DE2901333C2 - Verfahren zum forcierten Kühlen einer supraleitenden Magnetspulenwicklung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum forcierten Kühlen einer supraleitenden Magnetspulenwicklung, die aus supraleitenden Hohlleitern besteht, so wobei das Kühlmittel mit Tieftemperatur an mindestens einer Kühlmittelanschlußstelle in die Hohlleiter der Wicklung eingeleitet und nach Durchströmen der Wicklung an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschlußstelle wieder ausgeleitet wird und wobei die Wicklung Leiterbereiche enthält, deren durch die elektrische Stromdichte /, die magnetische Feldstärke H und die Temperatur T festgelegten Arbeitspunkte von der durch die Menge der Sprungpunkte, in denen der Supraleiter sprungartig in den normalleitenden Zustand übergeht, gebildeten »kritischen Fläche« im J-H-T-Raum verschieden großen Abstand haben. Ein solches Verfahren wird bei der in dem »CERN-Report 68-17«, Nuclear Physics Division, Genf, 13. Mai 1968, beschriebenen supraleitenden Großmagneten angewandt.

Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können vorteilhaft Magnetwicklungen mit Supraleitern verwendet werden. Als Leitermaterialien kommen hierfür ζ,Β. 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 Obergangs seiner aus dem Supraleitermaterial bestehenden Teile vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verhindert werden.

Zur Kühlung des aus dem eingangs genannten »CERN-Report« bekannten supraleitenden Großmagneten wird eine sogenannte »forcierte« Kühlung vorgesehen. 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 bezeichnet Ein entsprechendes Kühlverfahren von supraleitenden Hohlleitern ist auch aus der Veröffentlichung »Cryogenics«, August 1972, Seiten 292 bis 296 bekannt Bei einem solchen Kühlverfahren kann ein zur Kühlung der Wicklung der Magnetspule erforderlicher Heliumbad-Kryostat entfallen und durch eine einfache, die Wicklung umschließende Vakuumkammer ersetzt werden, die lediglich zur thermischen Isolation der Wicklung nach außen dient Ferner kann bei einer Magnetwicklung mit Hohlleitern die zur Kühlung der Wicklung erforderliche Menge an flüssigem Kühlmittel gegenüber einem etwa gleichgroßen Magneten mit Kühlmittelbadkühlung erheblich verringert werden. Dies ist insbesondere im Falle eines Übergangs der Wicklung vom surpaleitenden 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 wer&;i\ Auch Lageänderungen während des Betriebs sind dann möglich.

Die Betriebswerte für die Leiter einer solchen Magnetspulenwicklung sind während eines ungestörten Betriebs innerhalb der Wicklung verschieden. Dies bedeutet, daß die Wicklung Leiterbereiche hat, deren Betriebswerte in bezug auf die supraleitenden Eigenschaften des 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 dar Leiter festgelegten Sprungpunkt vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand als vergleichsweise die Arbeitspunkte anderer Leiterbereiche. Dieser Sprungpunkt ist hauptsächlich durch die kritische Stromdichte J_a die kritische magnetische Induktion ß_cund die kritische Temperatur Tc des Leitermaterials festgelegt und liegt auf einer dreidimensionalen Fläche im J-H-T-R&um, welche die Kombination J-H-T, bei denen der supraleitende Zustand vorhanden ist, von denjenigen trennt, bei denen nur Normalleitung herrscht (Proc. IEE, IEE Reviews, Vol. 119, No. 8R, Aug. 1972, Seiten 1006 und 1007). Diese Fläche wird deshalb auch als »kritische Fläche« bezeichnet. Befindet sich also beispielsweise ein Leiterbereich in einer Zone besonders hoher magnetischer Feldstärke, die größer als die Feldstärke in benachbarten Leiterbereichen ist, so liegen die Betriebs-

werte dieses Leiterbereichs näher bei dem zuzuordnen' den Sprungpunkt als in den benachbarten Leiterbereichen, falls die Temperatur- und Stromdichteverhältnisse in den miteinander verglichenen Leiterbereichen zumindest annähernd gleich sind.

