DE3635266C3 - Zuleitungsdurchführung für supraleitende Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Zuleitungsdurchführung für supraleitende Vorrichtungen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist eine konventionelle elektrische Zuleitungsdurchführung für supraleitende Vorrichtungen bekannt, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt und z. B. in der offengelegten JP-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 52-1 44 676 beschrieben ist. Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Teil der konventionellen elektrischen Zuleitungsdurchführung, wobei sich der obere Abschnitt auf einer Normaltemperaturseite und der untere Abschnitt auf einer Kryotemperaturseite befindet. Die gezeigte konventionelle Zuleitungsdurchführung enthält mehrere Zuleitungen 1, die in einem Zuleitungsgehäuse 2 aufgenommen sind, das aus einem Metallrohr besteht, dessen Innenfläche mit einer Isolierschicht 3 versehen ist, um zwischen den Zuleitungen 1 und dem Zuleitungsgehäuse 2 eine elektrische Isolierung zu erhalten. Die Zuleitungen 1 sind von elektrisch leitfähigen Scheiben 4 gehalten, die mit ihrem ringförmigen Außenrand durch die Isolierschicht 3 an der Innenfläche des Zuleitungsgehäuses 2 befestigt sind. Jede elektrisch leitfähige Scheibe 4 weist mehrere erste kleine Durchgangslöcher 5, in die die Zuleitungen 1 so eingeführt sind, daß sie von den Scheiben 4 abgestützt sind, sowie mehrere zweite kleine Durchgangslöcher 6 zum Durchtritt eines Kälteträgergases, wie Helium, in das Zuleitungsgehäuse 2 auf, wobei das Kälteträgergas aus einem in einem Kälteträgertank (nicht gezeigt) unter dem Zuleitungsgehäuse 2 enthaltenen Kryo-Kälteträger verdampft wird.

Bei der vorstehend angegebenen Konstruktion wird Kälteträgergas, z. B. Tieftemperaturhelium, das aus dem bei Kryotemperaturen im Kälteträgertank (nicht gezeigt) unter dem Zuleitungsgehäuse 2 enthaltenen Kryokälteträger verdampft, nach oben durch die zweiten Löcher 6 in den Scheiben 4 geleitet und führt in den Zuleitungen 1 erzeugte elektrische Widerstandswärme sowie aus dem Normaltemperaturabschnitt über dem Zuleitungsgehäuse 2 eingeführte Leitungswärme ab. Dadurch, daß der elektrische Widerstand der Zuleitungen 1 umso geringer wird, je niedriger ihre Temperatur ist, sind die Leiter 1 so ausgebildet, daß ihr Gesamtquerschnitt von der Normaltemperaturseite (dem oberen Ende in Fig. 5) zur Kryotemperaturseite (dem unteren Ende in Fig. 5) hin abnimmt, wodurch die Wärmeleitung von der Normaltemperaturseite zur Kryotemperaturseite durch die Zuleitungen 1 verringert und dadurch die gesamte Wärmeübertragung aus elektrischer Widerstandswärme und Leitungswärme durch die Zuleitungen 1 minimiert wird.

In ganz ähnlicher Weise wie die vorbeschriebene Konstruktion ist die Zuleitungsdurchführung gemäß der DE-AS 15 40 246 aufgebaut. Die letztgenannte Konstruktion unterscheidet sich von der anhand der Fig. 5 und 6 beschriebenen Ausführung nur dadurch, daß die Zuleitungen mit bogenförmigen Jochplatten statt mit Scheiben elektrisch miteinander verbunden sind. Dadurch wird im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 der Fluß des Kälteträgergases begünstigt.

Bei beiden Ausführungsformen ist jedoch die elektrische Zuleitungsdurchführung relativ aufwendig und damit kosten- sowie arbeitsintensiv ausgebildet, wodurch zudem eine Wartung bzw. eine Auswechslung der Zuleitungen unnötig erschwert und demzufolge teuer wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Zuleitungsdurchführung der bekannten Art so weiterzuentwickeln, daß sie sich einfacher fertigen, warten und instandsetzen läßt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Zuleitungsdurchführung werden in einfacher Weise isolierte Einzeldrähte verwendet, die mit ihren kryotemperaturseitigen Enden mit dem längsten Einzeldraht elektrisch verbunden sind, indem die Einzeldrähte an diesen Verbindungsstellen abisoliert und beispielsweise miteinander verlötet werden. Eine elektrische Isolierung an diesen Verbindungsstellen wird dadurch erreicht, daß diese Verbindungsstellen von Isolierblöcken umgeben sind. Diese Isolierblöcke sorgen gleichzeitig für einen mechanischen Zusammenhalt des Bündels der Einzeldrähte und für eine gewisse Steifigkeit des Einzeldrahtbündels, so daß dieses Bündel im wesentlichen axial durch das Zuleitungsgehäuse verläuft. In mechanischer Sicht übernehmen die Isolierblöcke die Funktion der bekannten Jochplatten oder Scheiben beim Stand der Technik. Die elektrischen Funktionen dieser Jochplatten oder Scheiben können bei der erfindungsgemäßen Konstruktion entfallen, da die vorgenannten Einzeldrähte unmittelbar miteinander elektrisch verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Zuleitungsdurchführung ist - wie die obigen Ausführungen erkennen lassen - wesentlich einfacher zu fertigen, zu warten und instandzusetzen als die Durchführungen gemäß dem Stand der Technik.

