DE1439227C - Schutzeinrichtung für supraleitende Spulen - Google Patents
Schutzeinrichtung für supraleitende SpulenInfo
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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 1276 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 einstell-
baren Widerstand kurzschließbar ist. Feiner 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 Verdampfungswärine des Kühlmittels zur Kühlung des Kurzschlußkreises in einfacher Weise zu
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Kurzschlußkreis aus einem Metallring besieht, in den die supraleitende Spule eingebettet ist,
und daß ein mit der Kühlmittel versorgungseinrichtung verbundener Kingkanal 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 hohen 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 Metallinasse,
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 uutslehende 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 3° dringende Wärme einen kleinen Bruchteil der zuAugenblick
des Widerstandssprunges durch Kühl- fließenden Heliummenge verdampft. Diese Bläschen
kanäle im Metallring gedruckt 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 Fig. 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- 5° 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 sprang 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)
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 Kühlmittel versorgungseinrichtung 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
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