DE2915199B1

DE2915199B1 - Fluessigheliumpumpe

Info

Publication number: DE2915199B1
Application number: DE2915199A
Authority: DE
Inventors: Klaus Jentzsch; C Dipl-Phys Dr Schmidt
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1979-04-14
Filing date: 1979-04-14
Publication date: 1980-08-21
Also published as: GB2053371A; US4421464A; GB2050502B; GB2050502A; GB2053371B; DE2915199C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigheliumpumpe nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Derartige Pumpen werden benötigt zum Umwälzen von flüssigem oder superkritischem Helium in einem geschlossenen Kreislauf oder ganz allgemein zum Fördern von flüssigem Helium.

Insbesondere im Bereich der Fusionstechnologie erweist sich der Bau und Betrieb von eisenlosen Fusionsmagneten als unerläßlich. Dabei sind die Magnetspulen aus supraleitenden Hohlleitern aufgebaut, deren Länge bis zu 1000 m betragen kann und die mit einphasigem Helium zu kühlen sind.

Der Transport des Heliums erfolgt bei einem Druck oberhalb von 2,4 bar und einer Temperatur von etwa 4,2 K. Die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt ist in der Größenordnung von 1 bar. In besonderen Anwendungsfällen, wie bei Einrichtungen zum Untersuchen von supraleitenden Hohlleitern in Abhängigkeit von den Parametern des strömenden Heliums, wie Druck und Durchflußmenge ist ferner während des Pumpzyklus eine konstante Fördermenge und eine konstante Druckdifferenz erforderlich. Diese Förderung wird von bekannten über einen Exenter angetriebenen Kolbenpumpen nicht erfüllt. Die Fusionsmagnete erzeugen Magnetfelder, deren magnetische Flußdichte in der Größenordnung von einigen Tesla Hegt.

Es ist eine Kolbenpumpe zum Fördern von Flüssighelium bekannt (CRYOGENICS, Febr. 1878, Seiten 112 bis 114), deren Antrieb außerhalb des Kyrostaten angeordnet ist und deshalb das Durchführen der Kolbenstange durch die Wand des Kryostaten erforderlich macht. Diese Durchführung erfordert eine vakuum- und heliumdichte Ausführung und bedingt einen erheblichen Aufwand. Diese Schwierigkeiten werden vermieden durch eine andere bekannte Flüssigheliumpumpe (Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 11 [1965], Seiten 530 bis 535), bei der ein Pumpenkolben aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit Faltenbalg in einem Pumpengehäuse und eine Magnetspule zum Antreiben des Kolbens außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist. Das notwendigerweise aus einem unmagnetischen Werkstoff bestehende Pumpengehäuse vergrößert einerseits den Luftspalt zwischen der Magnetspule und dem Kolben und vermag andererseits unerwünschte Wirkungen von Fremdfeldern nicht auszuschließen. Ein anderer Nachteil dieser bekannten Einrichtung liegt in der geringen Fördermenge von etwa 6,4 cm³/s.

Es ist aber auch eine Flüssigheliumpumpe bekannt (Adv. Cryogenic Engineering, Vol. 11 [1965], Seiten 607 bis 611), bei der die supraleitende Antriebsspule als Scheibenspule an der Stirnseite eines supraleitenden Kolbens mit Faltenbalg in dem Pumpengehäuse angeordnet ist. Der Kolben wird von der Antriebsspule durch Abstoßen und Anziehen bewegt, die dabei auf den Kolben ausgeübten Kräfte sind während eines Hubes starken Änderungen unterworfen, weil mit zunehmendem Abstand zwischen Kolben und Antriebsspule die auf den Kolben wirkende Kraft stark abnimmt. Ferner kann auch bei dieser Pumpe der Betrieb durch starke magnetische Fremdfelder erheblich gestört werden. Die Fördermenge beträgt auch hier nur etwa 7 cm³/s.