Ein unbeabsichtigter Obergang einer supraleitenden Magnetwicklung in den normallettenden 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 allgemeinen 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 weilergegeben, sondern auch durch das aufgeheizte Kühlmittel in diese Leiterbereiche transportiert.

Aus der CH-PS 5 84 450 ist zwar ebenfalls eine forcierte Strömung des eine Magnetwicklung kühlenden Kühlmittels zu entnehmen. Hierbei strömt jedoch das Kühlmittel nicht durch als Hohlleiter ausgebildete Supraleiter, sondern in axialer Richtung der Wicklung durch ein entsprechend ausgerichtetes System von Kühlkanälen. Auf diese Weise wird praktisch die gesamte Wicklung überflutet, so daß sich von einer Kühlmitteleinspeisungsstelle zu einer Kühlmittelausleiungsstelle ein gleichmäßiger Temperaturanstieg in axialer Richtung ausbildet. Bei dieser Kühltechnik liegen folglich Bereiche mit unterschiedlichem Arbeitspunkt bezüglich des entsprechenden Sprungpunkts des supraleitenden Materials auf zumindest annähernd gleicher Temperatur.

Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß die bekannten Verfahren zum forcierten Kühlen von großen supraleitenden Magnetwicklungen eine Ausbreitung der normalleitenden Zone durch duS Kühlmittel noch unterstützen. Anfgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Kühlen einer supraleitenden Magnetwicklung zu schaffen, bei dem diese Gefahr nicLit besteht.

Diese Aufgabe wird für ein Kühlverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Kühlmittelanschlußstelle mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich der Wicklung, dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im J^HT-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, das Kühlmittel aus der Wicklung ausgeleitet und nicht unmittelbar zur weiteren Kühlung von supraleitenden Wicklungsteilen verwendet wird.

Nach der Ausleitjng des Kühlmittels aus der Wicklung in der Nähe dieser kritischsten Stelle der Wicklung kann dieses dann beispielsweise direkt einer externen Kühlmitteiversorgungseinheit zugeleitet werden. Die Lage und Anzahl der Kühlmittelanschlußstel- !en der Wicklung sind dabei im allgemeinen aus konstruktionsbedingten Gründen vorgegeben.
Bei diesem Kühlverfahren ist gewährleistet, daß das Kühlmittel zu der Stelle hinströmen muß, die erfahrungsgemäß zuerst vom supraleitenden 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 Weiterleitung der an dieser kritischen Stelle auf das Kühlmittel übertragenen Wärme an benachbarte Wicklungstetle weitgehend vermieden. Die Vorteile dieser Maßnahmen Hegen somit darin, daß sich ein Quench infolgedessen wesentlich langsamer oder überhaupt nicht weiter in der Wicklung ausbreitet

Bei dem Verfahren zum forcierten Kühlen einer scheibenförmigen Magnetspulenwicklung mit D-förmig_er Gestalt, deren Leiter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen eine .«mindest annähernd gleiche Stromdichte /und gleiche Temperatur T haben, wird vorteilhaft eine Ausleitung des Kühlmittels an einer an der Innenseite der Wicklung vorgesehenen Kühlmittelanschlußstelle vorgenommen, da im allgemeinen '-'ort die kritischen Leiterbereiche mit der höchsten Magnetfeldstärke H bzw. magnetischen Induktion ß liegen.
Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur eine Magnetspulenwicklung schematisch veranschaulicht ist, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung zu kühlen 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 weiden, wie es beispielsweise für Tokamak-Fusionsreaktoren vorgesehen ist (vgl. zum Beispiel »Rev. Mod. Phys.«, Vol. 47, Nr. I.Januar 1975, Seiten 15 bis 21). Die Spule ist aus einem supraleitenden Hohlleiter 3 gewickelt, dessen supraleitendes Materia!, beispielsweise Niob-Titan oder NbjSn, mit normalleitendem Material stabilisiert ist. Entsprechende Leiter sind zum Beispiel aus den deutschen Offenlegungsschriften 26 26 914 und 26 02 735 bekannt. In der Figur ist der Übersichtlichkeit wegen auf eine Darstellung der erforderlichen elektrisehen und thermischen Isolationseinrichtungen der Spule verzichtet und sind nur drei Windungen S bis 7 einer einzigen Wicklungslage aus dem supraleitenden Hohlleiter 3 übertrieben groß veranschaulicht. Die Spule !'df-Ji auch aus mehreren solchen Wicklungslagen aufgebaut sein. Sie ist ferner gegen eine irreversible Schädigung im Faüe eines Normalleitend-Werdens geschützt Eine entsprechende, in der Figur nicht ausgeführte Maßnahme besteht darin, die Feldenergie in einen außerhalb der Wicklung liegenden ohmschen Widerstand auszukoppeln, in dem dann die Energie verbraucht wird (vgl* »Cryogenics«, Juni 1964, Seiten 153 bis 165).

