DE3843728C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spulen­ anordnung des innengekühlten Typs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft insbesondere eine Verbesserung an einem Verstärkungsgefäß oder -gehäuse für die supraleitende Spulenanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spulenanordnung.

Die zwangsgekühlte supraleitende Spulenanordnung des innengekühlten Typs ist in eine Magneteinschluß-Fusionsvorrichtung als eine der Toroidal- und Poloidal-Spulen einbezogen, denen ein großer Strom zugeführt wird. Fig. 2 veranschaulicht eine derartige herkömmliche Spulenanordnung. Dabei sind mehrere Mantelröhren 1 jeweils eines rechteckigen Querschnitts und mit einem Hohlraum, durch den supraleitende Drähte oder Leiter 2 eingesetzt sind und der als Durchgang 3 für das Hindurchströmenlassen von superkritischem Helium dient, vorgesehen. An der Außenfläche jeder Mantelröhre 1 ist eine Isolierschicht 4 vorgesehen. Diese Mantelröhren 1 sind gebündelt und von einer Isolierschicht 5 umschlossen. Bei dieser Spulenanordnung dienen die Mantelröhren 1 als Trenn- oder Grenzflächen gegen den Druck des superkritischen Heliums. Auch wenn die Supraleitfähigkeit verlorengeht oder die supraleitenden Spulen gelöscht (quenching) werden, so daß der Druck in der Mantelröhre 1 stark ansteigt, vermag letztere diesen Druck aufzunehmen bzw. auszuhalten. Die supraleitende Spulenanordnung wird darüber hinaus durch die betreffende Mantelröhre 1 stabil bzw. sicher gehalten.

Eine gattungsgemäße Spulenanordnung ist aus der US-PS 45 95 898 bekannt.

Wenn ein großer Strom durch die supraleitenden Drähte 2 fließen soll, wie dies bei der Toroidal- oder Poloidal- Spule in der supraleitenden Spulenanordnung mit dem beschriebenen und in Fig. 2 gezeigten Aufbau der Fall ist, werden der Querschnitt des supraleitenden Drahts 2 groß und der Druck in der Mantelröhre 1 im Hinblick auf Löschung (quenching) hoch gewählt. Um diesen Innendruck aushalten zu können, muß daher die Wand der Mantelröhre 1 dick ausgebildet sein. In diesem Fall wird jedoch die Fertigung der supraleitenden Spulenanordnung außerordentlich schwierig. Dabei kann beim Formen der Mantelröhre 1 eine unerwünschte (unzulässige) Kraft auf die supraleitenden Drähte 2 einwirken, wodurch ein Bruch derselben herbeigeführt wird. In manchen Fällen ist eine trapezförmige Verformung, wie in Fig. 3 dargestellt, der Mantelröhre 1 unter dem auf die Mantelröhre 1 bei ihrer Formung zu einer Spirale einwirkenden Biegedruck zu beobachten. Dann ist es schwierig, die Spulenanordnung mit ausreichend hoher Genauigkeit auszubilden. Auch besteht dabei die Gefahr, daß die die Außenfläche der Mantelröhre 1 umhüllende Isolierschicht 4 bei einer solchen Verformung der Mantelröhre 1 bricht oder reißt. Wenn die Isolierschicht 4 nicht gebrochen ist, aber die elektromagnetische Kraft auf die Mantelröhre 1 einwirkt, stehen einander benachbarte Mantelröhren 1 nicht in Flächenberührung, sondern in Punkt- oder Teil(flächen)berührung miteinander, so daß die Wahrscheinlichkeit für einen Isolationsverlust besteht. Da die Mantelröhre 1 eine große Wanddicke aufweist, wird die beim luftdichten Verschweißen der Mantelröhre 1 erzeugte Wärmemenge mit zunehmender Wanddicke immer größer, wodurch die supraleitenden Drähte 2 einen Bruch erleiden oder beschädigt werden können.

Zusammenfassen ist also zu bemerken, daß bei der herkömmlichen Spulenanordnung die Wand der Mantelröhre 1 dick ausgebildet wird. Infolgedessen wird die Formung der Mantelröhre 1 oder des Hüllrohrs zu einer Spule schwierig, und sie kann leicht eine Verformung erleiden. Dabei können die supraleitenden Drähte brechen und die Maßgenauigkeit der supraleitenden Spulenanordnung beeinträchtigt werden. Die Isolierung kann aufgehoben werden, weil die Isolierschicht zum Isolieren der Mantelröhre 1 gegenüber einer anschließenden Mantelröhre beschädigt wird. Die supraleitenden Drähte können dabei durch die erhöhte Schweißhitze beschädigt werden.

