DE1439227B2 - Schutzeinrichtung fuer supraleitende spulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für supraleitende Spulen mit einem mit der Spule induktiv gekoppelten, mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung in Verbindung stehende Kühlkanäle enthaltenden metallischen Kurzschlußkreis.

Supraleitende Spulen mit hoher innerer magnetischer Energie sind beim Übergang vom supraleitenden zum normalleitenden Zustand sehr gefährdet, auch wenn dieser Übergang zunächst nur in einem Teil des supraleitenden Kreises auftritt. Dieser Übergang kann gewollt sein oder unbeabsichtigt. Infolge der geringen Wärmekapazität der Supraleiter nimmt der Leiter nach dem Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand durch die dadurch bedingte Widerstandserhöhung sehr schnell eine hohe Temperatur an. Gleichzeitig steigt auch sein spezifischer Widerstand sehr rasch an, wodurch wiederum die Erwärmung beschleunigt wird. Es kommt dadurch zu Überspannungen, welche die Isolation beanspruchen und ungleichmäßige Erwärmungen erzeugen können. Tritt an einer Stelle ein Durchschmelzen auf, so entsteht ein Lichtbogen, der große Zerstörungen hervorruft. Infolge Bildung von Dampfhäuten kann die Wärme oft nicht in genügendem Umfang an die Kühlflüssigkeit abgegeben werden. Bei großen Energieinhalten muß daher im Falle eines Widerstandssprungs mit völliger Zerstörung der Spule gerechnet werden.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentschrift 1 276 819 ist bereits eine Vorrichtung mit einer supraleitenden Wicklung vorgeschlagen, bei der zum Schütze der supraleitenden Wicklung eine in enger Kopplung mit der supraleitenden Wicklung gewickelte normalleitende Sekundärwicklung vorgesehen ist, die durch einen Schalter über einen einstellbaren Widerstand kurzschließbar ist. Ferner ist es bekannt, eine supraleitende Spule zum Schutz mit einem Kupferrohr zu umgeben, auf das beim Übergang der supraleitenden Spule vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand der größte Teil der Feldenergie übergehen kann (Zeitschrift »Cryogenics«, Bd. 2, 1961, S. 1 bis 15). Weiterhin ist durch die belgische Patentschrift 621 935 eine Schutzeinrichtung für eine supraleitende Spule bekannt, die einen mit der Spule induktiv gekoppelten metallischen Kreis aufweist, der mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung in Verbindung stehende Kühlkanäle enthält. Dieser metallische Kreis besteht aus einer Spule aus Kupferrohr, das im Inneren einen Kühlkanal enthält, der mit einer Heliumversorgungseinrichtung und einer Pumpe in Verbindung steht, die das als Kühlmittel dienende Helium durch die Windungen der Spule hindurchpumpt. Die Spule kann wahlweise kurzgeschlossen oder mit einem Widerstand verbunden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung für supraleitende Spulen mit einem mit der Spule induktiv gekoppelten, mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung in Verbindung stehende Kühlkanäle enthaltenden metallischen Kurzschlußkreis weiter zu verbessern und insbesondere die Ausnutzung der Verdampfungswärme des Kühlmittels zur Kühlung des Kurzschlußkreises in einfacher Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kurzschlußkreis aus einem Metallring besteht, in den die supraleitende Spule eingebettet ist, und daß ein mit der Kühlmittelversorgungseinrichtung verbundener Ringkanal vorgesehen ist, von dem aus sich in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Spule verlaufende Kühlkanäle in den Metallring hinein erstrecken.

