DE2451949B2 - Stromzuführungsvorrichtung für eine supraleitende Magnetspule - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrichtung für eine supraleitende, mit flüssigem Helium gekohlte, kurzzuschließende Magnetspule, der die elektrische Energie zum Erzeugen und Aufrechterhalten des supraleitenden Betriebszustandes in einem hierfür erforderlichen, begrenzten Zeitraum über mindestens einen Stromzuführungsleiter zugeleitet wird, der sich im Gasstrom verdampfenden Heliums befindet Eine derartige Stromzuführungsvorrichtung ist aus der Veröffentlichung «Cryogenics«, Dezember 1963, Seiten 220 bis 224 bekannt

Wird in eine supraleitende Magnetspule, die mit flüssigem Helium bei einer Temperatur von etwa 4 K gekühlt wird, elektrische Energie eingespeist, so gehen die Leiter dieser Spule bei supraleitenden Bedingungen von ihrem normalleitenden Zustand in den supraleitenden Zustand innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer, beispielsweise zwischen 10 und 30 Minuten, über. Diese supraleitenden Bedingungen liegen vor, wenn in einem vorbestimmten Bereich die kritische Temperatur, der kritische Strom und der kritische magnetische Fluß bzw. die kritische Feldstärke keinen normalleitenden Zustand der supraleitenden Einrichtungen bewirken.

Zur Einspeisung hoher elektrischer Energien sind Stromzuführungen für hohe Ströme erforderlich, die mit der supraleitenden Magnetspule zu verbinden sind. Ober diese Stromzuführungen wird jedoch der supraleitenden Magnetspule auch Wärme zugeführt Die

ίο entspru-ienden Wärmemengen können 50% und mehr der gesamten in die Magnetspule eingeleiteten Wärme betragen.

Bei der aus der Veröffentlichung »Cryogenics« bekannten Stromzuführung werden deshalb deren Leiter mittels Heliumgas gekühlt Diese zur Übertragung hoher Ströme geeigneten Leiter sind im allgemeinen aus Kupfer hergestellt, das bekanntlich einen geringen elektrischen Widerstand hst Die während eines Stromdurchganges durch diese Stromsuführungsleiter erzeugte Joulesche Wärme ist deshalb verhältnismäßig klein, und es wird somit über diese Stromzuführungsleiter nur eine entsprechend geringe Wärmemenge in das zur Kühlung der supraleitenden Magnetspule erforderliche Helium eingeleitet

Wenn die Stromeinleitungszeit klein ist, beispielsweise zwischen 10 und 30 Minuten liegt, und wenn die supraleitende Magnetspule beispielsweise zur Erzeugung hoher magnetischer Felder in beweglichen Vorrichtungen verwendet wird, braucht der supraleitenden Magnetspule von außen nicht ständig elektrische Energie zugeführt zu werden. Sie kann ihren supraleitenden Zustand für längere Zeit beibehalten und deshalb unabhängig von elektrischen Versorgungseinrichtungen betrieben werden, indem sie kurzgeschlossen wird. Da jedoch die supraleitende Magnetspule mit der Stromzuführung fest verbunden ist, dringt während der verhältnismäßig langen Betriebsdauer eine verhältnismäßig große Wärmemenge über die Stromzuführung in die supraleitende Magnetspule ein.

Diese eingeleitete Wärme ist deshalb verhältnismäßig groß, weil das Kupfer der Stromiuführungsleiter eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt

Es kann somit bei einer Verwendung von Kupfer für die Leiter einer Stromzuführung zwar das Entstehen der Jouleschen Wärme begrenzt werden; jedoch dringen während eines längeren Betriebszeitraumes, in dem die supraleitende Einrichtung unabhängig betrieben wird, große Wärmemengen aufgrund von Wärmeleitung in die supraleitende Einrichtung ein.

'o (Jm eine derartige Wärmeeinleitung zu verringern, sind besondere Stromzuführungsvorrichtungen bekannt, deren Leiter eine große Außenfläche aufweisen, die von vorbeiströmendem Heliumgas, das im allgemeinen durch Verdampfen des zur Kühlung der supraleitenden Magnetspule erforderlichen flüssigen Heliums gewonnen wird, auf Tieftemperatur gekühlt wird (vgl. FR-PS 13 83584). Jedoch dringt auch bei einer derartigen Vorrichtung Ober ihre Stromzuführungsleiter Wärme nicht nur während der Stromleitung ein,

μ sondern auch wenn kein Strom fließt Die erforderliche Verdärnpfüngsfäfe an flüssigem Helium ist deshalb beträchtlich.

Aus der DE-OS 16 65 940 ist eine weitere Stromzuführungsvorrichtung für elektrische Einrichtungen mit mehreren elektrisch parallel geschaltet zu betreibenden Supraleitern bekannt, die in mehrere Teilstücke unterteilt ist, wobei jedes Teilstück von einem besonderen Kühlmittel vorbestimmter Temoeratur

gekühlt wird. Auf diese Weise können die Stromzuführungsleiter von einem ersten festen Temperaturniveau auf ein nächstes, durch ein weiteres Kühlmittel festgelegtes Temperatumiveau überführt werden. Es ergibt sich dann ein kaskadenförmigerTemperaturüber- s gang längs der Siromzuführungsleiter. Mit dieser Stromzuführung soll jedoch einer elektrischen Einrichtung die zum Erzeugen und Aufrechterhalten ihres supraleitenden Betriebszustandes erforderliche Energie nicht nur während eines begrenzten Zeitraumes zugeführt werden, sondern diese Stromzuführung soll ständig an die supraleitende Einrichtung, beispielsweise an ein Kabel, angeschlossen sein. Ober die Stromzuführungsleiter werden somit ständig Wärmemengen in das zur Kühlung der supraleitenden Einrichtung erforderli- is ehe Kühlmittel eingeleitet, auch wenn an die Stromzuführung eine kurzzuschließende supraleitende Magnetspule angeschlossen sein sollte, in die nur intermittierend Energie einzuspeisen ist.

Zur Reduzierung dieser Wärmeeinleitung bei intermittiercnder Stromeinspeisung ist eine weitere StromzuführungSYorrichtung bekannt, deren I_{?iter nur während der Zeh der Stromzuführung mit einer supraleitenden Magnetspule verbanden sind und die von dieser Magnetspule wieder abgetrennt werden können, sobald die Energieeinspetsung beendet ist (vgL die Veröffentlichung »Bulletin des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins«, Band 58, No. 4. 18. Februar 1967, Seiten 177 und 178). EMe Wärmeleitung einer derartigen Vorrichtung ist verhältnismäßig gering. Der Mechanismus zum Verbinden und Trennen der Stromzuführungsleiter ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und erfordert einen aufwendigen Fernbedienungsteil.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, die eingangs genannte Stromzuführungsvorriebtung dahingehend zu verbessern, daß die über ihren mindestens einen Stromzuführungsleiter in das zur Kühlung der kurzzuschließenden supraleitenden Magnetspule erforderliche Kühlmittel eingeleitete Wärme während den Zeiten, in denen kein Strom über die Vorrichtung fließt, verhältnismäßig gering ist. Dabei soll dennoch auf eine Trennung der Magnetspule von den Stromzufuhnings-Ieitern während dieser Zehen verzichtet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgetuJB dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil des StronmtfBhrungslehers aus einem Material besteht, dessen thermische Leitfähigkeit höclistens die des Messing* ist, und daß für diesen mit Heliumdampf gekühtteh Teil des Stromzuführungslei- so ters in der Zeit der Einspeisung der elektrischen Energie eine zusätzliche Kühlung vorgesehen ist

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei Verwendung dieser Materialien für zumindest einen Teil des Stromzufflh* fuiigsieiters die Verdampfungsmenge an flüssigem Helium der supraleitenden Einrichtung durch ein zusätzliches Abfuhren der erzeugten Wirme, die durch den Joule-Effekt hervorgerufen wird, stark verringert wird. Darüber hinaus ist während der Beiriebszeit. in der in die supraleitende Einrichtung von außen kein Strom eingespeist wird, die in das flüssige Helium über die Stromzuführungsvorrichtung eingeleitete Wärmemenge verhältnismäßig gering.

Für ein reines Material bleibt das Produkt aus spezifischem elektrischen Widerstand und Wärmeleitfähigkeit annähernd tons', jnt Auch bei Legierungen ist ein ähnliches Verhalten festzustellen. Somit hat ein Material mit kleinerer thermischer Leitfähigkeit als vergleichsweise Kupfer einen entsprechend größeren spezifischen elektrischen Widerstand. Mit der besonderen Materialauswahl gemäß der Erfindung für den Stromzuführungsleiter wird zwar während der Stromeinleitungszeit eine geringfügige Zunahme der durch den Joule-Effekt hervorgerufenen Wärme in Kauf genommen. Diese Zunahme wird jedoch bei weitem durch die während der stromfreien Zeit bewirkte Abnahme der Wärmeleitung aufgrund der Verkleinerung der thermischen Leitfähigkeit kompensiert

Als Materia] für den Stromzuführungsleiter kann vorteilhaft auch rostfreier Stahl vorgesehen werden.

Die Stromzuführungsvorriclitung gemäß der Erfindung ist besonders für ein Fahrzeug geeignet, das mit einer supraleitenden Einrichtung, insbesondere einer oder mehreren supraleitenden Spulen, versehen ist und sich in einem Versorgungsstand befindet, wenn die Stromzuführungsleiter für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne, die klein im Vergleich zur Fahrzeit des Fahrzeugs ist. Strom führen sollen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromzuführungsvorriebtung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist Fig.2 zeigt in einem Diagramm die Temperaturverteilung längs dieser Stromzuführungsvorrichtung nach F i g. 1.

In F i g. 1 sind in einem Längsschnitt die wesentlichen Teile einer Stromzuführungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt Diese Stromzuführung ist zur Einspeisung großer elektrischer Energie in supraleitende Einrichtungen geeignet Diese supraleitenden Einrichtungen können beispielsweise Magnetspuien sein, die in einem Fahrzeug angeordnet sind.

Die Stromzuführungsvorrichtung enthält ein Tieftemperaturgefäß 1, dessen oberer Teil in der Fipiir nur angedeutet ist und das beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht Dieses Material besitzt nämlich eine geringe thermische Leitfähigkeit und ist dennoch bei Tieftemperatur nicht spröde. Das Tieftemperaturgefäß ist teilweise mit flüssigem Helium mit einer Temperatur von etwa 4 K gefüllt In dem mit 2 bezeichneten flüssigen Helium befindet sich mindestens eine in der Figur nicht ausgeführte supraleitende Spule. Diese Spule kann beispielsweise aus einer Vielzahl von dünnen Drähten aus Niob-Titan, die mit Kupfer überzogen sind, hergestellt sein. Der supraleitenden Spule wird über einen oder mehrere Stromzuführungsleiter 1 die für hohe Ströme ausgelegt sind, die elektrische Energie zugeführt Am oberen Ende des Tieftemperaturgefäßes 1 sind diese Stromzuführungsleiter 3 mit einem elektrischen Anschlußteil 4 verbunden, an das eine in der Figur nicht dargestellte äußere Stromversorgungseinheit für die Spule angeschlossen ist Die Stromzuführungsleiter J erstrecken sich vom Innenraum des Tieftemperaturgefäßes 1 zu dessen Außenraum auf Raumtemperatur. Somit kann vom Außenraum des Tieftemperaturgefäßes 1 Wärme in dessen Innenraum über diese Stromzuführungsleiter J gelangen. Darüber hinaus wird aufgrund des ohmschen Widerstandes der Stromzuführungsieiter 3 eine Joulesche Wärme während der Zeit erzeugt, in der hohe elektrische Ströme durch diese Strorr./uführungsleiter J zu der Spule fließen. Es werden somit entsprechende Wärmemengen in das Tieftemperaturgefäß 1 eingeleitet. Um diese Wärmemengen zu vermindern, bestehen die Stromzu-

führungsleiter 3 aus mehreren einzelnen und parallel zueinander angeordneten Rohren, die an ihren unteren Tieftemperaturenden IK miteinander verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur sind nur zwei Rohre 12 und 13 veranschaulicht; es kann jedoch auch eine größere Zahl von parallelen Rohren vorgesehen werden. Für die mit 3a bezeichneten Außenflächen dieser Rohre 1:2 und 13 können zweckmäßig besondere Maßnahmen zur Vergrößerung ihrer Oberflächen vorgesehen sein. Sie können vorzugsweise strukturiert to sein, oder es kann ihre Oberflächenrauhigkeit erhöht sein, insbesondere können die Außenflächen 3a mit flossenartigen Ansätzen versehen sein, die als Kühlrippen dienen.

Am oberen, mit dem elektrischen Anschlußteil 4 π verbundenen Ende 14 der Rohre 12 und 13 ist seitlich ein Einlaß 3b bzw. ein Auslaß 3c für flüssigen Stickstoff vorgesehen. Der flüssige Stickstoff kann somit am EiniaB 3b in den innenraum i5 des Rohres \t eingeleitet werden, durchströmt dieses bis zu dessen Tieftemperaturende 11, wo er in das Rohr 13 übergeleitet wird. Von dort aus steigt er im Innenraum 16 des Rohres 13 wiedei auf und wird an dem Auslaß 3c herausgeleitet.

Die als Stromzuführungsleiter 3 dienenden Rohre 12 und 13 sind innerhalb eines Führungszylinders 3 angeordnet, der an seinem unteren Ende mit einer ringförmigen öffnung 17 versehen ist. Durch diese öffnung 17 kann Heliutngas auf Tieftemperatur, das durch Verdampfen des flüssigen Heliums 2 im Tieftemperaturgefäß 1 entsteht, in den hinenraum des Jo Führungszylinders 5 gelangen, wo es zwischen dessen Innenwand und den Außenseiten 3a der Rohre 12 und 13 entlang geführt wird. Das obere Endstück 18 des Führungszylinders 5 ragt etwas aus dem Tieftemperaturgefäß 1 heraus.

Der Führungszylinder S besteht aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem adiabalischen Epoxydharzmaterial oder aus geschäumtem Polyurethan oder geschäumtem Polystyrol. Das Kunststoffmaterial kann darüber hinaus zweckmäßig noch mit Glasfasern verstärkt sein. Über das offene obere Endstück 18 des Zylinders 5 ist ein Hohlzylinder 6 gezogen, dessen Mantel aus rostfreiem Stahl besteht und der mit einem scheibenförmigen Isolationsteil 7 versehen ist, das das obere Ende des Hohlzylinders 6 abschließt. Durch dieses als Halterung für die Stromzuführungsleiter 3 dienende Isolationsteil 7 sind die Rohre 12 und 13 gasdicht hindurchgeführt. Darüber hinaus ist am oberen Teil des Hohlzylinders 6 ein Auslaß 6a für das Heliumgas vorgesehen. Das Heliumgas kann von dort aus über ein in der Figur nicht dargestelltes Sicherheitsventil zum Außenraum gelangen, wo es zweckmäßig aufgefangen wird Dieses Sicherheitsventil ist erforderlich, um den Druck des Heliumgases in dem Tieftemperaturgefäß 1 unterhalb eines vorbestimmten Wertes zu halten.

Bei einer derartigen Ausbildung einer Stromzuführungsvorrichtung gelangt Heliumgas auf Tieftemperatur über eine große Fläche in guten Kontakt mit den als Stromzuführungsleiter 3 dienenden Rohren 12 und 13, sobald es durch die vorgesehenen Zwischenräume strömt Dabei nimmt das Heliumgas die Wärme auf, die von den Stromzuführungsleitern erzeugt wird, und führt diese Wärme über das Sicherheitsventil nach außen ab. Auf diese Weise werden die Stromzuführungsieiter 3 durch ein entsprechendes Erwärmen des Heliumgases es gekühlt

Die für eine Auferregung der in der Figur nicht ausgeführten supraleitenden Spulen in dem Tieftemperaturgefäß I benötigte Zeit ist im allgemeinen relativ kurz und liegt beisp'tIsweise zwischen IO und 30 Minuten. Dient die Spule zur Schwebeführung eines Fahrzeuges, so kann ferner angenommen werden, daß sich das Fahrzeug wahrend dieser Zeit der Auferregung in einem Versorgungsstand befindet. Es laßt sich dann vorteilhaft Messing oder rostfreier Stahl, die eine geringere thermische Leitfähigkeit als vergleichsweise Kupfer haben, für zumindest einen Teil der Stromzuführungsleiter verwenden, falls eine zusätzliche Kühlung dieser Teile mit flüssigem Stickstoff während der Auferregungszeit der Spule vorgesehen wird. Der Versorgungsstand kann deshalb zweckmäßig mit einem Vorratsgefäß 8 mit flüssigem Stickstoff und mit einer Stkkstoffdnickflasche 9 versehen sein, um während der verhältnismäßig kurzen Zeit der Stromeinspeisung den Stickstoff von dem Gefäß 8 aus Ober den Stickstoffeinlaß 3b in den Innenraum IS des Rohres 12 der Stromzufuhrungsvorrichtung einzuleiten, über den Stickstoffauslaß 3c gelangt dann der Stickstoff wieder an den Außenraum, wo er aufgefangen werden kann. Im Betrieb der Spule, bei dem ein supraleitender Zustand in der Spule vorherrscht und der Strom mittels eines Kurzschlußstromschalters in einen geschlossenen Stromkreis fließt, erfolgt keine Zusatzkühlung mit Stickstoff.

Während der Stromeinspeisungszeit, in der eine Stickstoii'üusatzkühlung vorgesehen ist, wird die entstehende Wärme sowohl von dem flüssigen Stickstoff aufgenommen, der im Inneren der Rohre 12 und 13 in Hin- und Ruckrichtung fließt und eine Temperatur von etwa 77 K hat, als auch von dem Helium, das in der vorbeschriebenen Weise die Rohre 12 und 13 von außen kühlt Somit kann auch die Joulesche Wärme ausreichend abgeführt werden, obwohl für die Stromzuführungsvorrichtung Messing oder rostfreier Stahl verwendet wird und diese Materialien einen größeren elektrischen Widerstand haben als vergleichsweise Kupfer. Während des langen Zeitraumes, in dem im Betriebsfall die supraleitenden Spulen im supraleitenden Zustand betrieben werden, wird den Spulen praktisch keine Joulesche Wärme über die Stromzuführungsteile zugeführt Da bei derartigen Stromzuführungsvorrichtungen jedoch die Hauptverluste an flüssigem Helium auf Grund der thermischen Wärmeeinleitungen auftreten, können die genannten Materialien verwendet werden.

Die mit einer Zusatzeinspeisung von flüssigem Stickstoff verbundene Erhöhung der Betriebskosten der Stromzuführung ist unwesentlich im Vergleich zu den Vorteilen bei der Verwendung der genannten Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit, da flüssiger Stickstoff verhältnismäßig preisgünstig ist und er auch nur für kurze Zeit benötigt wird, in der über die Stromzuführungsleiter ein Strom fließt

In F i g. 2 ist in einem Diagramm die Temperaturverteilung längs der Stromzufuhrungsvorrichtung nach Fig.1 gezeigt, die sich einstellt, sobald über die Stromzuführungsvorrichtung ein Strom fließt und die Zusatzkühlung mit flüssigem Stickstoff eingesetzt hat Im Diagramm ist auf der Ordinate die Temperatur Tin willkürlichen Einheiten von der Temperatur 4,2 K des flüssigen Heliums (LHe) aus aufgetragen. Die Entfernungen vom Stickstoffeinlaß 3b bzw. -auslaß 3c der

StromTnfiihrnnoCTOTrTirhtirog in Richtung äüf Hac Bad

mit flüssigem Helium 2 in dem Tieftemperaturgefäß 1 entsprechen den Abszissenwerten x.
Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, daß am

Stickstoffeinlaß 3b bzw. -auslaß 3cetwa die Temperatur 77 K des flüssigen Stickstoffs (LNj) herrscht. Von dort nimmt die Temperatur im oberen Teil der Stromzuführung in Richt'ing auf die supraleitende Einrichtung zunächst noch bis zu einem Wert T™, auf Grund der /ouleschen Verluste der Stromzuführungsleiter 3 zu, und ist bis zum Tieftemperaturendc Il der Rohre 12 und 13 wieder auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffes abgesunken. Zwischen dieser Stelle auf einer Temperatur von etwa 77 K und dem flüssigen Helium 2 auf einer Temperatur von etwa 4 K fällt die Temperatur dann weiter kontinuierlich ab.

Mine wesentliche Kühlung der Stromzuführung kann

bereits dadurch erhalten werden, daß für den elektrischen Ainchlußteil 4 eine Zusaizkühlung mil Stickstoff vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn eine derartige Zusatzkühlung im Inneren der Stromzuführungsleiter 3. vorgenommen wird. Bei dieser Kühlung erhall man die in F i g. 2 dargestellte günstige Temperaturverteilung. Durch zusätzliche Kühlmaßnahmen kann dann darüber hinaus in bekannter Weise längs des Anschlußteils 4 ein kontinuierliches Temperaturgefälle von der Temperatur des flüssigen Stickstoffs an dcssem dem Stickstoffeinlali 3b bzw. -auslaß 3r zugewandten Ende bis zu seinem auf Raumtemperatur befindlichen äußeren Ende eingestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Stromzuführungsvorrichtung für eine supraleitende, mit flüssigem Helium gekühlte, kurzzuschließende Magnetspule, der die elektrische Energie zum Erzeugen und Aufrechterhalten des supraleitenden Betriebszustandes in einem hierfür erforderlichen, begrenzten Zeitraum über mindestens einen Stromzuführungsleiter zugeleitet wird, der sich im Gasstrom verdampfenden Heliums befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Stromzuführungsleiters. (3) aus einem Material besteht, dessen thermische Leitfähigkeit höchstens die des Messings ist, und daß für diesen mit Heliumdampf gekühlten Teil des Stromzuführungsleiters (3) in der Zeit der Einspeisung der elektrischen Energie eine zusätzliche Kühlung vorgesehen ist

2. Strorrcnjführungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Stromzuführungsleiter (3) rostfreier Stahl vorgesehen ist

3. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Stromzuführungsleiter (3.) ein Hin- und Rücklauf für das zusätzliche Kühlmedium vergesehen ist

4. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromzuführungsleiter (3) mehrere parallel zueinander angeordnete Rohre (12,13) enthält, die an ihren tieftemperaturseitigen Enden (U) miteinander verbunden sind und die für das zusätzliche Kühlmedium wenigstens eine Hinleitung und wetiigstt-is eine Rückleitung bilden.

5. Stromzuführung nach A* jpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen (3a) der Rohre (12, 13) strukturiert sind oder ihre Oberflächenrauhigkeit erhöht ist

6. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen (3a) mit flossenartigen Ansätzen versehen sind.

7. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu/ zusätzlichen Kühlung Stickstoff vorgesehen ist