DE1908885A1 - Electrical conductor with several stranded superconductor cores - Google Patents

Electrical conductor with several stranded superconductor cores

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Description

8002-69/Br.v.B/Ro. Dr.-/ng. Ermf Sommerfeld 19088858002-69 / Br.vB / Ro. Dr .- / ng. Ermf Sommerfeld 1908885

Dr. D/efer v. Bezold Dr. D / efer v. Bezold

Pateritar.wiilie - _ ' " Pateritar.wiilie - _ '"

München 23, Dunanislr. 6 Munich 23, Dunanislr. 6th

Institut für Plasmaphysik G.m.b.H. München-GarchingInstitute for Plasma Physics G.m.b.H. Munich-Garching

Elektrischer Leiter mit mehreren verseilten Supraleiteradern. Electrical conductor with several stranded superconductor cores .

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Leiter für " supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken, mit mehreren mitteinander verseilten Supraleiteraäern. i - The present invention relates to electrical conductors for " superconducting windings or switching sections, with several superconducting wires stranded together. i -

Es ist bekannt, supraleitende Wicklungen in einem Bad aus flüssigem Helium zu betreiben, um die niedrige Arbeitstemperatur von beispielsweise 4,2°K aufrecht zu erhalten und die von außen einströmende und in der Wicklung entstehende Wärme abzuführen. Es ist auch bekannt, die Wicklung aus rohrförmigen Leitern aufzubauen, die im Innern das Kühlmittel, z.B. flüssiges oder gasförmiges Helium führen. Die Wicklung braucht dann außerhalb der Leiter nur eine Wärmeisolation, aber keinen Heliurabehälter. Solche direkt gekühlte, hohle Leiter bestehen aus einem Rohr aus normalleitendem Metall wie Kupfer oder Aluminium, in das Supraleiterädern als Einzeldrähte eingebettet sind, oder das den Supraleiter als Oberflächenschicht an seiner Innen- oder Außenseite trägt. Naturgemäß hat ein solches Rohr einen Durchmesser von mehreren Millimetern, da sonst das zur Kühlung erforderliche Kühlmittel nicht durchströmen kann. Derartige Abmessungen führen nun bei Leitern für Stromstärken über 100 A bzw. bei Wicklungen für magnetische Feldstärken über 1000 Oe zu nennenswerten Verlusten bei Strom- und Feldänderungen, also z.B> bei Wicklungen für Wechselstrom, aber auch bei Wicklungen für Gleichstrom, die innerhalb begrenzter Zeit auf- und aberregt werden. Es entstehen dabei Wirbelstromverluste und Hysterese-Verluste. Die Verluste steigen mit dem Quadrat des Durchmessers und der Magnetfeldstärke. Sie können bei hoher Feldstärke für die Bemessung der Rückkühlanlage derIt is known to operate superconducting windings in a bath of liquid helium in order to achieve the low working temperature of, for example, 4.2 ° K and that from the outside Dissipate inflowing heat generated in the winding. It is also known to build the winding from tubular conductors which carry the coolant, e.g. liquid or gaseous helium, inside. The winding then needs to be outside the conductor only a thermal insulation, but no heliura container. Such directly cooled, hollow conductors consist of a tube made of normal conducting Metal such as copper or aluminum, in which superconductor wheels are embedded as single wires, or the superconductor as a surface layer on its inside or outside. Naturally, such a pipe has a diameter of several Millimeters, as otherwise the coolant required for cooling cannot flow through. Such dimensions now lead to Conductors for currents above 100 A or, in the case of windings, for magnetic ones Field strengths above 1000 Oe lead to significant losses Current and field changes, e.g.> in windings for alternating current, but also with windings for direct current, which are excited and de-excited within a limited time. Eddy current losses arise in the process and hysteresis losses. The losses increase with it the square of the diameter and the magnetic field strength. You can with high field strength for the dimensioning of the recooling system of the

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Wicklungen eine·ausschlaggebende Rolle spielenβ Um diese. Schwierigkeit zu vermeiden, und gleichzeitig den Vorteil der oben ge- , schilderten rohrförmigen Leiterbauweise ebenfalls zu erreichen, j wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für supraleitende Wicklungen oder Schaltstrecken einen elektrischen Leiter aus mehreren miteinander verseilten Supraleiteradern aufzubauen, dieses Seil mit einer vakuumdichten Hülle zu umgeben und den Zwischenraum zwi·? sehen den einzelnen Adern des Seiles und zwischen Seil und Hülle mit flüssigem oder überkritischem Helium niedriger Temperatur auszufüllen. Der Aufbau des Leiters als Seil aus vielen voneinander isolierten und verdrillten Einzeladern vermeldet nennenswerte Wirbelstrom- und Hystereseverluste und gestattet einen großflächigen Kontakt mit dem Kühlmittel» Darüber hinaus erhält man einen leicht biegsamen Leiter, der sich auch für Wicklungen mit kleinem ■Biegeradius verwenden läßt. 'Windings a · decisive role β To this. To avoid difficulty, and at the same time to also achieve the advantage of the tubular conductor construction described above, j it is proposed according to the invention to build an electrical conductor from several superconductor cores stranded together for superconducting windings or switching paths, to surround this rope with a vacuum-tight sheath and the Space between see the individual cores of the rope and between the rope and the sheath being filled with liquid or supercritical helium at a low temperature. The structure of the conductor as a rope made up of many isolated and twisted individual cores reports significant eddy current and hysteresis losses and allows extensive contact with the coolant. '