Beim Übergang der supraleitenden Spule vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand kann das verdampfende Kühlmittel aus den Kühlkanälen leicht in den Ringkanal einströmen. Ferner kann frisches flüssiges Kühlmittel über den Ringkanal und die Kühlkanäle gleichmäßig dem gesamten Metallring zugeführt werden. Wollte man dagegen bei der Vorrichtung nach der belgischen Patentschrift 621 935 die Vedampfung des Kühlmittels zur Kühlung des aus der Spule bestehenden Kurzschlußkreises ausnutzen, so müßte das verdampfende Kühlmittel die gesamte Spule durchströmen. Schon der dabei erforderliche Druckausgleich dürfte sehr große Schwierigkeiten bereiten. Auch das zur erneuten Abkühlung erforderliche flüssige Kühlmittel könnte den einzelnen Windungen der Spule nur nacheinander zugeführt werden.

Ferner hat die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung den großen Vorteil, daß durch den Metallring, in den die supraleitende Spule eingebettet ist, die großen mechanischen Kräfte aufgenommen werden können, die bei höhen magnetischen Feldstärken in der supraleitenden Spule sowie gegebenenfalls beim Verdampfen des Kühlmittels entstehen.

Insbesondere bei Spulen mit sehr großem Energieinhalt kann die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung vorteilhaft derart ausgestaltet sein, daß ein weiterer mit der Kühlmittelversorgungseinrichtung verbundener Ringkanal vorgesehen ist, daß ferner die von den Ringkanälen ausgehenden Kühlkanäle in einen im Metallring vorgesehenen Hohlraum münden und daß dieser Hohlraum durch weitere Kühlkanäle mit einem ringförmigen Sammelkanal verbunden ist, der mit einem Ausdehnungsgefäß in Verbindung steht. Diese Ausführungsform der Schutzeinrichtung eignet sich insbesondere für eine Umlaufkühlung der Spule, bei welcher das Kühlmittel von der Kühlmittelversorgungseinrichtung dem einen Ringkanal zugeführt und über den anderen Ringkanal wieder zur Kühlmittelversorgungseinrichtung zurückgeführt werden kann. Weiterhin können bei der Schutzeinrichtung vorteilhaft im Metallring Kühlkanäle für Kühlmittel unterschiedlicher Verdampfungstemperatur vorgesehen sein, die nicht miteinander zusammenhängen. Bei der Schutzeinrichtung sind die Windungen der supraleitenden Spule mit dem als Kurzschlußkreis dienenden Metallring induktiv verkettet. Dieser soll einen so geringen Widerstand haben, daß die Durchflutung beim Widerstandssprung in der Spule zum größten Teil auf ihn übergeht. Die magnetische Energie wird daher vorwiegend in dem Metallring in Wärme umgesetzt. Die Metallmasse des Metallringes kann dabei so groß und der Kühlkreis für einen so hohen Innendruck ausgeführt sein, daß die Wärmeenergie ohne Zufluß neuen flüssigen Kühlmittels lediglich durch die Wärmekapazität der Metallmasse, die Verdampfungswärme der mit der Metallmasse in enger Berührung stehenden Kühlflüssigkeit und die Wärmekapazität des entstehenden Kühlgases aufgenommen wird. Durch Sicherheitsventile kann unter Umständen der dabei entstehende Gasdruck auf zulässige Werte begrenzt werden.

Bei Magneten mit sehr hohem Energieinhalt, also bei sehr hohen Feldstärken und einem großen Volumen des Magnetfeldes, wo diese Maßnahmen nicht

mehr genügen, weil die Wärmekapazität von Metall sächlich im Metallkörper 2 auf, wodurch sich seine

und Kühlmittel nicht groß genug gemacht werden Temperatur in Bruchteilen von Sekunden, z. B. von

kann, um die Temperatur und Drucksteigerung in be- 4,2 auf 30° K erhöht. Das Helium in den Kanälen 4

herrschbaren Grenzen zu halten, kann der Metall- und im Ringkanal 3 verdampft zu einem Teil und es

ring während der Umwandlung der magnetischen 5 stellt sich ein entsprechender Überdruck ein. Durch

Energie in Wärme durch die Verdampfung einer langsames Füllen mit flüssigem Helium kann der Me-

größeren Menge von frisch zufließendem Kühlmittel tallkörper wieder auf die zum supraleitenden Zustand

gekühlt werden. Die Wärmekapazität des Metalls erforderlichen Temperatur abgekühlt und sodann die

nimmt dann nur noch einen geringen Anteil der ma- Spule 1 durch Anlegen einer Gleichspannung wieder

gnetischen Energie auf, da durch Verdampfung des io neu erregt werden.

