DE2748479A1

DE2748479A1 - Uebergangsstueck zwischen einem supraleiter und einem normalleiter

Info

Publication number: DE2748479A1
Application number: DE19772748479
Authority: DE
Inventors: Michel Berthet; Roger Gillet; Andre Marquet; Francois Moisson-Franckhauser
Original assignee: Electricite de France SA; Alsthom Atlantique SA
Current assignee: Electricite de France SA; Alstom SA
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-28
Publication date: 1978-05-03
Also published as: IT1086988B; CH618817A5; US4134037A; BE859520A; JPS5354717A; DE2748479C2; JPS6311866B2; GB1545711A; FR2369722A1; FR2369722B1

Description

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ÜBERGANGSSTÜCK ZWISCHEN EINEM SUPRALEITER UND EINEM NORMALLEITER

Die Erfindung betrifft ein Übergangsstück zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter für eine elektrodynamische Maschine mit supraleitenden Wicklungen. Aufgabe eines derartigen Übergangsstücks ist es, die elektrische Verbindung zwischen einer Stromzuführungsklemme bei Umgebungstemperatur und einem Supraleiter herzustellen, bei der eine möglichst geringe Kühlleistung erforderlich ist, um das Ende des Supraleiters trotz der durch das Ende des Normalleiters angelieferten Wärme auf hinreichend niedriger Temperatur zu halten. Die Kühlleistung ist die elektrische oder mechanische Leistung, die den Kühlorganen wie beispielsweise Heliuraverflüssigern zur Verfügung gestellt werden muß, um die supraleitenden Teile auf ihrer Betriebstemperatur zu halten. Nach Durchlaufen der Maschine kann das kryogene Medium vollständig oder teilweise zum Kühlen der Stromzuführungen benutzt werden. Vor allem, wenn dieses kryogene Medium vollständig genutzt wird, unterliegt seine Umlaufmenge den Betriebsbedingungen der Maschine und kann nicht in Abhängigkeit der die Stromzuführungen betreffenden Störungen geändert werden.

Bei bekannten Übergangsstücken in einer supraleitenden Anlage, die in in einem Kryostat enthaltenes flüssiges Helium getaucht ist, werden die in den Kryostat getauchten Stromzuführungen durch das sich beim Verdampfen des flüssigen Heliums

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ergebende gasförmige Helium gekühlt. Dabei wird die Kühlwirkung gelegentlich durch metallische Querrippen verbessert. Da eine Erhöhung der Stromstärke zu einer Erhöhung der Joule¹ sehen Verluste führt, nimmt auch die durch die Stromzufuhr auf das flüssige Helium übertragene Wärmemenge ebenso wie die Menge von verdampftem Helium zu, das die Stromzuführung beim Entweichen aus dem Kryostat kühlt. Es besteht somit hier eine automatische thermische Kompensation, die die Tendenz hat, die TemperatürSchwankungen in dieser Stromzufuhr zu verringern. Eine derartige automatische Kompensation gibt es bei solchen Anlagen nicht, die durch ein in Dampfphase oder hyperkritischer Phase vorliegendes Medium gekühlt werden, das am kalten Ende mit einer Durchlaufmenge geliefert wird, die von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Maschine abhängt.

Man unterscheidet zwei aufeinanderfolgende Zonen mit einer allmählich anwachsenden Temperatur, nämlich eine kalte Zone, in der der Strom sowohl durch ein supraleitendes Material fließt, als auch bereits normalleitendes Metall, das in gutem elektrischen und thermischen Kontakt mit ersterem steht, wobei die Temperatur hier ausreichend tief ist, um die Supraleitfähigkeit zu gewährleisten, und eine Obergangszone, in der nur noch Normalleitfähigkeit vorliegt und die Temperatur stetig bis zur umgebungstemperatur anwächst.