Es ist ferner ein Antriebssystem für einen elektromagnetischen Lautsprecher bekannt (Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker, 1. Band, 3. Auflage, 1952, Seiten 438, 439, Verlag für Radio- Foto-Kinotechnik Berlin), das aas einem Topfmagneten mit einem zentralen Kern besteht, der eine Erregerspule trägt und dessen freies Ende mit einem scheibenförmigen Polschuh einen Ringspalt bildet, in dem die Schwingspule zum Bewegen der Lautsprechmembran schwingt, wenn diese mit einer tonfrequenten Spannung erregt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigheliumpumpe zu entwickeln, deren supraleitende Antriebseinrichtung frei ist von das Pumpengehäuse durchdringenden Bauelementen, die auch in starken magnetischen Fremdfeldern einer Flußdichte von einigen Tesla störungsfrei zu arbeiten vermag und die bei angemessener Fördermenge einen konstanten Differenzdruck zwischen dem Ein- und dem Austritt der Pumpe und damit eine konstante Durchflußmenge aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Flüssigheliumpumpe nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 durch die in deren Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einfachen Mitteln eine kompakte Flüssigheliumpumpe hoher Fördermenge mit konstanter Durchflußmenge zur Verfügung gestellt wird, die auch in starken magnetischen Fremdfeldern betriebssicher arbeitet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 durch Ringspaltmagnet angetriebene Kolbenpumpen,

Fig.2 durch Ringspaltmagnet angetriebene Membranbalgpumpe,

Fig.3 durch eisenfreien Ringspaltmagneten angetriebene Kolbenpumpe,

F i g. 4 durch eisenfreien Ringspaltmagneten angetriebene Membranpumpe
jeweils in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung.

F i g. 1 zeigt den Längsschnitt einer Kolbenpumpe mit einem doppelt wirkenden Kolben 1, der in einem Pumpengehäuse 2 elektromagnetisch angetrieben wird. Der Boden 3 eines topfförmig ausgebildeten ersten Spulenträgers 4 ist mit der Mittelwand 5 des Kolbens 1 über eine Schraubverbindung 6 verbunden. Der erste Spulenträger 4 weist an der Außenseite seines Mantels einen ersten Wickelraum 7 auf, in den eine supraleitende Tauchspule 8 eingebracht ist. Koaxial zu dem ersten Spulenträger 4 ist in dem Pumpengehäuse 2 und mit diesem fest verbunden ein Ringspaltmagnet 9 angeordnet, der aus einem zylindrischen ferromagnetischen Kern 10 und einem den Kern topfförmig umschließenden Joch 11 besteht und mit dem freien Ende 12 des

Kerns 10 einen Ringspalt 13 bildet. Der Mantel des Kernes 10 weist einen ringförmigen zweiten Wickelraum 14 auf, der eine supraleitende zu der Tauchspule koaxiale Erregerwicklung 15 aufnimmt. Die Erregerwicklung 15 erzeugt in dem Ringspalt 13 ein radiales Magnetfeld, dessen Feldlinien an allen Stellen des Ringspaltes 13 senkrecht zu dem in der Tauchspule 8 fließenden Steuerstroms verlaufen, so daß die Tauchspule 8 und damit über den ersten Spulenträger 4 auf den Kolben 1 eine parallel zur Achse 16 des Kolbens 1 verlaufende Kraft 17 wirkt, deren Richtung ausschließlich von der Richtung des Steuerstromes bestimmt ist.

Der supraleitende elektromagnetische Antrieb des Kolbens 1 ist in einer von dessen zwei Kolbenkammern 18, 19 angeordnet und wird durch den während des Pumpens entstehenden Heliumstrom gekühlt.

Bei konstanter Induktion im Ringspalt 13 ist die am Kolben 1 wirkende Kraft 17 proportional dem in der Tauchspule 8 fließenden Steuerstrom. Bei gleichbleibendem Steuerstrom ist die Kraft 17 während eines Hubes und damit die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz konstant. Nur beim Erreichen der Totpunkte des Kolbens 1 fällt die Druckdifferenz für ca. 10 ms auf Null ab.