Kühlmittels die Temperatur während der Umwand- F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der lung der magnetischen Energie auf einen möglichst Erfindung bei einer Spule, wodurch ein größerer niedrigen Wert gehalten wird. Der Widerstandswert Energiebetrag abgebaut werden kann als bei der Ander metallischen Kurzschlußwindungen wird dabei Ordnung nach Fig. 1. Zwei supraleitende konzenzweckmäßig so niedrig gehalten, daß die Zeitkon- 15 trische Spulen sind mit la und Ib bezeichnet. Sie stante T = L/R für die Umwandlung der magne- sind in einem Metallkörper 2 eingebettet, der einen tischen Energie auf Werte von mehreren Sekunden Kurzschlußring großen Querschnitts darstellt. Dieser ansteigt. Dieses genügt, um die Wärme von Metall Körper enthält Kanäle 4 und 5, die über ein konzenauf ein verdampfendes Kühlmittel übertragen zu trisch wärmeisoliertes Zuführungsrohr 6 mit dem können. 20 Heliumverflüssiger verbunden sind. Im Kanal 4 wird

Als Kühlmittel kann entweder ein solches verwen- flüssiges Helium zugeführt und im Kanal 5 ein Gedet werden, das auch im Normalbetrieb dazu dient, misch von flüssigem Helium und Heliumgas dem um die für die Supraleitung erforderliche tiefe Tem- Verflüssiger wieder zugeführt. Die beiden Kanäle 4 peratur herzustellen, also im allgemeinen flüssiges und 5 sind unten mit einem großen Hohlraum 7 Helium. Es kann aber auch ein weiteres Kühlmittel 25 innerhalb des Metallkörpers verbunden. Beim Norwie flüssiger Wasserstoff, Neon oder Stickstoff sein. malbetrieb als supraleitende Spule sind die Kanäle 4 Bei letztgenannten Kühlmitteln sind wesentlich ge- und 5 und der Hohlraum 7 bis auf kleine Heliumgasringere Flüssigkeitsmengen zur Aufnahme einer be- bläschen ständig mit flüssigem Helium gefüllt. Die stimmten Wärmeenergie erforderlich. Diese Kühl- Bläschen rühren davon her, daß die von außen einmittel können aus einem besonderen Behälter im 30 dringende Wärme einen kleinen Bruchteil der zuAugenblick des Widerstandssprunges durch Kühl- fließenden Heliummenge verdampft. Diese Bläschen kanäle im Metallring gedrückt werden, wobei die Ge- werden durch die ständige Zirkulation des flüssigen schwindigkeit und die Berührungsfläche so groß ge- Heliums nach außen gebracht. In dem Metallkörper wählt werden, daß keine zusammenhängende Dampf- befinden sich zwischen den beiden Spulen 1 α und 1 b haut entstehen kann. Die Bewegung des besonderen 35 Kanäle 9 und außerhalb der Spule Kanäle 10 und 11. Kühlmittels kann durch einen Druckanstieg des Die Kanäle 9 sind unten mit dem Hohlraum 7 in Ver-Heliumgases in der Umgebung der Supraleiter beim bindung und oben durch sehr enge Kanäle 12 mit Widerstandssprung ausgelöst werden. Man kann auch dem Zuführungskanal 4 verbunden. Diese Kanäle 9 Kühlkanäle mit gefrorenem Wasserstoff oder anderen sind normalerweise mit flüssigem Helium gefüllt. Die geeigneten Stoffen vorsehen, die beim Widerstands- 40 Kanäle 10 und 11 dagegen sind über einen ringförsprung verdampfen. migen Sammelkanal 13 und ein Verbindungsrohr 14

