DE1803804C3 - Thermogenerator zur Erzeugung von Gleichstrom fur supraleitende Strom kreise - Google Patents

Description

gerichtet wird (J. L. Olsen, »Superconducting Rectifier and Amplifier« in »The Review of Scientific Instruments«, Vol. 29, No. 6, Juni 1958, S. 537, und T. Buchhold, »Superconductive Power Supply and its Application for Electrical Flux Pumping« in »Cryogenics«, Vol.4, S. 212).

Man hat auch versucht, Gleichstrom für supraleitende Stromkreise dadurch zu erzeugen, daß magnetischer Fluß durch eine geeignete Anordnung supraleitender Ventile in ein supragleitendes System »gepumpt« wird. Der mit den einzelnen Pumpstößen sogenannter Flußpumpen verbundene Magnetfluß wird mit der Wirkung vervielfacht, daß der mit der gepumpten Flußeinheit verknüpfte Gleichstrom ebenfalls vervielfacht wird. Sowohl bei dem Unipolardynamo (J. Vogler und P. S. Admiral, »Α Dynamo for Generating a Persistent Current in a Superconducting Circuit« in »Physics Letter«, Vol. 2, No. 5, I. 10. 1962, S. 257) wie bei der Leidener Pumpe (H. van B eel en, A. J. P. T Arnold, R. de Bruyn Ouboter, J. J. M. Beenakker, K. W. Taeon is, »A Fluß Pump for the Generation of High Persistent Currents in a Superconducting Foil Magnet« in »Physics Letter«, Vol. 4, No. 5, 1.5. !963, S. 310) wird dabei der erforderliche Gleichstrom in dem supraleitenden Stromkreis durch die Bewegung eines Magneten erzeugt. Statt den Strom durch bewegte Magnete zu erzeugen, ist ferner vorgeschlagen worden, zur Stromerzeugung das rotierende Magnetfeld einer Reihe entsprechend geschalteter Elektromagneten zu verwenden.

Alle bisher bekannten Einrichtungen zur Erzeugung von Gleichstrom in supraleitenden Stromkreisen haben den Nachteil, daß ihr Aufbau zu aufwendig ist und daß es vielfach notwendig ist, Stromzuleitungen großen Querschnitts in das Heliumbad einzuführen. Dies führt wegen der Wärmeleitung der Stromzuführungen auch bei nicht kontinuierlichem Betrieb zu Heliumverlusten durch Verdampfen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, durch die in einem supraleitenden Stromkreis auf einfache und wirtschaftliche Weise ohne Verluste an Helium Gleichströme hoher Stromstärke erzeugt werden können.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus. daß in supraleitenden S:'omkreisen Ströme mit hoher Stromstärke durch Anwendung der bekannten thermoelek tischen Erscheinung erzeugt werden können. Danach wird eine thermoelektrische Spannung dadurch erzeugt, daß zwischen den Lötstellen zweier aus verschiedenen Werkstoffen bestehender elektrischer Leiter eine Temperaturdifferenz gebildet wird. Wird nun die Thermospannung in einem kurzgeschlossenen supraleitenden Stromkreis erzeugt, so ist nach dem Ohmschen Gesetz der in dem Stromkreis fließende Strom / = ~, wobei U die Thermo-

spannung und R der elektrische Widerstand der für die Stromerzeugung verwendeten elektrischen Legierung ist. Die größte unter Verwendung bisher bekannter Legierungen erzeugbare TKermokraft in der Nähe von 4° K ist von de»· Größenordnung 10 bis 20 ₍iV/° K. Bei einer Temperaturdifferenz von 6° K zwischen beiden Lötstellen ergibt sich somit eine Thermospannung von 6Π bis 100|iV. Da es ohne weiteres möglich ist, den Widerstand der verwendeten Legierung sehr klein zu machen, lassen sich also Stromstärken von mehreren 100 oder 1000 Ampere erzeugen.