Vorteilhafte konstruktive Details der erfindungsgemäßen Zuleitungsdurchführung sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zuleitungsdurchführung sollen nunmehr anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 bis 3 eine bevorzugte Ausführungsform der elektrischen Zuleitungsdurchführung gemäß Erfindung für eine supraleitende Vorrichtung, wobei Fig. 1 im Querschnitt eine Seitenansicht der Zuleitungsdurchführung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Zuleitungen von Fig. 1 und

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt einer Zuleitung darstellen;

Fig. 4 eine Grafik von Vergleichs-Kennlinien, die jeweils die Beziehung zwischen der auf einen Kryoabschnitt übertragenen Wärme und dem durch die Leiter fließenden elektrischen Strom wie­ dergeben;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen wesentlichen Teil einer konventionellen Zuleitungsdurch­ führung für eine supraleitende Vorrichtung; und

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 5.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 werden zunächst bevor­ zugte Ausführungsformen der Zuleitungsdurchführung be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Zuleitungsdurchführung für eine supraleitende Vorrichtung, mit einem zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 in Form eines Metallrohrs, das in vertikaler Lage mit seinem Unterende an einem Kälteträger­ tank 17 befestigt ist, in dem sich ein Kryokälteträger 18, z. B. flüssiges Helium, befindet und in den eine supralei­ tende elektrische Vorrichtung, z. B. eine supraleitende Spule (nicht gezeigt), eingebaut ist. Das zylindrische Zu­ leitungsgehäuse 14 ist mit seinem offenen Unterende in den Kälteträgertank 17 eingesetzt und endet an einer Stelle über dem flüssigen Kälteträger 18 im Kälteträgertank 17, und sein Oberende ist durch eine damit verschraubte Ans­ chlußkappe 15 verschlossen.

Im zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 sind Zuleitungen 11 angeordnet, die mit ihren Oberenden an Anschlußklemmen an der Anschlußkappe 15 befestigt sind und sich von dort nach unten erstrecken, wobei ihr einziges gemeinsames Unterende an einer Zuleitung 16 befestigt ist, die zu einer Kryovor­ richtung, z. B. einer supraleitenden Spule (nicht gezeigt), im Kälteträgertank 17 führt. Wie Fig. 1 zeigt, nimmt die Anzahl Zuleitungen 11 stufenweise von vier auf der Normal­ temperaturseite (dem Oberende in Fig. 1) auf eine auf der Kryotemperaturseite (dem Unterende i Fig. 1) ab, d. h. die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 verringert sich von der Normal- zur Kryotemperaturseite, wodurch die Wärme­ leitung durch die Zuleitungen 11 von der Normal- zur Kryo­ temperaturseite hin verringert wird.

Die Zuleitungen 11 im zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 sind wie folgt ausgebildet: Wie aus den Fig. 2 und 3 her­ vorgeht, besteht jede Zuleitung 11 aus mehreren verseilten Drähten, z. B. Kupferdrähten, die jeweils eine elektrische Isolierschicht aufweisen und miteinander verdrillt sind. Die Zuleitungen 11 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Länge, und die kürzeren, die mit ihren Oberenden an ent­ sprechenden Anschlußklemmen der Kappe 15 befestigt sind (Fig. 1), sind an Mittenabschnitten und/oder ihren Unter­ enden mit der längsten Zuleitung durch Löten verbunden, wobei die Isolierschichten entfernt sind (Fig. 2), so daß die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt. Diejenigen Abschnitte der Zuleitungen 11, die z. B. durch Löten mit­ einander verbunden sind, sind von Isolierblöcken 12 um­ schlossen, so daß sie gegenüber dem Zuleitungsgehäuse 14 elektrisch isoliert sind.

Bei diesem Aufbau kann Kälteträgergas, z. B. Tieftempera­ turhelium, das aus dem bei Kryotemperaturen im Kälteträger­ tank 17 enthaltenen flüssigen Kälteträger, z. B. flüssigem Helium 18, verdampft und in das Zuleitungsgehäuse 14 strömt, ohne weiteres zwischen die jeweiligen Drähte 13 jeder Zuleitung 11 gelangen und dadurch die Leitungswärme, die von der Normal- zur Kryotemperaturseite durch die Zu­ leitungen 11 geleitet wird, sowie die durch den elektri­ schen Stromfluß durch die Zuleitungen erzeugte Widerstands­ wärme abführen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Gesamtbetrag der Leitungs- und der Widerstandswärme dadurch erheblich verringert wird, daß die Gesamtquer­ schnittsfläche der Zuleitungen 11 von der Normal-zur Kryo­ temperaturseite hin abnimmt, so daß die Wärmeleitung durch die Zuleitungen 11 verringert wird und der elektrische Widerstand der Zuleitungen 11 entsprechend ihrer abnehmen­ den Temperatur abnimmt.