Aus der US-PS 44 82 878 ist eine supraleitende Spulenanordnung mit Verstärkungsgehäuse bekannt, bei der ein supraleitender Spulendraht in einem zweiteiligen Stabilisator aus einem gut wärmeleitfähigen Werkstoff wie Kupfer eingelagert ist. Das als Kühlmittel dienende flüssige Helium, welches den supraleitenden Spulendraht auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur abkühlt, umgibt den supraleitenden Draht nicht direkt, sondern wirkt auf die Außenfläche des Stabilisators. Dieser ist zur besseren Wärmeübertragung an seiner Außenfläche mit einer Vielzahl von Längsnuten versehen, durch die das Kühlmittel fließt. Bei dieser bekannten Spulenanordnung handelt es sich nicht um einen innengekühlten Typ, da sie einen von der gattungsgemäßen Spulenanordnung verschiedenen Aufbau aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine supraleitende Spulenanordnung des innengekühlten Typs sowie ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen, bei der bzw. dem die Mantelröhre unter Vermeidung einer unerwünschten Verformung derselben einfach und leicht in die spiralförmige Form zu bringen ist, wodurch die Maßgenauigkeit der Anordnung verbessert und eine Beschädigung der supraleitenden Drähte und der Isolierschicht vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 7 gekennzeichneten Merkmale bzw. Maßnahmen gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht eines Beispiels für eine supraleitende Spulenanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Schnittauf­ baus einer herkömmlichen supraleitenden Spulenanordnung,

Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Quer­ schnitt durch eine verformte Mantelröhre bei der Spulenanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein bei der Spulenanordnung gemäß Fig. 3 verwendetes Verstärkungsgehäuse,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 4,

Fig. 6A bis 6H Verfahrensstufen bei der Herstellung der supraleitenden Spulenanordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 7 und 8 Aufsichten auf eine Kappe und Verstärkungsgefäß-Segmente bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.

Die Fig. 2 und 3, welche herkömmliche Spulenanordnungen zeigen, sind eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der supraleitenden Spulenanordnung gemäß der Erfindung. Dabei sind supraleitende Drähte oder Leiter 12 in Längsrichtung des Hohlraums einer Mantelröhre 11 verlegt, die eine vergleichsweise dünne Wand und einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der restliche Teil des Innenraums der Mantelröhre 11 dient als Durchgang 13, durch den ein Kühlmedium, z. B. superkritisches Helium, an den supra­ leitenden Drähten 12 entlangströmt. Die Mantelröhre 11 ist in einem Verstärkungsgefäß oder -gehäuse 14 unterge­ bracht, das zwei Teile 14-1 und 14-2 aufweist, die an ihren langgestreckten oder Längsflächen 14A ein­ heitlich miteinander verschweißt sind und jeweils einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Gemäß Fig. 4 ist jedes Gefäßsegment 14-1 und 14-2 spiralförmig ausgebildet, und es weist die langgestreckten Flächen oder Längsflächen 14A und eine Nut oder Ausnehmung 14B auf, in welche die Mantelröhre 11 eingesetzt ist. Das Verstärkungsgefäß 14 ist von einer Lage eines Iso­ lierelements 15 umschlossen, die zum Isolieren des Verstärkungs­ gehäuses 14 gegenüber anderen Gefäßen dient; das so ge­ bildete Erzeugnis ist weiterhin von einer Lage eines zweiten Isolierelementes 16 umschlossen, das zur Iso­ lierung der Anordnung gegenüber Masse dient. Die Windungs- Isolierung 15 und die Masseisolierung 16 werden zur Fertig­ stellung der supraleitenden Spulenanordnung mit einem Harz oder Kunstharz in einem Behälter imprägniert.

