4). Die Schalteinrichtung (2) soll für eine Betriebstemperatur von unter 40 K ausgelegt sein und als supraleitfähiges Material ihrer Schaltstrecke (4) Magnesiumdiborid (MgB¶2¶) enthalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schalteinrichtung der Supraleitungstechnik mit einer supraleitfähiges Material aufweisenden Schaltstrecke, mit Mitteln zur Kühlung der Schaltstrecke auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur sowie mit Mitteln zur gesteuerten Überschreitung wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials zum Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand der Schaltstrecke. Eine entsprechende Schalteinrichtung geht aus der DE 35 25 938 A1 hervor.
Für verschiedene Apparaturen der Supraleitungstechnik mit Leitern aus klassischem (metallischem) Supraleitermaterial sind supraleitende Schalteinrichtungen entwickelt worden. So ist beispielsweise eine Schalteinrichtung für eine Flusspumpe zum Auferregen eines supraleitenden Magneten bekannt (vgl. z. B. "IEEE Transactions on Magnetics", Vol. 32, No. 4, Juli 1996, Seiten 2699 bis 2702). Auch werden solche Schalteinrichtungen zum Kurzschließen von Magneten wie z. B. von MRI- Apparaturen oder von Energiespeichereinrichtungen vorgesehen. Entsprechende Schalteinrichtungen umfassen im Allgemeinen eine mit einem Supraleiter gebildete Schaltstrecke, die auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt ist. Diese Schaltstrecke kann durch eine gezielt herbeizuführende Überschreitung wenigstens eines kritischen Wertes des verwendeten Supraleitermaterials, insbesondere der kritischen Temperatur und/oder des kritischen Magnetfeldes vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführt werden. Die aus der vorerwähnten DE-A-Schrift zu entnehmende Schalteinrichtung ist von diesem Typ.
Mit der Entwicklung der neuen Hoch-T_c-Supraleitermaterialien (HTS-Materialien) auf metalloxidischer Basis stehen nunmehr auch Leiter für supraleitende Apparaturen zur Verfügung, die einen Betrieb bei deutlich höheren Temperaturen zulassen als sie für die klassischen Supraleitermaterialien möglich sind. Auch für solche Apparaturen werden supraleitende Schalteinrichtungen konzipiert. So geht z. B. aus der US 5,350,739 A ein Mikrowellenschalter mit einer Schaltstrecke aus HTS- Material hervor, die sich zwischen zwei Leiterteilen aus dem entsprechenden HTS-Material befindet. Der Schaltstrecke sind Heizungsmittel zugeordnet, um einen Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand herbeizuführen. Vom entsprechenden Typ ist auch eine aus der JP 11-340533 A zu entnehmende Schalteinrichtung. Bei einer aus der US 5,805,036 A zu entnehmenden Schalteinrichtung mit HTS-Material wird der Schaltvorgang mittels eines Magnetfeldes bewirkt.
Einige Apparaturen mit HTS-Leitern sollen unterhalb der Verflüssigungstemperatur des Stickstoffs von etwa 77 K zu betreiben sein. Auch für solche Apparaturen können Schalteinrichtungen mit supraleitfähigen Schaltstrecken benötigt werden, die kurzfristig vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand überführbar sind. Als supraleitfähiges Material für entsprechende Schaltstrecken wird bisher im Allgemeinen das HTS-Material der an sie angeschlossenen supraleitenden Apparatur vorgesehen. Das HTS-Material wird dabei üblicherweise in Form einer Schicht auf einen hierfür geeigneten Träger aufgebracht.
Es zeigt sich jedoch, dass bei entsprechenden Ausführungsformen von HTS-Schaltstrecken einige Probleme auftreten können wie insbesondere

