DE2901333A1

DE2901333A1 - Anordnung zur kuehlung einer supraleitenden magnetspulenwicklung

Info

Publication number: DE2901333A1
Application number: DE19792901333
Authority: DE
Inventors: Hans Ing Grad Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-01-15
Filing date: 1979-01-15
Publication date: 1980-07-17
Also published as: US4277769A; DE2901333C2; JPS5596606A; EP0013399A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München YPA 73 P 7 5 0 1 BRD

Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung

Die Erfindung bezieht eich auf ein© Anordnung zur Kühlung einer Magnetspulenwicklung, die mittels- einer forcierten Strömung eines an mindestens einer KUhI-mittelansehlußstelle in die Wicklung eingespeisten und an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschluß-stelle aus der Wicklung wieder abgeleiteten Kühlmittels gekühlte Leiter aus supraleitendem Material enthält, die in Leiterbereiche unterteilt sind, deren durch die Stromdichte I, Feldstärke H und Temperatur T festgelegten Ärbeitspunicte von dem in einem X-H-T-Raum jeweils nächstliegenden, durch dl© kritische Stromdichte I . kritische Feldstärke H_ und kritische Temperatur T festgelegten Sprungpunkt d©s supraleitenden Materials vom supraleitend©» Ia äon normalleitenden Zustand verschieden weit ©atf©rat sind.

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Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können vorteilhaft Magnetwicklungen mit Supraleitern ververwendet werden. Als Leitermaterialien kommen hierfür z.B. Niob-Zirkon- oder Niob-Titan-Legierungen sowie Niob-Zinn- Verbindungen in Frage. Leiter aus diesen Supraleitermaterialien sind im allgemeinen mit normalleitendem Material stabilisiert, beispielsweise in eine Matrix aus diesem Material eingebettet. Mit dieser Maßnahme soll eine Zerstörung der Supraleiter im Falle eines unkontrollierten Übergangs seiner aus dem Supraleitermaterial bestehenden Teile vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verhindert werden.

Zur Kühlung von supraleitenden Großmagneten wird vielfach eine sogenannte "forcierte" Kühlung vorgesehen (vgl. CERN-Report 68-17, Nuclear Physics Division, Genf, 13. Mai 1968). Bei dieser Kühltechnik wird ständig ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, durch diskrete Kühlkanäle hindurchgepumpt, die in der Wicklung ausgebildet sind. Als Kühlkanäle können insbesondere entsprechende Hohlräume in den supraleitenden Leitern selbst vorgesehen sein. Solche Leiter werden deshalb allgemein als Hohlleiter be zeichnet. Bei dieser KUhltechnik kann ein zur Kühlung der Wicklung der Magnetspule erforderlicher Heliumbad- Kryostat entfallen und durch eine einfache, die Wicklung umschließende Vakuumkammer ersetzt werden, die lediglieh zur thermischen Isolation der Wicklung nach außen dient. Ferner kann bei einer Magnetwicklung mit Hohlleitern oder entsprechenden, zwischen benachbarten Leitern geführten Kühlkanälen die zur Kühlung der Wicklung erforderliche Menge an flüssigem Kühlmittel gegenüber einem etwa gleich großen

Magneten mit Kühlmittelbadkühlung erheblich verringert

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werden. Dies ist Insbesondere im Falle eines Übergangs der Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand von Vorteil, weil dann nur verhältnismäßig wenig flüssiges Kühlmittel verdampfen kann. Außerdem können Magnetwicklungen mit Hohlleitern im Gegensatz zu den meisten Wicklungen mit Badkühlung beliebig im Raum orientiert werden. Auch Lageänderungen während des Betriebs sind dann möglich.,

Dia Betri©bswerte für die Leiter einer solchen Magnetspulenwicklung sind während eines ungestörten Betriebs innerhalb der Wicklung verschieden. Dies bedeutet, daß die Wicklung Leiterbereiehe hat, deren Betriebswerte in Bezug auf die supraleitenden Eigenschaften d®B Leitermaterials kritischer sind als die Werte benachbarter Leiterbereiche. Der durch die Betriebswerte festgelegte Arbeitspunkt eines solchen kritischen Leiterbereichs liegt somit näher"bei dem nächstgelegenen, durch die kritischen Werte des supraleitenden Materials der Leiter festgelegten Sprungpunkt vom supra-leitenden in den normalleitenden Zustand als vergleichsweise die Arbeltspunkte anderer Leiterbereiche= Dieser Sprungpunkt ist hauptsächlich.durch die kritische Stromdichte I₁ die kritische Feldstärke KL bzw. die kritische magnetisch© Induktion. B_ und di@ kritisch© Temperatur T_n des Lsitermaterials festgelegt und liegt auf einer dreid-iaensioaalen Fläche im X-H-T=- Raum» welche die Kombinationen von I-H-T, bei denen der supraleitende Zustand vorhanden ist» von denjenigen · trennt, bei denen nur lormalleitung herrscht (Proc. IEE, IEE Reviews, Vol. 119, . No₀ 8R_S Aug.* 1972, "■ Seite 1007). Befindet slcfe also beispielsweise ein - Leiterbereich in einer - Zone besonders hoher magnetischer Feldstärke _v die größer -als die Feldstärk©

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in benachbarten Leiterbereichen ist, so liegen die Betriebswerte dieses Leiterbereichs näher bei dem zuzuordnenden Sprungpunkt als in den benachbarten Leiterbereichen, falls die Temperatur- und Stromdichteverhältnisse in den miteinander verglichenen Leiterbereichen zumindest annähernd gleich sind.

Ein unbeabsichtigter übergang einer supraleitenden Magnetwicklung in den normalleitenden Zustand, der auch als "Quench" bezeichnet wird, geht vielfach von einem solchen kritischen Leiterbereich der Wicklung aus, der besonders extremen Bedingungen ausgesetzt ist, zum Beispiel besonders hoher magnetischer Feldstärke oder besonders großer Wärmeeinwirkung. Um zu verhindern, daß durch Wärmeleitung sich die normalleitende Zone im Falle eines solchen Quenches verhältnismäßig schnell über die ganze Spule ausbreiten kann und somit entsprechend viel Energie aus dem Magneten ausgekoppelt werden muß, ist man im allge meinen bestrebt, eine besonders gute Kühlung dieser kritischen Bereiche zu erhalten. Dies wurde bisher dadurch zu gewährleisten versucht, daß man zumindest in der Nähe dieser kritischen Bereiche das Kühlmittel in den Magneten einleitete, da es dann noch am kältesten ist und somit die meiste Wärme abführen kann. Wird jedoch die Wicklung an diesem kritischen Leiterbereich normalleitend, z.B. wegen der dort herrschenden besonders hohen Feldstärke, so wird die durch den fließenden elektrischen Strom entstehende erhöhte Temperatur nicht nur aufgrund von Wärmeleitung längs und quer zum Leiter an benachbarte Leiterbereiche weitergegeben, sondern auch durch das aufgeheizte Kühlmittel in diese Leiterbereiche transportiert.

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YPA 79 P 7 5 0 1 BRD Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß die bekannten Anordnungen zur forcierten Kühlung von supraleitenden Magnetwicklungen eine Ausbreitung der normalleitenden Zone durch das Kühlmittel noch unterstützen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zur Kühlwag einer supraleitenden Hagnetwicklung zu schaffen, bei der diese Gefahr nicht besteht.

Diese Aufgabe wird für eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß an der Kühlmittelanschlußstelle mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich der Wicklung, dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im I-H-T-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels aus der Wicklung vorgesehen ist»

Unter einer Ausleitung des Kühlmittels aus der Wicklung ist dabei zu verstehen, daß das Kühlmittel in der Nähe dieser kritischsten Stelle der Wicklung entnommen wird und zu keiner weiteren Kühlung von Leitern der Wicklung dient. Beispielsweise kann das Kühlmittel dann direkt einer Kühlmittelversorgungseinheit zugeleitet werden. Die Lage und Anzahl der KUhlmittelanschlußstellen der Wicklung sind dabei im allgemeinen aus konstruktionsbedingten Gründen vorgegeben.

Bei dieser Kühlanordnung ist gewährleistet,, daß das Kühlmittel zu der Stelle hinstrteea muß, die erfahrungsgemäß zuerst vom supraleiteaden in den normalleitenden Zustand übergeht, und von dieser Stelle aus höchstens nur noch einen verhältnismäßig kleinen Weg durch die Wicklung nimmt, bevor es aus dieser ausgeleitet wird. Auf diese Weise wird eine

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Weiterleitung der an dieser kritischen Stelle auf das Kühlmittel übertragene Wärme an benachbarte Wicklungsteile weitgehend vermieden. Diese Vorteile dieser Maßnahmen liegen somit darin, daß sich ein Quench infolgedessen wesentlich langsamer oder überhaupt nicht weiter in der Wicklung ausbreitet.

Bei einer scheibenförmigen Magnetspulenwicklung mit beispielsweise D-förmlger Gestalt, deren Leiter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen zumindest annähernd gleiche Stromdichte I und etwa gleiche Temperatur T haben_r wird vorteilhaft eine Ausleitung des Kühlmittels an einer an der Innenseite der Wicklung vorgesehenen Kuhlmittelanschlußstelle vorgenommen, da im allgemeinen dort die Leiterbereiche mit der höchsten Magnetfeldstärke H bzw. magnetischen Induktion B liegen.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird *uf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur eine Magnetspulenwicklung mit einer Anordnung zur Kühlung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Die in der Figur nur angedeutete, im Querschnitt scheibenförmige Spulenwicklung 2 hat eine etwa D-förmige Gestalt. Eine Vielzahl solcher Spulen können zu einem toroidalen Magnetsystem vereinigt werden, wie es beispielsweise für Tokamak-Fusionsreaktoren vorgesehen ist (vgl. zum Beispiel "Rev. Mod.Phys.Wol. 47, Nr. 1, Januar 1975, Seiten 15 bis 21). Die Spule ist aus einem supraleitenden Hohl-

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leiter 3 gewickelt, dessen supraleitendes Material, Beispielsweise Niob-Titan oder Nb^Sn_r mit normalleitendem Material stabilisiert - ist. Entsprechende Leiter sind zum Beispiel aus den deutschen Offenlegungsschriften 26 26 914 und 26 02 735 bekannt. Zn. der Figur ist der Übersichtlichkeit wegen auf eine Darstellung der erforderlichen elektrischen und thermischen Isolationseinrichtungen der Spule verzichtet und sind nur drei Windungen 5 bis 7 einer einzigen Wicklungslage aus dem supraleitenden Hohl-' leiter 3 übertrieben groß veranschaulicht« Die Spule kann auch aus mehreren solcher Wicklungslagen aufgebaut sein. Sie ist ferner gegen eine irreversible Schädigung im Falle eines Kfomelleitend-Werdens geschützt« Eine entsprechendes, in der Figur nicht ausgeführte Maßnahme besteht darin,» die Peldenergie in einen außerhalb der Wicklung liegenden ohmechen Widerstand auszukoppeln,, in dem dann die Energie verbraucht wird (vgl»"Cryogenics"„Juni 1964₉ Seiten 153 bis 165).

Zur Kühlung der Spulantflelslung 2 ist ein© forel©rt© Str&iOTg eines Kühlmittels A₉ beispielsweise flüssigen Heliums, vorgesehen das hierzu dureh aind©@teas· einen Hohlraum 9 im Inneren· des supral©±t@ad©n Hohlleiters 3 gepumpt wird·

Ib Betriebszustand sind bei aolchen Spulenwleteltsngea im allgemeinen die an der Innenseite 1.1 verlaufenden Leiter größeren Magnetfeldstärlcen ausgesetzt als di© Leiter auf der Außenseite 12-der Wicklung* Hater der Annahae, daB die Wärmeeinleitung- von außen auf die Spulenwicklung 2 und die Stromdichte an -jeder Stelle der Spule in dee Hohlleiter 3 annähernd gleich-sind/ haben die an der Innenseite 11

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ordneten Leiter 5 Betriebswerte ihres supraleitenden Materials, die dem aus den drei genannten kritischen Größen festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials am nächsten kommen. In der Figur ist ein entsprechender Leiterbereich durch eine gestrichelte Linie begrenzt und mit 14 bezeichnet, wobei zusätzlich berücksichtigt ist, daß dieser Leiterbereich insbesondere auch die Stellen 16 und 17 der Magnetwicklung umfaßt, die bei der D-förmigen Gestalt der Wicklung einen besonders kleinen Krümmungsradius haben. Erfindungsgemäß neigen die Leiter 5 der Spule 2 in diesem Bereich 14 am ehesten zum Quenchen. Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß In diesem Bereich 14 das durch den Leiter 5 fließende Kühlmittel aus der Spulenwicklung herausgeführt wird, d.h.,daß eine weitere Kühlung von Leitern der Wicklung mit diesem Kühlmittel dann nicht mehr vorgesehen ist. Um eine entsprechende Kühlmittelströmung zu gewährleisten, ist zur Herstellung der Spulenwicklung gemäß dem AusfUhrungsbeispiel der Leiter 3 um einen zentralen, D-f örmigen Wickelkern 19 von innen nach außen gewickelt worden und wird zum Betrieb der fertig erstellten Spule das Kühlmittel A, wie durch einen Pfeil 21 dargestellt ist, an dem außenliegenden Ende 22 der Wicklung in diese eingespeist. Nachdem das Kühlmittel den Hohlleiter von außen nach innen durchströmt hat, wird es, wie durch einen Pfeil 23 ebenfalls angedeutet ist, an einer Austrittsstelle 24 am geraden Teil der Innenseite der Spule Z wieder ausgeleitet. Es läßt sich auf diese Weise verhindern, daß ein sich Im Bereich 14 der Wicklung ausbildender Quench durch das sich dabei erwärmende Kühlmittel in benachbarte Bereiche der Wicklung übertragen wird.

