DE2214954C3

DE2214954C3 - Superconducting magnet coil with an elongated, two-pole winding arranged on a carrier cylinder

Info

Publication number: DE2214954C3
Application number: DE19722214954
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Elsel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1976-03-04

Description

Die Erfindung betrifft.eine Supraleitungsmagnetspu-Ie mit einer auf einem Trägerzylinder angeordneten, langgestreckten, zweipoligen Wicklung mit zwei zuThe invention relates to a superconducting magnet coil with an elongated, two-pole winding with two to be arranged on a carrier cylinder

,o einer durch die Längsachse des Trägerzylinders und senkrecht zum Magnetfeld der Spule verlaufenden Symmetrieebene symmetrischen Teiiwicklungen aus mehreren schalenartig übereinander angeordneten, in ihrer Form einer Zylindermantelfläche angepaßten Wicklungslagen mit etwa parallel zur Längsachse des Trägerzylinders verlaufenden Seitenteilen und gewölbten Wickelköpfen wobei die einander entsprechenden Wicklungslagen beider Teilwicklungen jeweils eine zylindermantelförmige Wicklungsschale bilden und be-, o one through the longitudinal axis of the carrier cylinder and perpendicular to the magnetic field of the coil running symmetry plane from symmetrical Teiiwicklungen several shell-like arranged one above the other, adapted in their shape to a cylinder jacket surface Winding layers with curved side parts running approximately parallel to the longitudinal axis of the carrier cylinder Winding heads, the corresponding winding layers of both partial windings each being in the form of a cylinder jacket Form winding shell and

nachbart zu den Wicklungslagen für ein Kühlmittel in axialer und tangentialer Richtung durchläßige Kühlmittelführungen derart vorgesehen sind, daß jede Wicklungslage wenigstens einseitig vom Kühlmittel bespülbar ist. und wobei Stützteile innerhalb der Wieklungsschalen und gegebenenfalls Wicklungsschalen umschließende Halteteile vorgesehen sind.adjacent to the winding layers for a coolant in the axial and tangential direction permeable coolant ducts are provided in such a way that each winding layer can be flushed with the coolant at least on one side is. and wherein support members within the rocking shells and optionally surrounding winding shells Holding parts are provided.

Derartige zweipolige Supraleitungsmagnetspulen mit schalenartig übereinander angeordneten Wicklungslagen sind als Magnetspulen für M H D-Genera to-Such two-pole superconducting magnet coils with winding layers arranged one above the other in a shell-like manner are used as magnetic coils for M H D genera to-

ren bekannt (Aufsatz von Z.J.J. Stekly in »IEEE-Transactions an Magnetics, Sept. 1966, Vol. Mag-2, No. 3, S. 319 bis 322 und Aufsatz von K. K ο y a m a et al. in »Proceedings of the Third International Cryogenic Engineering Conference. Berlin 25-27 May 1970«,ren known (article by Z.J.J. Stekly in "IEEE-Transactions to Magnetics, Sept. 1966, Vol. Mag-2, No. 3, pp. 319 to 322 and an article by K. Kο y a m a et al. in "Proceedings of the Third International Cryogenic Engineering Conference. Berlin 25-27 May 1970 «,

1970, S. 351 bis 354). Zur Halterung der schalenförmigen Wicklungslagen sind bei diesen bekannten Spulen sowohl Stützteile innerhalb der einzelnen Wicklungsschalen als auch zylinderförmige Halteschalen vorgesehen, die eine bzw. mehrere Wicklungsschalen umgeben.1970, pp. 351 to 354). To hold the shell-shaped winding layers, these are known coils both support parts within the individual winding shells and cylindrical holding shells are provided, which surround one or more winding shells.

Die einzelnen Wickiungslagen bestehen bei diesen bekannten Spulen aus bandförmigen, sogenannten stabilisierten Leitern, bei denen Drähte aus einem Hochfeldsupraleitermaterial, wie Niob-Titan oder Niob-Zirkon, in ein Band aus einem bei der Betriebstenperatur der Spule von beispielsweise etwa 4,2 K gut elektrisch normalleitenden und gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer oder Aluminium, eingebettet sind. Derartige, aus Supraleitermaterial und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzte Leiter müssen bekanntlich gut gekühlt werden, damit die Wärme, die bei einem eventuellen Übergang eines supraleitenden Drahtes in den normalleitenden Zustand im normalleitenden Metall frei wird, rasch abgeführt werden kann und der Leiter sich nicht über die Sprungtemperatur des Supra-The individual winding layers exist in these known ones Coils made of band-shaped, so-called stabilized conductors, in which wires made of a high-field superconductor material, such as niobium-titanium or niobium-zirconium, in a band from one at the operating temperature of the Coil of, for example, about 4.2 K metal with good normal electrical conductivity and good thermal conductivity, such as copper or aluminum. Such, made of superconductor material and electrically normal conducting It is well known that conductors made up of metal must be well cooled in order to keep the heat from being absorbed by a possible transition of a superconducting wire into the normal conductive state in the normal conductive metal becomes free, can be discharged quickly and the conductor does not rise above the transition temperature of the supra-

leitermaterials erwärmt. Benachbart zu den Wicklungslagen sind daher Kühlmittelführungen vorgesehen, durch die das Kühlmittel wenigstens an einer Seite der Wicklungslage die Seitenkanten der bandförmigen Leiter bespülen kann. Zum Zwecke der Kühlung wird dieheated conductor material. Coolant ducts are therefore provided adjacent to the winding layers, through which the coolant at least on one side of the winding layer the side edges of the strip-shaped conductor can wash. For cooling purposes, the

Supraleitungsmagnetspule im Heliumbehälter eines Kryostaten angeordnet. Man spricht dabei von einer sogenannten Badkühlung, da die Spule vollständig in ein Bad aus flüßigem Helium eintaucht. Durch die Kühlmittelführungen kann nun einerseits flüssiges HeIium zu den einzelnen Wickiungslagen gelangen, andererseits haben die Kühlmittelführungen auch die Aufgabe, an der Leiteroberfläche entstehende Heliumdampfblasen möglichst schnell aus dem SpuleninnerenSuperconducting magnet coil arranged in the helium container of a cryostat. One speaks of one so-called bath cooling, as the coil is completely immersed in a bath of liquid helium. Through the Coolant ducts can now, on the one hand, get liquid helium to the individual winding layers, on the other hand the coolant ducts also have the task of removing helium vapor bubbles from the surface of the conductor from inside the bobbin as quickly as possible

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abzuführen. Letzteres wird bei den bekannten Spulen dadurch erreicht, daß die Kühimitieiführungen in Längsrichtung des Trägerzylinders durch die gesamte Spule verlaufende Kühlmittelwege freigeben und die Spule senkrecht, d. h. mit vertikal gerichteter Längsachte des Trägerzylinders, in den Hiliumbehäiter des Kryostaten eingebaut wird. An den Wicklungsleitern entstehende Kühlmitteldampfbläschen können dann durch die vertikal verlaufenden Kühlmittelwege nach oben steigen Bei einer bekannten Spule (Aufsatz von Stekly) sind ausschließlich in Längsrichtung des Trägerzylinders verlaufende, als axiale Kühlkanäle vorgesehen. Bei der anderen bekannten Spule (Aufsatz von K ο y a m a et al.) ist zwar auch eine Kühlmittelbewegung tangential zu den Wicklungsschalen möglich, jedoch können auch hier die Heliumdampfblasen nur in ixialer Richtung aus der Spule entweichen.to dissipate. The latter is achieved in the known coils in that the cooling guides in Release the longitudinal direction of the carrier cylinder running through the entire coil coolant paths and the Coil vertical, d. H. with vertically aligned longitudinal axis of the carrier cylinder, in the Hiliumbehäiter des Cryostat is installed. Coolant vapor bubbles that develop on the winding conductors can then rise upwards through the vertical coolant paths With a known coil (attachment by Stekly) are only used in the longitudinal direction of the Support cylinder running, provided as axial cooling channels. In the case of the other known coil (attachment by K ο y a m a et al.), a coolant movement tangential to the winding shells is also possible, however, here too the helium vapor bubbles can only escape from the coil in the axial direction.

Dies hat einmal den Nachteil, daß die Wege für die Abführung der Heliumdampfblasen und für die Zufuhr von frischem, flüssigem Helium verhältnismäßig lang sind. Unter Umständen müssen Heliumdampfblasen von unten nach oben die gesamte Spule durchströmen. Zum anderen ist man bei den bekannten Spulen auf den Betrieb mit vertikal gerichteter Längsachse beschränkt, da anderenfalls entstehende Heliumdampfbläschen überhaupt nicht in den Kühlmittelführungen aufsteigen und die Spule verlassen können und somit die Gefahr der Bildung von Gaspolstern besteht, die eine wirksame Spulenkühlung stark beeinträchtigen. Bei heftiger und rascher Entwicklung von Heliumdampf innerhalb der Spulenwicklung, beispielsweise infolge eines Betriebsfehlers, besteht sogar die Gefahr, daß die Spule explodiert, wenn der Heliumdampf nicht rasch genug nach außen abgeführt wird.This has the disadvantage that the ways for the removal of the helium vapor bubbles and for the supply of fresh, liquid helium are relatively long. You may need helium vapor bubbles flow through the entire coil from bottom to top. On the other hand, you are on the known coils Operation with a vertically aligned longitudinal axis is limited, as otherwise helium vapor bubbles will develop cannot rise at all in the coolant ducts and leave the coil and thus the danger the formation of gas cushions, which severely impair effective coil cooling. With violent and rapid development of helium vapor within the coil winding, for example as a result of an operating error, there is even a risk that the coil will explode if the helium vapor is not fast enough is discharged to the outside.

Aus »IEEE Transactions an Nuclear Science«, Bd. NS-18, Nr. 3, S. 656 bis 659 ist zwar eine auch mit horizontal angeordneter Längsachse betreibbare Supraleitungsmagnetspule mit einer auf einem Trägerzylinder angeordneten, langgestreckten, zweipoligen Wicklung bekannt. Die Wicklung besieht bei dieser Spule ebenfalls aus zwei zu einer durch die Längsachse des Trägerzylinders und senkrecht zum Magnetfeld der Spule verlaufenden Symmetrieebene symmetrischen Teilwicklungen, die wiederum aus mehreren schalenartig übereinander angeordneten, in ihrer Form einer Zylindermantelfläche angepaßten Wicklungslagen mit etwa parallel zur Längsachse des Trägerzylinders verlaufenden Seitenteilen und gewölbten Wickelköpfen aufgebaut sind. Bei dieser Spule enthält die Wicklung jedoch überhaupt keine Kühlkanäle, so daß die einzelnen Wicklungslagen nicht unmittelbar vom Kühlmittel bespült werden können.From "IEEE Transactions an Nuclear Science", Vol. NS-18, No. 3, pp. 656 to 659, one is also horizontal arranged longitudinal axis operable superconducting magnet coil with one on a carrier cylinder arranged, elongated, two-pole winding known. The winding is also seen in this coil from two to one through the longitudinal axis of the carrier cylinder and perpendicular to the magnetic field of the Coil running plane of symmetry symmetrical partial windings, which in turn consist of several shell-like with winding layers arranged one above the other and adapted in their shape to a cylinder jacket surface Side parts and curved winding heads running approximately parallel to the longitudinal axis of the carrier cylinder are constructed. In this coil, however, the winding contains no cooling channels at all, so that the individual The winding layers cannot be flushed directly with the coolant.

Aus der US-PS 34 44 307 ist es ferner bekannt, bei supraleitenden Spulen das Kühlmittel an die zu kühlenden Leiter mittels eines als Docht wirkenden Materials heranzuführen und neben dem Dochtmaterial Durchgänge zu schaffen, durch die das mindestens teilweise verdampfte Kühlmittel entweichen kann. Diese Kühlung über Dochte ist jedoch sowohl hinsichtlich der raschen Abfuhr von verdampftem Kühlmittel als auch insbesondere hinsichtlich einer raschen Zufuhr von ausreichenden Mengen frischen flüssigen Kühlmittels noch nicht völlig befriedigend.From US-PS 34 44 307 it is also known, in superconducting coils, the coolant to the to be cooled Lead up the conductor by means of a material acting as a wick and passages next to the wick material to create through which the at least partially evaporated coolant can escape. This cooling However, via wicks is both in terms of the rapid removal of evaporated coolant and especially with regard to a rapid supply of sufficient quantities of fresh liquid coolant not entirely satisfactory.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (DT-OS 21 14 007) in einer supraleitenden Magnetwicklung für Dipol- oder Multipolmagnete, die aus einzelnen Spulen mit rechteckförmigcn Wicklungsquerschnitten aufgebaut ist. zwischen den benachbarten Spulenquerschnitten durch Abstandshalter Kühlkanäle zu bilden, durch die bei senkrechter Anordnung durch freie Konvektion ein Kühlmittel strömtIt has also already been proposed (DT-OS 21 14 007) in a superconducting magnet winding for Dipole or multipole magnets, which are built up from individual coils with rectangular winding cross-sections is. to form cooling channels between the adjacent coil cross-sections by spacers a coolant flows through free convection when arranged vertically

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Supnleitungsmagnetspule der eingangs erwähnten Bauart die Kühlung weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine rasche Abführung auch größerer Mengen von dampfförmigem Helium sowie eine rasche Zufuhr von flüssigem Helium auf möglichst kurzen Wegen erreicht und darüber hinaus auch ein Betrieb der Supraleitungsmagnetspule in anderer als vertikaler Lage ohne wesentliche Beeinträchtigung der Spulenkühlung ermöglicht werden.The object of the invention is, in a superconducting magnet coil of the type mentioned at the beginning to further improve the cooling. In particular, a rapid removal of even larger amounts of vaporous helium and rapid supply of liquid Helium reached in the shortest possible ways and also an operation of the superconducting magnet coil in other than vertical position without significant impairment of the coil cooling will.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind wenigstens in einem Teil der Stütz- bzw. Halteteile Kühlmittelkanäle vorgesehen, die von den zu den Wicklungslagen benachbarten Kühlmittelführungen radial zum äußeren Spulenumfang führen.To solve this problem, coolant channels are provided in at least some of the support or holding parts, from the coolant guides adjacent to the winding layers radially to the outer coil circumference to lead.

Durch diese radial gerichteten KüblmitteJkanäle können einerseits bei einer von der vertikalen Richtung abweichenden Lage der Spulenlängsachse in den Kühlmittelführungen entstehende Heliumdampfblasen rasch aus der Spule herausgelangen. Zum anderen kann aber auch unabhängig von der Lage der Spule durch diese Kühlmitteikanäle frisches flüssiges Helium schnell und auf kurzen Wegen in die Kühlmittelführungen der Spule gelangen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die in den Stütz- und Halteteilen verlaufenden Kühlmittelkanäle außerhalb der Wicklungslagen selbst verlaufen und diese nicht durchsetzen. Eine Verringerung des Packungsfaktors der Wicklung und eine damit verbundene Vergrößerung der Baulänge der Wicklung durch eine Verlängerung der Wickelköpfe wird dadurch vermieden.Through these radially directed tubing center channels can on the one hand with a position of the coil longitudinal axis deviating from the vertical direction in the coolant ducts the resulting helium vapor bubbles can quickly get out of the coil. On the other hand, it can also irrespective of the position of the coil through these cooling medium channels fresh liquid helium quickly and get into the coolant ducts of the coil over short distances. Another advantage is that the Support and holding parts running coolant channels run outside the winding layers themselves and these not enforce. A reduction in the packing factor of the winding and an associated increase in size the overall length of the winding by extending the winding heads is avoided.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die benachbart zu den Wicklurigslagen angeordneten Kühlmittelführungen die Form von Zylindermänteln haben. Sie umschließen in diesem Fall jeweils eine ganze Wicklungsschale und können daher leicht mit den in den Stützbzw. Halteteilen vorgesehenen radialen Kühlmittelkanülen verbunden werden. Außerdem ermöglichen Kühlmittelführungen in Form von Zylindermänteln auch eine gleichmäßige Kühlmittelversorgung sowohl der Seitenteile als auch der Wickelköpfe der einzelnen Wicklungslagen.It is particularly advantageous if the coolant guides arranged adjacent to the winding layers have the shape of cylinder jackets. In this case, they each enclose an entire winding shell and can therefore easily be used with the support or Holding parts provided radial coolant cannulas are connected. Also enable Coolant ducts in the form of cylinder jackets as well as an even coolant supply the side parts as well as the winding heads of the individual winding layers.

Ferner können vorteilhaft zwischen den Seitenteilen der jeweils eine Wicklungsschale bildenden Wicklungslagen der beiden Teilwicklungen als Stützelemente Paßstücke vorgesehen sein, die radiale, innerhalb bzw. in unmittelbarer Umgebung der Symmetrieebene verlaufende Kühlmittelkanäle enthalten. Derartige Paßstücke ermöglichen eine einfache Abstützung der Wicklungslagen gegeneinander und gestatten ferner eine einfache Herstellung der radialen Kühlmittelkanäle. Ferner können vorteilhaft innerhalb der innersten Windung der einzelnen Wicklungslagen ebenfalls mit radialen Kühlmittelkanälen versehene Füllslücke angeordnet sein.Furthermore, between the side parts of the winding layers, which each form a winding shell, of the two partial windings can be used as support elements Fitting pieces may be provided which run radially within or in the immediate vicinity of the plane of symmetry Coolant channels included. Such fittings allow easy support of the Winding layers against one another and also allow simple production of the radial coolant channels. Furthermore, within the innermost turn of the individual winding layers can also be advantageous radial coolant channels provided filling gap be arranged.

Als Halteteile sind vorteilhaft Bandagen aus Material hoher Zugfestigkeit geeignet, welche die jeweiligen Wicklungvschalen umschließen und mit öffnungen für die radialen Kühlmittelkanäle versehen sein. Ferner ist es für die Kühlmittelversorgung der Spule auch forderlich, wenn zwischen dem Trägcr/.ylinder und der auf diesen folgenden innersten Wicklungsschale eine für Kühlmittel in axialer und tangentialer Richtung durchlässige Kühlmittelführung vorgesehen ist.As holding parts, bandages made of material of high tensile strength are advantageously suitable, which the respective Enclose winding shells and be provided with openings for the radial coolant channels. Furthermore is it is also necessary for the coolant supply to the coil when between the carrier / cylinder and the this following innermost winding shell is a permeable for coolant in the axial and tangential directions Coolant guide is provided.

Obwohl die erfindungsgemäße Supraleitungsmagnetspule infolge der radial verlaufenden Kühlkanäle in denAlthough the superconducting magnet coil according to the invention due to the radially extending cooling channels in the

verschiedensten Lagen betrieben werden kann, bringt es besondere Vorteile, wenn man sie im Kühlmittelbehälter des zugehörigen Kryostaten derart anordnet, daß die Längsachse des Trägerzylinders etwa horizontal und die Symmetrieebene etwa vertikal, d. h. in Riehtung der Schwerkraft, verlaufen. Diese räumliche Anordnung, bei welcher auch das durch die Spule erzeugte Magnetfeld horizontal gerichtet ist, bringt insbesondere den Vorteil, daß auch in den Wickelköpfen entstehende Kühlmitteldampfbläschen in den zu den Wicklungslagen benachbarten Kühlmittelführungen in tangentialer Richtung weitgehend vertikal nach oben steigen und aus den Wickelköpfen vorzugsweise durch die innerhalb bzw. in unmittelbarer Umgebung der Symmetrieebene verlaufenden Kühlmittelkanäle nach außen entweichen können. Eine derart verstärkte Kühlung der Wickelköpfe ist besonders vorteilhaft, weil gerade an den Wickelköpfen besonders hohe Magnetfelder auftreten. Bei einer solchen Anordnung der Supraleitungsmagnetspule ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle in den Paßstücken zwischen den Seitenteilen der Wicklungslagen einen größeren Querschnitt aufweisen als die Kühlmittelkanäle in den Füllstücken innerhalb der Wicklungslagen. Die Kühlmittelkanäle in den Paßstücken liegen nämlich gerade bei dieser Anordnung an der tiefsten und an der höchsten Stelle der Spule und bilden daher sowohl die Hauptausströmkanäle für dampfförmiges als auch die Haupteinströmkanäle für flüssiges Helium.can be operated in a wide variety of positions, it has particular advantages if you place them in the coolant tank of the associated cryostat is arranged in such a way that the longitudinal axis of the carrier cylinder is approximately horizontal and the plane of symmetry is approximately vertical, i.e. H. in the direction of gravity. This spatial arrangement, in which the magnetic field generated by the coil is also directed horizontally, brings in particular the advantage that coolant vapor bubbles that arise in the end windings are also present in the winding layers neighboring coolant ducts rise largely vertically upwards in the tangential direction and from the winding heads, preferably through the within or in the immediate vicinity of the plane of symmetry running coolant channels can escape to the outside. Such increased cooling the winding heads is particularly advantageous because the magnetic fields at the winding heads are particularly high appear. In such an arrangement of the superconducting magnet coil, it is also particularly advantageous when the coolant channels in the fitting pieces between the side parts of the winding layers are larger Have cross section than the coolant channels in the filler pieces within the winding layers. The coolant channels in the fitting pieces are precisely in this arrangement at the deepest and the highest Place the coil and therefore form both the main outflow channels for vapor as well as the Main inflow channels for liquid helium.

An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail using a few figures and exemplary embodiments.

F i g. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer Supraleitungsmagnetspule nach der Erfindung;F i g. 1 shows schematically and partially in section a preferred embodiment of a superconducting magnet coil according to the invention;

F i g. 2 zeigt zur Verdeutlichung vergrößert einen Teil des Querschnittes der Spule nach F i g. 1.F i g. For the sake of clarity, FIG. 2 shows, on an enlarged scale, part of the cross section of the coil according to FIG. 1.

Die zweipolige Wicklung der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Supraleitungsmagnetspule besteht aus zwei Teilwicklungen, die wiederum aus je zwei schalenartig übereinander angeordneten Wicklungslagen 1 und 2 bzw. 3 und 4 aufgebaut sind. Die Wicklung ist auf einem Trägerzylinder 5 angeordnet, der gleichzeitig das Innenrohr des Heliumbehälters des Kryostaten darstellt, in welchem die Spule untergebracht ist. Das Außenrohr des Heliumbehälters des Kryostaten ist mit 6 bezeichnet. Wie man besonders an der Wicklungslage 1 in F i g. 1 erkennen kann, sind die Wicklungslagen in ihrer Form einer Zylindermantelfläche angepaßt und weisen etwa parallel zur Längsachse 7 des Trägerzylinders 5 verlaufende Seitenteile 8 und gewölbte Wickelköpfe 9 auf. Der Verlauf der unterhalb der Wicklungslage 1 angeordneten Wicklungslage 2 ist in F i g. 1 gestrichelt angedeutet. Da die Wicklungslage 2 aus mehr Windungen besteht als die Wicklungslage 1. weist sie auch einen breiteren Wickelkopf auf. Die beiden Teilwicklungen liegen symmetrisch zu der Symmetrieebene, die durch die Längsachse 7 des Trägerzylinders 5 und die senkrecht auf der durch den Pfeil B angedeuteten Richtung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes stehenden Geraden 10 aufgespannt wird. In F i g. 1 ist die bereits als besonders vorteilhaft erwähnte Anordnung der Spule im Heliumbehälter (5. 6) des Kryostaten dargestellt, bei welcher die Längsachse 7 in der Horizontalen und die durch die Geraden 7 und 10 aufgespannte Symmetrieebene in der Vertikalen verlaufen. The two-pole winding of the FIG. 1 and 2, the superconducting magnet coil shown consists of two partial windings, which in turn are made up of two winding layers 1 and 2 or 3 and 4 arranged one above the other in a shell-like manner. The winding is arranged on a carrier cylinder 5, which at the same time represents the inner tube of the helium container of the cryostat in which the coil is housed. The outer tube of the helium container of the cryostat is denoted by 6. As can be seen particularly on the winding layer 1 in FIG. 1, the winding layers are adapted in their shape to a cylinder jacket surface and have side parts 8 and arched end windings 9 running approximately parallel to the longitudinal axis 7 of the carrier cylinder 5. The course of the winding layer 2 arranged below the winding layer 1 is shown in FIG. 1 indicated by dashed lines. Since the winding layer 2 consists of more turns than the winding layer 1, it also has a wider winding head. The two partial windings lie symmetrically to the plane of symmetry which is spanned by the longitudinal axis 7 of the carrier cylinder 5 and the straight line 10 which is perpendicular to the direction indicated by the arrow B of the magnetic field generated by the coil. In Fig. 1 shows the arrangement of the coil in the helium container (5, 6) of the cryostat, already mentioned as being particularly advantageous, in which the longitudinal axis 7 extends horizontally and the plane of symmetry spanned by the straight lines 7 and 10 extends vertically.

Die Wicklungslagen 1 und 3 sowie 2 und 4 bilden gemeinsam je eine zylinderförmige Wicklungsschale.The winding layers 1 and 3 as well as 2 and 4 together each form a cylindrical winding shell.

Zwischen der innersten Wicklungsschale (2, 4) und dem Trägerzylinder 5 ist eine zylinderförmige Kühlmittelführung 11 vorgesehen, die in axialer und tangentialer Richtung kühlmitieldurchlässig ist. Beispielsweise kann man ein kunststoffbeschichtetes Metallnetz oder ein bzw. mehrere entsprechend ausgestaltete Kunststoffmatten um den Trägerzylinder 5 herumlegen. Auf diese Kühlmittelführung 11 folgen die Wicklungslagen 2 und 4, die vorzugsweise aus bandförmigen, stabilisierten, aus Hochfeldsupraleitermaterial und elektrisch normalleitendem Metall zusammengesetzten Leitern bestehen. Die den Kühlmittelführungen zugewandten Bandkanten sind dabei wegen des besseren Wärmeübergangs vorzugsweise blank, also nicht mit Isoliermaterial bedeckt. Zur Isolation der einzelnen Windungen einer Wicklungslage gegeneinander kann beispielsweise ein Band aus Isoliermaterial milgewickelt werden. Auf die beiden Wicklungslagen folgt eine weitere Kühlmittelführung 12. Um diese ist eine Bandage 13, beispielsweise aus epoxidharzgetränkten Glasseidebändern hoher Zugfestigkeit, gewickelt. Auf diese Bandage folgt erneut eine Kühlmittelführung 14. Auf dieser Kühlmittelführung sind die Wicklungslagen 1 und 3 angeordnet. Diese sind wiederum von einer zylinderförmigen Kühlmittelführung 15 umgeben und werden zusammen mit dieser durch eine weitere Bandage 16 gehalten. In F i g. 1 sind die Kühlmittelführungen 11, 12. 14 und 15 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht eigens dargestellt.A cylindrical coolant duct is located between the innermost winding shell (2, 4) and the carrier cylinder 5 11 is provided, which is permeable to coolant in the axial and tangential directions. For example, can a plastic-coated metal net or one or more appropriately designed plastic mats are placed around the carrier cylinder 5. To this Coolant guide 11 is followed by winding layers 2 and 4, which are preferably made of band-shaped, stabilized, high-field superconductor material and normal electrical conductivity Composed of metal composite ladders. The strip edges facing the coolant guides are preferably bare because of better heat transfer, i.e. not covered with insulating material. To isolate the individual turns of a winding layer from one another, a Tape of insulating material can be wrapped. Another coolant feed follows the two winding layers 12. A bandage 13, for example made of epoxy resin-soaked fiberglass tapes, is higher around this Tensile strength, wrapped. A coolant duct 14 follows this drum again. On this coolant duct the winding layers 1 and 3 are arranged. These, in turn, have a cylindrical coolant duct 15 and are held together with this by a further bandage 16. In F i g. 1, the coolant ducts 11, 12, 14 and 15 are not for the sake of clarity specially shown.

Zwischen den Seitenteilen der Wicklungslagen 1 und 3 bzw. 2 und 4 sind jeweils Paßstücke 17, beispielsweise aus Hartfasermaterial, vorgesehen, die radiale, etwa in der durch die Geraden 7 und 10 aufgespannten Symmetrieebene verlaufende Kühlmittelkanäle 18 aufweisen. Die Bandagen 13 und 16 sowie die aus Netzen oder Matten bestehenden Kühlmittelführungen 12,14 und 15 sind an den Auftreffpunkten dieser Kühlkanäle jeweils mit Öffnungen 19 versehen. Dadurch entstehen von den Kühlmittelführungen 11, 12, 14 und 15 aus radial zum äußeren Umfang der Spule führende Kühlkanäle.Between the side parts of the winding layers 1 and 3 or 2 and 4 are each fitting pieces 17, for example made of hard fiber material, provided the radial, approximately in of the plane of symmetry spanned by the straight lines 7 and 10 have coolant channels 18. The bandages 13 and 16 and the coolant guides 12, 14 and 15 consisting of nets or mats are each provided with openings 19 at the points of impact of these cooling channels. This creates from the coolant guides 11, 12, 14 and 15 from cooling channels leading radially to the outer circumference of the coil.

Innerhalb der einzelnen Wicklungslagen 1 bis 4 sind ferner Füllstücke 20, beispielsweise aus Harfasermaterial, mit radialen Kühlmittelkanälen 21 vorgesehen. Diese Kühimitteikanäle 21 führen vorteilhaft bis zu der jeweils letzten zylinderförmigen Kühlmittelführung, die noch erreicht werden kann, ohne daß der Kühlmittelkanai 21 eine Wicklungslage durchstoßen muß. Die Bandagen 13 und 16 sind auch an den Stellen der radialen Kühimitteikanäle 21 mit entsprechenden öffnungn 22 versehen.Within the individual winding layers 1 to 4 there are also filler pieces 20, for example made of harp fiber material, provided with radial coolant channels 21. These Kühimittekanäle 21 lead advantageously to the last cylindrical coolant duct that can still be reached without the coolant duct 21 must pierce a winding layer. The bandages 13 and 16 are also in the places of the radial Cooling medium channels 21 are provided with corresponding openings 22.

Insbesondere aus F i g. 1 ist deutlich zu erkennen daß flüssiges Helium aus dem Heliumbehälter des Kryostaten von unten her leicht über die unteren Kühlmittelkanäle 18 in alle zylinderförmigen Kühlmittelfüh rungen U. 12, 14,15 gelangen und sich in diesem Kühl mittelführungen sowohl in axialer als auch in tangentia ler Richtung frei über die gesamte Spule ausbreiter kann. In Kühlmittelführungen entstehende Helium dampfblasen können sich insbesondere auch im Bereicl der Wickelköpfe 9 in den Kühlmittelführungen nacl oben bewegen und durch die Hauptauslaßöffnungen 11 in den oben liegenden Paßstücken 17 entweichen. Di radialen Kühlmittelkanäle 21 in den Füllstücken 20 bie ten weitere Wege zum raschen Entweichen von ver dampftem Helium. Außerdem kann durch diese radia len Kühlmittelkanäle 21 auch wieder frisches flüssige Helium rasch in die Spulenwicklung einströmen. Ds durch ist eine hervorragende Kühlung der Spule b(In particular from FIG. 1 can be clearly seen that liquid helium from the helium container of the cryostat from below easily over the lower coolant channels 18 in all cylindrical Kühlmittelfüh ments U. 12, 14,15 and get in this cooling central guides in both axial and tangentia ler direction can freely spread over the entire coil. Helium generated in coolant ducts In particular, steam bubbles can also form in the coolant ducts in the region of the end windings 9 move up and escape through the main outlet openings 11 in the fitting pieces 17 above. Tuesday radial coolant channels 21 in the filler pieces 20 bie th further ways for the rapid escape of ver steamed helium. In addition, through these radia len coolant channels 21 can also be fresh liquid again Helium flow rapidly into the coil winding. Ds through is an excellent cooling of the coil b (

höchster Betriebssicherheit gewährleistet.maximum operational safety guaranteed.

Zur Herstellung der Spule können die ein/einen Wicklungslagen der Teilspulen vorteilhaft auf einer Wickelvorrichtung vorgefertigt und beispielsweise mit einem geeigneten Kunstharz verfestigt werden. I'm den rohrförmigen Trägerzvlinder 5 werden dann beispielsweise heliunuransparente Kunstsioffmatien gelegt. Anschließend werden die vorgefertigten Wicklungslagen 2 und 4 aufgesetzt und der Wickelkern durch Fiillstücke 20 gefüllt. Dabei ist auch eine Sicherung gegen Verdrehung der Wicklung vorzusehen. Zwischen den Längsseiten der Wickkingslagen werden dann die Paßstücke 17 eingefügt. Nach Auflegen einer weiteren heliumtransparenten Matte wird die gesamte Wicklungsschale einschließlich der Wickelkopfe auf ihrer gesamten Außenfläche mit Hilfe der Bandage 13 unter Vorspannung bandagiert. Der weitere Aufbau erfolgt entsprechend in der aus den F i g. 1 und 2 zu entnehmenden Reihenfolge. Die einzelnen Wicklungslagen werden anschließend vorteilhaft elektrisch in Reihe geschaltet. Die Kontakte werden zweckmäßigerweise in Bereichen mit kleiner mechanischer Belastung und niedrigem Magnetfeld angeordnet.To produce the coil, the one / one Winding layers of the partial coils are advantageously prefabricated on a winding device and, for example, with solidified with a suitable synthetic resin. In the The tubular support cylinder 5 is then placed, for example, plastic material that is transparent to the surface. Then the prefabricated winding layers 2 and 4 are put on and the winding core filled by filler pieces 20. A safeguard against twisting of the winding must also be provided. The fitting pieces 17 are then inserted between the longitudinal sides of the winding layers. After hanging up a Another helium-transparent mat is the entire winding shell including the winding heads on its entire outer surface bandaged with the aid of the bandage 13 under tension. The further construction takes place accordingly in the from the F i g. 1 and 2 in the order. The individual winding layers are then advantageously connected electrically in series. The contacts are expediently in Areas with low mechanical stress and low magnetic field arranged.

Innerhalb der Spulenwicklung werden die elektromagnetischen Kräfte kraftschlüssig durch die eingepaßten Füll- und Paßstücke und die vorgespannten Bandagen übertragen. Die nach außen resultierenden Wicklungskräfte können, wie dies in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist. durch ein verhältnismäßig starkes, biegesteifes Trägerrohr 5 und eine nur auf Zug belastete Außenbandage 16 aufgenommen werden. Abweichend von dieser bevorzugten Ausführungsform kann zur Aufnahme der nach außen resultierenden Wicklungskräfte auch eine biegesteife Außenbandage vorgesehen sein, die aus ringförmigen, in axialer Richtung aneinandergereihten Doppel-T-Trägern besteht. Diese Lösung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.Within the coil winding, the electromagnetic forces are force-locked by the fitted Transferring filler and fitting pieces and the pre-tensioned bandages. The outward resulting winding forces can, as shown in FIGS. 1 and 2 is shown. with a relatively strong, rigid one Support tube 5 and an outer bandage 16 which is only subjected to tensile loading can be added. Deviating from this A preferred embodiment can also be used to absorb the outwardly resulting winding forces Rigid outer bandage can be provided, which are made of annular, strung together in the axial direction Consists of double T-beams. However, this solution is relatively complex.

Als Kryostat wird für die Spule nach den F i g. 1 und 2 vorzugsweise ein Kryostat mit horizontal liegendem, frei zugänglichem, auf Raumtemperatur befindlichen Innenraum verwendet. Derartige Kryostate. die zusätzlich einen turmförmigcn Aufsatz zur Aufnahme eines Heliumvorrats haben, sind beispielsweise in den deutschen Patentschriften 15 01 304 und 15 01 319 beschrieben. In den F i g. 1 und 2 ist von einem solchen Kryostaten lediglich der Heliumbehälter 5, 6 und zusätzlich in F i g. 1 das den frei zugänglichen Innenraum 30 umschließende, auf Raumtemperatur befindliche Innenrohr 31 dargestellt. Der Raum zwischen den Rohren 5 und 31 ist zum Zwecke der thermischen Isolation evakuiert. Ein weiterer Vakuummantel ist nach außen um das Außenrohr 6 des Heliumbehälters vorgesehen. Innerhalb der beiden Vakuummäntel können beispielsweise noch in bekannter Weise stickstoffgekühlte Strahlungsschilde und wärmeisolierende Kunststoffolien angeordnet sein. Verwendet man die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Spule für einen magnetohydrodynamischen Generator, so sind der Plasmakanal und die Elektroden des Generators im Raum 30 innerhalb dos Rohres 31 anzuordnen.The cryostat for the coil according to FIGS. 1 and 2 preferably a cryostat with a horizontally lying, freely accessible, at room temperature Interior used. Such cryostats. which also has a tower-shaped attachment to accommodate a Have helium supply are described, for example, in German patents 15 01 304 and 15 01 319. In the F i g. 1 and 2 of such a cryostat is only the helium container 5, 6 and additionally in Fig. 1 the inner tube which surrounds the freely accessible interior space 30 and is at room temperature 31 shown. The space between the tubes 5 and 31 is evacuated for the purpose of thermal insulation. Another vacuum jacket is provided on the outside around the outer tube 6 of the helium container. Inside of the two vacuum jackets can, for example, still be nitrogen-cooled in a known manner Radiation shields and heat-insulating plastic films can be arranged. If one uses the in the F i g. 1 and 2 illustrated coil for a magnetohydrodynamic generator, so are the plasma channel and the Electrodes of the generator in space 30 within dos Pipe 31 to be arranged.

Mit einer aus zehn Wicklungslagen aufgebauten Magnetspule der beschriebenen Bauart ialji sich beispieisweise in einem freien Innenra im mit einem Durchmesser von etwa 77 cm ein homogenes Magnetfeld von etwa 5 Tesla erreichen. Die einzelnen Wicklungslagen können bei einer solchen Spule beispielsweise aus 5 mm breilcn und 2 mm starken Kupferbandern beste-With a magnetic coil made up of ten winding layers the described type ialji is for example in a free inner space with a diameter of about 77 cm a homogeneous magnetic field of reach about 5 tesla. The individual winding layers can consist of 5 mm wide and 2 mm thick copper strips in such a coil, for example.

ίο hen. in die eine Vielzahl von etwa 50 μ starken Niob-Titan-Drähten eingelagert sind, (ede der 10 Wicklungsschalen hat dann eine Stärke von etwa 5 mm. Die Stromdichte in der Wicklung beträgt dabei etwa 10⁴ A/cm². Die als Kühlmittelführungen dienenden Kunststoffmatten können beispielsweise je 1 mm. die aus mit Epoxidharz verstärktem Glasfaserband gewikkclten Bandagen je etwa 1 mm stark sein. Die Länge der Spule kann etwa 4 mm betragen.ίο hen. in which a large number of about 50 μ thick niobium-titanium wires are embedded, (each of the 10 winding shells then has a thickness of about 5 mm. The current density in the winding is about 10 ⁴ A / cm ² Plastic mats can, for example, each be 1 mm thick, the bandages wound with epoxy resin-reinforced fiberglass tape are each about 1 mm thick, and the length of the coil can be about 4 mm.