Erreicht der Kolben 1 einen seiner zwei Totpunkte, so wird z. B. durch Schließen eines ersten Kontaktes 20 und eines zweiten Kontaktes 20a eine Steuereinrichtung 21 die Richtung des Steuerstromes in der Tauchspule 8 umgekehrt.

Eine vorbestimmte Druckdifferenz kann durch geeignete Wahl des Steuerstromes eingestellt werden.

Der Spulenträger 4 besteht ebenso wie das Pumpengehäuse 2 und der Kolben 1 aus einem unmagnetischen Werkstoff wie z. B. Messing oder VA.

Wird der Ringspaltmagnet 10, 11 unter Freilassung des Ringspaltes 13 allseitig von einer supraleitenden Abschirmung 22 eingeschlossen, so ist es ohne weiteres möglich, die Pumpe auch in einem starken externen Magnetfeld einer magnetischen Flußdichte von einigen Tesla störungsfrei zu betreiben. Das Pumpengehäuse 2 ist an den Stirnseiten durch angeflanschte Deckel 23 verschlossen, in die jeweils ein als Kugelventil ausgebildetes Einlaßventil 24 und ein Auslaßventil 25 integriert sind, so daß alternierend über die Heliumzuleitungen 26, 27 Helium angesaugt und über die Heliumableitungen 28,29 alternierend gefördert wird.
Bei einer Pumpe dieser Bauart mit

Durchmesser des Kolbens 1:60 mm,
Hub: 15 mm, Tauchspule 8: Innendurchmesser 25 mm.Wickeldikke t mm, Länge 22 mm 3 Lagen mit je 66 Wicklungen,

Kupferstabilisierter NbTi-Multifilamentdraht

0,3 mm Durchmesser Ringspaltmagnet 9; Ringspalt 13, Spaltbreite 2 mm, Spalthöhe 5 mm Erregerwicklung 15, 2 Lagen mit je 60 Windungen, Supraleiter wie bei der Tauchspule 8, die magnetische Induktion im Ringspalt 13 beträgt etwa B=2 Tesla (Eisensättigung).

Mit einem Strom /=20 A in der Tauchspule 8 und einer Leiterlänge L=3,5 m im Ringspalt ergibt sich eine axiale Kraft am Kolben 1 von F=/xßxL=140N und bei einer Kolbenfläche von 28 cm² ein Differenzdruck von Ap=0,5 bar. Die Druckdifferenz kann jedoch ohne weiteres gesteigert werden, da der angenommene Strom von 20 A noch weit unter dem kritischen Strom des Supraleiters liegt. Bei einer Frequenz von 2,5 Hz ist die Fördermenge 0,2 Liter/s.

Das Joch 11 des Ringspaltmagneten und eine gegebenenfalls dort angeordnete magnetische Abschirmung 22 weisen radiale Bohrungen 30 auf. Auch der Mantel des ersten Spulenträgers 4 weist an seinem von dem Ringspaltmagneten abgewandten Ende radiale Bohrungen 31 auf. Durch die Bohrungen 30,31 kann ein ständiger Heliumstrom im Bereich der supraleitenden Tauchspule 8 und der supraleitenden Erregerwicklung 15 aufrecht erhalten werden.

In Fig.2 ist der Längsschnitt einer Membranbalgpumpe dargestellt, deren supraleitender elektromagnetischer Antrieb 3, 4, 7 bis 16, 20 bis 22 der in F i g. 1 dargestellten im wesentlichen identisch ist.