Die Grafik von Fig. 4 zeigt Beziehungen zwischen der Stärke des durch die Zuleitungen 11 fließenden elektrischen Stroms (A) und der Wärmemenge (W), die durch die Zuleitungen 11 zu einem Kryotemperaturabschnitt oder dem Inneren des Kälte­ trägertanks 17 übertragen wird. Dabei bezeichnet eine Kurve a die vorgenannte Beziehung bei den konventionellen Zulei­ tungen 1, die jeweils aus einem Einzeldraht mit einem Durchmesser von 0,4 mm und einer darauf befindlichen Iso­ lierschicht entsprechend Fig. 5 bestehen; die Kurve b be­ zeichnet diese Beziehung im Fall der Zuleitungen 11, die jeweils aus 16 miteinander verdrillten Einzeldrähten be­ stehen, wobei jeder Einzeldraht einen Durchmesser von 0,1 mm hat und eine Isolierschicht aufweist. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Wärmeübertragungskennlinie der Zulei­ tungen 11 gegenüber derjenigen der konventionellen Zulei­ tungen 1 stark verbessert ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist zwar die Anschlußkappe 15 mit den Anschlußklemmen fluiddicht auf dem Oberende des Zuleitungsgehäuses 14 angeordnet; es kön­ nen aber auch andere Anschlußklemmen verwendet werden, wobei nur das Innere des Zuleitungsgehäuses 14 fluiddicht gegenüber der Außenseite sein muß. Bei der obigen Ausfüh­ rungsform wird ferner auf die Anwendung mit einer supra­ leitenden Spule Bezug genommen, sie ist jedoch auch mit anderen Arten von elektrischen Kryovorrichtungen anwendbar.

Die Zuleitungen 11 brauchen ferner nicht miteinander durch Löten verbunden zu sein, sie können auch durch andere Ver­ bindungsmittel miteinander elektrisch verbunden sein. Fer­ ner nimmt bei der erläuterten Ausführungsform die Anzahl Zuleitungen 11 stufenweise von der Normal- zur Kryotempera­ turseite hin ab, um dadurch die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 in dieselbe Richtung zu verkleinern; es ist aber auch möglich, die Anzahl Einzeldrähte, die die Zuleitungen bilden, zu verringern oder den Durchmesser jedes Einzeldrahts von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin zu verringern, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten. Auch sind der verdrillte Aufbau und/oder die Anzahl Einzel­ drähte jeder Zuleitung nicht auf die erläuterte Ausfüh­ rungsform beschränkt, sondern können willkürlich gewählt oder geändert werden.

Wie vorstehend erläutert, ist jede der Zuleitungen, die eine supraleitende Vorrichtung auf Kryotemperatur mit der auf Normaltemperatur befindlichen Außenseite verbinden, aus mehreren jeweils isolierten Einzeldrähten gebildet, so daß der Kühlwirkungsgrad der Zuleitungsdurchführung durch ver­ dampftes Kälteträgergas stark verbessert wird; dadurch wird eine Zuleitungsdurchführung mit hohem Kühlwirkungsgrad ge­ schaffen, die insbesondere zum Einsatz bei niedrigen Nenn­ strömen geeignet ist.

Claims (3)

1. Elektrische Zuleitungsdurchführung für eine supraleitende Vorrichtung, mit einem Kälteträgertank für einen Kryokälteträger, einer in dem Kälteträgertank angeordneten supraleitenden Vorrichtung und einem Zuleitungsgehäuse, das am Kälteträgertank befestigt und mit dessen Innenraum zur Einleitung von aus dem Kryokälteträger verdampftem Kälteträgergas verbunden ist, mit in dem Zuleitungsgehäuse (14) angeordneten und von einer Normaltemperaturseite zu einer Kryotemperaturseite verlaufenden Zuleitungen (11) zum elektrischen Anschluß der supraleitenden Vorrichtung an die Außenseite, wobei die Zuleitungen (11) so ausgebildet sind, daß ihre Gesamtquerschnittsfläche von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt, in dem die Zuleitungen (11) eine Mehrzahl Zuleitungen (11) jeweils unterschiedlicher Länge umfassen, die mit ihren kryotemperaturseitigen Enden an mehreren Stellen entlang der längsten Zuleitung mit der längsten Zuleitung elektrisch so verbunden sind, daß die Anzahl der Zuleitungen (11) von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (11) verdrillte isolierte Einzeldrähte (13) sind und daß die Einzeldrähte an den Verbindungsstellen abisoliert sind, wobei Isolierblöcke (12) an dem Einzeldrahtbündel so angeordnet sind, daß sie die Verbindungsstellen umschließen.

2. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normaltemperaturseitigen Enden der Einzeldrähte (13) an einer Anschlußklemmeneinheit (15) angeschlossen sind, die auf dem Zuleitungsgehäuse (14) befestigt ist.

3. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jedes Einzeldrahtes (13) von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt.