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Vorrichtung zur Stromerzeugung und Betriebsverfahren hierzu.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung unter Verwendung eines
durch ein Kältemedium bis unterhalb der Sprungtemperatur abkühlbaren Supraleiters:
.Außerdem ist ` ein Betriebsverfahren für eine derartige Vorrichtung angegeben.
Zur Erzeugung eines Stromes in einem Supraleiter, bspw. einer supraleitenden Magnetspule,
sind bisher im wesentlichen zwei Verfahren 'bekannt. Nach dem ersten Verfahren.
wird-der in einem Kryostäten auf eine Temperatur unterhalb seines Sprungpunktes
abgekühlte Supraleiter mit einer außerhalb des Kryostaten liegenden Stromquelle
verbunden. Dabei kann nach Einstellung der gewünschten Stromstärke der Supraleiter
durch eine supraleitende Brücke kurzgeschlossen und die Stromquelle abgeschaltet
werden (S.H.Aütler "Superconducting Electromagnets", Rev: Sci.Instrilm. 31(1960)S.369-9-'73,
Abschnitt IV und Fig.5). Nach einem zweiten Verfahren kann: aber auch der Strom
im Supraleiter innerhalb des Kryostaten magnetis r induziert werden (Flußpumpän)
(H.Voigt "Eine Untersuchung der Vorgänge in supraleitenden Flu.'3pumpen", Z.Naturf.
21a(1966)510-514)..
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.3ei dem ersten Verfahren mit Verwendung einer äußeren Strom-, qUelle
erweist'es sich als nachteilig, daß elektrische Zuleitungen von der Stromquelle
in den Kryostaten erforderlich sind. Diese Zuleitungen können sich bei hohen Stromstärken
erheblich erwärmen (Joule'sche Wärme) oder - wenn sieur. t Verringerung der Joule'schen
Wärme relativ dick gewäf7 ;-Ferden - durch Wärmeleitung eine beträchtliche Wärmemenge
von außen in den Kryostaten hineinbringen. Beides führt zu spürbaren
Verdampfungsverlusten
des teuren flüssigen Heliums, welches bisher zur Kühlung des Supraleiters benötigt
wird. Bei der Anwendung von Flußpumpen im zweiten Verfahren ist der Nachteil der
Zuleitungen zwar vermieden, aber es werden auf Heliumtemperatur abgekühlte bewegte
Teile benötigt., die relativ empfindlich und dazu kompliziert in der Herstellung
sind. Außerdem haben Flußpumpen einen verhältnismäßig großen Platzbedarf, d.h. es
sind größere Massen in großen Kryostaten abzukühlen, was einen erheblichen Bedarf
an Kältemittel mit sich bringt. Durch ihren großen Raumbedarf sind Flußpumpen auch
nicht in allen Anwendungsfällen einsetzbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine im Kryostaten angeordnete Vorrichtung
zur Stromerzeugung mit Hilfe eines Supraleiters zu schaffen, die bei geringem Platzbedarf
unter Vermeidung beweglicher Teile ein Minimum an Wärme in den Kryostaten hineinbringt.
Das Kennzeichen der Erfindunm ist darin zu sehen, daß der Supraleiter einseitcmit
dem aktiven Element eines Thermoelementes verbunden ist, wobei diese erste Verbindungsstelle
auf einer. Temperatur unterhalb der Sprungteuiperatur gehalten wird, wihrend lie
andere Seite des Supraleiters mit dem passiven Element des Thermoelementes verbunden
ist, und daß diese zweite Verbindungsstelle zwischen dem aktiven und dem passiven
Element des Thermoelementes auf einer solchen Temperatur liegt, daß durch die Temperaturdifferenz
zwischen beiden Verbindurigsstellen eine für die gewünschte Stromerzeugung im Supraleiter
ausreichende Thermospannung hervorgerufen wird. Thermoelemente benötigen ein Minimum
an Raum, und es-braucht nur eine relativ geringe Energiemenge zur Einstellung einer
geeigneten Temperatur an der warmen Lötstelle in en Kryostaten eingeführt zu werden,
damit eine hinreichende Thermospannung erzeugt wird, welche den Supraleitungsstrom
hervorruft. Statt eines einzigen Thermoelementes können auch bekannte Kombinationen
aus
mehreren Thermoelementen,: z.B. in Parallelschaltung, vorge-21
sehen sein. ; Es kann ferner vorteilhaft sein, daß der spulenförmige Supraleiter
mit dem aktiven Element des-Thermoelementes verbunden ist, wobei die erste Verbindungsstelle
in ein Kältebad eintaucht, und daß die zweite Verbindungsstelle zwischen dem aktiven
und dem passiven Element des Thermoelementes außerhalb des Kältebades liegt: Ein
besonders günstiger Aufbau. läßt sich unter Umständen in der Weise erreichen, daß
der spulenf Örmige Supraleiter derart mit dem aktiven Element eines Thermoelementes
verbunden ist, daß der Supraleiter und diese erste Verbindungsstelle in der Kühlkammer
eines-Verdampferkryostaten, und daß die zweite ;Verbindungsstelle zwischen dem aktiven
und dem passiven Element des Thermoelementes außerhalb der Kühlkammer in einer Gaszone
höherer Temperatur liegt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann als aktives
Element des Thermoelementes reines Gold oder mit Eisen dotiertes Gold vorgesehen
sein. Diese Thermomaterialien zeichnen: sich durch eine hohe Thermospannung bei
Heliumtemperaturen aus.