Das Joch 11 des Ringspaltmagneten 9 ist mit einem ersten Träger 40 verbunden, der eine zentrale Bohrung 41 aufweist, durch die ein Versorgungskabel 42 für die Stromversorgung der Tauchspule 8 und der Erregerwicklung 15 und ein Steuerkabel 43 für das Umschalten der Stromrichtung in der Tauchspule 8 beim Schließen der ersten Kontakte 20 und des zweiten Kontaktes 20a durch einen an den Boden 3 des die Tauchspule 8 aufnehmenden ersten Spulen-Trägers 4 angeschlossenen Deckel 44 und einem mit dem Deckel 44 verbundenen Ring 45. Der Deckel 44 ist über einen Ring 45 mit dem einen Ende eines Membranbalges 46 verbunden, dessen anderes Ende an eine erste Ventilscheibe 47 angeschlossen ist, die den Fuß 48 des Trägers 40 umschließt. Zwischen der ersten Ventilscheibe 47 und einer zweiten Ventilscheibe 49 ist eine tieftemperaturfeste Kunststoffolie 50 als Ventilmembran eingespannt, deren nicht dargestellte Membranzungen als von dem strömenden Helium betätigte Flatterventile arbeiten und in der zweiten Ventilscheibe 49 angeordnete erste Ventilbohrungen 51, 51a für den Eintritt und in der ersten Ventilscheibe 47 angeordnete zweite Ventilbohrungen 52, 52a in der ersten Ventilscheibe 47 und dem Fuß 48 des Trägers 40 für den Austritt des Heliums in Abhängigkeit von der Richtung der an der Tauchspule 8 wirkenden Kraft 17 freigeben.

Der Träger 40, die erste Ventilscheibe 47 und die zweite Ventilscheibe 49 mit der Ventilmembran 50 sind über eine Schraubverbindung 53 mit einem Flansch 54 fest verbunden und gemeinsam mit Schraubenbolzen 55 an ein Pumpengehäuse 56 angeschlossen.

Das Helium strömt über eine Heliumleitung 57, eine erste Ventilbohrung 51 und Flatterventile der Ventilmembran 50 über eine Bohrung 58 der ersten Ventilscheibe 47 in den Raum 59 zwischen Pumpengehäuse 56 und Membranbalg 46 und durch eine Bohrung 51a und Flatterventile der Ventilmembran 50 und über eine Bohrung 60 im Fuß 48 des Trägers 40 in den vom Membranbalg 46 eingeschlossenen Raum 6t. Die Heliumableitung 62 ist über eine erste Ventilbohrung 52, Flatterventile der Ventilmembran 50 und eine Bohrung 63 in der zweiten Ventilscheibe 49 mit dem Raum 59 zwischen Pumpengehäuse 56 und Membranbalg 46 und über eine Ventilbohrung 52a. Flatterventile der Ventilmembran 50 und eine Bohrung 64 in der zweiten Ventilscheibe 49 mit dem von dem Membranbalg 46 eingeschlossenen Raum 61 verbunden.

Eine Kolbenpumpe, die mit einem eisenfreien Ringspaltmagneten angetrieben wird, ist in Fig.3 als vereinfachter Schnitt dargestellt. In dem Pumpengehäuse 2 ist ein topfförmiger Kolben 70 angeordnet, der mit einem topfförmigen zweiten Spulenträger 71 fest

verbunden ist. Der zweite Spulenträger 71 weist an seinem offenen Ende einen ringnutförmigen Wickelraum 72 zum Aufnehmen einer supraleitenden Tauchspule 73 auf.

Mit dem das Pumpengehäuse 2 abschließenden Deckel 23 ist ein ebenfalls topfförmiger dritter Spulenträger 74 fest verbunden, der an seiner Außenseite zwei ringförmige Wickelräume 75 zum Aufnehmen einer dritten Erregerspule 76 und einer vierten Erregerspule 77 aufweist.

Ein vierter rohrförmiger Spulenträger 78 ist koaxial in den dritten Spulenträger 74 eingesetzt und mit diesem so verbunden, daß ein Ringspalt 79 zum Einführen des zweiten Spulenträgers 71 gebildet ist. Die Außenseite des vierten Spulenträgers 78 weist zwei ringnutförmige Wickelräume 80 zum Aufnehmen einer ersten Erregerspule 81 und einer zweiten Erregerspule 82 auf. Der axiale Abstand der Erregerspulen entspricht etwa der axialen Länge der Tauchspule 73. Der zweite, der dritte und der vierte Spulenträger 71, 74, 78 bestehen aus einem unmagnetischen und tieftemperaturbeständigen Werkstoff.