- eine thermische Trägheit auf Grund einer verhältnismäßig großen Masse des verwendeten Trägers oder Substrats für das HTS-Material und auf Grund einer gegebenenfalls relativ großen Differenz zwischen einer gewählten Betriebstemperatur von beispielsweise unter 40 K und einer kritischen Temperatur des HTS-Materials von etwa 90 K oder höher,
- eine schwierige Kontaktierung wegen der Empfindlichkeit der Schicht aus dem verwendeten HTS-Material und einer darauf aufzubringenden dünnen Deckschicht aus einem Kontaktierungsmaterial wie z. B. aus Gold,
- eine Gefahr eines Durchbrennens zu dünner Schichten,
- eine verhältnismäßig aufwendige Materialherstellung

- eine schwierige Ankopplung der Schaltmittel wie z. B. eines thermischen Heizers an die zu schaltende HTS-Schicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Schalteinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die vorgenannten Schwierigkeiten zumindest teilweise vermindert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als supraleitfähiges Material der Schaltstrecke Magnesiumdiborid (MgB₂) vorgesehen ist.

Die supraleitende Verbindung MgB₂ besitzt eine kritische Temperatur T_c von ungefähr 39 K (vgl. "Nature", Vol. 410, 1. März 2001, Seiten 63 und 64). Es wurde erkannt, dass dieses Material besonders gut geeignet ist für eine Schalteinrichtung der Supraleitungstechnik mit einer Betriebstemperatur unter 40 K, insbesondere wenn ein Betrieb mit einer kältemittelfreien Kühlung vorgesehen wird. Aus dem genannten Material sind ohne weiteres Drähte oder dünne Schichten herzustellen, um diese als Schaltstrecke einzusetzen. Vorteilhaft ist auch, dass sich das bekannte Supraleitungsmaterial bzw. ein es umschließendes Hüllmaterial ohne größere Schwierigkeiten kontaktieren lässt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann für die supraleitende Schaltstrecke insbesondere ein Draht mit rundem oder rechteckigem Querschnitt vorgesehen sein, der einen supraleitfähigen Kern aus dem Magnesiumdiborid und eine nicht-supraleitfähige metallische Hülle aufweist. Dabei kann die Hülle vorteilhaft aus Eisen oder Stahl bestehen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zum gesteuerten Überschreiten wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials eine Steuerwicklung sind, die die Schaltstrecke umschließt. Mit einer solchen Steuerwicklung ist auf einfache Weise das supraleitfähige Material zum Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand einer hinreichenden Temperaturerhöhung und/oder einem Magnetfeld auszusetzen.

Bei einer kältemittelfreien Auslegung der Kühlung lässt sich vorteilhaft eine Kältemaschine thermisch an die zu kühlenden Teile der Schalteinrichtung ankoppeln.

Außerdem ist es im Hinblick auf eine Begrenzung der Schaltstrecke günstig, wenn diese zwischen Wärmesenke-Mitteln angeordnet ist. Damit lässt sich eine unerwünschte Ausbreitung des schaltenden Bereichs des Supraleitungsmaterials verhindern. Als Wärmesenke-Mittel sind massive Klötze oder sonstige massive Körper aus einem gut-wärmeleitenden Material geeignet, die vorteilhaft mit dem supraleitfähigen Material in gut-wärmeleitendem Kontakt stehen, dieses beispielsweise umschließen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur eine erfindungsgemäß gestaltete Schalteinrichtung schematisch veranschaulicht ist.

Die supraleitfähige Schaltstrecke der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung soll als supraleitendes Material die Verbindung MgB₂ besitzen. Aus diesem Material lassen sich Drähte herstellen (vgl. "Nature", Vol. 411, 31. Mai 2001, Seiten 563 bis 565). Das Material ist auch zur Herstellung von dünnen Schichten geeignet (vgl. "Nature", Vol. 411, 31. Mai 2001, Seiten 558 bis 560). Bei der Herstellung von Drähten, insbesondere nach der sogenannten Pulver-in-Rohr-Methode, wie sie insbesondere von der Herstellung von HTS-Drähten her bekannt ist, sind vor allem Hüllmaterialien aus Eisen oder Stahl als vorteilhaft anzusehen. Die Drähte können dabei runden oder rechteckigen Querschnitt haben.

