DE3521255C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasgekühlten Stromleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher gasgekühlter Stromleiter ist aus der CH-PS 493 905 bekannt.

Eine mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Maschine tendiert zu wachsender Größe und zu höherer Stromstärke. Eine solche Maschine benötigt einen Stromleiter, der Strom von einem Raum mit Raumtemperatur zu einem im Temperaturbereich des flüssigen Heliums liegenden Raum leitet. Dieser Stromleiter spielt eine wesentliche Rolle für den Wärmeverlust hin zu einem Temperaturbereich des flüssigen Heliums. Damit der Stromleiter die benötigte Stromstärke auch leiten kann, muß die Durchflußmenge des im Stromleiter kühlenden Heliumgases häufig größer sein als die veranschlagte Durchflußmenge, weil der Wärmeaustausch innerhalb des Stromleiters den vorherbestimmten Wirkungsgrad nicht erreicht. In einem solchen Zustand ist zu befürchten, daß das Gleichgewicht des Kühlsystems zusammenbricht und die supraleitende Maschine ausfällt, weil die Kälteenergie des Heliumgases, das zu einem die supraleitende Maschine kühlenden Helium- Verflüssiger/Kälteverdichter zurückfließen sollte, für den Stromleiter verbraucht wird. Ein solcher Zustand, der in dem Stromleiter die Ursache hat, ist häufig beobachtet worden.

Ein Problem beim Herstellen eines Stromleiters besteht darin, ob dessen Struktur den vorbestimmten und gewünschten Wärmeaustauschwirkungsgrad besitzt. Im allgemeinen besteht ein Stromleiter aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, der in eine Röhre aus Edelstahl eingezogen ist, durch die Heliumgas strömt. Da es jedoch schwierig ist, ein elektrisch leitendes Material in eine lange Röhre einzuziehen, wurde der bislang gebräuchliche Stromleiter wie in Fig. 1 gezeigt hergestellt. Fig. 1(a) zeigt eine Röhre 1 aus Edelstahl, in der ein schraubenlinienförmig gewundener Abstandshalter 3 aus Kunststoff einen elektrischen Leiter 2 im Abstand von der Edelstahlröhre hält. Kaltes Heliumgas strömt schraubenlinienförmig zwischen der Edelstahlröhre 1, dem Kunststoffabstandshalter 3 und dem elektrischen Leiter 2. Der Leiter ist hohl ausgeführt. Mit diesem Stromleitertyp ist der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches gering, weil die Berührungsfläche zwischen dem Leiter und dem Heliumgas klein ist. Fig. 1(b) zeigt eine Röhre 1 aus Edelstahl, in die mehrere dünne elektrische Leitungsdrähte 2 eingezogen sind, durch die ein Strom geleitet wird. Obwohl bei diesem Leitertyp die vom Heliumgas berührte Oberfläche der Leitungsdrähte groß ist, ist der Prozentsatz der Querschnittsfläche, die dort von den Leitungsdrähten eingenommen wird, klein, so daß das Heliumgas in einem weiten Raum strömt wenn die Leitungsdrähte durch die Röhre geführt sind. Die Folge davon ist ein niedriger Wärmeaustauschwirkungsgrad, bedingt durch leichte Ablenkbarkeit der Heliumgasströmung von den Leitungsdrähten.

Durch die US-PS 40 91 298, insbesondere Fig. 2B mit der Beschreibung Spalte 4, Zeile 10 ff, ist ein rotierender gasgekühlter Stromleiter bekannt, der aus einem gewebten Draht- oder Streckmetallgitter, vorzugsweise aus Kupfer, besteht, das in einem Edelstahlzylinder (Edelstahlröhre) zur Versteifung des Gitters um einen Stab aus PTFE, Nylon oder dergl. gewickelt ist, um einer unerwünschten Verzerrung oder Verformung des Gitters unter dem Einfluß auftretender Fliehkräfte zu widerstehen. Dieser bekannte Stromleiter unterscheidet sich schon in seiner Struktur grundsätzlich von dem Erfindungsgegenstand. Das Verhältnis zwischen dem Gasführungsrohrquerschnitt und dem Leiterquerschnitt ist dort offengelassen.