j Um das Supraleiter-Material gut auszunützen, ist es ferner j bekannt, den Supraleiter voll zu stabilisieren<> Dies geschieht '. durch die Verbindung des Supraleiters mit einem mehrfach größeren Querschnitt aus hochreinem Kupfer oder Aluminium„ Dies bewirkt, daß bei Flußsprüngen im Supraleiter die lokalen Verluste lclein bleiben,- weil der Strom aus dem Supraleiter in einen ausreichend großen Querschnitt des Stabilisierungsmetalles übergehen kann/ dessen Verluste durch das Kühlmittel dauernd abgeführt werden können. Diese Methode versagt aber bei Glei c'hstromwi cklungen, die starken Magnetfeldänderungen ausgesetzt sind, z.B", bei Erreger- . wicklungen von Großmaschinen, bei Wechselstromwicklungen und bei Kryotrons, weil dabei umsomehr Wirbelstromverluste im Stabilisierungsmetall entstehen, je größer dessen Querschnitt Ist. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird daher der Querschnitt der Seiladern des Leiters so verkleinert, daß die Wirbelstromverluste vernachlässigbar sind. Hysterese-Verluste werden dadurch praktisch· vermieden, daß die Supraleiterseelen der Adern sehr dünn, gegen-' einander isoliert und verdrillt sindβ Enthält eine Ader mehrere supraleitende Seelen, so sind auch diese- verdrillt, gegeneinander jedoch nur durch normaileitendes Metall getrennt. Um die bei Fluß-4 änderungen trotzdem noch auftretenden restlichen Flußsprüngemit ihrer lokalen Erwärmung unschädlich zu machen,, werden die Adern von einem Wärmespeicher umgeben^ der diese lokalen Wärmemengen . ohne nennens-= .,.■-'-In order to make good use of the superconductor material, it is also known to fully stabilize the superconductor <'This happens'. through the connection of the superconductor with a cross-section of high-purity copper or aluminum that is several times larger. This means that the local losses remain small in the event of flux jumps in the superconductor - because the current from the superconductor can pass into a sufficiently large cross-section of the stabilizing metal / its losses through the coolant can be continuously removed. However, this method fails with Glei c'hstromwi cklungen that are exposed to strong magnetic field changes, for example, "excitation windings of large machines, alternating current windings and cryotrons, because eddy current losses arise in the stabilizing metal, the larger its cross-section embodiment of the invention, therefore, the cross-section of the cable wires of the conductor is reduced so that the eddy current losses are negligible. hysteresis losses are thus practically · avoided that the superconductor souls of veins very thin, counter 'isolated from each other and twisted are β Contains a vein several superconducting souls, these are also twisted, but only separated from each other by normal metal . without naming- =.,. ■ -'-

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!werte Temperatur-Erhöhung aufnehmen kann. Als solcher Wärmespei- j! values can absorb temperature increase. As such heat storage j

'eher ist flüssiges oder Überkritisches Helium besonders gut ge- \ ;eignet, da seine auf die Volumens-Einheit bezogene Wärmespeicher- I ^Fähigkeit im Temperaturbereich von 4-5 0K mehr als tausendmal so ! groß ist, als die der bisher verwendeten Metalle Kupfer und Alu- | minium. Diese Metalle sind nicht in der Lage, eine nennenswerte I j Wärmemenge aufzunehmen, sie müssen sie sofort an das Kühlmittel : I weitergeben, wenn sie nicht eine für die Supraleitung schädliche Temperatur annehmen sollen. Deshalb ist auch die bisher übliche Konstruktion mit großen Mengen von Stabilisierungsmetall nur betriebssicher, wenn sich keine Gasblasen von unterkritischem Druck an der Oberfläche des Stabilisierungsmetalles ansammeln. Diese | !Bedingung ist auch für die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Leiterbauart maßgebend. Bei.Kühlung mit überkritischem Helium ist sie von vorneherein erfüllt. Bei Kühlung mit flüssigem 'Helium, also unterkritischem Druck des Kühlmittels, kann man sie !durch konstruktive Maßnahmen, z.B. eine kräftige Strömung des \ flüssigen.Kühlmittels oder senkrechte Leiteranordnung einhalten.'more liquid or supercritical helium is particularly well overall \; suitable because its related to the volume of heat storage unit I ^ ability in the temperature range of 0 4-5 K more than a thousand times! is larger than that of the metals copper and aluminum used so far minium. These metals are not able to absorb a significant amount of heat; they have to pass it on to the coolant immediately if they are not to assume a temperature that is harmful to superconductivity. Therefore, the construction with large amounts of stabilizing metal, which has been customary up to now, is only operationally reliable if no gas bubbles of subcritical pressure accumulate on the surface of the stabilizing metal. This | ! Condition is also decisive for the operational safety of the ladder construction according to the invention. In the case of cooling with supercritical helium, it is fulfilled from the outset. With cooling with liquid 'helium, so subcritical pressure of the coolant, they can! By design measures, eg follow a strong flow of \ flüssigen.Kühlmittels or vertical conductor arrangement.

! Bei einer Weiterbildung des Leiters gemäß der Erfindung werj den demnach Supraleiteradern mit kleinem Durchmesser, mit einer gewissen Menge Metall in gut wärmeleitenden Kontakt gebracht, so daß die Oberfläche der Ader gegenüber der Oberfläche der Aderseele j vergrößert wird. Die Aderoberfläche steht zum größeren Teil mit 'dem Kühlmittel in direkter Berührung. Die Aderisolierung darf also g ; keinen zusammenhängenden Überzug bilden. Die Isolierung wird am . - ' ; einfachsten durch eine ganz lockere Umspinnung mit isolierenden ' Fäden bewirkt,'z.B. wird Glasfaserzwirn von mindestens 50 /um ! Durchmesser schraubenlinienförmig um die Ader herumgewickelt, wof bei die Steigungshöhe der Schraubenlinie mehrfach so groß wie die Zwirndicke ist. Die Ädern werden zu einem Seil verarbeitet, dessen aufeinanderfolgende Lagen gegensinnig verdrillt sind. Man kann die Lagen auf einen isolierenden heliumdurchlässigen Kern wickeln, z.B. auf eine Schraubenfeder aus einem Kunststoff-Faden. Zur guten Platzausnutzung ist es zweckmäßig, das runde oder ovale Seil in eine rechteckige Hülle so einzuschließen, daß an den vier Ecken freie Strömungsquerschnitte entstehen. Trotzdem kann das Seil sich in allen vier Richtungen abstützen. Die erfindungsgemäße Leiter-! In a further development of the conductor according to the invention, the superconductor cores with a small diameter are brought into good heat-conducting contact with a certain amount of metal, so that the surface of the core is increased compared to the surface of the core j. The core surface is for the most part in direct contact with the coolant. The core insulation may therefore g ; do not form a coherent coating. Isolation is on. - '; The simplest way of doing this is through a very loose covering with insulating 'threads,' for example, a glass fiber thread of at least 50 / um! Diameter wound helically around the wire, where f at the pitch of the helix is several times the size of the twisting thickness. The veins are processed into a rope, the successive layers of which are twisted in opposite directions. The layers can be wound on an insulating, helium-permeable core, for example on a helical spring made from a plastic thread. To make good use of space, it is advisable to enclose the round or oval rope in a rectangular envelope in such a way that free flow cross-sections are created at the four corners. Nevertheless, the rope can be supported in all four directions. The inventive conductor

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,bauart hat zur Folge, daß der Innenraum der Hülle zu mindestens einem Viertel, vorzugsweise aber zu mehr als der HÜlfte vom Kühljmittel ausgefüllt wird. Trotzdem erhält man günstige effektive Stromdichten. Sie liegen auch bei Gleichstrorawicklungen günstiger I als bei voll stabilisierten Wicklungen der üblichen Bauweise., design has the consequence that the interior of the shell is at least a quarter, but preferably more than half of the coolant is filled out. Nevertheless, you get cheap and effective ones Current densities. They are also cheaper with direct current windings I than with fully stabilized windings of the usual design.

! Die vakuumdichten Hüllen werden zweckmäßig über das fertige ι Seil stranggepreßt. Bei kürzeren Leiterlängen kann das Seil auch : in die Hülle eingezogen werden. Die Hülle kann aus Metall, Kunst-I stoff oder Glas usw. bestehen. Nimmt man Metall, so soll dieses bei der niedrigen Betriebstemperatur keine besonders hohe Leit-' fähigkeit besitzen. Als extrudlerbare Metalle eignen sich z.B. Aluminium geringer Reinheit, Aluminium^Zink^Legierungen oder nicht supraleitende Blei-Legierungen. Stranggepreßte Kunststoffhüllen können durch einen Überzug aus Metall vakuumdicht gemacht werden. Man kann z.B. einen zusätzlichen dünnen Überzug aus einem Kunststojff aufpressen, der sich mit einem fest haftenden Nickelüberzug durch stromlose Reduzierung versehen läßt, auf den dann auf galvariischeni Wege ein weiterer porenfreier Metallüberzug, z.B. Nickel oder Chrom, von einigen vum Dicke aufgebracht wird.! The vacuum-tight sheaths are expediently extruded over the finished rope. With shorter ladder lengths, the rope can also : be pulled into the sheath. The shell can be made of metal, plastic or glass, etc. consist. If metal is used, it should not have a particularly high conductivity at the low operating temperature. Examples of suitable extrudable metals are aluminum of low purity, aluminum ^ zinc ^ alloys or non-superconducting lead alloys. Extruded plastic casings can be made vacuum-tight by a coating of metal. For example, an additional thin coating of plastic can be pressed on, which can be provided with a firmly adhering nickel coating by electroless reduction, on which another pore-free metal coating, e.g. nickel or chromium, a few µm thick is then applied in a galvariic way.

Wird das Seil mit einer Metallhülle umgeben, so ist es zweckmäßig, das Seil mit isolierenden Fäden locker zu umspinnen, so daß es einerseits von der Hülle isoliert ist, das Helium jedoch aus dem freien Strömungsquerschnitt zwischen die Adern des Seiles eindringen kann. Dies hat den Vorteil, daß die Hüllen außen für nebeneinander liegende Windungen nicht isoliert- zu werden brau·*- chen. Zur Verhinderung großer Wirbelstromverluste in den aneinan» derliegenden Hüllen einer Wicklung genügen bereits die natürlichen; Oxydschichten zwischen den einzelnen Windungen. Die ganze Wicklung bildet einenjgut wärmeleitenden'■ Körper* der bei Gleichstrom-Wicklungen nur an seiner Oberfläche gekühlt und auf die Betriebstemperatur gebracht werden muß. Das Kühlmittel im Innern der Htillej braucht dann nicht zu zirkulieren und dient nur dazu, durch seine hohe spezifische Wärraespeicherfähigkeit die bei Flußsprüngen und Feldänderungen entstehenden Wärmemengen aufzunehmen und zu verhindern, daß dabei lokale Übererwärmungen auftreten, die zu einer Löschung der Supraleitfähigkeit führen könnten* Die ganze Wicklung wird innerhalb der Wärmeisolation von einem Schirm aus wärme-i If the rope is surrounded by a metal sheath, it is advisable to to loosely wrap the rope with insulating threads, like this that on the one hand it is isolated from the shell, but the helium can penetrate from the free flow cross-section between the cores of the rope. This has the advantage that the sleeves are outside for adjacent turns not to be isolated- need * - chen. To prevent large eddy current losses in the adjacent » the sheaths lying on the side of a winding already suffice with the natural ones; Oxide layers between the individual turns. The whole winding forms a body that conducts heat well in direct current windings only cooled on its surface and to the operating temperature must be brought. The coolant inside the Htillej then does not need to circulate and only serves, due to its high specific heat storage capacity, for river jumps and Absorb and prevent heat quantities generated by changes in the field, that local overheating occurs, which could lead to a quenching of the superconductivity

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leitendem Metall umgeben, der mittels von flüssigem oder überkritischem Helium durchströmten Rohren auf der niedrigen Betriebstemperatur gehalten wird. Zur ersten Abkühlung kann durch solche
Rohre auch zunächst flüssiger Stickstoff geleitet werden, ohne
daß das Innere der Leiterhüllen durch einen Stoff verunreinigt ! wird, der beim Abkühlen auf 4,2 °K fest wird und die Leiterhüllen I innen verstopfen könnte. Bei einer solchen Anordnung mit Kühlung .; der Wicklung von außen genügt es, die Leiterhüllen an einem oder '■ beiden Enden der Wicklung an eine Helium-Vorratsflasche anzuschließen. Beim Abkühlen der zunächst gasförmigen Hüllenfüllüng
kann dann Helium nachströmen und immer der gleiche Druck aufrechterhalten werden* \
Surrounded by conductive metal, which is kept at the low operating temperature by means of tubes through which liquid or supercritical helium flows. For the first cooling you can use such
Pipes are also initially passed without liquid nitrogen
that the inside of the conductor sheaths contaminated by a substance! becomes, which solidifies when cooling to 4.2 ° K and the conductor sheaths I could clog inside. In such an arrangement with cooling.; the winding from the outside, it is sufficient to connect the fiber claddings at one or '■ both ends of the winding to a helium reservoir bottle. When the initially gaseous Hüllenfüllüng cools down
then helium can flow in and the same pressure can always be maintained * \

Befinden sich die Zuführungen zur Wicklung auf Zimmertemperatur, so verwendet man zweckmäßig Heliumgasflaschen hohen Druckes,
der dann durch Reduzierventile auf den Betriebsdruck innerhalb der Leiterhülle herabgesetzt wird. Ist der Betriebsdruck unterkritisch, wird das Helium innerhalb der Hülle bei Abkühlung auf 4,2 0K flüs-; sig, ist er überkritisch, z.Be also 3 ata, so bleibt das Helium
bei hoher Dichte gasförmig und es können sich keine Gasblasen ; · bilden.
If the supply lines to the winding are at room temperature, it is advisable to use high-pressure helium gas cylinders,
which is then reduced to the operating pressure inside the conductor sleeve by reducing valves. If the operating pressure subcritical, the liquid-helium within the sheath when cooled to 4.2 K 0; sig, if it is supercritical, e.g. e = 3 ata, then the helium remains
gaseous at high density and no gas bubbles can form; · form.

Verwendet man den erfindungsgemäßen Leiter für Wechselstrom
oder sich häufig in seiner Stärke ändernden Gleichstrom oder als
magnetisch gesteuerte Schaltstrecke (Kryotron), muß man also mit
nennenswerten Verlusten im Betrieb rechnen, genügt es nicht, die % von außen einströmende Wärme an der Oberfläche der ganzen Wicklung durch einen gekühlten Schirm fernzuhalten. Es muß dann jeder Leiter im Innern der Hülle dauernd gekühlt werden. In diesem Fall
wird das Kühlmittel im Innern der Hülle laufend durch frisch ge- '
kühltes ersetzt. Der Leiterhülle wird in geeigneten Abständen ; frisches Kühlmittel zugeführt, das dann durch die Leiterhülle ; strömt und nach einer gewissen Entfernung wieder ausströmen kann.
Liegen die Leiterhüllen auf Erdpotential, so kann die Kühlraittelzur
If the conductor according to the invention is used for alternating current
or direct current or as a frequently changing strength
magnetically controlled switching path (Kryotron), so you have to
If you expect significant losses during operation, it is not enough to keep away the% of the heat flowing in from the outside on the surface of the entire winding by means of a cooled screen. Each conductor in the interior of the envelope must then be continuously cooled. In this case
the coolant inside the shell is constantly being fed through
chilled replaced. The conductor sleeve is at suitable intervals; fresh coolant supplied, which then through the conductor sleeve ; flows and can flow out again after a certain distance.
If the conductor sheaths are at ground potential, the cooling rack can be closed

: und ableitung,durch Metallrohre innerhalb der Wärmeisolation er- !: and dissipation, through metal pipes within the thermal insulation!

.folgen. Sind metallische Leiterhüllen mit dem Leiterseil in elek- ·. .follow. Are metallic conductor sheaths with the conductor cable in electrical ·.

; trischem Kontakt, so wird die wiederholte Kühlmittelzufuhr und Ab-; \leitung über Isolierrohre bzw. Metallrohre mit isolierendem Zwi- j schenstück vorgenommen. Dann muß auch die Leiterhülle jeder Win- j; tric contact, the repeated coolant supply and discharge ; \ line via insulating pipes or metal pipes with an insulating intermediate piece. Then the conductor cover must also be j

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jdung von den anderen Windungen elektrisch isoliert werden« i Die Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung,näher J erläutert. Es zeigen:jdung are electrically isolated from the other windings " i The details of the invention are based on the drawing, in more detail J explained. Show it:

Fig. 1 Querschnitt eines Leiters für Gleichstrom großer Stromstärke j ',Fig. 1 Cross section of a conductor for direct current of high current strength j ',

Fig. 2 Querschnitt durch eine Ader eines Leiters nach .Fig. 1;Fig. 2 cross section through a wire of a conductor after .Fig. 1;

Fig. 3 Querschnitt durch eine Gleichstrom-Wicklung aus Leitern nach Fig. 1; . 3 shows a cross section through a direct current winding made of conductors according to FIG. 1; .

Fig. 4 schematische Darstellung einer Wicklung nach Fig„ 3 ■ einschließlich der Kühleinrichtung! ".-'.'■ . - , ;FIG. 4 shows a schematic representation of a winding according to FIG. 3 including the cooling device! ".- '.' ■. -,;

Fig. 5 Querschnitt durch einen.Leiter für eine Wechselstrom-Wicklung; 5 shows a cross section through a conductor for an alternating current winding;

Fig. 6 Querschnitt durch eine Ader für einen Leiter nachFig. 6 cross section through a wire for a conductor according to

Pig. 5s' . / ; : Pig. 5s'. / ; :

Fig. 7 Querschnitt durch einen Kryotron-Leiter; ■7 shows a cross section through a cryotron conductor; ■

Fig. 8 ein Verbindungsstück für zwei Leiter nach Fig. 1 und T^ Fig. 9 Querschnitt durch einen Leiter mit Mehrfachseil0 8 shows a connecting piece for two conductors according to FIG. 1 and FIG. 9 cross section through a conductor with multiple rope 0

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Leiters für Gleichstrom von beispielsweise 10 000 A. Auf einen wellenförmig gefalteten und! gelochten Kunststoffsteg 1 sind supraleitende isolierte Adern 2 . in mehreren Lagen gegensinnig verdrillt aufgewickelt. Durch eine '. lockere Umspinnung 3 Riit isolierenden Fäden 1st das Seil gegen eine äußere Hülle 5 isoliert. Die Hülle aus einer Aluminiumlegierung ist auf das fertige Seil durch Strangpressen aufgebracht« An den vier Ecken der Hülle bleiben freie Strömungsquerschnitte 4 für das Kühlmittel, das auch in den Kanälen des Steges 1 strömen : kann. Das Kühlmöbel dringt durch die lockere Umspinnung 3 zwischen die einzelnen Adern ein. Die Kühloberfläche für die Adern ist deshalb groß. -.-■"■-." r Fig. 1 shows the cross section of a conductor for direct current of, for example, 10,000 A. On a wavy folded and! Perforated plastic webs 1 are superconducting insulated wires 2. wound in opposite directions twisted in several layers. Through a '. loose wrapping 3 with insulating threads, the rope is insulated from an outer sheath 5. The casing made of an aluminum alloy is applied to the finished cable by extrusion. At the four corners of the casing, free flow cross-sections 4 remain for the coolant, which can also flow in the channels of the web 1. The refrigeration unit penetrates through the loose wrapping 3 between the individual wires. The cooling surface for the veins is therefore large. -.- ■ "■ -." r

! -Fig. 2 zeigt den Querschnitt einer Ader des Leiters nach !Fig. 1. 6 ist die supraleitende Seele« Sie besteht z.B. aus dem'. harten Supraleiter Niob-Titan. Die Seele ist von einem Mantel 7 ; ■ aus hochreinem Kupfer umgeben, der auch einen so großen Querschnitt erhalten kann, daß eine Vollstabilisierung eintritt B Um hohe effektive Stromdichten zu erreichen* kann aber der Querschnitt wesentlich verkleinert werden, ohne daß die Betriebssicherheit leidet. Tritt allerdings bei einer so bemessenen Wicklung eine! -Fig. 2 shows the cross section of a wire of the conductor according to! 1. 6 is the superconducting soul «It consists, for example, of the '. hard superconductor niobium-titanium. The soul is of a coat 7 ; ■ Surrounded by high-purity copper, which can have such a large cross-section that full stabilization occurs. B In order to achieve high effective current densities *, however, the cross-section can be significantly reduced without adversely affecting operational reliability. However, if the winding is dimensioned in this way, a

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: Löschung der Supraleitfähigkeit auf, so muß der Wicklungsstrom j: Extinction of the superconductivity, the winding current j

• schnell herabgesetzt werden, um zu verhindern, daß die gesamte ;• be quickly degraded to prevent the whole;

magnetische Energie der Wicklung innerhalb der Leiter in Wärme Imagnetic energy of the winding inside the conductor in heat I.

; umgesetzt wird. Um die einzelnen Adern gegeneinander zu isalie- ; ; is implemented. To isolate the individual wires against each other ;

ren, erhalten sie eine lockere Umspinnung mit einem isolierenden ] ren, they get a loose winding with an insulating ]

Faden 8. ;Thread 8th;

Fig. j5 zeigt den Querschnitt einer Wicklung, die aus Leitern nach Fig. 1 aufgebaut ist, und beispielsweise zur Erregung eines Turbogenerators dient, 10 ist eine Windung aus einem Leiter nach Fig. 1. Die Windungen sind ohne Isolation nebeneinander und übereinander gewickelt und stützen sich gegenseitig ab. Sie sind von einem Schirm 12 aus Kupfer umschlossen, der aber nicht vakuum- | dicht zu sein braucht und zweckmässig zur Verminderung von Wirbelstromverlusten Längs- und Querschlitze besitzt. Ein Längsschlitz ist mit 16 bezeichnet. Der Schirm 12 steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Flachrohr 13* das im Innern flüssiges oder überkritisches Helium führt. Schirm und Kühlrohr befinden sich auf Erdpotential. Sie werden in einem Vakuumbehälter 14 durch Abstandsstücke 15 festgehalten. . N FIG. 5 shows the cross section of a winding which is made up of conductors according to FIG. 1 and is used, for example, to excite a turbo generator, 10 is a winding made of a conductor according to FIG. 1. The windings are wound next to and on top of one another without insulation and are supported from each other. They are enclosed by a shield 12 made of copper, but not vacuum | needs to be tight and useful to reduce eddy current losses has longitudinal and transverse slots. A longitudinal slot is denoted by 16. The screen 12 is in a thermally conductive connection with a flat tube 13 * which carries liquid or supercritical helium inside. The shield and cooling pipe are at ground potential. They are held in place in a vacuum container 14 by spacers 15. . N

Der Vakuumbehälter 14 besteht aus schlecht leitendem Metall, z.B. nicht rostendem Stahl, und liegt auf Erdpotential. Die Abstandsstücke 15 können aus druckfesten Keramikscheiben so aufgebaut sein, daß zwischen den einzelnen Teilen immer nur einige Berührungspunkte vorhanden sind, so daß der Wärmeübergang gering λ bleibt. . ~ ■-·■■■■ The vacuum container 14 consists of poorly conductive metal, for example stainless steel, and is at ground potential. The spacers 15 can be constructed from pressure-resistant ceramic disks in such a way that there are always only a few points of contact between the individual parts, so that the heat transfer remains low λ. . ~ ■ - · ■■■■

Flg. 4 zeigt sehematisch eine Wicklung 21 aus Leitern nach Fig. 1 mit einem Schirm 22, Zuführungen23 des Kühlmittels aus einem Rückkühler 24, sowie Sfcromzüführungen 25 zur Wicklung mit Druckflaschen 26 für gasförmiges Helium, und Gleichstromklemmen 27. 28 ist der äußere Vakuumbehälter der Wärmeisolation. Die Abstandsstücke zwischen Vakuumbehälter und Schirm sind nicht gezeichnet. Der Zwischenraum zwischen Schirm und Vakuumbehälter wird zweckmäßig mit Superisolation, also reflektierenden Folien, ausgefüllt, so daß die Wärmeeinstrahlung vermindert wird.Flg. 4 schematically shows a winding 21 made of conductors 1 with a screen 22, inlets 23 of the coolant a dry cooler 24, as well as Sfcromzüge 25 for winding with Pressure bottles 26 for gaseous helium, and DC clamps 27. 28 is the outer vacuum container of the thermal insulation. The spacers between the vacuum container and the screen are not shown. The space between the screen and the vacuum container is useful filled with super insulation, i.e. reflective foils, so that the heat radiation is reduced.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch einen Leiter, der auch für Wechselstrom geeignet ist. Das Seil besteht aus Adern 31,.dieFig. 5 shows the cross section through a conductor, which also is suitable for alternating current. The rope consists of veins 31, .the

~ 009835/1057~ 009835/1057

in mehreren gegerisinnig verdrillten Lagen um einen Mittelleiter !herumgelegt sind. Das Seil befindet sich in einer stranggepreßten !Kunststoffhülle 32. Der Aufbau der Ader 31 geht aus Fig. 6 hervor. jDiese enthält eine Vielzahl von supraleitenden Seelen 41, die in [ein Metall 42 eingebettet sind. Die Ader wird um ihre eigene Achse jverdreht, so daß die einzelnen Seelen schraubenlinienförmig um die Aderachse verlaufen. Die Isolation gegen die Nachbaradern ist \durch einen schraubenlinienförmig um die Ader gewickelten Isolier-j j faden 43 sichergestellt. Die Steighöhe der Schraubenlinie ist mehr-j· fach so groß wie die Fadendicke. ": j.are laid around a center conductor in several oppositely twisted layers. The rope is located in an extruded plastic sheath 32. The structure of the core 31 is shown in FIG. jThis contains a large number of superconducting souls 41 which are embedded in a metal 42. The wire is twisted around its own axis so that the individual cores run helically around the wire axis. The insulation against the neighboring wires is \ by a helically wound around the core thread Insulating j j ensured 43rd The height of rise of the helix is several times the size of the thread thickness. " : j.

: Fig. 7 zeigt den Querschnitt durch einen Leiter, der für ein \ Kryotrony Maschinen oder Schaltern Verwendung finden kann. Das Seil] besteht hier aus zwei Lagen von Adern 51, die gegensinnig verdrill^ auf eine Schraubenfeder 52 aus einem Kunststoff-Faden aufgewickelt •sind. Um das Seil liegt als Isolierung eine lockere Umspinnung 53* jalles in einer Hülle 54. Verwendet man für diese Metall, so soll es eine relativ schlechte Leitfähigkeit haben. Die Ädern dieses Seiles sind ähnlich aufgebaut wie bei Fig. 6, doch darf das Einbettungsmetall keinen wesentlich größeren Querschnitt haben, als die Summe der Querschnitte der. supraleitenden Seelen. Die Seelen bestehen aus einem weichen Supraleiter, z.B. Niob, oder aus einem harten Supraleiter, wie Blei-Wismut-Eutektikum mit einer krititsehen Feldstärke von etwa 13,8 kG, also unterhalb der Elsensätti- ; •gung. Das Einbettungsmetall soll einen möglichst hohen spezifischen :Widerstand haben. Man wählt dafür ζ .B-. Legierungen von Nickel mit jKupfer, Eisen oder Chrom. Die Adern werden dadurch hergestellt, daß ein Block aus dem Einbettungsmetall mit Löchern versehen wird, in !die die Supraleiterstäbe eingepaßt: und ev.tl« eingelötet werden. Das Ganze wird dann durch Hämmern, Waisen oder Ziehen auf einen so kleinen Querschnitt heruntergearbeitet* daß die einzelnen Seelen nur noch wenige fm dick sind. Bei Verwendung von weichen Supraleitern ist es besonders wichtig, für die' Seelen möglichst geringe Dicke zu erreichen, weil dadurch die kritische Stromdichte 3c und infolge des Weglängen-Effektes der spezifische Widerstand ο erhöht wird. Zur Herabsetzung der Sperrverlüste eines Kryotrons ist es wichtig, das Produkt jc . ο möglichst groß zu machen. Weil mit abnehmender Dicke der supraleitenden Seele, die kritische Feld- i" : Fig. 7 shows the cross section through a conductor which can be used for a \ Kryotrony machine or switch. The rope] here consists of two layers of wires 51 which are twisted in opposite directions on a helical spring 52 made from a plastic thread. Around the rope there is a loose wrapping 53 * each in a sheath 54 as insulation. If metal is used for this, it should have a relatively poor conductivity. The veins of this rope are constructed similarly as in Fig. 6, but the embedding metal must not have a significantly larger cross-section than the sum of the cross-sections of the. superconducting souls. The souls consist of a soft superconductor, for example niobium, or of a hard superconductor, such as lead-bismuth eutectic with a critical field strength of about 13.8 kG, i.e. below the Elsenätti-; • supply. The embedding metal should have a specific resistance that is as high as possible. For this you choose ζ .B-. Alloys of nickel with copper, iron or chromium. The wires are made by providing a block of the embedding metal with holes into which the superconductor rods are fitted: and possibly soldered in. The whole thing is then worked down by hammering, orphaning or pulling to such a small cross-section * that the individual souls are only a few fm thick. When using soft superconductors, it is particularly important to achieve the smallest possible thickness for the 'souls, because this increases the critical current density 3c and, as a result of the path length effect, the specific resistance ο. To reduce the blocking losses of a cryotron, it is important to use the product j c . ο to make it as large as possible. Because with decreasing thickness of the superconducting core, the critical field i "

00ä8357f05700ä8357f057

stärke zunimmt, ist auch eine untere Grenze für die Dicke gegeben. Auch hier ist die Verdrehung der Ader um ihre Längsachse zweckmäßig. -strength increases, there is also a lower limit for the thickness. Here, too, the twisting of the wire about its longitudinal axis is useful. -

' Fig·. 8 zeigt den Längsschnitt durch ein Verbindungsstück : zwischen einem Leiter nach Fig. 1 und einem,Leiter nach Fig. 7· Mit 61 ist der .Leiter nach Fig. 1 bezeichnet und mit 62 der Leiter nach Fig. 7. Um eine Verbindung herzusteilen, wird bei beiden Leitern die Hülle eine Strecke von mehreren Zentimetern entfernt/ ebenso die Isolation zwischen den Adern. Dann werden die Adern 63 des Leiters 6l und die Adern 64 des Leiters 62 ineinander gesteckt, mit einer Kupferhülse 65 umgeben, zusammengequetscht und verlötet. An dieser Stelle also sind die Adern nicht voneinander <| isoliert und erhöhte Wirbelstromverluste zu befürchten. Deshalb '"; werden solche Verbindungen innerhalb einer Wicklung in ein Gebiet kleiner Magnetfeldstärke gelegt. Die Hüllen der beiden Leiter 6l und 62 werden durch eine Hülle 66 miteinander vakuumdicht verbunden. Die Fig. 8 zeigt auch die Zufuhr des Kühlmittels, die zweckmäßig an solchen Verbindungsstücken erfolgt, um die hier entstehende Wärme sicher abzuführen. Ein Rohransatzstück 67 ist über ein federndes Metallzwischenstück 68 mit einem Keramikrohr 69 vakuumdicht verlötet, dieses wieder auf die gleiche Weise mit einem , Rohr 70. Dadurch wird zwischen das geerdete Zufuhrrohr 70 und die Metallhülle 66 eine Isolierung eingeschaltet, was in den Fällen von Bedeutung ist, wo ein kontakt zwischen Leiterseil und Leiterhülle vorhanden ist. "'Fig. 8 shows the longitudinal section through a connecting piece: between a conductor according to FIG. 1 and a conductor according to FIG. 7. The conductor according to FIG. 1 is denoted by 61 and the conductor according to FIG. the sheath of both conductors is removed a distance of several centimeters / likewise the insulation between the cores. Then the wires 63 of the conductor 61 and the wires 64 of the conductor 62 are plugged into one another, surrounded with a copper sleeve 65, squeezed together and soldered. At this point the wires are not separated from each other <| isolated and increased eddy current losses to be feared. Therefore, such connections are placed within a winding in an area of low magnetic field strength. The sheaths of the two conductors 61 and 62 are connected to one another in a vacuum-tight manner by a sheath 66. FIG A tube extension piece 67 is soldered vacuum-tight to a ceramic tube 69 via a resilient metal intermediate piece 68, this again in the same way with a tube 70 Isolation switched on, which is important in cases where there is contact between the conductor and the conductor sheath. "

Die Fig. 9 zeigt einen Leiter mit Mehrfachseil, der für Wech-\ selstrom oder als Kryotron geeignet ist. Die einzelnen Adern 71 sind z.B. wie bei Fig. 6 aufgebaut. Sie bilden sechs einlagige Seile 72, die auf Schraubenfedern 7> aus Kunststoff gewickelt sind. Gemeinsam liegen sie auf einer Schraubenfeder 74 aus Kunststoff. ' j Sie werden von einer Hülle 75 vakuumdicht eingeschlossen. Hier : ist der größere Teil des Innenraumes der Hülle für die Kühlmittel-» strömung frei.Fig. 9 shows a conductor with multiple rope, which is used for alternating \ selstrom or as a cryotron is suitable. The individual wires 71 are constructed as in Fig. 6, for example. They form six single layers Ropes 72, which are wound on coil springs 7> made of plastic. Together they lie on a coil spring 74 made of plastic. ' j They are enclosed in a vacuum-tight manner by a sleeve 75. Here: is the larger part of the interior of the shell for the coolant » flow freely.

Die Einzelheiten der vorstehenden Figuren können.auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden. Man kann auch in Maschi-; nen mit harten Supraleitern und Kryotron diese beiden Leiter inThe details of the preceding figures can also be used in other Way to be combined with each other. One can also use machi-; nen with hard superconductors and cryotron these two conductors in

; einer gemeinsamen Hülle oder auch den harten Supraleiter im inne-j ren Hohlraum eines Kryotrons gem. Fig. 7 öder 9 unterbringen. !; a common shell or the hard superconductor in the inner j Ren cavity of a cryotron according to Fig. 7 or 9 accommodate. !

009835/1057 ,009835/1057,

Claims (1)

Patentansprüche iClaims i 1.) Elektrischer Leiter für supraleitende Wicklungen oder Sehalt- L !strecken, mit mehreren miteinander verseilten Supraleiteradern j |(2, 31, 51, 63, 64, 71), d a d u r c h g e k e η η zeich - 1 j η e t , daß das Seil von einer vakuumdicht en Hülle (5, 54) um- -r !geben und der Zwischenraum zwischen den einzelnen Adern des Seiles ■und zwischen Seil und Hülle mit flüssigem oder überkritischem ιHelium als Kühlmittel niedriger Temperatur ausgefüllt ist. :1.) Electrical conductor for superconducting windings or Sehalt- L ! stretch, with several superconductor cores j | (2, 31, 51, 63, 64, 71), d a d u r c h g e k e η η draw - 1 j η e t that the rope from a vacuum-tight sheath (5, 54) to -r ! and the space between the individual wires of the rope ■ and between the rope and the sheath with liquid or supercritical ιHelium is filled as a low temperature coolant. : ;2..) Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dad ure h. ge ■= kennzei chnet , daß jede Ader des Seiles aus ein<sr oder ;mehreren supraleitenden Seelen (6, 41) und einem mit jeder Seele in 'gut wärmeleitendem Kontakt stehenden Metall (7* 42) besteht. .; 2 ..) Electrical conductor according to claim 1, dad ure h. ge ■ = indicates that each core of the rope consists of a <sr or ; several superconducting souls (6, 41) and a metal (7 * 42) which is in good thermal contact with each soul. . ι3·) Elektrischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2.,. da d u r e h gekenn zeichnet, daß ,Jede Ader mit isolierenden Fäden (43) so locker umsponnen ist, daß das Kühlmittel mit dem größeren Teil der Metalloberfläche direkte Berührung hat. ;ι3 ·) Electrical conductor according to claim 1 or 2.,. because it is marked dureh that, each wire is wrapped so loosely with insulating threads (43) that the coolant has direct contact with the greater part of the metal surface. ; 4.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 - 3, da— ^ ; durch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel minjdestens ein Viertel des Innenraumes der Hülle einnimmt. j4.) Electrical conductor according to one of claims 1 - 3, da— ^; characterized in that the coolant is at least occupies a quarter of the interior of the shell. j j 5.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 - 4, da --" jdurch gekennzeichnet, daß das runde oder ovale Seil von einer Hülle (5, 3k) mit rechteckigem Querschnitt umgeben ist, so daß sich an den vier Ecken zwischen Seil und Hülle freie Strömungsquerschnitte(4) ergeben.j 5.) Electrical conductor according to one of claims 1 - 4, da - "j characterized in that the round or oval rope is surrounded by a sheath (5, 3k) with a rectangular cross-section, so that at the four corners between the rope and shell result in free flow cross-sections (4). j 6.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 - 5, da jdurch gekennzeichnet, daß die Hülle, aus einem !Metall geringer Leitfähigkeit, z,B. aus unreinem Aluminium oder ι einer Aluminiumlegierung besteht. '-"-■'"■/■■j 6.) Electrical conductor according to one of claims 1 - 5, as j by characterized in that the shell, from one ! Metal of low conductivity, e.g. made of impure aluminum or ι consists of an aluminum alloy. '- "- ■'" ■ / ■■ : 7.) Elektrischer Leiter nach Anspruch 6, da d u r c h ge - -; kennzeichnet, daß das Seil mit isolierenden Fäden ■'; (53) locker umsponnen ist, so daß das Seil einerseits von der Hülle (54) isoliert ist, das Kühlmittel jedoch aus dem freien Strömungsquerschnitt leicht zwischen die Adern des Seiles eindring gen kann (Fig. 7). S: 7.) Electrical conductor according to claim 6, since ge - -; indicates that the rope with insulating threads ■ '; (53) is loosely wound so that the rope is isolated on the one hand by the sheath (54), but the coolant can easily penetrate from the free ■ flow cross-section between the veins of the rope (Fig. 7). S. 009835/1057009835/1057 8.) Elektrischer Leiter nach den Ansprüchen 6 und f, ;d a - . ; durch gekennzeichnet, daß die kompletten ' Leiter ohne Isolation zwischen den Hüllen der einzelnen WinduE- \ gen zu größeren Wicklungen oder Wicklungsteilengewickelt sind.8.) Electrical conductor according to claims 6 and f, da -. ; characterized by that the complete 'conductors gene without isolation between the sheaths of the individual WinduE- \ larger windings or winding portion wound. 9') Elektrischer Leiter nach Anspruch 8, dadurch g e jk e η η zeichnet ,. daß sich die Wicklungen oder Wicklungs- : teile innerhalb einer Wärmeisolation in einen Schirm (12, 22) aus gut wärmeleitendem Metall befinden, der mittels von flüssigem oder überkritischem Helium durchströmten Rohren auf der niedrigen Betriebstemperatur gehalten wird.. 9 ') Electrical conductor according to claim 8, characterized in that ge jk e η η. that the windings or winding parts are located within a thermal insulation in a screen (12, 22) made of metal with good thermal conductivity, which is kept at the low operating temperature by means of tubes through which liquid or supercritical helium flows. 10.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (5, 54) aus einem stranggepreßten Kunststoff mit einem vakuumdichten Metallüberzug besteht. /10.) Electrical conductor according to one of claims 1-5, characterized characterized in that the sheath (5, 54) made of an extruded plastic with a vacuum tight There is a metal coating. / ; 11.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet , daß überkritisches ! Helium innerhalb der Hülle des Leiters dadurch aufrechterhalten J wird, daß die Enden des Leiters (21) an mit Heliumgas gefüllte Druokflaschen (26) angeschlossen sind (Fig. k), ; 11.) Electrical conductor according to one of claims 1 - 10, characterized in that supercritical! Helium is maintained within the sheath of the conductor by connecting the ends of the conductor (21) to pressure bottles (26) filled with helium gas (Fig. K), ' 12.) Elektrischer Leiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,'12.) Electrical conductor according to one of the preceding claims, d a durch gekennzeichnet, daß das flüssige . oder überkritische Helium der Leiterhülle an mehreren Stellen der [ Leiterlänge zu- und wieder abgeführt wird und eine Kühlmittel-ι strömung innerhalb der Hülle aufrechterhalten wird.as characterized in that the liquid. or supercritical helium the conductor casing at a plurality of locations of [length of conductor is supplied and removed again and a coolant-ι flow is maintained within the envelope. • 13.) Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1-6 und iO - 12, d a 'd u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß das Seil von der Hülle nicht elektrisch isoliert ist, diese mit einer Isolierung umgeben ist und die Zu- und Abführungen des Heliums über Isolierstrecken erfolgen.• 13.) Electrical conductor according to one of claims 1-6 and iO - 12, d a 'd u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t that the The rope is not electrically insulated from the sheath, it is surrounded by insulation and the supply and discharge of helium take place via insulating sections. Ik.) Verbindung von zwei Leiterstücken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Adern der zu verbindenden Seile über eine Strecke von mehreren Zentimetern Länge von der Hülle und ihren Isolierungen befreit, ineinandergeschoben, züsammengequetscht und verlötet sind (Fig. 8). Ik .) Connection of two conductor pieces according to one of the preceding claims, characterized in that the individual wires of the cables to be connected are freed from the sheath and its insulation over a distance of several centimeters, pushed into one another, squeezed together and soldered (Fig. 8) . 009835/1057009835/1057 LeerseiteBlank page J ?\ Il? fOJ ? \ Il? fO
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2596193A1 (en) * 1986-03-21 1987-09-25 Kernforschungsz Karlsruhe Internally-cooled superconducting cable

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