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Es kann günstig sein, bei einer derartigen Vorrichtung auch als passives
Element des Thermoelementes einen Supraleiter zu verwenden.; Damit ergeben sich
Vorteile sowohl im Hinblick auf eine möglichst gedrängte Bauweise als auch auf die
Betriebssicherheit, da die Anzahl der Lötstellen auf das Minimum beschränkt ist.
Außerdem wird. der Widerstand des Stromkreises geringer, was sich günstig auf den
Kältemittelverbrauch auswirkt.
Wenn jedoch die warme Lötstelle in
größerer Entfernung von der kalten Lötstelle angeordnet werden muß oder wenn die
Temperatur der warmen Lötstelle höher sein muß als die Sprungtemperatur des Supraleiters,
kann es zweckmäßig sein, als passives Element einen Normalleiter, vorzugsweise Hupfer
oder Silber, zu verwenden..
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Eine vorteilhafte Bauform lot sich gegebenenfalls dadurch verwirklichen,
daß die warme Lö°dslalle und das aktive Element des Thermoelementes @,@ren.i.gstes
aa.' einem Teil. ihrer Länge von einem evakuierbaren Mantelbehälter umgeben sind.
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Um die warme Lötstelle auf die höher als die Dadtemperatur im Kryostaten
liegend-. rSolltemperw@ur zu bringen bzw. sie auf dieser Temperatur zu halten.,
kann es von. Vorteil sein, eine von einer Stromquelle außerhalb des'r@ost.t@a: geap_
= trische Heizung zu verwenden.» Diese bietet aIeög.,ea@o.° die Temperatur der %jarmen
Lötstelle auf, einen beliebigen W:Prt ec P
genau einzustellen. und gegebenenfalls
auch. züi variieren, Es kann aber auch, günstig sein, die Temperierang der warmer
Lötstelle Über eine wärmeleitende Brücke (heat switch) vorzun.ebmen, die mit einem
gegega.Ü`e,r dem Supraleiter wärmeren Teil des Kryostaten in. Verbindung s°u-ehtä
Diese Lösung bat den. Vorteil, daß keinerlei. elektrische Zuleitungen von außen
in. den K:yostaten erforderlich sind:. Um bei der@eati.eg Über eine derartige wärmeleitende
Bräcke den Wä.eüber mangwitcten. B °r"kke und Heliumbad klein zu halten und die
Temperatur der Lctstelle variieren k können, kann es nützlich sein, die wärmeleiten-de
Brücke wenigstens auf einem 'Teil ihrer 'Länge mit einem gasdichten Mantelr6hr zu
umgeben, in welchem. untergohiedliche Gasdrücke einstellbar sind. Eine Evakuierung
des Mantelrohres im Normalfall unterdrückt wirksam den Wärmeübergang von der wärme-
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leitenden Brücke an das flüssige Kältemittel. Andererseits bietet
eine Erhöhung des Gasdruckes im Mantelrohr die Möglichkeit, die wärmeleitende Brücke
zu kühlen und damit die Wärmezufuhr über die Brücke an die warme Lötstelle zu verringern
bzw: vollständig zu unterdrücken: Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren für eine derartige
Vorrichtung kann darin bestehen, daß der Supraleiter nach Erzeugung eines Stromes
durch das Thermoelement in an sich bekannter Weise kurzgeschlossen wird und daß
anschließend -die Wärmezufuhr zur wärmeren Lötstelle des Thermoelementes unterbrochen
wird. Damit wird erreicht, daß im stationären Betrieb ein Minimum an Wärme durch
die stromerzeugende Vorrichtung zum Supraleiter gebracht wird. Dies bedeutet eine
weitere Verringerung des Kältemediumverbrauchs.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt; es zeigen Figur 1 eine mit einem Thermoelement.als Stromquelle verbundene-Supraleitungssgule
in einem Heliumkryostaten, Figur 2 eine durch einen Verdampferkryostaten gekühlte
Supraleitungsspule verbunilen mit einem Thermo-_ element: Wie aus Fig.1 ersichtlich,
ist eine Supraleitungsspule 1 in einem Heliumbad 2 angeordnet, welches sich in einem
Dewargefäß 3 befindet, das von einem mit flüssigem Stickstoff 4 kühlbaren Dewargef
äß 5 umgeben ist. Die Supraleitungsspule 1 ist über Zuleitungen 6,7 mit einem Draht
8 verbunden, der das aktive Element des Thermoelement,s bildet und bspw. aus Gold
oder dotiertem Gold. besteht. Die Zuleitung 7, die das passive Element des Thermoelementes
bildet, kann aus dem Material der Supraleitungsspule, einem anderen supraleitenden
Material oder
auch aus einem normal leitenden Material wie Kupfer
oder Silber bestehen.