Der dritte Spulenträger 74 weist Bohrungen 83,84 im Bereich seines Deckels 85, der vierte Spulenträger 78 weist Bohrungen 86 in einem dem Wickelraum 80 benachbarten Bereich auf, die den Ringspalt 79 mit dem von dem Kolben 70 und dem Deckel 85 gebildeten, in seinem Volumen durch den Hub des Kolbens 70 veränderbaren Raum 87 verbinden.

Im Zentrum des Deckels 85 des dritten Spulenträgers 74 ist eine Führungsstange 88 angeordnet, die in den Raum 87 hineinragt, und an ihrem rohrförmig ausgebildeten freien Ende einen diagonalen in Richtung der Achse 16 verlaufenden Schlitz 89 aufweist, in dem ein mit dem zweiten Spulenträger 71 verbundener Flachsteg 90 geführt ist und dadurch Drehungen der auf dem zweiten Spulenträger 71 angeordneten Tauchspule 73 um die Achse 16 ausschließt.

Dadurch wird verhindert, daß die durch eine axiale Bohrung 91 der Führungsstange 88 und das rohrförmige Ende derselben geführten supraleitenden Drähte 92 der Tauchspule 73 durch eine unerwünschte Drehbewegung des zweiten Spulenträgers 71 beschädigt werden. Die Führungsstange 88 weist in ihrem rohrförmigen ausgebildeten Teil eine radiale Bohrung 93 auf, durch welche zwei weitere, ebenfalls in der axialen Bohrung 91 der Führungsstange verlegten supraleitenden Drähte 94 als Anschlüsse der Erregerspulen 76, 77, 81, 82 geführt sind.

Die Führungsstange 88 und der Flachsteg 90 bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Keramik, die anderen konstruktiven Elemente aus einem unmagnetischen metallischen Werkstoff.

Hier ist also der in Fig. 1 dargestellte Ringspaltmagnet durch eine Anordnung aus vier supraleitenden eisenfreien Spulen ersetzt, wobei die Richtung des Erregerstromes in radial benachbarten Erregerspulen gleich und in axial benachbarten Erregerspulen einander entgegengerichtet ist. Unter dieser Voraussetzung erzeugt die vorgeschlagene Spulenanordnung in ihrer radialen Symmetrieebene ein radiales Magnetfeld mit einer dem Ringspaltmagneten entsprechenden Kraftwirkung auf die Tauchspule.

Die wesentlichen Daten einer Flüssigheliumpumpe mit einem derartigen Antriebssystem sind: Kolbendurchmesser 60 mm, Hub 10 mm, Tauchspule Innendurchmesser 45 mm, axiale Länge 12 mm, 2 Lagen mit je Windungen aus kupferstabilisiertem NbTi-Multifilamentdraht 0,3 mm Durchmesser, 4 Erregerspulen mit insgesamt 420 Windungen aus SL-Draht 0,3 mm Durchmesser.

Bei einem Strom von 5OA wirkt am Ort der Tauchspule ein radiales Feld mit B = 0,25 bis 0,4 Tesla.

Das mittlere auf die Tauchspule wirkende Feld ist bis zu ±5 mm Auslenkung auf 3% konstant und beträgt 0,29 Tesla. Die axiale Kraft am Kolben ist F= 150N, der Differenzdruck beträgt Ap = 0,5 bar. Bei einer Frequenz von 3,5 Hz beträgt die Förderung 0,2 Liter/s.

Eine Flüssigheliumpumpe mit dem beschriebenen Antrieb aus vier eisenlosen Erregerspulen und einer eisenlosen Tauchspule kann auch in einem homogenen und parallel zur Spulenachse (Kolbenachse 16) orientierten externen Magnetfeld einer Induktion von einigen Tesla, oder in einem inhomogenen, aber zur Spulenachse symmetrischen Magnetfeld ohne magnetische Abschirmung betrieben werden.

