DE3344046C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine supralei­ tende Wicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiges Kühlsystem ist durch die Druckschrift "Large High Current Density Superconducting Solenoids for Use in High Energy Physics Experiments" von Green, Eberhard und Taylor, LBL-4824 (Mai 1976) Berkeley, Cali­ fornien (USA) bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Kühlsystems.

Bei dem bekannten Kühlsystem werden die Kühlkanäle durch eine Kühlschlange gebildet, durch die flüssiges Helium hindurchgedrückt wird. Dies ist bei Verwendung von über­ kritischem Helium problemlos. Es ist jedoch eine Pumpe erforderlich, die das flüssige Helium durch die Kühl­ schlange drückt. Ist die Kühlschlange an eine Kälteanla­ ge angeschlossen, so kann die Pumpe Bestandteil der Käl­ teanlage sein. Wird jedoch das Helium einem Vorratsgefäß entnommen, so ist eine separate Heliumpumpe erforderlich.

Soll die Verwendung einer Heliumpumpe vermieden werden und/oder soll mit zweiphasigem Helium gekühlt werden, so besteht die Gefahr von Instabilitäten, wenn die Kühlka­ näle in vertikalliegenden Schlangen angeordnet sind, wie es bei Magneten mit horizontaler Magnetfeldachse häufig der Fall ist. Bei um eine horizontale Achse umlaufenden Kühlkanälen ist eine Kühlung mit zweiphasigem Helium bei Verwendung eines Heliumvorratsgefäßes und eines Kälteag­ gregates ohne Heliumpumpe nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem anzugeben, welches eine Konvektionskühlung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Das flüssige Helium kann durch einen Ausfluß des He­ liumvorratsgefäßes in den unteren Zuleitungskanal fließ­ en und steigt von hier parallel durch die Kühlkanäle in den oberen Sammelkanal. Vom Sammelkanal wird das Helium, das inzwischen erwärmt und in dampfförmiger Phase vor­ liegen kann, in den Rücklauf geleitet, welcher das He­ lium oberhalb des Heliumspiegels in das Heliumvor­ ratsgefäß zurückleitet. Für die Heliumumwälzung ist kei­ ne Pumpe erforderlich, sie erfolgt durch Konvektion.

Der Wickelkörper läßt sich vorteilhaft durch Rollnaht­ schweißen und Aufblasen der Kanäle fertigen, wobei dafür Sorge getragen wird, daß die Wölbung der aufgeblasenen Kanäle zu der der Wicklung abgewandten Seite erfolgt. Diese ermöglicht eine preisgünstige Herstellung bei hoher Qualität.

Der Wickelkörper kann aus austenitischem Stahl oder Alu­ minium gefertigt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in den Gasraum des Heliumvorratsgefäßes das Ende des Kühlfingers eines Kälteaggregates ragt. Die Temperatur des Kühlfingerendes liegt bei 4,2 K oder darunter. Das Ende des Kühlfingers rekondensiert das durch den Rück­ lauf zurückströmende Heliumgas.

Für der erste Abkühlen des Wickelkörpers ist in der Re­ gel das Kälteaggregat ungeeignet. Hierfür sieht die Er­ findung in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vor, daß das Heliumvorratsgefäß einen Anschlußflansch für einen He­ liumheber aufweist, der über dem Ausfluß anordbar ist. Für das Auffüllen des Systems mit flüssigem Helium wird der Heliumheber durch den Anschlußflansch soweit hin­ durchgeschoben, daß er teilweise in die Vorlaufleitung hineinragt und eingeschraubt wird. Das andere Ende des Heliumhebers ragt in eine Heliumkanne. Es wird soviel Helium aus der Heliumkanne in das Heliumvorratsgefäß und den Wickelkörper geleitet, bis diese abgekühlt und bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt sind. Das Heliumvor­ ratsgefäß enthält ebenfalls eine verschließbare Öffnung, durch die das noch warme, gasförmige Helium austreten kann.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist, soll die Erfindung erläutert wer­ den. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kühlsystems und

Fig. 2 den Querschnitt einer in einem Kryostaten be­ findlichen supraleitenden Spule.

In der Fig. 1 ist ein zylindrischer Wickelkörper 10 dargestellt, in dessen Zylinderfläche Kühlkanäle einge­ bettet sind. Im unteren Bereich des Wickelkörpers 10 verläuft axial ein Zuleitungskanal 11 und im oberen Be­ reich des Wickelkörpers 10 verläuft axial ein Sammel­ kanal 12. Der Zuleitungskanal 11 und der Sammelkanal 12 sind durch mehrere, parallel geführte in die Innenseite des Wickelkörpers 10 eingebettete Kühlkanäle 13 verbun­ den.