Von dieser Erkenntnis ausgehend, wird die Aufgabe gemäß der Erfindung bei einem Thermogenerator der eingangs bezeichneten Art gelöst durch eine oder mehrere an zwei einander gegenüberliegenden Kanten mit je einem mit Rippen versehenen Metallblock verlöteten, in dem in flüssiges Helium getauchten Vakuumgefäß eines Kryostaten angeordnete Platten aus einer bei einer Temperaturdifferenz der auf zwei unterschiedlichen, in der Nähe von 4° K liegenden Temperaturen gehaltenen Lötstellen eine Thermospannung hervorrufenden Legierung oder einem Metall, wobei die Rippen des einen Metallblocks in das flüssige Helium eintauchen und zum Aufheizen der Rippen des anderen Metalblocks eine Heizspirale angeordnet ist.

Es ist zwar schon bekannt, die Enden der Schenkel eines Thermoelements mit ojm Wärmeaustausch dienenden Metallblöcken zu veiiöten (deutsches Gebrauchsmuster 1 803 565), doch war dieses Thermoelement lediglich zur Erzeugung vcn Wärme oder Kälte, nicht aber zur Erzeugung von Gleichstrom für supraleitende Stromkreise geeignet. Es ist auch bekannt, bei Thermogeneratoren mit Rippen versehene Wärmeaustauscher vorzusehen, deien kalte Seite in flüssige KohlenwarserstofFe eintaucht (französische Patentschrift 1 361 199), doch war es auch mittels dieses Thermogenerators nicht möglich. Gleichstrom für supraleitende Stromkreise zu erzeugen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Platten aus Gold mit einem Zusatz von etwa 0,002 at ^u/o Eisen oder aus Kupfer mit etwa 0,02 at % Eisen und die Metallblöcke aus Reinstkupfer bestehen. Zwar ist es aus »Science«, Bd. 129, April 1959, ü. 943 bis 949, bekannt, daß Metalle, wie Gold und Kupfer, und Legierungen dieser Metalle bei Temperaturen um 4^r K eine Thermokraft aufweisen. Doch ist es bisher nicht bekanntgeworden, in welcher Weise diese Erscheinung bei Thermogeneratoren, die einen Gleichstrom für supraleitende Stromkreise mit hohen Stromstärken erzeugen sollen, ausgenutzt werden kann.

Um eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, bestehen die Metallblöcke und die Rippen jeweils aus einem Stück. Die Platten aus der thermoelektrischen Legierung sind aus hochreinem Ausgangsmaterial hergestellt, da geringe Verunreinigungen die hohe Thermokraft der verdünnten Legierungen stark herabsetzen können. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nach der Bearbeitung und vor dem Einbau die Platten sorgfältig zu tempern, um strukturelle Gitterfehler zu beseitigen. Es ist weiterhin vorteilhaft, als Lot einen bei 4° K supraleitenden Werkstoff, beispielsweise eine Blei-Zinn-Legierung, zu verwenden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Thermogenerators für supraleitende Stromkreise gemäß der Erfindung ist zum Anschluß der beiden Metallblöcke an den supraleitenden Stromkreis an diesen je ein supraleitendes, aus doppelseitig mit einer Niob-Zinn- oder einer Niob-Zirkon-Legierung beschichtetes Band aus bekanntem korrosionsfestem Stahl so angebracht, daß die Stromwege durch die Metallblöcke möglichst klein sind.

Eine zweckmäßige Weiterausgestaltung dieses Thermogenerators besteht darin, daß auf der Ober-

fläche des supraleitenden Bandes zur Verbesserung jeweils auf die Oberfläche eine Lotschicht aufgc-

dcr Lötcigcnschaftcn eine Leitschicht aufgebracht ist. bracht. Dadurch wird erreicht, daß die supralcitcn-