Am Übergangsstück besteht ein großes Problem darin, den Querschnitt des Normalleiters in der Übergangszone richtig zu wählen. Wenn dieser Querschnitt zu klein ist, wird aufgrund des Joule'sehen Effekts eine zu hohe Wärme erzeugt, die durch

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das Kühlmittel abgeleitet werden muß. Ist dieser Querschnitt jedoch zu groß, so wird ein zu großer Wärmeanteil durch den Normalleiter aus der warmen zone in die kalte Zone übertragen und muß von dort durch das Kühlmittel abgeleitet werden. Um die Summe dieser beiden Wärmemengen möglichst gering zu halten und somit auch die für die Wärmeableitung notwendige Kühlleistung auf einem Minimum zu halten, läßt sich ein optimaler Querschnitt bestimmen, der in etwa proportional zur Länge der Übergangszone ist. Es empfiehlt sich, sich nicht zu weit vom optimalen Verhältnis zwischen dem Querschnitt des Normalleiters und der Länge der Übergangszone zu entfernen. Die Länge des Übergangsstücks kann nicht so klein gewählt werden, wie man es wünschen würde, denn über diesen Längenabschnitt muß die Gesamtwärmemenge auf das Kühlmittel übertragen werden. Um zu vermeiden, daß diese Länge zu groß wird, wurden bei in einen ein flüssiges Kühlmittel enthaltenden Kryostat eingetauchten bekannten Übergangsstücken Kühlrippen verwendet. Das Problem der Wärmeübertragung zwischen dem Übergangsstück und dem Kühlmittel stellt sich noch schärfer in solchen Fällen, in denen kein flüssiges, sondern nur noch ein gasförmiges Kühlmittel vorliegt, das dann weniger Kalorien von dem Übergangsstück aufnehmen kann.

Bei einer gegebenen Stromstärke für eine erfindungsgemäße Stromzuführung, deren Leiterquerschnitt festgelegt ist, gibt es einen Grenzwert für die Heliummenge, bei dessen Unterschreiten ein Teil der kalten Zone nicht mehr in supraleitendem Zustand gehalten werden kann. So läßt sich die erforderliche Mindestmenge an Helium bei maximaler Betriebsstromstärke ermitteln, bei dem die Temperatur des gemischten Bereichs

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ausreichend tief ist, um die Supraleitfähigkeit zu gewährleisten; dabei wird die Länge dieses gemischten Bereichs ausreichend groB gewählt, um die Stromübertragung zwischen dem Supraleiter und dem normalen Leiter, die miteinander verlötet sind, zu gestatten.

Ein anderes Problem entsteht bei der Herstellung eines Übergangsstücks far rotierende Haschinen : Im Rotor derartiger Haschinen entstehen aufgrund der Zentrifugalkraft Druck- und Temperaturunterschiede im Kühlmittel in Abhängigkeit vom Abstand von der Rotorachse. Die Isothermen haben dabei die Tendenz, sich in koaxialen Heliumzylindern anzuordnen, deren Temperatur und Dichte mit zunehmendem Radius vom Rotormittelpunkt aus zunehmen. Jedoch ist es auch unbedingt erforderlich, daß bei einem kurzfristigen Anhalten der supraleitenden Haschine die Kühlung der Stromzuführungen bei einer beliebigen Winkelstellung unter günstigen Bedingungen erfolgt; um die vom warmen Ende zugeführte Wärmemenge abzuleiten. Hierzu müssen die sich aus dem soeben beschriebenen Hechanismus aufgrund der Erdschwerkraft ergebenden Strömungen freier Konvektion ebenfalls unterdrückt werden. Diese Unterschiede können vor allem dann, wenn das Kühlmittel ein Gas wie Helium ist, erheblich werden. Sie begünstigen die Entstehung von Konvektionsströmen, die die ausreichende Kühlung einzelner Teile der Stromzuführung verhindern. Das Kühlgas kann nämlich dann in bestimmten Bereichen mit einer stark herabgesetzten Geschwindigkeit strömen oder sogar in einer der allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung flieflen. Hierbei müßte die Stromzuführung radial angeordnet werden, was für den Einbau in eine umlaufende Maschine hinderlich ist.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Übergangsstück für eine elektrodynamische Maschine anzugeben, das geringen Raumbedarf mit einem geringen Kühlleistungsverbrauch kombiniert und in einer beliebigen Richtung in Bezug auf die Rotorachse, insbesondere parallel zu dieser Achse, angeordnet werden kann. Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch definierte Übergangsstück gelöst.

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen dieses Übergangsstücks sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand der beiliegenden schematischen Figuren 1 bis wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In mehreren Figuren sichtbare gleiche Bauteile werden mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Rotor einar elektrodynamischen Maschine mit einer Kryo-Wicklung, welche erfindungsgemäße Stromzuführungsvorrichtungen aufweist.

Fig. 2 zeigt im vergrößerten Maßstab ein Bestandteil der Maschine gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang der Linie A-A.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang der Linie B-B.

Die Stromzuführung gemäß Fig. 1 dient der Stromversorgung der Erregerwicklung 2 einer Tiefsttemperatur-Generatormaschine mit der Achse 5 (Fig. 1). Diese Erregerwicklung sitzt auf zwei Lagern 3 und umfaßt Windungen 4, die aus supraleitenden Mehrdrahtleitern bestehen; die Drähte sind aus Niobium- Zinn Nb₃Sn oder aus Niobium-Titan NbTi und mit einer Kupfer-

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matrize umhüllt. Durch diese Windungen fließt ein elektrischer Strom, der durch ortsfeste Leiter 9, über Bürstenkontakte 10 und umlaufende Leiter 12 eingespeist wird und eine Stromstärke von mehreren tausend Ampe*re erreichen kann. Die Windungen werden durch Helium gekühlt, das durch eine axiale Leitung 6 mit einer Temperatur von etwa 4K und einem Druck von 1 bis 10 Bar geliefert wird. Diesem Kühlstrom der Windungen wird etwa 1 g/s Helium entnommen, um damit Rohre 8 zu kühlen, die den Übergang zwischen dem normalen Leiter 12 und dem supraleitenden Leiter 14 besorgen. Die Strömungsrichtung des Heliums bestimmt die weiter unten angegebenen Richtungen stromaufwärts und stromabwärts, wobei zu verstehen ist, daß die Temperatur in stromabwärts führender Richtung zunimmt.

Das Helium verläßt die Rohre 8 bei einer in etwa bei Umgebungstemperatur liegenden Temperatur und wird getrennt in einer in Fig. 1 nicht dargestellten äußeren Kammer aufgefangen, die die Rotorwelle umgibt und von der Atmosphäre durch Drehdichtungen bekannter Bauart isoliert ist.

Bei den in Fig. 2 dargestellten Bauteilen der Haschine handelt es sich um ein Rohr 8 aus Fig. 1. Es erstreckt sich von einem kalten Ende, bzw. stromaufwärts liegenden Ende 20, an dem der supraleitende Leiter 14 aus Fig. 1 angeschlossen ist, zu einem "warmen" Ende 22. Eine hier nicht dargestellte Leitung, in der das von den Wicklungen 4 könnende Helium fließt, liefert das Kühlmittel weiter an das Rohr 8. Das Rohr ist aus Kupfer, d.h. aus einem Material guter elektrxscher und thermischer Leitfähigkeit. Das kalte Helium gelangt vom kalten Ende 20 her in dieses Rohr, durchfließt dieses Rohr über seine

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gesamte Länge bis zum warmen Ende 22, an dem es das Rohr mit einer in der Nähe der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur verläßt.

Der supraleitende Leiter wird mit Hilfe von Zinn in einer Nut 24 angelötet, die in der äußeren Seitenfläche des Rohrs 8 eingeschnitten ist und die sich parallel zur Längsrichtung dieses Rohrs über einen Teil von dessen Länge erstreckt, der hier gemischter Bereich genannt wird, da der elektrische Strom hier gleichzeitig vom Rohr 8 und vom in dieser Nut 24 liegenden supraleitenden Leiter transportiert wird. In diesem gemischten Bereich ist die Dicke der Wandung 30 des Rohrs 8 relativ groß, so daß der Durchgang des elektrischen Stroms in Achsrichtung nur eine geringe durch den Joule¹sehen Effekt bedingte Wärmemenge freisetzt. Diese Anordnung in Kombination mit Platten, die in ihrer Form denen gleich sind, die weiter unten für den normalen Bereich beschrieben werden, sorgt im gemischten Bereich für eine in etwa gleichförmige Temperatur, die vor allem mit dem Betrieb des angeschlossenen Supraleiters vereinbar ist. Die Länge wird außerdem ausreichend groß gewählt, um ohne störendes Freisetzen von Qärme den Stromübergang in Querrichtung durch die Lotstelle und die Wandung des Rohrs 8 bis zu den im supraleitenden Leiter vorhandenen supraleitenden Drähten trotz der Tatsache zu gestatten, daß gewöhnlich in diesem Leiter Wandungen vorhanden sind, die einen mehr oder weniger hohen spezifischen Widerstand aufweisen.

Der restliche Längenabschnitt des Rohrs 8 bildet den "normalen" Bereich der Stromzuführungsvorrichtung bis zum

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warmen Ende 22, an dem der Anschlußleiter 12 angeschlossen ist.

Die Dicke der Wandung 32 des Rohrs 8 wird in diesem Bereich so gewählt, daß möglichst wenig Wärme an dem die Grenze zwischen dem gemischten und normalen Bereich bildenden Niveau 26 zugeführt wird. Diese Wärmezufuhr ergibt sich aus zwei Ursachen : Die eine ist die Wärmeleitung vom warmen Ende 22 bis zum genannten Niveau 26. Dietandere ist die Wärmefreisetzung aufgrund des Joule¹sehen Effekts unter der Wirkung des elektrischen Stromdurchgangs. Wenn diese Wanddicke zu gering gewählt wird, wird die sich aus dem Joule¹sehen Effekt ergebende Wärmemenge zu groß. Wird die Wanddicke zu groß gewählt, so wird die aufgrund von Wärmekonduktion vom warmen Ende 22 kommende Wärmemenge zu groß. Die optimale Dicke hängt bei einer gegebenen Länge für das Rohr von der Kühlleistung und von der elektrischen Stromstärke ab. Vorteilhafterweise ist sie kleiner als im gemischten Bereich. Unter dem Gesichtspunkt des Gesamtverbrauchs an Kühlleistung ist es vorteilhaft, die Längen des gemischten und des normalen Bereichs zu vergrößern, jedoch wird man hierbei durch den verfügbaren Raum begrenzt.

Die Kühlung des Rohrs 8 wird durch Platten 28 verbessert, die aus demselben Material bestehen wie das Rohr 8 und die fast den gesamten Innenquerschnitt dieses Rohrs einnehmen; die Platten weisen jeweils eine Öffnung 38 auf und besitzen in den beiden Rohrbereichen unterschiedliche Durchmesser gemäß der unterschiedlichen lichten Weite des Rohrs. Sie sind senkrecht zur Längsrichtung des Rohrs angeordnet.

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Sie schließen zwischen sich eine Reihe von Kammern wie beispielsweise 34 und 36 zu beiden Seiten der Platten 28 ein. Das Helium fließt von Kammer zu Kammer, beispielsweise von einer Kammer 34 zur darauffolgenden stromabwärts liegenden Kammer 36 durch die Öffnung 33 in der Platte 23, die die beiden Kammern trennt. Jsdo Kammer wird von zwei Platten und dar Innenwandung des Rohrs S begrenzt. Der Abstand zwischen zwei Platten wird ausreichend groß gewählt, damit der Druck innerhalb einer jeden Kammer in etwa gleich ist, wobei jedoch dieser Druck von Kammer zu Kammer beim Durchgang des Heliums durch die Öffnung 38 spürbar abnimmt. So werden störende Konvektionsgasströme vermieden. Der Durchmesser der Platten, ihre Anzahl und ihr Abstand voneinander werden so bestimmt, daß sich eine große Kontaktfläche mit dem Helium und eine mittlere tangentiale Heliumströmungsgeschwindigkeit ergibt, die zu einem guten Austauschkoeffizienten und folglich zu einem geringen Temperaturunterschied zwischen dem Helium und den Rohrwandungen führen.

Der Durchmesser der Öffnungen 38 in den Platten ist ausreichend klein, um das Vorhandensein von Heliumströmungen in umgekehrter Richtung aufgrund der Wirkung freier Konvektion im Querschnitt jeder Öffnung zu vermeideni daraus ergibt sich eine Mehrstufigkeit für die Heliumtemperatur in den durch die aufeinanderfolgenden Platten begrenzten Kammern.

Die Dicke dieser Platten darf nicht zu groß sein, damit eine große Kontaktfläche mit dem Helium dank einer großen Anzahl von Platten erhalten wird. Die Dicke darf andererseits nicht zu klein sein, da die Wärme durch das Material der Wandung des Rohrs 8 bis in die Nähe des Mittelpunkts jeder Platte transportiert werden muß, 809818/09Λ1

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Die folgenden Abmessungen in Millimetern betreffen eine praktische Ausführungsform ι

gemischter Bereich normaler Bereich Gesamtlänge 200 bis 500 mm 500 bis 15OO mm

Außendurchmesser des

Rohrs δ 50 bis lOO mm 50 bis lOO mm

Dicke der Wandung des Rohrs 10 bis 20 mm 1 bis 2 mm

Die Querschnittsfläche der Öffnungen 38 wird zwischen 0,5 und 5% der Fläche der Platten 28 gewählt; die Breite der Kammer 34 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten wird zwischen 1 und 1O% des Kammerdurchmessers gewählt.

Eine der mit der Öffnung 38 versehenen Platten 28 des "normalen" Bereichs ist in Pig. 4 sichtbar. Eine der Platten mit einer Öffnung 42 des "gemischten" Bereichs ist in Fig. 3 sichtbar.

Die Öffnungen 38 und 42, die an der Peripherie der Platten vorgesehen sind, werden abwechselnd auf der der Achse des Rotors nahen Seite und auf der entgegengesetzten Seite des Rohrs angeordnet, damit das Helium die Kammern 34 in Durchmesserrichtung dee Rotors durchlaufen muß.

Das mit Platten 28 versehene Rohr 8 kann durch Aufeinanderstapeln von Kronen und mit Löchern versehenen Scheiben erhalten werden, wobei der Zusammenhalt durch Elektronenschweißen von der Außenfläche des Rohrs oder durch Löten erreicht wird.

Als Material kann Kupfer oder eine Kupferlegierung gewählt werden.

Da die Vorrichtung eine Stromzufuhr und eine Stromabfuhr sowie Zu- und Ableitungen für Helium aufweist, ist es

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vorteilhaft, wenn die beiden beschriebenen Stromzufuhr- bzw. -abfuhrleitungen symmetrisch zu beiden Seiten der Rotationsachse der Maschine angeordnet werden, wie es Fig. 1 zeigt.

Die erfindungsgemäßen Stromzuleitungen werden vorteilhafterweise außerhalb der Zonen mit stark wechselndem Magnetfeld angeordnet, d.h. in der Nähe oder jenseits des Lagers 3. Hierdurch wird das Auftreten von Wärme in diesen Zuleitungen durch Foucault¹sehe Ströme vermieden.

Der Querschnitt des Rohrs 8 kann rund oder rechteckig sein.

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Leerseite

Claims

Fo 10 568 D

2f Okt. J977 274847

ALSTHOM-ATLANTIQUE S.A. 38, avenue Kleber
75704 PARIS CEDEX 16 Frankreich

und

ELECTRICITE DE FRANCE

Service National 2, rue Louis Murat 75OO8 PARIS, Frankreich

PATENTANSPRÜCHE

Übergangsstück zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter für eine elektrodynamische Maschine mit supraleitenden Wicklungen, bei dem ein Kühlgas zuerst den Bereich des Übergangsstücks kühlt, der in der Nähe des Supraleiter-Endes liegt, und dann in den Bereich geleitet wird, in dem der Normalleiter angeschlossen ist, wobei Kühlrippen in der Berührungszone zwischen dem Übergangsstück und dem Kühlgas vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück als Rohr (8) ausgebildet ist, das aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material besteht und an dessen Außenwandung unter gutem elektrischen und thermischen Kontakt der Supraleiter (14) angelötet ist, und zwar entlang einer Mantellinie des Rohrs zwischen einem kalten Ende (20) und einem zwischen dem kalten Ende und dem "warmen" Ende (22)

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liegenden Zwischenniveau (26), und daβ ein Stapel von

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zueinander distanzierten Platten (28, 40) in dem Rohr angeordnet ist und die Kühlrippen bildet, wobei die Platten in einer zur Rohrachse senkrechten Ebene angeordnet sind und den gesamten Innenquerschnitt dieses Rohrs einnehmen, so dae sich in diesem Rohr zahlreiche flache, jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten liegende Kammern (34, 36) ergeben, die mit Nachbarkammern über je eine Öffnung (38, 42) derart verbunden sind, daß das Kühlgas vom kalten Ende bis zum warmen Ende durch die hintereinanderliegenden Kammern strömt.

2 - Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der öffnungen (38, 42) kleiner als 5% der Fläche der Platten (28, 40) ist, in die sie gebohrt sind.

3 - Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (38, 42) jeder Platte (28, 4o) in einen Bereich dieser Platte gebohrt ist, der von den Bereichen dieser Platte, die den in die Nachbarplatten gebohrten Öffnungen gegenüberliegen, entfernt ist.

4 - Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Kammern (34, 36) parallel zur Längsrichtung des Rohrs gemessen kleiner als 10% einer Querrichtung des Innenquerschnitts des Rohrs (8) ist.

5 - Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Wandung (30, 32) des Rohrs im kalten Bereich (30) größer als im entgegengesetzten Bereich (32) ist.

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6 - Übergangsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß es außerhalb der Zonen mit starkem wechselnden Magnetfeld in der Nähe eines Lagers angeordnet ist, wobei die Längsachse des Rohrs (8) parallel zur Rotationsachse verläuft .

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