Die Herstellung eines derartigen Wickelkörpers 10 kann durch Rollnahtschweißen und anschließendes Aufblasen der Kanäle erfolgen.

Der untere Zuleitungskanal 11 ist über eine Vorlauflei­ tung 14 mit dem Bodenausfluß 15 eines Heliumvorratsge­ fäßes 16 verbunden. Durch diese Leitungen kann das flüs­ sige Helium aus dem Heliumvorratsgefäß 16 in die Kühlka­ näle 13 geleitet werden. Über den oberen Sammelkanal 12 wird das erwärmte Helium (in flüssiger oder gasförmiger Phase) gesammelt und gelangt über die Rücklaufleitung 17 in den oberen Bereich des Heliumvorratsgefäßes 16. Der Heliumspiegel 18 im Vorratsgefäß 16 liegt unterhalb des Rücklaufeintrittes 19. In den Gasraum des Heliumvorrats­ gefäßes 16 ragt das Ende 20 des mit einem Kompressor 21 verbundenen Kühlfingers eines Kälteaggregates 22. Das Ende 20 des Kühlfingers weist eine hinreichend niedrige Temperatur auf, um das gasförmige Helium zurückzukonden­ sieren.

Ferner weist das Heliumvorratsgefäß 16 einen Anschluß­ flansch 23 auf, durch den ein Heliumheber 24 gesteckt ist. Der Anschlußflansch 23 liegt über dem Bodenausfluß 15. Für eine erste Füllung des Systems wird der Helium­ heber 24 in die Vorlaufleitung 14 eingeschoben und ver­ schraubt.

Der Fig. 2 ist der Querschnitt einer Magnetwicklung 25 mit Kühl- und Vakuumsystem entnehmbar. Die Magnetwick­ lung 25 ist konzentrisch um eine Untersuchungsöffnung 26 angeordnet und besteht aus supraleitendem Draht. Die supraleitende Wicklung 25 ist auf einen Wickelkörper 10 aufgebracht, der gemäß Fig. 1 ausgebildet ist. Es sind in Fig. 2 der Zuleitungskanal 11, der Sammelkanal 12 sowie zwei Kühlkanäle 13 erkennbar. Magnetwicklung 25 und Wickelkörper 10 werden allseits durch Kälteschilde 27, 28 abgeschirmt. Das gesamte System ist in einem Va­ kuumbehälter, bestehend aus innerem Mantel 29 und äuß­ erem Mantel 30 untergebracht.

Claims (4)

1. Kühlsystem für eine supraleitende Wicklung, die auf einen Wickelkörper gewickelt ist und die in engem thermischen Kontakt mit von flüssigem Helium durchström­ ten Kühlkanälen steht, wobei die Kühlkanäle über eine Vorlaufleitung von einem Heliumvorratsgefäß mit flüssi­ gem Helium versorgt werden und über eine Rücklaufleitung mit dem Heliumvorratsgefäß in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufleitung (14) in einem unten im Wickelkörper (10) ausgebildeten Zuleitungskanal (11) mündet, der über mehrere im Wickelkörper (10) aus­ gebildete, parallelgeschaltete Kühlkanäle (13) mit einem oben im Wickelkörper (10) ausgebildeten Sammelkanal (12) verbunden ist, welcher mit der Rücklaufleitung (17) in Verbindung steht, daß das Heliumvorratsgefäß (16) teil­ weise mit flüssigem Helium gefüllt und höher als der Wickelkörper (10) angeordnet ist, so daß das flüssige Helium aufgrund der Schwerkraft durch die Vorlaufleitung (14) in den Wickelkörper (10) gelangt, und daß die Rück­ laufleitung (17) in den Gasraum des Heliumvorratsgefäßes (16) mündet.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in den Gasraum des Heliumvorratsgefäßes (16) der Kühlfinger (20) eines Kälteaggregates ragt.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Heliumvorratsgefäß (16) einen An­ schlußflansch (23) für einen Heliumheber (24) aufweist, der so angeordnet ist, daß ein Einführen des Heliumhe­ bers (24) in die Vorlaufleitung (14) ermöglicht wird.

4. Verfahren zur Herstellung des Kühlsystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (10) durch Rollnahtschweißen und anschließendes Aufbla­ sen der Kanäle (11, 12, 13) gefertigt wird.