F i g. 4 zeigt den vereinfachten Längsschnitt einer Membranbalgpumpe, deren Antrieb aber nicht wie in F i g. 2 dargestellt durch einen Ringspaltmagneten sondern durch eine in F i g. 3 erläuterte Anordnung aus vier eisenlosen Erregerspulen 76, 77, 81, 82 und eine eisenlose Tauchspule 73 erfolgt. Dabei entspricht das Pumpengehäuse 56, der Flansch 54, die erste Ventilscheibe 47, die zweite Ventilscheibe 49, die Ventilmembran 50 und die Schraubverbindung 53, der Darstellung in F i g. 2 und den zugehörigen Beschreibungsteilen.

Das gleiche gilt auch für den Aufbau, die prinzipielle räumliche Anordnung und die Funktion der eisenlosen Erregerspulen 76, 77, 81, 82 und der eisenlosen Tauchspule 73.

Dabei sind die erste und die zweite Erregerspule 81, 82 in ringnutförmigen Wickelräumen 80 an der Außenseite eines fünften Spulenträgers 100 angeordnet, der rohrförmig ausgebildet ist und in seiner Mittelebene eine durchbrochene Zwischenwand 101 aufweist. Die dritte und die vierte Erregerspule 76, 77 werden von ringnutförmigen an der Außenseite eines topfförmigen sechsten Spulenträgers 102 angeordneten Wickelräumen 75 aufgenommen. Der sechste Spulenträger 102 ist auf einen zweiten Träger 103 aufgesteckt und durch den mit einer Schraubverbindung 104 an das Ende des Trägers 103 angeschlossenen fünften Spulenträger 100 gehalten. Der fünfte und der sechste Spulenträger 100, 102 werden dabei auf die gemeinsame Achse 16 zentriert und bilden einen Ringspalt, in den ein rohrförmiger siebenter Spulenträger 105 koaxial eingeführt ist, dessen Außenseite einen ringnutförmigen so Wickelraum 72 für die Tauchspule 73 aufweist.

Der siebente Spulenträger 105 ist an seiner Stirnseite an den Deckel 44 angeschlossen, der über den Ring 45 mit dem Membranbalg 46 verbunden ist, dessen anderes Ende mit der ersten Ventilscheibe 47 verschweißt ist. Der Boden des topfförmigen Spulenträgers 102 weist Durchbrüche 106, die Zwischenwand 101 des fünften Spulenträgers 100 Durchbrüche 107 auf, durch die bei Pumpbetrieb Flüssighelium strömen kann. Eine Vielzahl von Bohrungen 108 auf dem Radius des Ringspaltes zwischen den Spulenträgern sichert die Kühlung der Erregerspulen und der Tauchspule.