Zur Kühlung der Spulenwicklung_2 ist eine forcierte Strömung eines Kühlmittels A beispielsweise flüssigen Heliums, vorgesehen, das hierzu durch mindestens einen Hohlraum 9 im Inneren des supraleitenden Hohlleiters 3 gepumpt wird.
Im Betriebszustand sind bei solchen Spulenwicklun-

gen im allgemeinen die an der Innenseite ti verlaufenden Leiter größeren Magnetfeldstärken ausgesetzt als die Leiter auf der Außenseite 12 der Wicklung. Unter der Annahme, daß die Wärmeeinleitung von außen auf die Spulenwicklung _2_ und die *> Stromdichte an jeder Stelle der Spule in dem Hohlleiter 3 annähernd gleich sind, haben die an der Innenseite 11 der Wicklung_2 angeordneten 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 ti Magnetwicklung umfaßt, die bei der D-förmigen Gestalt der Wicklung einen besonders kleinen Krümmungsradius haben. Erfahrungsgemäß neigen die Leiter 5 der Spule 2 in diesem Bereich 14 am ehesten zum Quenchen. Gemäß der Erfindung: is! 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 Ausführungsbeispiel der Leiter 3 um einen zentralen, D-förmigen 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 Küh^nittel den Hohlleiter von außen nach innen durchströmt hat, wird es, wie durch einen Pfeil 23 ebenfalls angedeutet ist, an einer Austrittsstclle 24 am geraden Teil der Innenseite der Spule 2^ 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 Dcrcichc der Wicklung übertragen vvüu.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfanren zum forcierten Kohlen einer supraleitenden Magnetspulenwicklung, die aus supraleitenden Hohlleitern besteht, wobei das Kohl- mittel mit Tieftemperatur an mindestens einer KühlmittelanschluQstelle in die Hohlleiter der Wicklung eingeleitet und nach dem Durchströmen der Wicklung an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschlußstelle wieder ausgeleitet wird und ι ο wobei die Wicklung Leiterbereiche enthält, deren durch die elektrische Stromdichte /, die magnetische Feldstärke H und die Temperatur T festgelegten Arbeitspunkte von der durch die Menge der Sprungpunkte, in denen der Supraleiter sprungartig in den normalleitenden Zustand übergeht, gebildeten »kritischen Fläche« im /-//-T-Raum verschieden großen Abstand haben, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kühlmittelanschlußstelle (24) mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Lekerbereich (14) der Wicklung (2), dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im /-//-T-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, das Kühlmittel aus der Wicklung ausgeleitet und nicht unmittelbar zur weiteren Kühlung von supraleitenden Wicklungsteilen verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einleitung des Kühlmittels (A) an einer Kühlmittelanschlußstelle, die einem Leiterbereich am nächsten liegt, dessen Arbeitspunkt von dem SprungpunV* des supraleitenden Materials weiter entfernt ist als der Arbeitspunkt jedes der übrigen Leiterbereiche der Wicklung ^2).

3. Verfahren zum forcierten Kühlen einer scheibenförmigen Magnetspulenwicklung mit D-förmiger Gestalt nach Anspruch 1 oder 2, deren Leiter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen eine zumindest annähernd gleiche Stromdichte /und gleiche Temperatur Γ haben, gekennzeichnet durch eine Ausleitung des Kühlmittels (A) an einer an der Innenseite (11) der Wicklung (2) vorgesehenen Kühlmittelanschlußstelle (24).