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Die kalte Lötstelle des Thermoelementes, die Verbindung 618, befindet
sich im flüssigen Helium. Die warme Lötstelle, die Verbindung 7/8, liegt dagegen
oberhalb des Heliumbades in einem evakuierbaren Mantelbehälter 9, welcher das aktive
Element 8 auf einem Teil seiner Länge umschließt. Sowohl das aktive Element _8:
als auch das passive Element 9 sind an ihren Durchführungsstellen 10,'I1 gasdicht
in den Mantelbehälter 9 eingelötet. Die warme Löttelle 7/8 des Thermoelementes ist
von einer elektrischen Heizung 'i2 umgeben, deren Zuleitungen durch den Mantelbehälter
9 und einen Deckel 13 des Dewargefäßes 3 . nach außen geführt und über einen Regelwiderstand
14 mit einer-Spannungsquelle 15 verbunden sind. Mit Hilfe dieser Heizung kann die
warme Läistelle auf jede zur Erzeugung eines bestimmten Thermostromes erforderliche
Temperatur gebracht werden. Die Fig.1 zeigt ferner noch in den Deckel 13 eingesetzte
An-Evakuierung 16 und 17, von denen der eine 16 zur Evakuierung des Mantelbehälters
9 dient, während der andere 17 bspw. mit einer Vakuumpumpe zur Evakuierung-des Dewargefäßes
3 und mit einem Rückgewinnungssystem für das gasförmige Helium verbunden sein kann.
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Anstelle der elektrischen Heizung kann es in manchen Anwendungsfällen
auch vorteilhaft sein, eine wärmeleitende Brücke (heat switch) innerhalb des Kryostaten
als Wärmequelle für die warme Lötstelle 7/8 zu verwenden. Auch in einem solchen
Fall besteht die Möglichkeit, die Wärmezufuhr zu steuern, vorzugsweise dadurch,
daß im Mantelbehälter 9, der auch die wärmeleitende Brücke wenigstens teilweise
umgeben sollte, unterschiedliche Gasdrücke eingestellt werden. Die wärmeleitende
Bücke
kann. darüber hinaus lösbar gestaltet sein: Nach der Ausführungsform der Fig.2 kann
zur Kühlung des Supraleiters 'I auch ein Verdampferkryostat verwendet werden. Die
koatruktiven Einzelheiten des bekannten Verdampferkryostaten (G.Klipping, ,`Chemie
- Ingenieur - Technik" 36(1964)430-4411 Abb.20) werden nur aufgeführt, soweit sie
zum Verständnis notwendig sind. Über ein Zuleitungsrohr 18 ist der Verdampfer-Iostat
mit einem nicht gezeichneten Kältemittelvorrat und durch die Abgasleitung '1g über
ein nicht gezeichnetes Regel-Ventil mit einer nicht gezeichneten Vakuumpumpe verbunden:
Das flüssige Kältemittel wird über die Zuleitung 18 in das eine Kühlkammer
20 umgebende System von Strömungskanälen 21
gesaugt und verdampft dort unter
Abkühlung der Kammer 20. Die er 20 hat also die tiefste` Temperatur innerhalb des
rstemeDas bei der Verdampfung-anfallende kalte Gas gelangt er eine Rohrspirale 22,
die mit einem Strahlungsschutz 23 Verbunden ist und diesen kühlt, in die Abgasleitung
19. Die ` Supraleitungsspule 'i sowie die Verbindungsstelle zwischen praleitungsspule
'f und aktivem Element 8 des Thermoelementes sind innerhalb der Kühlkammer 20 angeordnet
und haben somit jeweils die tiefste Temperatur. Die beiden Thermoelementdrähte j,8
sind in einem Probenenführrƒhr 24 des Kryostaten aus der Kammer 20 herausgeführt,
so das sich die Verbindungselle zwischen. dem aktiven Element $ und dem passiven.
Element 7 des ,ermoelements in einer Zone höherer Temperatur - im hier gezeigten
Beispiel. etwa der Temperatur des Strahlungsschutzes -befindet. Bei einer derartigen
Anordnung kann für die Dötatelle 7/8 jede beliebige Temperatur gewählt werden, da
innerb des Rohres 24 ein Temperaturgradient von der Temperatur der Kammer 20 bis
Raumtemperatur am Einführungsflansch 25 vorhanden-ist.