DE19604805A1 - Anlage der Supraleitungstechnik mit einer indirekt zu kühlenden supraleitenden Einrichtung und einer Stromzuführungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage der Supraleitungs­ technik mit

• a) einer supraleitenden Einrichtung, die sich in einem eva­ kuierbaren Innenraum eines Vakuumgehäuses befindet,
• b) eine die supraleitende Einrichtung indirekt kühlende Käl­ temaschine, die in den Innenraum des Vakuumgehäuses hin­ einragt und mit ihrem tieftemperaturseitigen Ende gut wär­ meleitend mit der supraleitenden Einrichtung verbunden ist, sowie
• c) einer zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur verlau­ fenden Stromzuführungsvorrichtung, die elektrisch an die supraleitende Einrichtung angeschlossen ist, und einen elektrischen Trennschalter in dem Innenraum des Vakuumge­ häuses aufweist.

Eine entsprechende Anlage geht aus der US 5 317 296 A hervor.

Eine indirekte Kühlung von supraleitenden Einrichtungen er­ laubt den Bau verhältnismäßig kleinvolumiger, kältemittel­ frei er Kryostate ohne Kühlmittelbehälter und macht zudem den Anwender unabhängig vom Nachschub einer Kryoflüssigkeit. Die erforderliche Kälteleistung läßt sich von einer im allgemei­ nen mehrstufig ausgebildeten Kältemaschine aufbringen, z. B. von einem Kryokühler, der häufig nach dem sogenannten Gif­ ford-McMahon-Prinzip arbeitet. Bei einem entsprechenden Kryo­ kühler können eine erste Stufe bei ca. 60 K mit typischerwei­ se 30 W und eine zweite Stufe bei 10 K mit 1 W thermischer Leistung belastet werden. Ein besonderes Kältemittelreservoir steht dabei nicht zur Verfügung. Die kalte thermische Masse des Kryostaten wird im wesentlichen von der zu kühlenden su­ praleitenden Einrichtung gebildet, deren Wärmekapazität nur dann einen Puffer gegen zeitweise erhöhte Wärmeverluste bil­ det, wenn man eine Verminderung des kritischen Magnetfeldes des verwendeten Supraleitermaterials in Kauf nimmt. Eine sol­ che indirekte Kühlung läßt sich vorteilhaft insbesondere für supraleitende Magneteinrichtungen vorsehen, wie sie insbeson­ dere auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik zur Kern­ spintomographie (auch als "Nuclear Magnetic Resonance" oder "Magnetic Resonance Imaging" bezeichnet) eingesetzt werden. Eine entsprechende Kühltechnik kann jedoch auch für andere supraleitende Einrichtungen vorgesehen werden.

Für eine Stromeinspeisung in eine supraleitende Einrichtung mit ihren tiefgekühlten Supraleitern werden Stromzuführungs­ vorrichtungen benötigt, über die ein elektrischer Strom die­ sen Leitern von einer auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversor­ gungseinheit zugeführt wird. Die Stromzuführungsvorrichtung weist deshalb elektrische Leiterteile, die zwischen einem Raumtemperatur-Bereich und den von der Kältemaschine auf ei­ ner Tieftemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supra­ leitenden Materials gehaltenen Supraleitern der supraleiten­ den Einrichtung verlaufen. Über diese auch thermisch gut lei­ tenden Leiterteile der Stromzuführungsvorrichtung ist eine erhebliche Wärmeeinleitung in den Tieftemperaturbereich mög­ lich. Die entsprechenden Wärmelecks machen einen wesentlichen Anteil der von der Kältemaschine aufzubringenden Kältelei­ stung erforderlich. So belasten z. B. herkömmliche Stromzufüh­ rungsvorrichtungen mit optimierten metallischen Leitern für einen Arbeitsstrom von 200 A, wie er typisch für Magnetein­ richtungen der Kernspintomographie ist, allein durch Wärme­ einleitung ohne die noch hinzukommenden Joule′schen Verluste die erste Stufe eines bekannten zweistufigen Kryokühlers mit ca. 8 W, während die zweite Stufe noch mit 0,9 W belastet wird. Das Wärmeleck dieser zweiten Stufe kann noch um eine Größenordnung gesenkt werden, wenn in an sich bekannter Weise z. B. gemäß der eingangs genannten US-A-Schrift die Stromzu­ führungsvorrichtung mindestens zwei Leitungsabschnitte be­ sitzt, wobei der tieftemperaturseitige Abschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer hohen Sprungtemperatur, sogenanntes HTS-Material aufweist.

Da eine entsprechende Stromzuführungsvorrichtung während der Abkühlphase einer supraleitenden Einrichtung nicht erforder­ lich ist, kann ein elektrischer Trennschalter vorgesehen wer­ den, der im geöffneten Zustand eine Wärmeeinleitung in den Tieftemperaturbereich während der entsprechenden Abkühlphase zu vermindern gestattet. Ein derartiger Trennschalter ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine supraleitende Ma­ gneteinrichtung im Betriebs falle mittels eines Dauerstrom­ schalters kurzgeschlossen werden kann. Dann läßt sich nämlich auch die Wärmeeinleitung über die Stromzuführungsvorrichtung während dieser Betriebsphase entsprechend vermindern.

Bei der aus der eingangs genannten US-A-Schrift zu entnehmen­ den Stromzuführungsvorrichtung liegt der Trennschalter im evakuierten Innenraum des Vakuumgehäuses eines Kryostaten zwischen einem raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt und einem tieftemperaturseitigen Leitungsabschnitt auf einem Zwi­ schentemperaturniveau, das von der ersten Kältestufe einer Kältemaschine auf etwa 60 K gehalten wird. Damit werden auch im geöffneten Zustand des Trennschalters noch erhebliche Wär­ memengen über den raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt der Stromzuführungsvorrichtung in den Innenraum des Vakuumge­ häuses eingeleitet, so daß eine entsprechende Kälteleistung zur Abführung dieser Wärmemengen erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Anlage der Supraleitungstechnik mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die Wärmeeinleitung in den Innenraum des Vakuumgehäuses weiter vermindert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Trennschalter der Stromzuführungsvorrichtung im Bereich ihres raumtemperaturseitigen Endes befindet.

Mit dieser Ausgestaltung der Stromzuführung der erfindungsge­ mäßen Anlage der Supraleitungstechnik ergeben sich die fol­ genden Vorteile:

• - Der Trennschalter muß weder elektrisch noch thermisch opti­ miert sein: Bei einer richtig dimensionierten Stromzufüh­ rungsvorrichtung muß praktisch keine Wärmeleistung über den Schaltkontakt transportiert werden; ohmsche Verluste an den Kontaktwiderständen fallen bei Raumtemperatur an und bela­ sten damit die Kältemaschine praktisch nicht.
• - Der Schaltvorgang kann im Warmen stattfinden. Der Schalt­ kontakt ist deshalb einfacher, zuverlässiger und ver­ schleißärmer zu realisieren als ein auf einem Zwischentem­ peraturniveau von beispielsweise 60 K befindlicher Schalt­ kontakt.
• - Es können herkömmliche, kornmerziell vertriebene Trennschal­ ter zum Einsatz kommen.
• - Der abgetrennte Leitungsabschnitt der Stromzuführungsvor­ richtung wird kalt im Gegensatz zu der bekannten Ausfüh­ rungsform. Dadurch ergibt sich beim Einschalten des Trenn­ schalters ein kleinerer "Wärmeschock" auf die Kältemaschine und das Kryosystem, wodurch bei verhältnismäßig knappen Kühlmittelreserven die supraleitende Einrichtung thermisch weniger belastet wird.
• - Der Schaltmechanismus des Trennschalters erfordert keine besondere, sich in den kalten Bereich erstreckende Mecha­ nik, die im geschlossenen Zustand des Schalters dauerhaft unter Last steht. Das damit verbundene Wärmeleck ist des­ halb entsprechend verringert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als supraleitende Einrich­ tung eine Magneteinrichtung vorgesehen ist, welche insbeson­ dere im supraleitenden Betriebszustand kurzgeschlossen ist. Dann läßt sich auch in diesem Betriebszustand eine Wärmezu­ fuhr in den Tieftemperaturbereich weitgehend unterbinden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage der Supra­ leitungstechnik veranschaulicht ist.

Die in der Figur im Schnitt angedeutete, allgemein mit 2 be­ zeichnete, erfindungsgemäße Anlage der Supraleitungstechnik enthält ein Vakuumgehäuse- oder Gefäß 3, in dessen evakuier­ tem Innenraum 4 sich eine zu kühlende supraleitende Einrich­ tung 5 befindet. Prinzipiell kann als supraleitende Einrich­ tung jede Apparatur der Supraleitungstechnik vorgesehen sein, die zu kühlendes supraleitendes Material aufweist. Bei ihrem supraleitenden Material kann es sich um sogenanntes "klassisches" (metallisches) Supraleitermaterial mit Sprung­ temperaturen unter 20 K oder um oxidkeramisches Supraleiter­ material mit vergleichsweise höheren Sprungtemperaturen, bei­ spielsweise über 77 K, handeln. Beispiele entsprechender su­ praleitender Einrichtungen sind elektrische oder magnetische Apparaturen oder Einrichtungen zu einer Kurzschlußstrombe­ grenzung, zu einem Stromtransport oder zu einer Span­ nungstransformation. Bei einer entsprechenden Magneteinrich­ tung kann es sich insbesondere um mindestens eine supralei­ tende Spule einer Diagnostikanlage zur Kernspintomographie handeln. Eine derartige Magneteinrichtung ist nachfolgend für das Ausführungsbeispiel zugrundegelegt. Die Magneteinrichtung 5 kann vorzugsweise im supraleitenden Betriebszustand in an sich bekannter Weise mittels eines Dauerstromschalters (vgl. z. B. DE 27 07 589 C) kurzgeschlossen sein.

Die Magneteinrichtung 5 wird indirekt von einer Kältemaschine 6 gekühlt. Bei dieser Kühlungsart erfolgt im Gegensatz zu ei­ ner Badkühlung oder einer forcierten Kühlung kein direkter Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmittel und den supraleiten­ den Teilen der Magneteinrichtung. Die gezeigte Kältemaschine 6 kann mehrere Kältestufen, beispielsweise zwei Kältestufen 7 und 8 aufweisen. Vorteilhaft handelt es sich bei der Kältema­ schine 6 um einen sogenannten Kryokühler vom Gifford-McMahon- Typ. Ebenso sind auch andere, ein- oder mehrstufige Kältema­ schinentypen einsetzbar. Die Kältemaschine 6 setzt sich aus einem in einem Raumtemperaturbereich RT befindlichen, somit raumtemperaturseitigen Maschinenabschnitt 6a und einem die beiden Kältestufen 7 und 8 umfassenden, sich bis in einem Tieftemperaturbereich TT erstreckenden, somit tieftemperatur­ seitigen Maschinenabschnitt 6b zusammen. Der tieftemperatur­ seitige Abschnitt 6b ragt dabei vakuumdicht durch eine Öff­ nung 10 des Vakuumgehäuses 3 in dessen auf einen Restdruck p eines Isoliervakuums evakuierten Innenraum 4 hinein. An dem tieftemperaturseitigen Ende der zweiten Kältestufe 8 ist der Abschnitt 6b thermisch an die zu kühlende Magneteinrichtung 5 angekoppelt.

Die Anlage 2 umfaßt ferner eine erfindungsgemäß gestaltete, allgemein mit 12 bezeichnete Stromzuführungsvorrichtung. Nicht näher ausgeführte Teile dieser Vorrichtung sind an sich bekannt, so daß auf ihre Darstellung verzichtet werden kann. Die Vorrichtung 12 weist im evakuierten Innenraum 4 des Vaku­ umgehäuses 3 vorteilhaft einen raumtemperaturseitigen Lei­ tungsabschnitt 12a und einen tieftemperaturseitigen Leitungs­ abschnitt 12b auf. Selbstverständlich kann noch eine Unter­ teilung der Stromzuführung in weitere Leitungsabschnitte vor­ gesehen sein. Ein Verbindungsglied zur elektrischen Verbin­ dung dieser beiden Leitungsabschnitte kann vorteilhaft ther­ misch an die beispielsweise auf etwa 60 K befindliche erste Kältestufe 7 der Kältemaschine 6 angekoppelt sein. Zu einer galvanischen Trennung dieses Verbindungsgliedes 13 gegenüber dem elektrischen Potential der Kältestufe 7 ist zwischen die­ sen Teile eine elektrische Isolation 14 vorgesehen, welche einen Wärmeaustausch zumindest weitgehend zuläßt.

Der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt 12a der Stromzu­ führungsvorrichtung 12 kann im Falle, daß die Magneteinrich­ tung klassisches Supraleitermaterial besitzt, das auf einer Temperatur unterhalb von 20 K zu halten ist, vorteilhaft Tei­ le aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial aufweisen, dessen Sprungtemperatur insbesondere bei mindestens 77 K oder höher liegt. Entsprechende HTS-Materialien sind beispielswei­ se spezielle Bi- oder Y-Cuprate.

Der raumtemperaturseitige Leitungsabschnitt 12a der Stromzu­ führungsvorrichtung 12, der zweckmäßig hinsichtlich der ther­ mischen Verluste in an sich bekannter Weise optimiert ist, ist durch eine Öffnung 15 eines Strahlungsschildes 16 hin­ durchgeführt, der thermisch mit der ersten Kältestufe 7 der Kältemaschine 6 verbunden ist. Dieser Leitungsabschnitt endet im Raum zwischen dem Strahlungsschild und der auf Raumtempe­ ratur befindlichen Wand des Vakuumgehäuses 3 in einem ersten Kontaktstück 17a eines Trennschalters 17. Bei dem in der Figur im geöffneten Zustand gezeigten Trennschalter kann es sich um eine gebräuchliche Ausführungsform eines Schalters handeln. Der Schalter kann beispielsweise flache Kontaktstüc­ ke aufweisen, die z. B. unter Anwendung einer Federkraft an­ einanderfügbar sind und von denen ein Kontaktstück ortsfest und das andere Kontaktstück beweglich ausgebildet ist. Vor­ teilhaft kann dabei das bewegliche Kontaktstück auf der immer wärmeren, nach außen führenden Seite der Stromzuführungsvor­ richtung angeordnet sein. Dem geneigten Ausführungsbeispiel ist ein Trennschalter 17 mit Steckkontakten zugrundegelegt. Sein erstes Kontaktstück 17a ist deshalb als Kontaktstift ge­ staltet, auf den zum Schließen des Trennschalters ein zweites Kontaktstück 17b in Form einer Kontaktbuchse oder eines Kon­ taktschuhs aufgesteckt wird. Beispielsweise ist das erste Kontaktstück ortsfest und isoliert über eine Halterung 18 an der Wand des Vakuumgehäuses 3 befestigt, wobei es sich inner­ halb des Vakuumgehäuses befinden kann. Das zweite Kontakt­ stück 17b ist dann beweglich ausgeführt, wobei die Bewegungs­ richtungen durch einen Doppelpfeil b angedeutet sind. Das zweite Kontaktstück erstreckt sich durch eine Öffnung 19 des Vakuumgehäuses 3. Zur Abdichtung des Vakuumgehäuses an dieser Öffnung ist ein Dehnungsbalg 20 vorgesehen, der an seinem der Öffnung 19 gegenüberliegenden Ende mit einem Deckelteil 21 abgeschlossen ist. Durch diesen Deckelteil ist ein mit dem zweiten Kontaktstück 17b verbundener Anschlußteil 12c der Stromzuführungsvorrichtung hindurchgeführt. Zur galvanischen Trennung des zweiten Kontaktstückes und des Anschlußteils ge­ genüber dem Potential des Vakuumgehäuses ist beispielsweise der Deckelteil 21 oder der Balg 20 zumindest teilweise iso­ lierend ausgeführt. Mit dem Anschlußteil 12c ist eine in der Figur nicht näher ausgeführte externe Stromversorgungsein­ richtung verbunden.

Das Öffnen des Trennschalters 17 findet zwangsläufig im war­ men Zustand statt. Bei seinem Schließen kann gegebenenfalls sein kälteres, mit dem Leitungsabschnitt 12a verbundenes Kon­ taktstück 17a mittels einer besonderen Heizvorrichtung er­ wärmt werden, um so bereits vor der Berührung mit dem wärme­ ren Kontaktstück 17b auf dessen Temperaturniveau zumindest annähernd angehoben zu werden.

Selbstverständlich sind statt des in der Figur gezeigten Trennschalters 17 auch andere bekannte Ausführungsformen von Schaltern einsetzbar. Dies ist insbesondere dadurch ermög­ licht, daß eine elektrische Trennung der Stromleitungen prak­ tisch bei Raumtemperatur erfolgt, also oberhalb der sich durch die kälteren Bereiche des Vakuumraumes 4 erstreckenden Leitungsabschnitte der Stromzuführung. Dadurch läßt sich nicht nur die Abkühlzeit verkürzen; sondern es läßt sich auch der Betriebsstrom der supraleitenden Einrichtung aufgrund ei­ ner niedrigeren Endtemperatur erhöhen bzw. eine höhere Si­ cherheitsmarge erreichen. Dies ist im Hinblick auf eine im Laufe einer längeren Betriebs zeit einer Kältemaschine nach­ lassende Kälteleistung ein besonders wichtiger Punkt. Darüber hinaus kann bei Systemen mit zwei Kältemaschinen im Repara­ turfall ein Gerät abgeschaltet und ausgebaut werden, ohne daß der Betrieb unterbrochen werden muß.

Claims (15)

1. Anlage der Supraleitungstechnik mit

• a) einer supraleitenden Einrichtung, die sich in einem eva­ kuierbaren Innenraum eines Vakuumgehäuses befindet,
• b) eine die supraleitende Einrichtung indirekt kühlende Käl­ temaschine, die in den Innenraum des Vakuumgehäuses hin­ einragt und mit ihrem tieftemperaturseitigen Ende gut wär­ meleitend mit der supraleitenden Einrichtung verbunden ist, sowie
• c) einer zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur verlau­ fenden Stromzuführungsvorrichtung, die elektrisch an die supraleitende Einrichtung angeschlossen ist, und einen elektrischen Trennschalter in dem Innenraum des Vakuumge­ häuses aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß sich der Trennschalter (17) der Stromzuführungsvorrichtung (12) im Be­ reich ihres raumtemperaturseitigen Endes befindet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die supraleitende Einrichtung zu ei­ ner Magnetfelderzeugung oder zu einer Kurzschlußstrombegren­ zung oder zu einer Spannungstransformation oder zu einer Stromübertragung vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die supraleitende Einrichtung eine Magneteinrichtung ist, die im supraleitenden Betriebszu­ stand kurzgeschlossen ist.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ihre supraleitende Magnetein­ richtung (5) Teil eines Gerätesystems zur Kernspintomographie ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter (17) zwei Kontaktstücke (17a, 17b) aufweist, die über jeweilige Haltevorrichtungen (18 bzw. 20) von dem Vakuumgehäuse (3) ge­ halten sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der Kontaktstücke (17b) des Trennschalters (17) beweglich ausgeführt ist und die zugeord­ nete Haltevorrichtung als Dehnungsbalg (20) gestaltet ist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das tieftemperaturseitige Kontaktstück (17) mit einer Heizvorrichtung versehen ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter als Steckvorrichtung gestaltet ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungsvor­ richtung (12) in dem Innenraum (4) des Vakuumgehäuses (3) mindestens zwei Leitungsabschnitte (12a, 12b) besitzt, von denen der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt (12b) an die Magneteinrichtung (5) angeschlossen ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein elektrisches Verbindungsglied (13) zwischen den beiden Leitungsabschnitten (12a, 12b) der Stromzuführungsvorrichtung (12) von der Kältemaschine (6) auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur (RT) und Tieftemperatur (TT) gehalten ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektrische Verbindungsglied (13) thermisch an eine Kältestufe (7) der Kältemaschine (6) ange­ koppelt ist, die sich auf dem Zwischentemperaturniveau befin­ det.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt (12b) der Stromzuführungsvorrichtung (12) Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit ei­ ner Sprungtemperatur von mindestens 77 K enthält.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine mehr­ stufig gestaltet ist, wobei eine der Kältestufen (7) ther­ misch mit einem Strahlungsschild (16) verbunden ist, der sich im Innenraum (4) des Vakuumgehäuses (3) zwischen einer raum­ temperaturseitigen Vakuumgehäusewand und der Magneteinrich­ tung (5) befindet.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine (3) ein Kryokühler vom Gifford-McMahon-Typ ist.