Ein entsprechender Draht aus MgB₂ sei für die in der Figur veranschaulichte und allgemein mit 2 bezeichnete Schalteinrichtung vorgesehen. Der Draht 3 weist dabei einen Kern 3a aus der supraleitenden Verbindung MgB₂ auf, der von einer metallischen Hülle 3b, z. B. aus Eisen oder Stahl, umschlossen ist. Ein Teilbereich des Drahtes mit einer axialen Länge L_s soll eine supraleitfähige Schaltstrecke 4 darstellen. Hierzu ist der Draht an den Enden dieser Schaltstrecke von verhältnismäßig großvolumigen Wärmesenke-Mitteln 5 bzw. 6 umschlossen, die beispielsweise zwei massive Klötze aus einem gut wärmeleitenden Material wie z. B. Kupfer sind. Diese Wärmesenke-Mittel können vorzugsweise thermisch an eine Kältemaschine, beispielsweise an einen Kaltkopf dieser Maschine, gekoppelt sein, um so an den Enden der Schaltstrecke 4 eine Arbeits- oder Betriebstemperatur T_a sicherzustellen, die unter der kritischen Temperatur T_c von etwa 39 K des supraleitenden Kernmaterials liegt.

Ferner sind im Bereich der Schaltstrecke 4 Mittel vorgesehen, um dort gesteuert wenigstens einen der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials, d. h. die kritische Temperatur T_c und/oder das kritische Magnetfeld H_c, zu überschreiten ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist deshalb eine Steuerwicklung 7 vorgesehen, welche beispielsweise um den Draht 3 im Bereich der Schaltstrecke gewickelt ist und die als eine Heizspule oder eine Magnetspule arbeiten kann. Diese Steuerwicklung 7 kann verhältnismäßig einfach auf den Draht 3 aufgewickelt und so thermisch gut mit ihm verbunden werden.

Für den Betrieb der Schalteinrichtung 2 bzw. ihrer Schaltstrecke 4 sind die folgenden Betriebsverfahren möglich, die als

a) "thermisches Schalten",
b) "magnetisches Schalten"

oder

a) "thermisch-magnetisches Schalten"

bezeichnet werden können.

Fließt kein Strom I_s durch die Steuerwicklung 7, so ist die Temperatur der Schalteinrichtung im Bereich der Schaltstrecke T_s < T_c, so dass sich die Schalteinrichtung mit ihrem Draht 3 im supraleitenden Zustand befindet und kein Spannungsabfall an der Schalteinrichtung zu verzeichnen ist. Wird hingegen ein Strom I_s an die Steuerwicklung 7 angelegt, so wird entweder gemäß Verfahren a) durch thermisches Heizen die Temperatur T_s der Schaltstrecke im Bereich der Steuerwicklung erhöht [T_s > T_c], oder gemäß Verfahren b) durch das durch die Steuerwicklung 7 erzeugte Magnetfeld die kritische Temperatur so weit erniedrigt [T_s > T_c(B)] oder gemäß Verfahren c) durch den kombinierten Effekt die Temperatur der Schaltstrecke erhöht und die kritische Temperatur soweit erniedrigt, dass die Schaltstrecke vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht und damit ein resistiver Spannungsabfall bei Anlegen einer äußeren Spannung oder eines äußeren Stromes an den Enden der Schaltstrecke 4 des Drahtes 3 auftritt.

Der Nennstrom I_N der Schalteinrichtung 2 kann bei gegebener Arbeitstemperatur T_N durch geeignete Wahl des Supraleiterquerschnittes A_SL des Supraleitermaterials des Drahtes 3 in dessen Kern 3a wie folgt eingestellt werden:

I_N ≤ I_c(T_N) ≍ A_SL.J_c(T_N),

wobei I_c(T_N) der temperaturabhängige kritische Strom und J_C(T_N) die temperaturabhängige kritische Stromdichte des MgB₂- Supraleitermaterials bei der Temperatur T_N sind. Im normalleitenden Zustand sind der durch die Schalteinrichtung fließende Strom I_NL und die über die Schaltstrecke 4 abfallende Spannung U_NL gegeben durch die Beziehung

U_NL = R_NL.I_NL,

wobei R_NL der normalleitende Widerstand des Drahtes 3 ist. Ein konkreter Wert von R_NL lässt sich einstellen durch geeignete Wahl der metallischen Hülle 3b, z. B. durch die Querschnittsfläche der Hülle und/oder das Material der Hülle, sowie durch die Länge L_s des angesteuerten Bereichs der Schaltstrecke 4 der Schalteinrichtung 2.

In der Figur wurden die kryogenen Mittel zur Kühlung des supraleitfähigen Drahtes 3 und seiner Schaltstrecke 4 unter eine maximale Betriebstemperatur von 40 K nicht ausgeführt, da entsprechende Mittel allgemein bekannt sind. Besonders geeignet ist die Schalteinrichtung für einen kältemittelfreien Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen etwa 10 K und 40 K. Ein solcher kältemittelfreier Betrieb ist mit Kältemaschinen wie z. B. mit sogenannten Cryocoolers aufrecht zu erhalten, indem kalte Teile dieser Maschine thermisch an die zu kühlenden Teile der Schalteinrichtung wie z. B. deren Wärmesenke- Mittel 5 und 6 angekoppelt sind. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die supraleitenden Teile der Schalteinrichtung mit einem gasförmigen oder flüssigen Kältemittel auf der geforderten Temperatur gehalten werden. Ein entsprechendes Kältemittel kann z. B. gasförmiges Helium (GHe) oder bei Betriebstemperaturen unter 27 K auch flüssiges Neon (LNe) sein.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform sind auch anderen Mittel zur gesteuerten Überschreitung wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials anwendbar oder anordbar. So braucht z. B. eine zum thermischen Heizen vorgesehene Steuerwicklung nicht unbedingt den schaltbaren Bereich des supraleitenden Drahtes zu umschließen. Auch kann eine Überschreitung des kritischen Magnetfeldes mit Hilfe eines an die Schaltstrecke herangeführten Permanentmagneten hervorgerufen werden.

Claims

1. Schalteinrichtung der Supraleitungstechnik
mit einer supraleitfähiges Material aufweisenden Schaltstrecke,
Mittel zur Kühlung der Schaltstrecke auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur und
mit Mitteln zur gesteuerten Überschreitung wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials zum Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand der Schaltstrecke,
dadurch gekennzeichnet, dass für eine Betriebstemperatur (T_a) von unter 40 K als supraleitfähiges Material der Schaltstrecke (4) Magnesiumdiborid (MgB₂) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitfähige Schaltstrecke (4) drahtförmig mit rundem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht (3) mit einem supraleitfähigen Kern (3a) aus dem Magnesiumdiborid vorgesehen ist, der eine nicht-supraleitfähige metallische Hülle (3b) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (3b) aus Eisen oder Stahl besteht.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum gesteuerten Überschreiten wenigstens eines der kritischen Werte des supraleitfähigen Materials eine Steuerwicklung (7) sind, die die Schaltstrecke (4) umschließt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerwicklung (7) das supraleitfähige Material zum Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand einer Temperaturerhöhung und/oder einem Magnetfeld auszusetzen ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung kältemittelfrei ausgelegt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kältemaschine thermisch an die zu kühlenden Teile der Schalteinrichtung (2) angekoppelt ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstrecke (4) zwischen Wärmesenke-Mitteln (5, 6) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke-Mittel massive Klötze (5, 6) aus einem gut-wärmeleitenden Material sind.