Bezugszeichenliste PLA 7908

Fig. 1

1 Kolben

2 Pumpengehäuse

3 Boden von 4

030134/421

4 erster Spulenträger

5 Mittelwand des Kolbens

6 Schraubverbindung Kolben 1 und Boden

7 erster Wickelraum von

8 supraleitende Tauchspule in

9 Ringspaltmagnet aus

10 ferromagnetischer Kern und

11 Joch zu 10

12 Freies Ende des Kerns

13 Ringspalt zwischen 12 und

14 zweiter Wickelraum in

15 supraleitende Erregerwicklung

16 Achse von 9

17 Kraft an 1

18 erste Kolbenkammer

19 zweite Kolbenkammer

20 erster Kontakt 20a zweiter Kontakt

21 Steuereinrichtung

22 magnetische Abschirmung

23 Deckel an 2

24 Einlaßventil

25 Auslaßventil

261 Heliumzuleitungen 27jzu2

~i \ Heliumableitungen

30 radial Bohrungen in

31 radial Bohrungen in

Fig.2

40 erster Träger für 9

41 Bohrung in 40

42 Versorgungskabel für 8 und

43 Steuerkabel für 20

44 Deckel (verbunden mit 4 oder 105)

45 Ring (Verbindung von 44 und 46)

46 Membranbalg

47 erste Ventilscheibe

48 Fuß des Trägers 40

49 zweite Ventilscheibe

50 Ventilmembran

⁵* "Herste Ventilbohrungen in 5IaJ

Wentilbohrungen in

52+1
52a

53 Schraubverbindung

54 Flansch

55 Schraubenbolzen

56 Pumpengehäuse

57 Heliumzuleitung

58 Bohrung in 47

59 Raum zwischen 56 und

60 Bohrung in 48

61 Raum von 46 umschlossen

62 Heliumableitung

63 Bohrung in 49 ίο 64 Bohrung in 49

Fig.3

70 Kolben

71 zweiter Spulenträger

72 Wickelraum in 71 für

73 Tauchspule

74 dritter Spulenträger

75 Wickelraum für 76 und

76 dritte Erregerspule 77 vierte Erregerspule

78 vierter Spulenträger

79 Ringspalt zwischen 74 und

80 Wickelräume für 81,82

81 erste Erregerspule 82 zweite Erregerspule

⁸³I Bohrungen in 74

84 J

85 Deckel von 74

86 Bohrungen in 78 87 Kolbeninnenraum

88 Führungsstange

89 Schlitz in 88

90 Flachsteg

91 axiale Bohrung in 88

92 supraleitende Drähte für

93 radiale Bohrung in 88

94 SL-Drähte für 76,77,81,82

Fig.4

100 fünfter Spulenträger für 81,82

Zwischenwand an 100 sechster Spulenträger für 76,77 zweiter Träger für 100,102 Schraubverbindung an 105 siebenter Spulenträger für

Durchbrüche in 102 Durchbrüche in 101 Bohrungen in 102

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fliissigheliumpumpe mit einem supraleitenden elektromagnetischen Antrieb, der eine feststehende, mit dem Pumpengehäuse verbundene supraleitende Erregerspule und ein durch das Feld der Erregerspule bewegbares, mit dem Kolben der Pumpe fest verbundenes supraleitendes Bauelement aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) der supraleitende elektromagnetische Antrieb (3, 4, 7 bis 16, 20 bis 22) besteht aus einem allseitig von einer supraleitenden magnetischen Abschirmung (22) umschlossenen, in dem Pumpengehäuse (2) angeordneten Ringspaltmagneten (9),

b) der Ringspaltmagnet (9) weist einen ferromagnetischen Kern (10) auf, der an einer Stirnseite mit einem den Kern (10) topfförmig umschließenden ferromagnetischen Joch (11) verbunden ist, das im Bereich der anderen Stirnseite mit dem Kern (10) einen Ringspalt (13) bildet,

c) der Kern (10) trägt eine supraleitende Erregerwicklung (15),

d) in dem Ringspalt (13) ist eine supraleitende Tauchspule (8) koaxial zu der supraleitenden Erregerwicklung (15) auf einem in Richtung der Achse (16) des Ringspaltmagneten (9) bewegbaren ersten Spulenträger (4) angeordnet.

2. Flüssigheliumpumpe mit einem supraleitenden elektromagnetischen Antrieb, der eine feststehende, mit dem Pumpengehäuse verbundene supraleitende Erregerspule und ein durch das Feld der Erregerspule bewegbares, mit dem Kolben der Pumpe fest verbundenes supraleitendes Bauelement aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) der supraleitende elektromagnetische Antrieb besteht aus einer ersten und einer zweiten Erregerspule (81, 82) eines ersten Durchmessers, die auf einem unmagnetischen vierten Spulenträger (78) angeordnet sind und aus einer dritten und vierten Erregerspule (76, 77) eines zweiten Durchmessers, die auf einem unmagnetischen dritten Spulenträger (74) angeordnet sind,

b) der erste Durchmesser des vierten Spulenträgers (78) und der zweite Durchmesser des dritten Spulenträgers (74) sind so gewählt, daß zwischen dem vierten Spulenträger (78) und dem dritten Spulenträger (74) ein Ringspalt (79) besteht,

c) eine zylinderförmige Tauchspule (73) ist koaxial zu den Erregerspulen (76, 77, 81, 82) auf einem unmagnetischen zweiten Spulenträger (71) angeordnet, der in dem Ringspalt (79) axial bewegbar ist,

d) der axiale Abstand der ersten und der zweiten Erregerspule (81, 82) ist gleich dem axialen Abstand der dritten und der vierten Erregerspule (76,77) und etwa gleich der axialen Länge der Tauchspule (73).

3. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende magnetische Abschirmung aus kupferstabilisiertem Nb₃Sn besteht.

4. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (11) des Ringspaltmagneten und die dort angeordnete magnetische

Abschirmung (22) radiale Bohrungen (30) aufweisen.

5. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spulenträger (4) zum Aufnehmen der supraleitenden Tauchspule (8) aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht.

6. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spulenträger (4) der Tauchspule (8) topfförmig ausgebildet ist und der Mantel des ersten Spulenträgers (4) an seinem durch den Boden (3) geschlossenen, von dem Ringspaltmagneten abgewandten Ende radiale Bohrungen (31) aufweist.

7. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (4) der Tauchspule (8) mit seinem Boden (3) an eine Mittelwand (5) eines doppelt wirkenden Kolbens (11) angeschlossen ist.

8. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger (4) der Tauchspule (8) mit seinem Boden (3) an der Innenseite eines Deckels (44) angeschlossen ist, der einen Membranbalg (46) einer Membranbalgpumpe abschließt.

9. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spulenträger (74) topfförmig und der vierte Spulenträger (78) rohrförmig ausgebildet und mit dem dritten Spulenträger (74) koaxial so verbunden ist, daß ein Ringspalt (79) zwischen beiden Spulenträgern zum Einführen eines zweiten Spulenträgers (71) besteht.

10. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spulenträger (74) und der vierte Spulenträger (78) an seiner Außenseite je zwei ringnutförmige Wickelräume (75, 80) zum Aufnehmen der ersten bis vierten Erregerspule (81, 82, 76, 77) aufweist, und daß der zweite Spulenträger (71) an seiner Außenseite einen ringförmigen Wickelraum (72) zum Aufnehmen der Tauchspule (73) aufweist.

11. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den von dem vierten Spulenträger (78) umschlossenen Kolbeninnenraum (87) eine Führungsstange (88) zentral angeordnet ist, daß die Führungsstange (88) rohrförmig ausgebildet ist und an ihrem freien Ende einen diagonalen Schlitz (89) aufweist, in dem ein mit dem zweiten Spulenträger (71) verbundener Flachsteg (90) verdrehungssicher in Richtung der Achse (16) geführt ist.

12. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spulenträger (74) an seinem durch einen Deckel (85) abgeschlossenen Ende radiale Bohrungen (83) aufweist, daß der Deckel (85) Bohrungen (84) aufweist, und daß der vierte Spulenträger (78) den Ringspalt (79) mit dem Kolbeninnenraum (87) verbindende radiale Bohrungen (86) aufweist.

13. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Erregerspule (81, 82) auf einem fünften Spulenträger (100) angeordnet sind, daß der fünfte Spulenträger (100) rohrförmig ausgebildet ist und in seiner Mittelebene eine Zwischenwand (101) mit Durchbrüchen (107) aufweist, und daß die dritte und die vierte Erregerspule (76, 77) auf einem topfförmigen sechsten Spulenträger (102) angeordnet ist, der den fünften Spulenträger (100) unter Bildung eines Ringspaltes umschließt und mit diesem gemeinsam

über einen zweiten axialen Träger (103) zentrisch an einen das Pumpengehäuse (56) verschließenden Flansch (54) angeschlossen ist.

14. Flüssigheliumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (73) auf einem rohrförmigen siebenten Spulenträger (105) angeordnet ist, der in dem von dem fünften und sechsten Spulenträger (100, 102) gebildeten Ringspalt in Richtung der Achse (16) bewegbar ist, und daß der siebente Spulenträger (105) an seinem aus dem Ringspalt herausragenden Ende mit einem Deckel (44) verschlossen ist, der über einen Ring (45) an das eine Ende eines Membranbalgs (46) angeschlossen ist.

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