Ein durch die CH-PS 493 905, insbesonder Fig. 6 und zugehörige Beschreibung, bekannter Stromleiter für einen Kryostaten besteht aus einer Vielzahl von in einem Gasführungsrohr (Edelstahlröhre) zwischen den Anschlußleitern angeordneten in ein Bündel gelegten, gewendelten oder gewellten Drähten und/oder Bändern.

Das Verhältnis des Gasführungsrohrquerschnittes zum Bündelleiterquerschnitt liegt dort im Bereich von 5 bis 10. Das Leiterbündel ist bei dem bekannten Stromleiter auf der Tiefsttemperaturseite in einem aus zwei teilweise ineinander geschobenen versilberten Rohren bestehenden Anschlußleiter geführt und mit dem äußeren Rohr unter Zwischenlage von supraleitenden Drähten oder Bändern, beispielsweise aus Nb₃Sn, verlötet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromleiter für eine supraleitende Maschine mit einem gegenüber bekannten Stromleitern besseren Wärmeaustauschwirkungsgrad zwischen dem Heliumkühlgas und den Leitungsdrähten zu schaffen, um damit gleichzeitig auch die elektrische Charakteristik des Stromleiters zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Stromleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit der Maßnahme gemäß dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs gelöst.

Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstands des Anspruchs 1.

Die Fig. 2 zeigt schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Struktur des erfindungsgemäßen Stromleiters.

Gemäß Fig. 2(a) sind verdrillte und gemäß Fig. 2(b) sind vermaschte Leitungsdrähte 2 in eine Röhre 1 aus Edelstahl eingezogen, die eine Querschnittsfläche im Bereich von 50% bis 85% der inneren Querschnittsfläche der Edelstahlröhre einnehmen und gleichmäßig über diese Querschnittsfläche verteilt sind.

Durch diese Maßnahme wird die Ablenkbarkeit der Heliumgasströmung von den Leitungsdrähten in der Edelstahlröhre wesentlich vermindert und eine dichte gleichförmige Strömung für das Heliumkühlgas erreicht, und zwar bei einer idealen Eigenkühlungsbedingung mit einer Durchflußmenge von Heliumgas (0,05 g/s-kA), die ungefähr der Hälfte von derjenigen bei herkömmlichen Stromleitern für supraleitende Maschinen entspricht. Mit der Erfindung ist somit ein Stromleiter für supraleitende Maschinen mit einer ausgezeichneten thermischen und elektrischen Charakteristik geschaffen worden.

Die nachstehende Tabelle zeigt experimentelle Ergebnisse für den Stromleiter gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromleiter.

Das bedeutet, daß mit der Erfindung ein deutlich verminderter Wärmeverlust erreicht wird.

Claims (3)

1. Gasgekühlter Stromleiter, der einen elektrischen Strom von einem auf Raumtemperatur befindlichen zu einem auf Tiefsttemperatur gehaltenen Bereich führt, bestehend aus einer Metallröhre und einer Vielzahl von Leitungsdrähten und auf der Tiefsttemperaturseite wenigen zusätzlichen supraleitenden Drähten, wobei die Leitungsdrähte in der Metallröhre um deren Längsachse verdrillt oder vermascht angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anwendung bei einer supraleitenden Maschine die Leitungsdrähte (2) eine Querschnittsfläche von 50% bis 85% der inneren Querschnittsfläche der Metallröhre (1) einnehmen und gleichmäßig über diese Querschnittsfläche derart verteilt sind, daß zum ordnungsgemäßen Betrieb als Kühlgas eine Heliumgasmenge von 0,05 Gramm je Sekunde und Kiloampere ausreicht.

2. Gasgekühlter Stromleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Drähte 1/20 000 der gesamten Querschnittsfläche des leitenden Materials ausmachen.

3. Gasgekühlter Stromleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallröhre (1) aus Edelstahl besteht.