Elektrothermische Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel Bei
supraleitenden Kabeln muß die von außen durch die Wärmeisolation und die elektrischen
Stromzuführungen eindringende Wärme abgeführt werden, damit die niedrige Arbeitstemperatur
von beispielsweise 4 bis 10° K erhalten bleibt. Zu diesem Zweck wird im allgemeinen
flüssiges Helluna verdampft. Bei Dauerbetrieb muß flüssiges Helium in Zeitabständen
oder laufend zugeführt werden und das gasförmige Helium abgeführt und wieder verflüssigt
werden, oder es muß gasförmiges Helium in einer Kältemaschine abgekühlt und durch
die supraleitende Vorrichtung und im Kreislauf wieder zur Kältemaschine zurückgeleitet
werden. Heliumverflüssigungsanlagen und Kältemaschinen sind empfindlich und häufig
Anlaß zu Betriebsstörungen, insbesondere weil Fremdgase bei der niedrigen Temperatur
fest werden und Leitungen verstopfen können.Electrothermal cooling device for a superconducting cable Bei
Superconducting cables must be externally through the thermal insulation and the electrical
Power leads penetrating heat are dissipated so that the low working temperature
of, for example, 4 to 10 ° K is maintained. For this purpose, in general
liquid Helluna evaporates. In continuous operation, liquid helium must be used at intervals
or continuously supplied and the gaseous helium discharged and liquefied again
or gaseous helium has to be cooled down in a refrigeration machine and through
the superconducting device and circulated back to the refrigeration machine
will. Helium liquefaction plants and chillers are fragile and frequent
Reason for malfunctions, in particular because foreign gases at the low temperature
solidify and clog lines.
Es ist zwar bereits eine elektronische Wärmepumpe zur Kühlung auf
Temperaturen unterhalb der Supraleitungssprungtemperatur mittels eines elektrischen
Stromes bekannt, bei der ein Leiterkreis aus zwei an den Enden miteinander verbundenen,
aus supraleitfähigem Material bestehenden Leitern vorgesehen ist, wobei der eine
Leiter eine größere Querschnittsfläche als der andere Leiter hat und die beiden
Verbindungsstellen zwischen den Leitern thermisch voneinander isoliert sind und
bei der Mittel vorgesehen sind, um die Leiter bei Temperaturen, bei denen sie supraleitend
sind, mit Strom zu beschicken. Diese Wärmepumpe wirkt ähnlich wie ein normaler Gaskühlkreis.
An Stelle des molekularen Gases ist ein Elektronengas verwendet. Wenn die Elektronen
von der Oberfläche des dünnen Leiters zu der Oberfläche des dicken Leiters fließen,
breiten sie sich aus und verlangsamen infolge einer größeren Zahl von freien Elektronen
an der den Strom tragenden Oberfläche. Durch die Verringerung der Geschwindigkeit
absorbieren die Elektronen Energie. Es wird deshalb die Umgebung in dem Bereich
des übergangs gekühlt. Die von der kalten Verbindungsstelle abgezogene und zu einer
warmen Verbindungsstelle geförderte Wärmemenge wird dort durch ein kühlendes Medium
abgeführt. Als kühlendes Medium dient bei der bekannten Wärmepumpe flüssiges Helium.
Es treten hier also die gleichen Nachteile auf, wie bei den eingangs beschriebenen
Kühlvorrichtungen.There is already an electronic heat pump for cooling on
Temperatures below the superconductivity transition temperature by means of an electrical
Known current, in which a conductor circuit of two at the ends connected to each other,
made of superconducting material is provided conductors, the one
Conductor has a larger cross-sectional area than the other conductor and the two
Connection points between the conductors are thermally insulated from one another and
in which means are provided to keep the conductors at temperatures at which they become superconducting
are to be charged with electricity. This heat pump works in a similar way to a normal gas cooling circuit.
An electron gas is used in place of the molecular gas. When the electrons
flow from the surface of the thin conductor to the surface of the thick conductor,
they spread out and slow down as a result of a larger number of free electrons
on the surface carrying the current. By reducing the speed
the electrons absorb energy. It therefore becomes the environment in the area
of the transition cooled. The one pulled from the cold junction and turned into a
The amount of heat conveyed to the warm connection point is there by a cooling medium
discharged. In the known heat pump, liquid helium is used as the cooling medium.
The same disadvantages occur here as with those described at the beginning
Cooling devices.
Durch die Erfindung wird eine neuartige Kühlvorrichtung für supraleitende
Kabel vorgestellt, die diese Nachteile überwindet. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß das supraleitende Kabel von Ettinghausen-Kühlelementen umgeben ist, deren kalte
Grenzflächen auf dem Kabel elektrisch isoliert aufliegen und deren warme Grenzflächen
mit einem Wärmeaustauscher verbunden sind, und daß zur Erzeugung des für die Ettinghausen-Kühlelemente
benötigten Magnetfeldes eine Spule vorhanden ist, die ein zur Kabelachse paralleles
Magnetfeld erzeugt.The invention provides a novel cooling device for superconducting
Cable presented that overcomes these disadvantages. It is characterized by
that the superconducting cable is surrounded by Ettinghausen cooling elements, their cold
Boundary surfaces on the cable are electrically insulated and their warm boundary surfaces
are connected to a heat exchanger, and that for the generation of the Ettinghausen cooling elements
required magnetic field a coil is available, which is parallel to the cable axis
Magnetic field generated.
Hier wird durch Ettinghausen-Elemente, die die Eigenschaft haben,
daß unter der Einwirkung eines magnetischen Feldes und eines Stromflusses ein Wärmetransport
stattfindet, so daß eine Grenzfläche kalt und die gegenüberliegende Grenzfläche
warm wird, die Kühltemperatur des Supraleiters in einen höheren Temperaturbereich
transformiert, beispielsweise bis zur Temperatur des flüssigen Stickstoffes. Dieser
Bereich ist leichter zu beherrschen, da hier Fremdgase noch nicht fest werden und
deshalb die durch Verstopfung der Leitungen auftretenden Schwierigkeiten entfallen.
Außerdem ist eine Kühlung bei höheren Temperaturen wirtschaftlicher, weil die Temperaturdifferenz
zur Raumtemperatur kleiner ist und infolgedessen die Wärmeverluste in der Kältemaschine
und in den Zuleitungen niedriger bleiben.Here, Ettinghausen elements, which have the property
that under the action of a magnetic field and a current flow a heat transport
takes place so that one interface is cold and the opposite interface
becomes warm, the cooling temperature of the superconductor in a higher temperature range
transformed, for example up to the temperature of liquid nitrogen. This
Area is easier to control because foreign gases do not yet solidify here and
therefore the difficulties arising from clogging of the lines are eliminated.
In addition, cooling at higher temperatures is more economical because of the temperature difference
is smaller than room temperature and consequently the heat losses in the refrigeration machine
and stay lower in the supply lines.
Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel an Hand der F i g.
1 bis 3 näher erläutert.The invention is illustrated by an exemplary embodiment with reference to FIGS.
1 to 3 explained in more detail.
F i g. 1 zeigt das Grundprinzip des Ettinghausen-Elements, F i g.
2 eine Kühlvorrichtung bei einem supraleitenden Kabel, dessen Wärmeisolation aus
Gründen der Anschaulichkeit weggelassen worden ist, F i g. 3 einen Querschnitt der
Kühlvorrichtung nach F i g. 2 mit der notwendigen Wärmeisolation. Das in F i g.
1 dargestellte Ettinghausen-Element hat quaderförmige Gestalt. Es besteht beispielsweise
aus Wismuth-Antimonid. Wird es in der einen Raumkoordinate von einem Magnetfeld
B durchsetzt und
führt es in der zweiten Raumkoordinate einen Strom
1, so transportiert es Wärme in der dritten Koordinate, d. h., die eine Grenzfläche
wird kälter als die entgegengesetzte Grenzfläche. Die unterschiedliche Wärme ist
durch die Buchstaben w und k symbolisiert.F i g. 1 shows the basic principle of the Ettinghausen element, FIG.
2 a cooling device in a superconducting cable, its thermal insulation from
Has been omitted for the sake of clarity, FIG. 3 shows a cross section of the
Cooling device according to FIG. 2 with the necessary thermal insulation. The in Fig.
1 shown Ettinghausen element has a cuboid shape. There is for example
from bismuth-antimonide. It will be in the one space coordinate of a magnetic field
B interspersed and
it carries a current in the second spatial coordinate
1, it transports heat in the third coordinate, i.e. i.e., the one interface
becomes colder than the opposite interface. The warmth is different
symbolized by the letters w and k.
Bei den F i g. 2 und 3 ist ein konzentrisches supraleitendes Kabell
erkennbar, das von Ettinghausen-Elementen 2 umgeben ist, deren kalte Grenzflächen
3 auf dem Kabel elektrisch isoliert aufliegen und deren warme Grenzflächen 4 mit
einem Wärmeaustauscher 5 verbunden sind. Zwischen den Ettinghausen-Elementen und
dem Kabel einerseits sowie dem Wärmeaustauscher andererseits sind gut wärmeleitende,
elektrisch isolierende Folien 6 und 7 vorgesehen. Zwischen den Ettinghausen-Elementen
sind Wärmeisolationen 8 erkennbar, die einen direkten Wärmeübergang vom Supraleiter
zum Wärmeaustauscher verhindern. Der Wärmeaustauscher ist von einer Wärmeisolation
9 umgeben. Er wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt. In F i g. 3 sind außerdem Kühlrohre
10 und Zuleitungen 11 und 12 für die Kühlflüssigkeit des Wärmeaustauschers
dargestellt. Die Stromversorgung der Ettinghausen-Elemente erfolgt aus einer Batterie
13. Die Elemente sind durch die elektrischen Leitungen 14 in Reihe geschaltet. Das
für die Ettinghausen-Elemente notwendige Magnetfeld wird durch die Teilwicklungen
15 und 16 einer um das Kabel gewickelten Spule erzeugt. Das Magnetfeld ist hierbei
axial zum Kabel angeordnet. Es beeinflußt den Supraleiter weniger als ein zirkulares
Feld. Die Teilwicklungen der Spule sind mit den Ettinghausen-Elementen in Reihe
geschaltet. Der Strom für die Ettinghausen-Elemente wird also zugleich zur Erzeugung
des notwendigen Magnetfeldes benutzt. Statt einer Batterie kann auch ein Gleichrichter
oder ein Transformator als Stromquelle benutzt werden. Wenn Feld und Strom in Phase
sind, bleibt die Richtung des Wärmeflusses auch bei Wechselstromspeisung konstant.
Es ist zweckmäßig, die Ettinghausen-Elemente und den Kabelaußenleiter auf etwa das
gleiche Potential zu bringen, um die Isolierfolien 6 und 7 möglichst dünn machen
zu können.In the F i g. 2 and 3, a concentric superconducting cable can be seen which is surrounded by Ettinghausen elements 2, the cold boundary surfaces 3 of which rest on the cable in an electrically insulated manner and the warm boundary surfaces 4 of which are connected to a heat exchanger 5. Between the Ettinghausen elements and the cable on the one hand and the heat exchanger on the other hand, electrically insulating foils 6 and 7 with good thermal conductivity are provided. Heat insulation 8 can be seen between the Ettinghausen elements, which prevent a direct heat transfer from the superconductor to the heat exchanger. The heat exchanger is surrounded by thermal insulation 9. It is cooled with liquid nitrogen. In Fig. 3 also shows cooling tubes 10 and supply lines 11 and 12 for the cooling liquid of the heat exchanger. The Ettinghausen elements are supplied with power from a battery 13. The elements are connected in series by the electrical lines 14. The magnetic field required for the Ettinghausen elements is generated by the partial windings 15 and 16 of a coil wound around the cable. The magnetic field is arranged axially to the cable. It affects the superconductor less than a circular field. The partial windings of the coil are connected in series with the Ettinghausen elements. The electricity for the Ettinghausen elements is also used to generate the necessary magnetic field. Instead of a battery, a rectifier or a transformer can also be used as a power source. When the field and the current are in phase, the direction of the heat flow remains constant even with AC power. It is advisable to bring the Ettinghausen elements and the outer cable conductor to approximately the same potential in order to be able to make the insulating foils 6 and 7 as thin as possible.