Die Supraleitungsmagnetspule kann gegenüber demThe superconducting magnet coil can opposite the

:o im einzelnen dargestellten Ausführungsbeispiel weitgehend variiert werden. Beispielsweise kann man eine andere Anzahl von Wicklungslagen vorsehen oder zwischen zwei Wicklungslagen eine gemeinsame zylinderförmige. axial und tangential durchlässige Kiihlmittelführung vorsehen. Ferner brauchen auch nicht nach jeder Wicklungslage Haltemittel, wie Bandagen, vorgesehen zu werden. Ferner sind an Stelle von Bandagen beispielsweise auch über die Wicklungen zu schiebende Rohre als Haltemittel geeignet. Man kann dann die Kühlmittelführungen in geeigneter Weise in die Wandungen dieser Rohre einarbeiten. Wesentlich ist jedoch, daß wenigstens eine Seite jeder Wicklungslage vom Kühlmittel beströmbar ist und daß in Stütz- bzw Halteteilen radial nach außen führende Kühlmittelkanäle vorgesehen sind.: o in the individual illustrated embodiment largely can be varied. For example, a different number of winding layers can be provided or between two winding layers a common cylindrical. axially and tangentially permeable coolant duct provide. Furthermore, holding means, such as bandages, do not need to be provided after each winding layer to become. Furthermore, instead of bandages, for example, they are also to be pushed over the windings Pipes suitable as holding means. You can then in a suitable manner in the coolant ducts Work in the walls of these pipes. However, it is essential that at least one side of each winding layer coolant can flow through it and that coolant channels leading radially outward in support or holding parts are provided.

Der Trägerzylinder. auf dem die Wicklung angeordnet ist. kann statt eines kreisförmigen Querschnitts beispielsweise auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Die einzelnen Wicklungsschalen sind dann diesem Querschnitt anzupassen. Ferner besteht auch die Möglichkeit, daß sich der Trägerzylinder von einem Ende zum andern hin konisch verjüngt bzw. erweitert. Die Spulenwicklung kann dadurch beispielsweise an die Form eines sich erweiternden Plasmakanais bei einen" MHD-Generator angepaßt werden.The carrier cylinder. on which the winding is arranged. can for example instead of a circular cross-section also have an elliptical cross-section. The individual winding shells are then this Adapt cross-section. Furthermore, there is also the possibility that the carrier cylinder extends from one end on the other hand, it tapers or widens conically. The coil winding can thereby, for example, to the Form of a widening plasma channel at a " MHD generator to be adapted.

Außer für MHD-Generatoren eignet sich die Supra leitungsmagnetspule auch noch für eine Reihe von anderen Anwendungszwecken. Beispielsweise kann mar sie als Strahlablenkmagnet bei Teilchenbesehlcunigerr oder als supraleitende Ständerwicklung einer elektri sehen Maschine verwenden. Auch an den Wickelköp fen brauchen die Leiter der einzelnen Wicklungslager nicht so stark abgebogen zu sein, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Sie können auch entlang der Zylinderflä-The Supra is also suitable for MHD generators line solenoid also has a number of other uses. For example, mar it is used as a beam deflection magnet for particle orders or as a superconducting stator winding of an electric see machine use. The conductors of the individual winding bearings also need to be attached to the winding heads not to be bent as sharply as shown in FIG. 1 is shown. You can also run along the cylinder surface

5i> ehe in einem weiteren Bogen verlaufen. Die stark abgebogenen Wickelköpfe sind jedoch besonders dann ge eignet, wenn es auf eine möglichst geringe Baulänge der Supraleitungsmagnetspule ankommt.5i> before running in another arc. The strongly bent ones However, end windings are particularly suitable when the overall length is as short as possible the superconducting magnet coil arrives.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

609 610/24*609 610/24 *

Claims

Patent claims:

1. Superconducting solenoid with one on one Carrier cylinder arranged,! Elongated, two-pole winding with two to one through the longitudinal axis of the carrier cylinder and perpendicular to the Magnetic field of the coil extending symmetry plane symmetrical partial windings from several winding layers arranged one above the other in a shell-like manner, the shape of which is adapted to a cylinder jacket surface, with approximately parallel to the longitudinal axis of the carrier cylinder and curved side parts End winding, the corresponding winding layers of both partial windings each a cylinder jacket-shaped winding shell form and adjacent to the winding layers for a coolant in the axial and tangential directions throughJäßige coolant ducts are provided in such a way that each winding layer is at least one side can be flushed by the coolant, and wherein support parts within the winding shells and optionally Holding parts surrounding winding shells are provided, characterized in that that at least in part of the support or holding parts (13,16,17, 20) of the coolant ducts (11, 12, 14, 15) provided radially to the outer coil circumference leading coolant channels (18, 21) are.

2. superconducting magnet coil according to claim 1, characterized in that the adjacent to Winding layers (1,2,3,4) arranged coolant guides (11, 12, 14, 15) have the shape of cylinder jackets.

3. Superconducting magnet coil according to claim 1 or 2, characterized in that between the Side parts of the winding layers (1, 3 or 2, 4) of both partial windings, each forming a winding shell as Slützelemente fitting pieces (17) are provided, the radial, inside or in the immediate Contain coolant channels (18) running around the plane of symmetry.

4. Superconducting magnet coil according to one of claims 1 to 3, characterized in that within the innermost turn of the individual winding layers (1,2,3,4) with radial coolant channels (21) provided filler pieces (20) are arranged.

5. Superconducting magnet coil according to one of claims 1 to 4, characterized in that as Holding parts of bandages (13, 16) made of material of high tensile strength are provided, the winding shells enclose and have openings (19, 22) for the radial coolant channels (18, 21).

6. Superconducting magnet coil according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the carrier cylinder (5) and the innermost winding shell (2, 4) following this one for Coolant in the axial and tangential direction permeable coolant guide (ll) is provided.

7. Superconducting magnet coil according to one of the claims 1 to 6, characterized in that they are in the coolant container (5, 6) of the associated cryostat is arranged such that the longitudinal axis (7) of the carrier cylinder is approximately horizontal and the plane of symmetry run roughly vertically.

8. superconducting magnet coil according to claim 7, characterized in that the coolant channels (18) in the fitting pieces (17) have a larger cross-section than the coolant channels (21) in the filler pieces (20).