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Im AusfülirungsTbeispiel nach der Figur wurde angenommen,, daß die forcierte Kühlung der Leiter durch Strömungen eines Kühlmittels durch Hohlräume in diesen Leitern erfolgt«. Es kann jedoch ebensogut eine entsprechende Strömung auf der Außenseite der Leiter, beispielsweise durch entsprechende Längskanäle an den Leitern oder in Isolationsteilen zwischen benachbarten Leitern, vorgesehen werden.

4 Patentansprüche
1 Figur

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Al·

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Zusammenfassung

Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur forcierten Kühlung einer Magnetspulenwicklung mit Kühlmittelanschlußetellen zur Einspeisung und Ausleitung eines Kühlmittels in die bzw. aus der Wicklung, deren supraleitende Leiter durch Stromdichte I, Feldstärke H und Temperatur T festgelegte Arbeitspunkte haben, die von dem Jeweils nächstliegenden Sprungpunkt des supraleitenden Materials verschieden weit entfernt sind. Bei diesen bekannten Kühlanordnungen wird Je doch eine Ausbreitung einer von einem kritischen Leiterbereich auegehenden normalleitenden Zone durch das Kühlmittel noch unterstützt, da bisher das Kühlmittel immer an diesem kritischen Leiterbereich in die Wicklung eingespeist wurde. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß an der Kühlmittelanschlußstelle (24) nit der geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich (14) der Wicklung (2), dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels (A) aus der Wicklung (2) vorgesehen ist. Die Supralei ter können insbesondere als Hohlleiter gestaltet sein. Derartige KUhlanordnungen können insbesondere für supraleitende Großmagnete mit beispielsweise D-förmiger Gestalt vorgesehen werden (Einzige Figur).

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur Kühlung einer Magnetspulenwicklung, welche mittels einer forcierten Strömung eines-an mindestens einer Kühlmittelanschlußstelle In die Wicklung eingespeisten und an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschlu0stelle aus der Wicklung wieder abgeleiteten Kühlmittels gekühlte Leiter aus supraleitendem Material enthält, die in Leiterbereiche unterteilt sind, deren durch die Stromdichte

1. Feldstärke H und Temperatur T festgelegten Arbeitspunkte von dem in einen I-H-T-Raura jeweils näehstliegenden, durch die kritisch® Stromdichte l_Q, kritische Feldstärke H und kritische Tamp@ratur T₀ festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verschieden weit entfernt sind, dadurch gekennzeichnet , daß an der KUhlmittelanschluß» stelle (24) mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich (14) der Wicklung (2), dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im I-H-T-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels (A) aus der Wicklung (2) vorgesehen ist.

2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einleitung des Kühlmittels (A) an einer Kühlmittelanschlußstelle, die einem Leiterbereich am nächsten liegt, dessen Arbeitspunkt von dem Sprungpunkt des supraleitenden Materials weiter entfernt ist als der Arbeitspunkt 3edes der übrigen LeiterLereiche der Wicklung (2).

3. Anordnung zur Kühlung einer scheibenförmigen

Magnetspulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, deren Lei-

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ter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen eine zumindest annähernd gleiche Stromdichte I und gleiche Temperatur T haben, gekennzeichnet durch eine Ausleitung des Kühlmittels (A) an einer an der Innenseite (11) der Wicklung (2) vorgesehenen Kühlmittelanschlußstelle (24).

4, Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch supra· leitende Hohlleiter (3).

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