An Hand zweier Figuren soll die Erfindung noch mit dem Ausdehnungsgefäß 15, z. B. einem Ballon,

näher erläutert werden. verbunden und stehen unter einem solchen Über-

Die F i g. 1 zeigt den linken Teil einer Spule im druck, daß sie normalerweise nur mit gasförmigem Querschnitt. Der besseren Übersicht halber sind alle 45 Helium gefüllt sind. Tritt nun beispielsweise durch Einzelheiten, die mit der werkstattmäßigen Herstel- Überschreiten der zulässigen Magnetfeldstärke in lung, der Stromzuleitung und der Kühlmittelzuleitung einem Teil der supraleitenden Spule der Widerstandszusammenhängen, weggelassen. Eine supraleitende sprung ein, so erwärmt sich das Helium im Kanal 9 Spule 1 ist in einem als Kurzschlußring ausgebildeten und im Kanal 4 und verdampft zum Teil. Das Gas Metallkörper 2 eingebettet, der eine Kurzschlußwin- 50 kann wegen der engen Querschnitte nicht ohne weidung großen Querschnitts und kleinen Widerstandes teres nach oben entweichen, sondern drückt das flüsdarstellt. Dieser enthält einen Ringkanal 3, von dem sige Helium aus dem Hohlraum 7 durch die Kanäle eine Anzahl senkrechter Kühlkanäle 4 in dem Metall- 10 und 11 nach oben, wobei es die beim Widerstandskörper möglichst nahe der Spule 1 verlaufen. Der sprung im Metallkörper auftretende Stromwärme Ringkanal 3 ist mit einer wärmeisolierten Leitung 5 55 durch Verdampfen aufnimmt. Das gasförmige Helium mit einem Heliumbehälter oder Heliumverflüssiger weicht in den Ballon 15 aus, das durch den Kanal verbunden, der flüssiges Helium nachliefert, wenn aufsteigende flüssige Helium, das noch nicht verHelium verdampft oder in Bläschen aufsteigt. Das dampft ist, fällt im Kanal 11 wieder in den Hohl-Ganze ist von einer evakuierten Wärmeisolation 6 in raum 7 zurück, sobald der Heliumspiegel unter die einem Metallbehälter 7 eingeschlossen. Beim Über- 60 untere Mündung des Kanals 11 gefallen ist. Der Vorgang der supraleitenden Spule 1 vom supraleitenden rat von flüssigem Helium innerhalb des Metallkörpers in den normalleitenden Zustand tritt eine plötzliche ist so groß, daß seine Verdampfungswärme und die Widerstandserhöhung der Spulenwicklung 1 ein. In durch die Erwärmung des verdampften Heliums auf diesem Augenblick übernimmt der Metallkörper 2 eine durch den Enddruck im Ausdehnungsgefäß 15 fast die gesamte Durchflutung, da sein Widerstand 65 gegebene Endtemperatur aufgenommene Wärme zuwesentlich kleiner gewählt ist als der Widerstand der züglich der im Metallkörper gespeicherten Wärme nun normalleitenden Wicklung 1. Infolgedessen tritt der im Magnetfeld gespeicherten Energie entspricht, die Erwärmung durch die magnetische Energie haupt- Nach einem derartigen Erwärmungsvorgang kann der

Metallkörper durch Spülen mit kaltem Heliumgas und nachfolgend mit flüssigem Helium wieder so weit abgekühlt werden, daß die Supraleitung in der Spule wieder einsetzt.

Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung kann in verschiedener Hinsicht abgeändert werden. Um flüssiges Helium zu sparen, kann es zweckmäßig sein, außerhalb der inneren Wärmeisolation einen mit flüssigem Stickstoff gefüllten Doppelmantel mit einer zweiten äußeren Wärmeisolation vorzusehen. Die Kühlung des Metallkörpers, die in Fig. 2 durch das gleiche Helium vorgenommen wird, das auch in Betrieb die supraleitende Temperatur erzeugt, kann aber auch durch andere Kühlflüssigkeiten erfolgen, die durch Kühlkanäle geleitet werden, die mit den Kühlkanälen für das Helium nicht zusammenhängen. Man wird dann innerhalb oder außerhalb des Metallkörpers Vorratsgefäße für diese Flüssigkeit vorsehen, beispielsweise flüssigen Wasserstoff, Neon oder Stickstoff, und durch Öffnen eines Ventils oder Anlegen von Überdruck die Durchspülung des Metallkörpers einleiten. Beispielsweise kann man einen Kolben vorsehen, auf dessen einer Seite Heliumgas aus den Kanälen 9 infolge des plötzlichen Druckanstieges beim Widerstandssprung die auf der anderen Seite des KoI-bens befindliche Kühlflüssigkeit antreibt. Volumen dieser Kühlflüssigkeit, Länge und Querschnitt der Kühlkanäle werden zweckmäßig so abgestimmt, daß bei voller magnetischer Energie gerade die gesamte Kühlflüssigkeit verdampft. Bei Spulen mit besonders großer magnetischer Energie kann es zweckmäßig sein, den Metallkörper mit zwei verschiedenen Kühlflüssigkeiten nacheinander zu kühlen. Zunächst nach dem Widerstandssprung verwendet man eine Flüssigkeit niedriger Verdampfungstemperatur, z.B. Wasserstoff oder Neon, um einen geringen Widerstandswert der Metallkörper zu sichern. Wenn das Magnetfeld und damit der Strom im Kurzschlußkreis etwas abgesunken ist, kann der Metallkörper auf einer höheren Temperatur gehalten werden, da dann bereits ein größerer Widerstand im Kurzschlußkreis zulässig ist, ohne daß in der vorher supraleitenden Spule zu große Verluste entstehen.

Für den Metallkörper ist es zweckmäßig, ein Material zu wählen, das trotz der hohen magnetischen Feldstärke bei den niedrigen Temperaturen eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und außerdem in seinem Längsausdehnungs-Koeffizienten sich dem Supraleiter möglichst angleicht, wie z. B. Aluminium, Natrium und Kupfer. Es kann sich als zweckmäßig erweisen, den Metallkörper wenigstens zum Teil aus Blei aufzubauen, da dieses eine besonders hohe spezifische Wärme bei den niedrigen Temperaturen hat.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für supraleitende Spulen mit einem mit der Spule induktiv gekoppelten, mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung in Verbindung stehende Kühlkanäle enthaltenden metallischen Kurzschlußkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußkreis aus einem Metallring (2) besteht, in den die supraleitende Spule (1) eingebettet ist, und daß ein mit der Kühlmittelversorgungseinrichtung verbündener Ringkanal (3) vorgesehen ist, von dem aus sich in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Spule verlaufende Kühlkanäle (4) in den Metallring hinein erstrecken (F i g. 1).

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer mit der Kühlmittelversorgungseinrichtung verbundener Ringkanal vorgesehen ist, daß die von den Ringkanälen ausgehenden Kühlkanäle (4, 5, 9) in einen im Metallring (2) vorgesehenen Hohlraum (7) münden und daß dieser Hohlraum durch weitere Kühlkanäle (10, 11) mit einem ringförmigen Sammelkanal (13) verbunden ist, der mit einem Ausdehnungsgefäß (15) in Verbindung steht (Fig. 2).

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Metallring Kühlkanäle für Kühlmittel unterschiedlicher Verdampfungstemperatur vorgesehen sind, die nicht miteinander zusammenhängen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen