DE2123106A1

DE2123106A1 - Kuhlvorrichtung für supraleitende Spulen

Info

Publication number: DE2123106A1
Application number: DE19712123106
Authority: DE
Inventors: Gaston Fontenay aux Roses Hlasnik Ivan Clamart Lefrancois Christian Orsay Pouillänge Jean Paul Bagneux Bronca, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1971-05-10
Publication date: 1971-11-25
Also published as: CH528161A; GB1285844A; US3766502A; BE765375A; DE2123106B2; FR2088092A1; FR2088092B1; ES391216A1

Description

P AT Ξ N T A N 7/A LT DR. I-JANS ULRICH MAY 2123106

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSEIa

TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN

TELEFON COS11D 3936 82

B 4089.3 PG München, 10. Mai 1971

Dr .M ./

CP 381/954
CG 381/954a

Commissariat ä 1'Energie Atomique in Paris, Frankreich

Kühlvorrichtung für supraleitende Spulen

Die Errinaung betrifft eine Kühlvorrichtung für supraleitende Spulen, welche insbesondere in Gegenwart veränderlicher Magnetfelder arbeiten sollen.

Unter diesen Bedingungen treten Energieverluste in Form von Wärme in den Windungen der supraleitenden Spulen auf. Diese Verluste haben elektromagnetische Ursachen (Veränderung des magnetischen Flusses in einem Supraleiterelement) oder mechanische Ursachen (Reibung von Leitern unter der Wirkung der elektromagnetischen Kräfte). Im übrigen ist bekannt, zur Verringerung der Höhe der elektromagnetischen Verluste möglichst sehr feine supraleitende Drähte oder Adern zu verwenden, die man parallel mit Strom versorgen kann, vorausgesetzt daß sie geeignet versetzt sind.

Die mit diesen Verlusten zusammenhängende Erwärmung führt zu einer /errlug;;rung de?· kritischen Dichte des Stroms in den supraleiten-"oxid el ami t uer Leistungen der· Spulen, und ϊί/ar umso

-i/. ihb·-'.-r, j« Lie6er die kritische Temperatur¹ dss diese Windungen

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bildenden Materials beim betrachteten maximalen Feld ist. Diese Verringerung der kritischen. Dichte J_c läßt sich annähernd wie folgt wiedergeben:

T — T ·* cn

¹CB ¹O ^C0

Hierin bedeuten:

- T die Temperatur eines Bades von verflüssigte» Gas, welches das Material der V/indungen der Spule unterhalb seiner kritischen Temperatur hält;

Τ« die kritische Temperatur des Materials bei der betrachteten Induktion B;

Δτ die Erwärmung; des Materials bezüglich des Bades;

J_co die kritische Dichte des Supraleiterstroms bei der Temperatur T_Q und der Induktion B.

Wie ersichtlich ist es daher erwünscht, ein Material zu wählen, dessen Wert T _ß hoch ist, z. B. Nb₃Sn. Gegenwärtig scheint jedoch verfahrenstechnisch die Herstellung feiner Drähte von Niob-Titan noch günstiger. Bei einer Induktion von 5 bis 6 Teslas liegt für das Niob-Titan der Wert von T_cß in der Nähe von 6⁰K. Eine Erwärmung von 0^2 ° K entspricht daher einer Verringerung von J in einer

Größenordnung von 10%, Außerdem sind die Verluste pro cm und pro Periode (Zyklus) bei Niob-Titan-Drähten von 10/um Durchmesser» die einei¹ impulsförmigen Induktion mit einer Amplitude von 6 Teslas unterworfen sind, in einer Größenordnung von 6 χ 10 Joule.

Die vorangehenden Betrachtungen zeigen also die Bedeutung einer guten Kühlung der Windungen eier supra !.,^nden Spulen. natat .nan die L eitfK riffle*/ :::■ .v. /Az. - -&ί: xU"-c 21:·.·-tV.

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BAD ORIGJNAt.'

nierten Spule, um die in der Spule durch die Verluste erzeugte Wärme zum Bad des verflüssigten Gases abzuführen. Es ist auch bekannt, die Kühlung zu verbessern, indem man verflüssigtes Gas durch im Inneren der Spule selbst vorgesehene Kanäle strömen läßt.

Die erste Methode ermöglicht zwar die Herstellung kompakter Spulen vJ.t guter mechanischer Haltbarkeit, führt jedoch gegenwärtig wegen der ungenügenden scheinbcireii Wärmeleitfähigkeit der Spule zu zu starken Erv/ärmungen. Das zweite Verfahren liefert hinsichtlich der Erwärmung gute Ergebnisse in dem Maße, wie das Kanalsystem tatsächlich den Umlauf des verflüssigten Gases zuläßt, was entweder einen Thermosiphoneffeiet, der ein System von nahezu senkrecht verlaufenden Kanälen erfordert, oder einen Zwangsumlauf des verflüssigten Ga>-es voraussetzt. Die Durchführung eines solchen Verfahrens kann sich daher als schwierig erweisen.

Praktisch müssen die Kanäle mehr als einige Zehntel Millimeter weit «ein, was den Koeffizienten der Füllung der Spule mit Windungsrj des Suprale.itermaterials merklich verringert. Außerdem beeinträchtigt dies^.i- Verfahren die mechanische Festigkeit des Spule.

Bei der Herstellung von supraleitenden Spulen für Gleichstrom werden nianchnal zwischen den Windungen oder Schichten von Windungen Metallfol'j.sn eingelegt. Diese Maßnahme soll der Verbesserung der Stabilität dienen, und zwar einesteils durch Erhöhung der tfärmeleitfähigkeit der Spule und zum anderen durch Bremsung der Penetration des magnetischen Flusses in das Supraleitermaterial im Falle eiroßs 3pr\mges des Flusses, was durch die in den leitenden Fo-V'.«n cntsi-fihend^n Fovoaiiit-ströme erfolgt, Diese Methode ist jedoch nicht. 'JiP'.tf^i'·,;^ :■■■·-'.-!ndber bej Spulen ,die mit. variablem magneti- ⁿ.r}'<-~i. l'j.H/j i.v. ■ ■ ■-■'.·· '-.--ViVr y -Ir.-. ο'"·', ι:«υ·.·.·.' Ί£'Τ> Verluste zu hoch wäre,

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BAD ORIGINAL

welche mit den in diesen Metallfolien entstehenden Foucault-Strömen zusammenhängen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für supraleitende Spulen zu schaffen, die so ausgebildet ist, daß sie ^: die scheinbare Wärmeleitfähigkeit einer solchen Spule wesentlich erhöht, ohne die Nachteile der bekannten Vorrichtungen aufzuweisen. Genauer gesagt ist die Erfindung bestimmt für supraleitende Spulen, die einem variablen Magnetfeld unterworfen sind, aus einer Wicklung von Windungen eines Supraleiterelements bestehen und in denen ein Wärmekontakt zwischen allen Windungen der Spule und einem die Spule umgebenden Bad von verflüssigtem Gas besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung für supraleitende Spulen gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zwischen den verschiedenen Windungen der Spule angeordnet eine Anordnung von feinen Metalldrähten aufweist, die elektrisch voneinander isoliert sind und in Wärmekontakt mit einerseits den Windungen der Spule und andererseits mit einem Bad von verflüssigtem Gas stehen»

Die Ausbildung des Wärmekontakts zwischen den Windungen und dem verflüssigten Gas mittels voneinander elektrisch isolierter Drähte bewirkt- eine erhebliche Verringerung der Verluste, die mit den Poucault-Strömen verbunden sind, welche in massiven Metallelementen im Betrieb mit variablem Magnetfluß entstehen. Vorzugsweise benutzt man für die Drähte ein hochreines Metall, .das nach der Umwandlung in Drähte geglüht ist, um den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit bei sehr tiefer Temperatur zu haben. Es kann jedoch auch jedes andere Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit benutzt werden.

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Um das Temperaturgefälle zwischen dem Supraleiter und den Drähten zu verringern, ist es wünschenswert, eine Imprägnierung mittels eines elektrischen Isolators mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorzunehmen. Durch die Imprägnierung der Spule werden tatsächlich die Schichten von umgebendem Gas beseitigt, welche Wärmeisolationen bilden. Es ist möglich, die Wärmeleitfähigkeit dieser Imprägnierung zu verbessern durch Zusatz von entweder Metallpulvern, z. B. von Kupfer, oder von Siliciumdioxidpulvern.

Die Berechnungen zeigen, daß der Wärmeaustausch zwischen den Drähten und dem verflüssigten Gas einen empfindlichen Punkt darstellt, wenn man wünscht, daß das Temperaturgefälle zwischen dem Bad von flüssigem Gas und der Oberfläche der damit in Berührung.stehenden Drähte in der Größenordnung von O,i°iC und der ausgetauschte Wärmefluß pro cm kleiner als 10 Watt sein soll. Um dieses Ergebnis zu erreichen kann man:

- entweder die Drähte eine bestimmte Länge außerhalb der Spule vorstehen, lassen;

- oder sich mit dem Querschnitt der Drähte als Wärmeaustauschfläche mit dem verflüssigten Gas begnügen (diese Q erschnittsflache wird nach der Imprägnierung durch Schleifen der Außenfläche der Spule wieder freigelegt);

- oder die Enden der zwischen zwei Windungen oder Gruppen von Windungen angeordneten Drähte durch einen Metallwulst verbinden, der sich an einer äußersten Windung der einen dieser Gruppen abstützt. Nach der Imprägnierung der Spule wird der Wulst durch Schleifen freigelegt. Wenn die Drähte durch einen Wulst an ihren beiden Enden verbunden sind, wird die Wärmeaustauschfläche verdoppelt, es ist jedoch dann notwendig, -sie zu zerschneiden, um die

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Bildung geschlossener leitender Schleifen zu vermeiden;

- oder einen Zwangsumlauf von verflüssigtem Gas in einer Leitung, die einen guten WärmekontaJct mit den Drähten aufweist, erzeugen.

Die Erfindung vird erläutert durch die folgende Beschreibung zweier nur als Beispiele angegebener Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine mehrschichtige supraleitende Spule, die eine erf indungsgemäße Kühlvorrichtung aufweist;

Fig. 2 eine supraleitende Scheibenspule, welche eine abgewandelte Ausführungsform bildet.

Die in Fig. 1 gezeigte Spule weist mehrere Schichten 1 von aufeinanderfolgenden Windungen auf, die aus Supraleiterdrähten oder -bandern 2, insbesondere aus Niob-Titan bestehen. Jede Schicht 1 der Drähte ist von der Nachbarschicht durch Metallfäden oder -drähte 3 mit einer hohen Y/ärmeleitfähigkeit getrennt, die beispielsweise aus geglühtem höchstreinem Kupfer hergestellt sind. Diese Metallfäden. 3 von'geringen Querabmessungen in der Größenordnung von 100 yum sind durch ein Isoliermittel wie Epoxy-, Polyesteroder Poiyvinylacetallack elektrisch isoliert.

Die Drähte 2 sind gegebenenfalls abgeflacht geformt, um den Wärmekontakt mit den gegebenenfalls ebenfalls abgeflachten Fäden zu verbessern.

Das eine Ende oder beide Enden der zu jeder Schicht gehörenden Fäden 3 sind von ihrer elektrischen Isolation befreit in einem Metallwulst 4 eingebettet, der in ein äußeres Bad von verflüssigtem Gas, insbesondere flüssiges Helium, eintaucht. Falls an jedem Ende

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ein Vulst ausgebildet ist, sind die Fäden 3 bei 5 zerschnitten, um die Bildung geschlossener leitender Schleifen zu vermeiden.

Die Vorrichtung der Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform, in der aus Gründen der Klarheit entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszahlen versehen sind.

In der in dieser Figur gezeigten Spule bilden Scheiben 6 und 7 die Windungen, die durch isolierte, jedoch radial angeordnete Metallfäden 3 voneinander getrennt sind. Die äußeren Enden dieser Fäden 3 sind ebenfalls in einen Metallwulst 4 eingebettet·

Das innere Ende dieser Fäden kann ebenfalls mit einem zweiten Wulst verbunden sein, wenn der Innendurchmesser der Spule das zuläßt, wobei die Fäden dann bei 5 zerschnitten sind.

Das Verfahren der Kühlung supraleitender Spulen, die bei einem veränderlichen Magnetfluß betrieben werden, verbindet die Vorteile der beiden gegenwärtig angewandten Verfahren (imprägnierung der Spule und Kanalsystem). Diese Vorteile sind Kompaktheit der Spule, gute mechanische Festigkeit und ein hoher Grad Ausfüllung durch den Supraleiter, eine gute Kühlung der Spule und eine Vereinfachung des Kryostaten.

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Claims

Patentans prUche

( 1·)}Kühlvorrichtung für supraleitende Spulen, die aus einer Wicklung von durchgehenden Windungen eines Supraleiterelements bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen den verschiedenen Windungen (2) der_rSp^uIe angeordnet eine Anordnung von feinen, elektrisch gegeneinander isolierten Metalldrähten oder -fäden (3) aufweist, die einerseits mit den Windungen der Wicklungen und andererseits mit einem Bad von verflüssigtem Gas in Wärmekontakt stehen.

2·) Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von ihrer Isolation befreiten Enden der Metallfäden in das Bad von verflüssigtem Gas eintauchen·

3«) Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Metallfäden durch ihren Querschnitt in Wärmekontakt mit dem Bad von verflüssigtem Gas stehen.

4.) Kühlvorrichtung nach Anpsruch 1 oder 2_t dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschfläche zwischen den Metallfäden und dem Bad von verflüssigtem Gas durch MetallwUlste (4) begrenzt ist, in welche die von ihrer Isolation befreiten Enden der Fäden eingebettet sind.

5.) Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekontakt zwischen den Fäden und dem verflüssigten Gas in Kanälen erfolgt, durch welche dieses verflüssigte Gas strömt.

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6.) Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der v/ärmekontakt zwischen den Windungen der Spule und den Fäden durch im Imprägnierung der Windungen mit einem mit wärmeleitenden Pulvern gefüllten elektrischen Isolator hergestellt ist.

7.) Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfäden aus einem nach Herstellung der Fäden geglühten Metall von hoher Reinheit, wie Silber, Aluminium oder Kupfer bestehen.

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