Im folgenden ist anhand der Fig. 6A bis 6H ein Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Spulenanordnung beschrieben. Gemäß Fig. 6A werden Mantelröhren 11, in denen Drähte oder Leiter 12 aus einem supraleitenden Material verlegt sind, in Form einer zweilagigen Spirale ausge­ bildet. Eine als erste Lage dienende Mantelröhre 11-1 wird nämlich zu einer Spiralform gewickelt, und eine andere, als zweite Lage dienende Mantelröhre 11-2, die aus einem fortlaufenden Profil 11A an dessen innerstem Ende mit dem innerstem Ende der Mantelröhre 11-1 verbunden wird, wird ebenfalls zu einer in derselben Richtung verlaufenden Spirale ge­ wickelt. Diese spiralförmige, zweilagige Mantelröhren­ anordnung wird einer Wärmebehandlung unterworfen z. B. 100 Stunden lang in einer 700°C warmen Atmosphäre gehal­ ten, um den Drähten 12 Supraleitfähigkeit zu verleihen. Ein Fertigungsvorgang für die Herstellung der beiden Sätze der einander paarweise zugeordneten Teile bzw. Gefäßsegmente des Verstärkungsgehäuses 14-1 und 14-2 erfolgt unabhängig, aber parallel zum Vorgang der Herstellung der Mantelröhrenanordnung. Die einzelnen Gefäßsegmente 14-1 und 14-2 werden dadurch hergestellt, daß ein Metallblock aus z. B. nichtrostendem Stahl zu einer der Mantelröhre 11 entsprechenden Spiral­ form geschnitten bzw. gefräst und weiterhin zur Ausbildung der Nut 14B sowie der Längsflächen 14A gefräst wird (vgl. Fig. 6B). Das innerste Ende des Gefäßsegments 14-1 wird gemäß Fig. 6C mit zwei jeweils einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Kupplungseinheiten 14C verbunden, wobei das zwischen bzw. aus zweiter und erster Lage 11-1 bzw. 11-2 der Mantelröhrenanordnung ge­ bildete fortlaufende Profil 11A in die betreffende Kupplungs­ einheit eingesetzt und diese mit dem innersten Ende des Gefäßsegments 14-2 verbunden wird. Bei der Herstellung der Mantelröhren 11 und der beiden Sätze von einander paarweise zugeordneten Gefäßsegmenten 14-1 und 14-2 wird zunächst die Mantelröhre 11-1 der ersten Lage an ihren inneren Enden mit der Mantelfläche 11-2 der zweiten Lage verbunden, um das fortlaufende Profil 11A zu bilden. Die Mantelröhre 11-2 der zweiten Lage wird sodann durch den Mittelraum des Gefäßsegments 14-1 geführt, wobei ein fortlaufendes Profil 11C im Mittelraum positioniert wird und die Mantelröhren der ersten und zweiten Lage in den Nuten bzw. Ausnehmungen 14A der beiden Gefäßsegmente 14-1 angeordnet werden (vgl. Fig. 6C). Sodann werden zwei andere Gefäßsegmente 14-2 auf diese beiden Gefäßsegmente 14-1 aufgesetzt, welche die Mantel­ röhren 11-1 und 11-2 von erster bzw. zweiter Lage auf­ nehmen, so daß ihre Längsflächen 14A miteinander in Be­ rührung gelangen. Das fortlaufende Profil 11A wird in die miteinander verschweißten Kupplungseinheiten 14C einge­ setzt, und die Enden der Kupplungseinheiten 14C werden mit den innersten Enden der paarigen Gefäßsegmente 14-1 und 14-2 verschweißt, so daß letztere über die Kupplungs­ einheiten 14C im Mittelraum kontinuierlich verlaufen. Die paarigen Gefäßsegmente 14-1 und 14-2 besitzen große Abmessungen und sind insgesamt flexibel bzw. biegsam. Infolgedessen kann ein Teil der Spiralform gemäß Fig. 6D von der anderen abgehoben werden. Die beiden Gefäßsegmente 14-1 und 14-2 können somit längs der Innen- und Außenränder ihrer Endflächen verschweißt werden, indem ein Teil ihrer Spiralform von der anderen abgehoben gehalten wird. Die beiden (einander paarweise zugeordneten) Gefäßsegmente 14-1 und 14-2 werden somit unter Bildung zweier Ver­ stärkungsgefäße 14 einheitlich miteinander verbunden (vgl. Fig. 6D). Wenn die beiden Verstärkungsgefäße 14 fertiggestellt sind, wird jedes mit einem ersten Isolierelement, d. h. Isolierband 15A zur Herstellung der Windungs- oder Wickel-Isolierung 15 um­ wickelt, welche die beiden Verstärkungsgefäße gegeneinander isoliert und auch eine Isolierung zwischen den nebenein­ ander befindlichen Abschnitten hergestellt (vgl. Fig. 6E). Die beiden so isolierten Verstärkungsgefäße 14 werden weiterhin gemäß Fig. 6F an ihrer Außenfläche mit einem zweiten Isolierelement, d. h. Isolier­ band 16B umwickelt, um die Erde- oder Masse-Isolierung 16 für Isolierung nach außen hin zu bilden. Die die Iso­ lierschicht 15 tragenden Verstärkungsgefäße 14 werden sodann gemäß Fig. 6G in einen Isolierbehälter einge­ setzt, und der Behälter 17A wird mit Epoxyharz gefüllt und mittels einer Kappe 17B geschlossen, so daß die Wicklungs- und Masse-Isolierungen 15, 16 mit dem Epoxyharz imprägniert werden. Anschließend wird die fertiggestellte, in Fig. 6H dargestellte supraleitende Spulenanordnung 17 aus dem Behälter 17B entnommen.

Bei der beschriebenen supraleitenden Spulenanordnung dient das Verstärkungsgefäß oder -gehäuse 14 zum Aufnehmen und Festhalten der Mantelröhre 11 unter Verstärkung bzw. Ver­ steifung derselben. Hierdurch wird die Mantelröhre 11 aus­ reichend widerstandsfähig gegen Spannung oder Belastung, die durch die erzeugte elektromagnetische Kraft sowie den beim Löschvorgang (quenching) auftretenden Innen­ druck hervorgerufen wird. Die Mantelröhre 11 selbst braucht lediglich das Kühlmittel, wie Helium, luftdicht einzu­ schließen, so daß sie eine geringere Wanddicke aufweisen kann. Die Mantelröhre läßt sich daher ohne Verformung zu einer Spirale verarbeiten. Außerdem läßt sich die Verar­ beitung leichter durchführen. Darüber hinaus wird während der Verarbeitung oder Behandlung der Mantelröhre 11 keine unerwünschte Kraft auf die supraleitenden Drähte ausgeübt, so daß damit ein Bruch dieser Drähte vermieden wird. Das Verstärkungsgefäß 14 umfaßt Teile, die jeweils im voraus durch maschinelle Bearbeitung in eine Spiralform gebracht worden sind. Infolgedessen kann die supraleitende Spulenanordnung eine höhere Dimensions- bzw. Maßgenauigkeit aufweisen. Die Oberfläche des Verstärkungsgefäßes 14 kann durch maschinelle Bearbeitung geglättet werden, wodurch ein Bruch der Isolierschicht auf der Außenfläche des Ver­ stärkungsgehäuses 14 vermieden wird. Wie sich aus vorstehenden Ausführungen ergibt, kann die supraleitende Spulenanordnung im Betrieb höhere Stabilität und Zuverlässigkeit aufweisen.

Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Während bei der beschriebenen Ausführungsform die beiden geteilten, jeweils einen U-förmigen Querschnitt aufweisenden Gefäßsegmente das Verstärkungsgefäß bilden, kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Nut oder Ausnehmung 14B im Gefäßsegment 14 eines U-förmigen Querschnitts (vgl. Fig. 6B) so tief ausgebildet ist, daß sie die gesamte Mantelröhre 11 aufzunehmen vermag, wobei diese Nut 14B sodann mittels eines spiralförmigen Schließelementes 22 gemäß Fig. 7 verschlossen wird. Das Ver­ stärkungsgefäß kann auch aus nichtrostendem Stahl gegossen werden. In diesem Fall kann eine noch höhere Maßgenauigkeit sowohl des Verstärkungsgefäßes als auch der gesamten supra­ leitenden Spulenanordnung erzielt werden. Darüber hinaus kann die Oberfläche dieser Anordnung zur Vermeidung einer Beschädigung der Isolierschicht geglättet werden. Gemäß Fig. 8 kann die Anordnung auch so getroffen sein, daß mehrere ringförmige Gefäßelemente, die mittels maschineller, spanabhebender Bearbeitung konzentrisch zueinander aus­ gebildet worden sind, in zwei oder mehr Sektorsegmente 19 und 20 geteilt und die Sektorsegmente 19 mit den Segmenten 20 verbunden werden, deren Durchmesser von denen des Sektor­ segments bzw. der Sektorsegmente 19 verschieden sind, um damit ein wendel- oder schlangenförmiges Verstärkungsgefäß 24 auszubilden.

Claims (13)

1. Supraleitende Spulenanordnung
mit supraleitenden Spulen-Drähten,
mit einer spiralförmigen Mantelröhre, durch deren inneren Hohlraum die supraleitenden Spulen-Drähte verlaufen und ein Kühlmittel strömt, und
mit einem Isolierelement zur Isolation der Mantelröhre, gekennzeichnet durch ein zweiteiliges, spiralförmiges, von dem Isolierelement (15) umgebenes Verstärkungsgehäuses (14) zur Aufnahme und Verstärkung der Mantelröhre (11), dessen beide Teile (14-1; 14-2, 22) starr und formstabil ausgebildet und miteinander verschweißt sind.

2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites, um das erste Isolierelement (15) herumgewickeltes Isolierelement (16) zum Isolieren des Verstärkungsgefäßes (14).

3. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsgehäuse (14) durch Gießen hergestellt ist.

4. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsgehäusteil (14-1) dadurch hergestellt worden ist, daß mehrere zueinander konzentrische Ringe längs einer durch deren Zentrum (Zentren) verlaufenden Linie zu zwei oder mehr Sektorsegmenten (19, 20) unterteilt und die Sektorelemente (19) der einen Gruppe mit denen (20) der anderen Gruppe, die von den Durchmessern der Sektorsegmente (19) der einen Gruppe verschiedene Durchmesser aufweisen, zur Bildung einer spiraligen Spule verbunden worden sind.

5. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Verstärkungsgehäuses (14-2, 22) als spiralförmig Streifen ausgebildet ist.

6. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Verstärkungsgehäuses (14-2, 22) mit U-förmigen Querschnitt, der in einer Spiralform verläuft und mit einer Nut oder Ausnehmung (14B) sowie in Verlaufsrichtung des zweiten Teils des Verstärkungsgehäuses ausgebildeten langgestreckten Flächen oder Längsflächen (14A) versehen ist, ausgebildet ist und daß erster und zweiter Teil des Verstärkungsgehäuses (14-1, 14-2) zur Bildung des Verstärkungsgehäuses (14) an ihren Längsflächen (14A) miteinander verschweißt sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer supraleitenden Spulenanordnung nach Anspruch 1, bei dem eine spiralförmige Mantelröhre (11) geformt wird, die einen Hohlraum aufweist, durch den supraleitende Spulen-Drähte (12) verlaufen und der als Durchgang zum Hindurchströmenlassen eines Kühlmittels dient,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster, spiralförmig verlaufendes Verstärkungsgehäuseteil (14-1) geformt wird, der mit einer Nut oder Ausnehmung (14B) und in der Verlaufsrichtung des ersten Verstärkungsgehäuseteils (14-1) ausgebildeten langgestreckten Flächen oder Längsflächen (14A) versehen ist,
daß ein weiterer Teil des Verstärkungsgehäuses (14-2, 22) zum Verschließen der Nut (14B) des ersten Verstärkungsgehäuseteils (14-1) angefertigt wird,
daß die spiralförmige Mantelröhre (11) in die Nut (14B) des ersten Verstärkungsgehäusteils (14-1) eingesetzt, der weitere Teil des Verstärkungsgehäuses (14-2, 22) an den Längsflächen (14A) des ersten Verstärkungsgehäuseteils (14-1) montiert oder angebracht und beide Bauteile miteinander verschweißt werden, um das zur Verstärkung der Mantelröhre (11) dienende Verstärkungsgehäuse (14) zu formen, und daß die Außenfläche des Verstärkungsgehäuses (14) mit einem ersten Isolierelement (15) umwickelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem ersten Isolierelement (15) umwickelte Verstärkungsgheäuse (14) mit einem zweiten Isolierelement (16) zum Isolieren des Verstärkungsgehäuses (14) gegenüber der Außenseite umwickelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärkungsgehäuseteil (14-1) durch Gießen geformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Verstärkungsgehäuses ein Metallblock zur Ausbildung des ersten Verstärkungsgehäuseteils (14-1) spanabhebend bearbeitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Verstärkungsgehäuses mehrere zueinander konzentrische Ringe längs einer durch deren Zentrum verlaufenden Linie zu zwei oder mehr Sektorsegmenten (19, 20) unterteilt und die Sektorsegmente (19) der einen Gruppe mit denen der anderen (20) Gruppe, die von den Sektorsegmenten (19) der einen Gruppe verschiedene Durchmesser aufweisen, zur Bildung des ersten Verstärkungsgehäuseteils (14-1) verbunden werden.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärkungsgehäusteil (14-2, 22) als spiralförmiger Streifen geformt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verstärkungsgehäuseteil (14-2, 22) als zweiter, einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisender und in einer Spiralform verlaufender Verstärkungsgehäuseteil (14-2) ausgebildet wird, der mit einer Nut oder Ausnehmung (14B) und in der Verlaufsrichtung des zweiten Verstärkungsgehäuseteils (14-2) verlaufend ausgebildeten langgestreckten Flächen oder Längsflächen (14A) versehen ist, und daß erster und zweiter Verstärkungsgehäuseteil (14-1, 14-2) zur Bildung des Verstärkungsgehäuses (14) an ihren Längsflächen (14A) miteinander verschweißt werden.