F.S hat sich als völlig ausreichend erwiesen, daß den Bänder H und / über die beiden Metallblöcke Ii die supraleitenden Bänder an den Austrittsstellcn und C in gutem elektrischen Koniakt mit den Platans dem Vakuumgefäß des Kryostaten vakuumdicht 5 ten/1 stehen. Um den elektrischen Widerstand inner-* so in die Wand des Vakuumgcfäfics eingelötet sind, halb der Metallblöckc B und C so klein wie möglich daß der elektrische Widerstand der Verbindung über zu halten, wird den Metallblöcken eine solche Form das Vakuumgefäß zwischen beiden Durchführungen erteilt, daß die Stromwege durch das Metall gleichgroß ist gegenüber dem Widerstand des kurzgcschlos- falls so klein wie möglich sind. Die Dicke der Metallscncn supraleitenden Stromkreises. io blöcke B und C beträgt daher ausschließlich der

Ein großer Vorzug des Thcrmogenerators für Rippen D und E ein Mehrfaches der Dicke der Plat-

supraleitcnde Stromkreise gemäß der Erfindung be- ten aus der thermoelektrischen Legierung. Um eine

steht darin, daß durch Variation der Temperatur auf möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen,

der heißen Seite der Platten aus -der thermoclektri- sind die Metallblöcke B und C einschließlich der an

sehen Legierung die Stromstärke in einem großen «s ihnen angeordneten Rippen D und E aus einem

Bereich veränderbar ist. Stück gefertigt.

Werden aus einer oder mehreren an zwei einander Die Vorteile des Thermogenerators gemäß der

gegenüberliegenden Kanten mit je einem Mctallblock Erfindung gehen aus dem nachfolgenden Ausfüh-

vcrlötetcn Platten gebildete Generatoren parallel rungsbeispicl hervor: Werden 6 Platten mit einer

geschaltet, so kann dadurch die Stärke des in dem ao Dicke von 2 mm, einer Breite von 30 mm und einer

supraleitenden Stromkreis erzeugten Gleichstroms Länge von 12 mm aus Gold mit einem Zusatz von

beliebig erhöht werden. 0,002 at ⁰Zo Eisen in einem Abstand von etwa 6 mm

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des zwischen Kupferblöcken angeordnet und wird dabei

Thermogencrators für supraleitende Stromkreise ge- die Temperatur mittels der an diesen angeordneten

muß der Erfindung schematisch wiedergegeben. Da- »s Rippen an dem unteren Kupferblock bei etwa 4' K

bei t das Vakuumgefäß des Kryostaten nicht mit und bei dem oberen Kupferblock bei 10 K gehalten,

eingezeichnet. dann ist bei einem spezifischen elektrischen Widcr-

Vvic aus der Zeichnung hervorgeht, sind mehrere stand von 0,03 |tUcm der verwendeten Legierung parallel zueinander angeordnete Platten A einer und der Thermokraft S = 12 jtV/" K der elektrische geeigneten thermoelektrischen Legierung an zwei 3« Widerstand R-- !0 "μίί. Bei einer Spannung vnn vorzugsweise aus Rcinstkupfer bestehende Metall- 70 |iV fließt dann in dem supraleitenden Stromkreis blöcke R und C angelötet. Dabei wird als Lot zweck- ein Strom von etwa 7000 Ampere,
maßig ein bei den Arbeitstemperaturen in der Nähe Nachteile, die beim Betrieb des Thermogencralors von 4 K supraleitender Werkstoff, beispielsweise für supraleitende Stromkreise gemäß der Erfindung eine Blci-Zinn-Legierung, verwendet. Um einen 35 durch die Verdampfung von Helium bestehen könmöglichst gleichmäßigen Abstand zu erzielen, sind nen, lassen sich dadurch vermeiden, daß der Genein den Metalblöckcn B und C jeweils rechtwinklige rator zur Stromerzeugung in einem supraleitenden Nuten vorgesehen, in die die Platten A eingelötet System benutzt wird, daß jedoch im Anschluß daran werden. Einer der beiden Metallblöcke, z. B. C, ist das System mittels eines supraleitenden Schalters in in dem Boden des — in der Zeichnung nicht darge- 40 den Dauerstrombetrieb gebracht und der Generator stellten — Vakuumgefäßes des Kryostaten so cinge- abgeschaltet wird. Um die Verluste an Helium mögbaut, daß die an ihm angeordneten Rippen E in das liehst niedrig zu halten, ist es zweckmäßig, die höhere außerhalb des Vakuumgefäßes befindliche flüssige Temperatur der beiden Lötstellen unterhalb 10° K Helium eintauchen. Der andere Metallblock B ist zu wählen. Zwar wird dadurch die erzeugte Spanmit den an ihm angeordneten Rippen D ebenfalls in 45 nung gleichfalls erniedrigt, doch läßt sich dies ohne dem Vakuumgefäß des Kryostaten angeordnet. Er weiteres dadurch ausgleichen, daß durch entspreist mittels die Rippen umfassender Heizspiralen G chende Dimensionierung des Querschnittes der Plataufheizbar. An beiden Metallblöcken B und C sind ten der Widerstand der Platten herabgesetzt wira.
jeweils zur Verbindung mit dem in dem flüssigen Ein großci Vorzug des Thcrmogenerators gemäß Helium vorgesehenen supraleitenden Stromkreis 50 der Erfindung besteht in seiner einfachen Hcrstelsupralcitende Bänder H und / angeschlossen. Dabei lungsweise und in seiner wartungsfreien Bctriebswird als supraleitendes Band zweckmäßig ein dop- weise. Außerdem ist er sehr raumsparend. Im übrigen pelseitig mit einer Niob-Zinn- oder Niob-Zirkon- ist es selbstverständlich auch möglich, als Werkstori Legierung beschichtetes Band aus korrosionsfestem für die Platten statt Gold mit einem Zusatz von Eisen Stahl verwendet. Wie aus der Zeichnung nicht her- 55 andere Edelmetalle mit magnetischen Verunreinigunvorgeht, ist außerdem zur Verbesserung der Lot- gen oder aber auch verdünnte Kupferlegicrungen zu eigenschaften der supraleitenden Bänder H und / verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2 10. Thermogencrator nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Patentansprüche: oder mehreren an zwei einander gegenüber liegenden Kanten mit je einem Metallblock (B, C)

1. Thermogenerator zur Erzeugung von 5 verlöteten Platten (A) gebildete Generatoren Gleichstrom für supraleitende Stromkreise, bei parallel geschaltet sind.

dem die Thermoelementschenkel mit dem
Wärmeaustausch dienenden Metallblöcken verlötet eind, gekennzeichnet durch eine .

oder mehrere an zwei einander gegenüber- io
liegenden Kanten mit je einem mit Rippen (D, E)
versehenen Metallblock (B, C) verlötete, in dem

in flüssiges Helium getauchten Vakuumgefäß ¹T;;. Erfindung bezieht sich auf einen Thermo-

eines Kryostaten angeordnete Platten (A) aus generator zur Erzeugung von Gleichstrom für einer bei einer Temperalurdifferenz der auf zwei 15 supraleitende Stromkreise, bei dem die Thermounterschiedlichen, in der Nähe von 4° K liegen- elementschenkel mit dem Wärmeaustausch dienenden Temperaturen gehaltenen Lötstellen eine den Metallblöcken verlötet sind. Insbesondere be-Thermospannung hervorrufenden Legierung oder zieht sich die Erfindung auf einen Thermogenerator einem Metall, wobei die Rippen (£) des einen für supraleitende Stromkreise mit hohen Strom-Metallblocks (C) in das flüssige Helium ein- 20 stärken.

tauchen und zum Aufheizen der Rippen (D) des Supraleitende Stromkreise mit hoher Stromstärke

anderen Metallblocks (S) eine Heizspirale ange- werden zu verschiedenen Zwecken verwendet. Ein ordnet ist. Hauptanwendungsgebiet sind supraleitende Magnet-

2. Thermogenerator nach Anspruch 1, da- spulen, durch die große Magnetfelder ohne oder durch gekennzeichnet, daß die Platten (A) aus 25 unter geringem elektrischem Energieverbrauch aufGold mit einem Zusatz von etwa 0,002 at ° 0 rechterhalten werden. Solche supraleitenden Magnet-Eisen oder aus Kupfer mit etwa 0,02 at %> Eisen spulen spielen in Forschung und Technik eine und die Metallbl?cke (B, C) aus Reinstkupfer bedeutende Rolle. So werden große supraleitende bestehen. Magnetspulen in der Hochenergiephysik und in der

3. Thermogenerator nach Anspruch 2, da- 30 Plasmaphysik verwendet. Dabei wird, um den durch gekennzeichnet, dab die Metallblöcke Anforderungen Rechnung zu tragen, die Herstellung (B, C) einschließlich der an ihnen angeordneten von supraleitenden Magnetspulen für mehrere Rippen (D, E) aus einem Stück bestehen. tausend Ampere angestrebt.

4. Thermogenerator nach Anspruch 2, da- Supraleitende Magnetspulen werden im allgcmeidurch gekennzeichnet, daß die Platten (A) vor 35 nen mit einem handelsüblichen Gleichstromgeneradem Einbau getempert sind. tor betrieben. Die Stromverbindung η laufen dabei

5. Thermogenerator nach den Ansprüchen 1 von dem Generator in das flüssige Helium, durch und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot das die Spule auf der für die Supraleitung erforderaus einem bei 4 K supraleitenden Werkstoff liehen Temperatur von etwa 4' K gehalten wird, besteht. 40 und sind in dem Heliumbad an die supraleitende

6. Thermogenerator nach Anspruch 5, da- Spule angeschlossen. Ein großer Nachteil dieser durch gekennzeichnet, daß das Lot aus einer Einrichtungen besteht jedoch darin, daß der Gleichsupraleitenden Blei-Zinn-Legierung besteht. stromgenerator sich auf Zimmertemperatur be-

7. Thermogenerator nach den Ansprüchen 1 findet, so daß die Stromzuleitungen von Zimmerbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum An- 45 temperatur in den Bereich geführt werden müssen, schluß der beiden Metallblöcke (B, C) an den der sich auf der Temperatur des flüssigen Heliums supraleitenden Stromkreis an diesen je ein befindet.

supraleitendes, aus doppelseitig mit einer Niob- Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind daher

Zinn- oder einer Niob-Zirkon-Legierung be- auch schon Gleichstromgeneratoren entwickelt schichtetes Band (H, I) aus korrosionsfestem 50 worden, bei denen der Strom in dem in flüssigem Stahl so angebracht ist, daß die Stromwege Helium angeordneten Teil der Einrichtung erzeugt durch die Metallblöcke (B, C) möglichst klein wird. So ist beispielsweise ein Gleichstromtransforsind. mator mit supraleitender Sekundärspule bekannt.

8. Thermogenerator nach Anspruch 7, da- Dabei besteht der supraleitende Sekundärkreis aus durch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche 55 einer Sekundärspule von wenigen Windungen mit der supraleitenden Bänder (H, I) zur Verbesse- großem Querschnitt und die Feldspule aus zahlrung der Löteigenschaften eine Lotschicht auf- reichen Windungen kleinen Querschnitts. Schaltet gebracht ist. man den Primärstrom ab, so wird dadurch im

9. Thermogenerator nach den Ansprüchen 7 Sekundärkreis ein Dauerstrom erzeugt (K. Men- oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die supra- 60 delssohn, »Production of High Magnetic Fields leitenden. Bänder (H, I) an den Austrittsstellen at Low Temperatures« in »Nature«, a Weekly Jouraus dem Vakuumgefäß des Kryostaten vakuum- nal of Sience, London, Vol. 132, No. 3337, 14. 10. dicht so in die Wand des Vakuumgefäßes ein- 1933, S. 602). Diese Einrichtung ist verschiedentlich gelötet sind, daß der elektrische Widerstand der verbessert worden. So hat man auch schon die Verbindung über das Vakuumgefäß zwischen 65 Primärspule eines Transformators der vorgenannten beiden Durchführungen groß ist gegenüber dem Art mit Wechselstrom niedriger Stromstärke gespeist Widerstand des kurzgeschlossenen supraleiten- und dadurch einen Wechselstrom hoher Stromstärke den Stromkreises. erzeugt, der mit supraleitenden Elementen gleich-