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Schutzanordnung filr eine in geschlossenem Kältekreislauf gekühlte
supraleitende Wicklung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung fUr eine
in geschlossenem Kältekreislauf gekühlte supraleitende Wicklung zur Erzeugung von
magnetischen Wechsel- und Gleichfeldern, vorzugsweise für eine mit Kühlkanälen versehene
Wicklung.
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In einigen technischen Anwendungen von supraleitenden Wicklungen zur
Erzeugung von hohen magnetischen Wechsel- oder Gleichfeldern sind in Bezug auf den
Wicklungsquerschnitt sehr hohe Stromdichten 2 von 20.000 bis 60.000 A/cm erwünscht.
Mit den heute herstellbaren Supraleitern, wie beispielsweise mit den eigenstabilen,
in eine
Kupfer-, Aluminium- oder Mischmatrix eingebetteten NbTi-Filamenten,
können diese Stromdichten erreicht werden, sofern der normalleitende Matrixanteil
in diesen Supraleitern nicht zu hoch gewählt wird. In solchen Supraleitern können
unter bestimmten, nie ganz zu vermeidenden Bedingungen magnetische Instabilitäten
auftreten, oder es können in bestimmten Betriebszuständen die kritischen Feld-,
Strom- oder Temperaturwerte des Supraleiters überschritten werden, was einen Uebergang
eines Teiles oder der ganzen Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden
Zustand - einen sogenannten Quench - verursachen kann. Ein socher Quench findet
während des erregten Zustandes der Wicklung statt, und beginnt meistens in einem
Punkt der Wicklung mit einem normalleitend gewordenen Leiterabschnitt, durch dessen
ohmschen Widerstand der Leiterstrom weiterfliesst. Die dabei in Joulesche Wärme
umgesetzte Feldenergie erzeugt eine Temperaturerhöhung, wobei, nach allen Richtungen
sich fortpflanzend, die kritische temperatur des Supraleiters überschritten wird
und die normalleitende Zone sich in der Wicklung ausbreitet. Dieser Vorgang ist
abgeschlossen, wenn die gesamte Feldenergie sich in dieser Zone in Wärme umgesetzt
hat. Die dabei, als Folge einer ungenügenden Wärmeleitfähigkeit auftretenden Wärmestauungen
können zur thermischen Zerstörung der Leiterisolation führen. Ebenso kann die über
der normalleitenden Zone auftretende elektrische Spannung die Isolation durchschlagen
und den Leiter zerstören.
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Die Abkühlung und Kalthaltung von supraleitenden Wicklungen erfolgte
meistens in einem Bade von flüssigen, bei Atmosphärendruck siedendem Helium. Beim
Auftreten eines Quenches wurde die erzeugte Wärme entweder nur durch die Wicklungsoberfläche
oder zusätzlich durch vorgesehene Kühlkanäle in der Wicklung an das flüssige Helium
abgeführt. Dabei durften aber die Kühlkanäle einen minimalen Durchlassquerschnitt
nicht unterschreiten, damit die unter Thermosyphonwirkung entstandene Flüssigkeitsströmung
nicht durch entstandene Gasblasen blockiert wurde.
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Infolge der niederen Verdampfungswärme wird bei einem Quench eine
grosse Menge des teuren, flüssigen Helium verdampft, wobei im Gasraum über dem Flüssigkeitsspiegel
unerwünscht hohe Drücke auftreten können.
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Zum Schutze von supraleitenden Wicklungen, welche magnetische Gleichfelder
erzeugen, wurden verschiedene Massnahmen vorgeschlagen und erprobt.
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Bei der kryostatischen Stabilisierung wird der normalleitende Matrixanteil
des Leiters erhöht, wobei entweder die Leiteroberfläche mittels Kühlkanälen gekühlt
wird, oder der Leiter als Hohlleiter ausgeb-ildet ist, durch dessen Hohlkanal das
Kühlmedium fließt (US-PS 3,737,989). Der Matrixquerschnitt und die Kühlbedingungen
können dabe-i so gewählt werden, dass sich eine entstandene, normalleitende Zone
nur langsam nder überhaupt nicht ausbreitet. Die erreichbaren
Stromdichten
liegen aber sehr tief (etwa 2000 bis 10.000 A/cm²), so dass die Anwendung dieser
Methode nur für sehr grosse Wicklungen geeigeent ist. Diese Methode ist ebenfalls
zum Schutz vonasupraleitenden Wicklungen, welche magnetische Wechselfelder erzeugen,
nicht geeignet, weil die vom magnetischen Wechselfeld erzeugten Wirbelstromverluste
im stabilisierten Matrixmetall viel zu hoch werden.
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Es ist ebenfalls bekannt, die durch einen Quench erzeugte Wärme auf
eine grössere Masse zu verteilen, wobei die Temperaturerhöhung in zulässigen Grenzen
gehalten werden kann. Die Wicklung ist in zwei oder mehrere, in Serie geschaltete
Teilwicklungen unterteilt und parallel zu jeder Teilwicklung ist ein ohmscher Widerstand
geschaltet (The Rewiew of Scientific Instruments, Vol. 34, Nr. 4, S. 371). Ein Quench,
der in irgend einer Teilwicklung auftritt, wird infolge der induktiven Kopplung
auf die anderen Teilwicklungen übertragen und die Feldenergie gleichmässiger in
Form von Wärme auf die ganze Wicklung verteilt. Die Parallelwiderstände können dabei
in die Wicklung eingebaut, oder extern auf Raumtemperatur zugeschaltet werden. Im
ersten Fall wird die ganze Feldenergie im flüssigen Helium umgesetzt, im zweiten
Fall wird ein Teil der Feldenergie aus dem Kryostat entzogen und, sofern die meist
niederohmige Stromquelle frühzeitig genung abgeschaltet wird, in den Parallelwiderständen
umgesetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zusätzliche, induktiv angekoppelte
Kreie, wie z.B. Zusatzwicklungen aus
normalleitendem Metall oder
Tragstrukturen, ausgebildet als Kurzschlussringe, zu verwenden (TheRewiew of Scientific
Instruments, Vol. 34, Nr. 4, April 63, S. 371, Fig. 5). Bei einem Quench wird ein
Teil der Feldenergie auf transformatorischem Wege in diese Elemente übertragen.
In supraleitenden Wicklungen mit hohen Stromdichten, welche zur Erzeugung von periodisch
veränderlichen, magnetischen Feldern dienen, können diese Schutzmethoden ebenfalls
nicht angewendet werden, weil in den Parallelwiderständen oder in den induktiv angekoppelten
Kreisen zu hohe Joulesche Verluste auftreten.
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Die Feldenergie kann der Wicklung entzogen und in Wärme in einem Element
umgesetzt werden, das sich ausserhalb des Kryostaten auf Raumtemperatur befindet.
Meistens wird dazu ein ohmscher Widerstand verwendet, welcher parallel zu der Wicklung
geschaltet wird (The Rewiew of Scientific Instruments, Vol. 34, Nr. II, S. 371).
Zur Einleitung eines Feldenergieentzuges muss die Stromquelle, die meist niederohmig
ist, möglichst rasch abgeschaltet werden, so dass Wicklung und Widerstand einen
in sich geschlossenen Stromkreis bilden. Der Anteil der Feldenergie, der dabei im
Widerstand vernichtet werden kann, ist umso grösser, je höher der Wert des Widerstandes
gewählt wird. Damit wächst aber auch die elektrische Spannung über den Wicklungsklemmen
und über der normalleitenden Zone. Sie kann Werte von einigen
tausend
Volt annehmen, so dass die Wirksamkeit dieses elektrodynamischen Energieentzuges
von der erreichbaren elektrischen Spannungsfestigkeit der Wicklungsisolation abhängt.
Eine gute elektrische Isolationsfestigkeit verschlechtert andererseits die Wärmeleitfähigkeiten
in den Richtungen-senkrecht zur Leiteroberfläche, so dass der Wärmeabfluss stärker
eingeschränkt wird und die normalleitende Zone auf ein relativ kleines Volumen beschränkt
bleibt. Je höher der Parallelwiderstand gewählt wird, d.h. je höher der entzogene
Energieanteil wird, umso rascher verläuft der Energieentzugvorgang. Dieser kann
dann in einem kleinen Bruchteil einer Sekunde beendet werden. Soll ein wirksamer,
elektrodynamischer Energieentzug stattfinden, muss eine normalleitende Zone sehr
frühzeitig entdeckt, und die Stromquelle in einigen Millisekunden abgeschaltet werden.
Dies geschieht, indem die über der normalleitenden Zone auftretende Spannung erfasst,
analysiert und zur Auslösung eines Schnellschalters benutzt wird. Die Erfassung
der Spannung muss selektiv erfolgen, so dass die Auslösung nicht durch irgend eine
Störspannung, beispielsweise verursacht durch die Stromquelle, durch induzierte
Spannungen oder durch einen harmlosen Flussprung erfolgen kann. Auch diese Methode
des elektrodynamischen Umsetzens der Feldenergie in ein, auf Raumtemperatur befindliches
Element, beispielsweise in einen ohmschen Parallelwiderstand, weist einige Nachteile
auf. Die notwendige, hohe, treibende Wechselspannung
der Stromquelle
erschwert das selektive, empfindliche und ultraschnelle Erfassen der kleinen zusätzlichen
Spannung, die beim Beginn eines Quenches auftritt. Die auf Raumtemperatur befindlichen
Energieentzugelemente müssen während des Getriebes von der Stromquelle abgeschaltet
werden, da sonst zu hohe Verluste darin entstehen. Diese Verluste werden zwar auf
Raumtemperatur umgesetzt, belasten aber die Wirtschaftlichkeit der Energieversorgung
zu stark. Beim Auftreten eines Quenches muss daher dieses Energieentzugselement
zuerst zugeschaltet werden, bevor die Stormquelle abgeschaltet wird.
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Es ist bekannt, dass in den heute herstellbaren Supraleitern, beispielsweise
bestehend aus einer Vielzahl sehr dünner, in eine normalleitende Matrix eingebetteter
NbTi-Filamente, die Verluste in periodischen, magnetischen Wechselfeldern sehr stark
reduziert werden können (PROC. IEE, Vol. 113, No. 7, July 1966, S. 1221 bis 1228).
Sie lassen sich aber nicht vermeiden, was zu einer Erwärmung der Wicklung und damit
zu einer unerwünschten Reduktion der kritischen Strom- und Feldstärken führt. Die
dabei entstehenden Wärmequellen sind entsprechend den örtlichen Feldstärken über
das gesamte Wickelvdumen verteilt, so dass mit einer, entsprechend den Wärmequellen
verteilten, intensiven Kühlung lokale Wärmestauungen vermieden, und die Temperaturerhöhungen
in den gewünschten Grenzen gehalten werden können.
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Es ist ferner bekannt, dass für grössere supraleitende Wicklungen,
welche über längere Zeit im Betrieb sind, eine Kühlung in geschlossenem Kreislauf
wesentliche, wirtschaftliche und technische Vorteile bringt (Particle Accelerators,
1970, Vol. 1, S. 255 bis 263). Dabei wird das kühlende Medium mittels einer Kälteanlage
auf Betriebstemperatur und Betriebsdruck gebracht und in flüssigem gasförmigem oder
überkritischem Zustand durch die Wicklung getrieben, wo es die Verlustwärme aufnimmt
und, um wenige Grad erwärmt, in die Gegenstrom-Wärmeaustauscher der Kälteanlage
zurückströmt. Der Vorteil dieser Kühlungsart liegt unter anderem darin, dass die
Einflussgrössen auf die Wirksamkeit der Kühlung, wie z.B. sekundlicher Massenstrom,
Druck, Eingangs- und Ausgangstemperatur mehr oder weniger frei gewählt werden können,
um eine optimale Kühlung zu erhalten. Infolge der forcierten Strömung wird zudem
die Gefahr einer Gasblasen-Blockierung der Kühlkanäle vermieden, und letztere können
mit fast beliebig feinem Durchlass vorgesehen werden.
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Die Forderungen, dass einerseits zur Abführung der Wechselstromverluste
die Kühlung und die interne Wärmeleitfähigkeit der Wicklung verbessert werden muss,
und dass andererseits, infolge der beim Energieentzug unvermeidlich auftretenden,
hohen elektrischen Spannungen, die elektrische Isolationsfestigkeit erhöht werden
muss, stehen zueinander im Widerspruch.
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Es ist deshalb vorteilhafter einen elektrischen Energieentzug zu vermeiden
und dafür die Wärmeleitfühigkeiten der Wicklung in den Richtungen senkrecht zur
Leiteroberfläche zu verbessern und eine intensive Kühlung vorzusehen. Dies kann
dadurch geschehen, dass die Leiter nur mit einer dünnen, relativ gut wärmeleitenden
Isolationsschicht, wie beispielsweise Kupferoxyd, versehen werden, und dass in die
Wicklung Zwischenlagen und Kühlhilfen bestehend aus gut wärmeleitenden Metallen
eingebaut und diese in thermisch guten Kontakt mit einem System von Kühlkanälen
gebracht werden (OH-PS 551 091). Das durch die Kanäle forciert strömende Kühlmedium
kann flüssiges, gasförmiges oder überkritisches Helium sein. Anzahl, Verteilung
und Durchlassöffnungen der Kühlkanäle können so gewählt werden, dass eine intensive
und gleichmässige Kühlung des Wicklungskörpers zur Wegführung der erzeugten Wechselfeldverluste
erreicht wird, ohne dass eine allzugrosse Einbusse an Stromdichte stattfindet. Tritt
in einer Wicklung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer intensiven Kühlung
ein Quench aufs so wird die in Wärme umgesetzte Feldenergie rascher auf eine grössere
Masse verteilt. Die Wärmestauungen und damit die Temperaturerhöhungen werden dabei
verringert. Damit verbunden sind zwei weitere Vorteile. Der zeitliche Verlauf eines
Quench-Vorganges wird umso langsamer stattfinden, je wirksamer die Wärmeableitungen
und die Kühlung sind. Im Gegensatz zu einem wirksamen, elektrodynamischen Feldenergieentig
wird damit die notwendige Zeit
gewonnen, um die Feldenergie mit
langsameren und einfacheren Methoden zu entfernen. Infolge des verlangsamten Verlaufes
des Quench-Vorganges wird die erzeugte Selbstinduktionsspannung reduziert und nur
noch ein Bruchteil der bei einem elektrodynamischen Feldenergieentzug auftretende
Spannung erreicht.
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Die in einer supraleitenden Wicklung mit hoher Stromdichte gespeicherte
Feldenergie beträgt immer nur einen kleinen Bruchteil der in der Masse der Wicklung
bis zum Erreichen einer gefährlichen Temperatur von etwa 4000K sDeicherbaren Wärmeenergie.
Die Wärmeleitfähigkeit lässt sich aber nicht im wünschbaren Mass erhöhen, so dass
die beschriebenen, verlangsamenden und dämpfenden Kühlmassnahmen zur Entfernung
der Feldenergie in vielen Fällen nicht ausreichen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Mängel des Vorbekannten
zu vermeiden und eine Schutzanordnung.zu schaffen, die im Falle eines Quenches einen
schnellen und wirksamen Wärmeentzug aus der supraleitenden Wicklung sichert.
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Die vorgenannte Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass die Schutzanordnung Mittel zum Erreichen eines stossartigen,
erhöhten Kühlmediumsstromes durch die gekühlte supraleitende Wicklung enthält.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der stossartige,
erhöhte Kühlmediumsstrom die umgesetzte Wärmeenergie des Quenches aufnimmt und damit
die Wicklung gegen die thermisch und elektrisch zerstörende Wirkung des Quenches
schützt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzanordnung einen der Wicklung
vorgeschalteten Kühlmediumspeicher und ein der Wicklung nachgeschaltetes Schnellventil
enthält. Im Speicher wird das Kühlmedium in einer, der Feldenergie der Wicklung
angepassten Menge unter höherem Druck und bei Betriebstemperatur gespeichert und
mittels des Schnellventils, das durch den Beginn eines Quenches geöffnet wird, freigegeben,
so dass die Wicklung zusätzlich intensiv gekühlt wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
enthält die Schutzanordnung eine zur Auslösung des Schnellventils dienende Anordnung
zur Messung und Analysierung der Spannung über der Wicklung. Nach einer weiteren
Ausgestaltung enthält die Schutzanordnung eine zur Auslösung des Schnellventils
dienende Anordnung zur Messung und Analysierung der Temperatur-und/oder Druckdifferenz
des Kühlmediums zwischen der Eingangsstelle des Kühlmediums in die Wicklung und
der Ausgangs stelle aus derselben. Diese Ausführungsformen ermöglichen mit einem
kleinen apparativen Aufwand das Auftreten eines Quenches zu messen und für die Auslösung
des Schnellventils zu verarbeiten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
schematisch veranschauZicht.
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Fig. 1 zeigt eine supraleitende, in geschlossenem Kältekreislauf gekühlte,
mit Kühlkanälen versehene Wicklung mit einer erfindungsgemässen Ausführung der Schutzanordnung.
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Gemäss Fig. 1 ist eine supraleitende Wicklung mit 1 bezeichnet, die
Eingangsstelle des Kühlmediums in die Wicklung 1 mit 1' und die Ausgangsstelle mit
1". Mit der Bezugsziffer 2 ist ein Hochvakuumraum benannt, mit der Bezugsziffer
3 eine Kälteanlage, mit der Bezugsziffer 3' ein Gegenstromwärmeaustauscher, mit
der Bezugsziffer 4 ein Hilfsspeicher und mit der Bezugsziffer 5 ein Kompressor.
Ein Kühlmediumspeicher ist durch die Zahl 6 gekennzeichnet, ein Eingangsverteiler
der Wicklung 1 durch die Zahl 7, Kühlkanäle der Wicklung 1 durch die Zahl 8 und
ein Ausgangssammler der Wicklung 1 durch die Zahl 9. Mit der Bezugsziffer 10 ist
ein Dosier- und Drucksteuerventil benannt, mit der Bezugsziffer 11 ein Schnellventil,
mit der Bezugsziffer 12 Stromzuführungen und mit der Bezugsziffer 12' Stromdurchführungen.
Die Ziffer 13 bedeutet ein Gasrohr, die Ziffer 13' eine Kühlung des Gasrohres 13,
die Ziffern 14 und 14' Anschlüsse und die Ziffer 15 ein Mess- und Analysierungsgerät.
Durch die Zahl 16 ist ein Verstärker gekennzeichnet, durch die Zahl 17 Temperatur-
und/oder Druckdifferenzmesssonden, durch die Zahl
18 eine Erregerstromquelle
und durch die Zahl 19 ein Parallelwiderstand. Die Ziffern 20 und 21 bedeuten Schalter,
die Ziffer 22 ein Verzögerungsglied, die Ziffer 23 Rohre für das gasförmige Kühlmedium
und die Ziffer 24 hochvakuumisolierte Transferleitungen.
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Die supraleitende Wicklung 1, beispielsweise ein Solenoid, welche
ein periodisch veränderliches oder ein intermittierend oder einmalig gepulstes oder
ein stationäres Magnetfeld erzeugt, befindet sich im Hochvakuumraum 2 eines Kryostaten
und wird mittels der Kälteanlage 3 abgekühlt und auf Betriebstemperatur gehalten.
Die Abkühlung und die Entfernung der während des Betriebes permanent erzeugten Verlustwärme
geschieht in einem geschlossenen Kältekreislauf. Das Kältemedium, beispielsweise
Heliumgas, befindet sich im Hilfsspeicher 4 auf Raumtemperatur und annähernd auf
Atmosphärendruck. Es wird durch den Kompressor 5 auf den gewünschten Betriebsdruck
verdichtet und in der Kälteanlage 3 auf die gewünschten Temperatur- und Druckwerte
gebracht. Von hier strömt es durch die hochvakuumisolierte Transferleitung 24 in
den Kühlmediumspeicher 6, durch diesen hindurch in den Eingangsverteiler 7 der Wicklung
1 und es verteilt sich in die Kühlkanäle 8 dieser Wicklung 1.
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Das Kältemedium wird weiter vom Ausgangs sammler 9 der Wicklung 1
über das Dosier- und Drucksteuerventil 10 durch die hochvakuumisolierte
Transferleitung
24 in den Gegenstromwärmeaustauscher 3' der Kälteanlage 3 geleitet. Während des
Abkühlvorgangs und des normalen Betrieb bleibt das Schnellventil 11 geschlossen.
Die Kälteleistung der Kälteanlage 3 ist so ausgelegt, dass die Wicklung 1 in der
gewünschten Zeit abgekühlt werden kann und sämtliche während des Betriebes auftretenden
Verluste, wie z.B. Strahlungs-, Wärmeleitungs-und Wechslestromverluste gedeckt sind.
Für den Abkühlvorgang kann die Durchflussmenge mittels des Dosier- und Drucksteuerventils
10 erhöht oder gesenkt werden. Nach dem Verlassen des Ausgangssammlers 9 wird ein
Teil des Kühlmediums zwecks Kühlung der Stromdurchführungen 12' und des Gasrohres
13 abgezweigt und anschliessend in den Hilfsspeicher 4 geführt.
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Diese Kühlkreise sind in Fig. 1 nur angedeutet.
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Zur Wegführung der Verluste aus der Wicklung 1 wird ein relativ kleiner
sekundlicher Kühlmassenstrom benötigt. Dieser wird mit dem Dosier- und Drucksteuerventil
10 auf den notwendigen Wert einreguliert. Die Kühlkanäle 8 der Wicklung 1 werden
so gestaltet, dass sie ein möglichst grosses Oberflächen/Querschnittverhältniss
aufweisen und infolge der turbulenten Strömung ein intensiver Wärmeaustausch von
der Wicklung 1 in das Kühlmedium stattfinden kann. Um im Falle eines Quenches der
Wicklung 1 einen hohen Kühlmassenstrom zu erreichen, ist es zweckmässig, eine Vielzahl
von relativ kurzen, gleichdimensionierten Kühlkanälen
8 mit kleinen
Durchlassquerschnitten strömungsmässig parallel anzuordnen. Damit wird bei kleinem
Strömungsdruckabfall und niederen Reibungsverlusten eine intensive Kühlung der Wicklung
1 erreicht.
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Bei Beginn eines Quenches wird das Schnellventil 11 auf eine, im weiteren
Teil dieser Beschreibung näher erläuterte Weise geöffnet und das unter höherem Druck
im Kühlmediumspeicher 6 befindliche Kühlmedium strömt stossartig durch die Wicklung
1 in den Hilfsspeicher 4. Das Schnellventil 11 bleibt solange geöffnet, bis ein
Druckausgleich zwischen dem Kühlmediumspeicher 6 und dem Hilfsspeicher 4 hergestellt
ist. Es ist aber auch möglich das Schnellventil 11 nur solange offen zu halten,
bis die Temperatur der Wicklung 1 oder des Kühlmediums wieder zu sinken beginnt,
so dass der Kühlmediumspeicher 6 nicht bis zum Druckausgieich entleert wird.
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Infolge der erwähntEn Massnahmen zur Verlangsamung des Quench-Vorganges
steht bis zum Oeffnen des Schnellventils 11 eine längere Zeit zur Verfügung, als
bei einem elektrodynamischen Feldenergieentzug, so dass die Auslösung des Schnellventils
11 mit einfachen Mitteln durchgeführt werden kann. Diese Auslösung kann dadurch
erfolgen, dass die Spannung über der Wicklung 1 mittels der Anschlüsse 14 erfasst,
im Mess- und Analysierungsgerät 15 ges essen und analysiert und im Falle eines
Quenches
ein Auslöseimpuls an den Verstärker 16 weitergegeben wird und dieser das Schnellventil
11 öffnet. Ebenfalls ist es möglich5 das Auftreten eines Quenches mittels der Temperatur-
und/oder Druckdifferenzmesssonden 17 diese Messwerte zwischen der Eingangsstelle
1' des Kühlmediums in die Wicklung 1 und der Ausgangsstelle 1" des Kühlmediums aus
der Wicklung 1 zu messen, diese Messwerte dann im Mess- und Analysierungsgerät 15
zu analysieren und so im Falle eines Quenches einen Auslöseimpuls für den Verstärker
16 und weiter für das Schnellventil 11 zu gewinnen. Die Erregung der Wicklung 1
erfolgt mit der Erregerstromquelle 18. Zur Vermeidung von Zusatzverlusten im Parallelwiderstand
19 ist während des normalen Betriebes der Schalter 20 geöffnet und der Schalter
21 geschlossen. Beim Auftreten eines Quenches wird vorerst der Schalter 20 geschlossen,
so dass die Erregerstromquelle 18 über den niederohmigen Parallelwiderstand 19 kurzgeschlossen
ist, und erst dann wird der Schalter 21 geöffnet. Diese Staffelung wird mit einem
Verzögerungsglied 22 erreicht. Mit dem Parallelwiderstand 19 kann ein kleinerer
Anteil der Feldenergie auf be- -kannte Weise elektrodynamisch entzogen werden. Er
dient aber in erster Linie zur Begrenzung der durch das Oeffnen des Schalters 21
verursachten Schaltüberspannung.
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Anschliessend an die beschriebenen Vorgänge wird die Wicklung 1 auf
normale Weise wieder abgekühlt und in Betrieb genommen.
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Im Gegensatz zu der Kühlung einer Wicklung in einem Bade von flüssigem
Helium wo nur die Verdampfungswärme von 21 Ws/g zur Verfügung steht, kann hier unter
der Voraussetzung eines idealen Wärmeaustauschers, unter Vernachlässigung von Beschleunigungs-
und Reibunsarbeiten, sowie unter der Annahme einer gleichmässigen Wicklungstemperatur
von 4000K die Enthalpie des Heliums von etwa 2000 Ws/g ausgenutz-t werden.
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Zur Ueberwindung der Strömungs-Druckabfälle und zur Erzielung eines
hohen Kühlmassenstromes ist es von Vorteil, den Kühlkreislauf mit überkritischem
Helium zu betreiben, beispielsweise mit 5 bis 15 atm bei 4,5 K. Das Volumen des
Kühlmediumspeichers 6, welches der Feldenergie der Wicklung 1 angepasst ist, kann
dabei infolge der höheren Dichte des überkritischen Heliums reduziert werden. Um
zu hohe Druckabfälle infolge der Expansion des sich erwärmenden Gases zu verhindern,
müssen die Durchlässe des Schnellventils 11 und des Gasrohres 13 genügend gross
gewählt werden.
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Der Erfindungsgegenstand ist auf das in der Zeichnung Dargestellte
selbstverständlich nicht beschränkt. So kann die Schutzanordnung auch für Wicklungen
zur Erzeugung von magnetischen Gleichfeldern angewendet werden.