DE3521255C3 - Gasgekühlter Stromleiter - 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 höhe­ rer Stromstärke. Eine solche Maschine benötigt einen Stromleiter, der Strom von einem Raum mit Raumtem­ peratur zu einem im Temperaturbereich des flüssigen Heliums liegenden Raum leitet. Dieser Stromteiler spielt eine wesentliche Rolle für den Wärmeverlust hin zu einem Temperaturbereich des flüssigen Heliums. Da­ mit der Stromleiter die benötigte Stromstärke auch lei­ ten kann, muß die Durchflußmenge des im Stromleiter kühlenden Heliumgases häufig größer sein als die ver­ anschlagte Durchflußmenge, weil der Wärmeaustausch innerhalb des Stromleiters den vorherbestimmten Wir­ kungsgrad nicht erreicht. In einem solchen Zustand ist zu befürchten, daß das Gleichgewicht des Kühlsystems zusammenbricht und die supraleitende Maschine aus­ fällt, weil die Kälteenergie des Heliumgases, das zu ei­ nem 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 beob­ achtet worden.

Ein Problem beim Herstellen eines Stromleiters be­ steht darin, ob dessen Struktur den vorbestimmten und gewünschten Wärmeaustauschwirkungsgrad besitzt. Im allgemeinen besteht ein Stromleiter aus einem elek­ trisch leitenden Werkstoff, der in eine Röhre aus Edel­ stahl eingezogen ist, durch die Heliumgas strömt. Da es jedoch schwierig ist, ein elektrisch leitendes Material in eine lange Röhre einzuziehen, wurde der bislang ge­ bräuchliche 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 Wärmeaus­ tausches 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 elektri­ sche Leitungsdrähte 2 eingezogen sind, durch die ein Strom geleitet wird. Obwohl bei diesem Leitertyp die vom Heliumgas berührte Oberfläche der Leitungsdräh­ te 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 Rohre ge­ führt sind. Die Folge davon ist ein niedriger Wärmeaus­ tauschwirkungsgrad, bedingt durch leichte Ablenkbar­ keit 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 ge­ webten 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 Git­ ters unter dem Einfluß auftretender Fliehkräfte zu wi­ derstehen. 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 ei­ nen Kryostaten besteht aus einer Vielzahl von in einem Gasführungsrohr (Edelstahlröhre) zwischen den An­ schlußleitern angeordneten in ein Bündel gelegten, ge­ wendelten 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 Strom­ leiter auf der Tiefsttemperaturseite in einem aus zwei teilweise ineinander geschobenen versilberten Rohren bestehenden Anschlußleiter geführt und mit dem äuße­ ren Rohr unter Zwischenlage von supraleitenden Dräh­ ten oder Bändern, beispielsweise aus Nb₃Sn, verlötet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromleiter für eine supraleitende Maschine mit einem gegenüber be­ kannten Stromleitern besseren Wärmeaustauschwir­ kungsgrad zwischen dem Heliumkühlgas und den Lei­ tungsdrähten zu schaffen, um damit gleichzeitig auch die elektrische Charakteristik des Stromleiters zu verbes­ sern.

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

Die Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbei­ spiel der Struktur des erfindungsgemäßen Stromlei­ ters.

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

Durch diese Maßnahme wird die Ablenkbarkeit der Heliumgauströmung von den Leitungsdrähten in der Edelstahlröhre wesentlich vermindert und eine dichte gleichförmige Strömung für das Heliumkühlgas er­ reicht, und zwar bei einer idealen Eigenkühlungsbedin­ gung mit einer Durchflußmenge von Heliumgas (0,05 g/s-kA), die ungefähr der Hälfte von derjenigen bei herkömmlichen Stromleitern für supraleitende Maschi­ nen entspricht. Mit der Erfindung ist somit ein Stromlei­ ter für supraleitende Maschinen mit einer ausgezeichne­ ten thermischen und elektrischen Charakteristik ge­ schaffen worden.

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

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

Claims (1)

1. Gasgekühlter Stromleiter, der einen elektrischen Strom von einem auf Raumtemperatur befindli­ chen zu einem auf Tiefsttemperatur gehaltenen Be­ reich führt, bestehend aus einer Metallröhre und einer Vielzahl von Leitungsdrähten und auf der Tiefsttemperaturseite wenigen zusätzlichen supra­ leitenden Drähten, wobei die Leitungsdrähte in der Metallröhre um deren Längsachse verdrillt angeordnet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einer Anwendung bei einer supralei­ tenden Maschine die Leitungsdrähte (2) eine Quer­ schnittsfläche von 50% bis 85% der inneren Quer­ schnittsfläche 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.