DE4134492A1

DE4134492A1 - Kuehlbare stromzufuehrung fuer hohe stroeme

Info

Publication number: DE4134492A1
Application number: DE4134492A
Authority: DE
Inventors: Guenter Friesinger
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1991-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2011-10-19
Also published as: DE4134492C2; EP0608271A1; EP0608271B1; DE59206134D1; JPH07500218A; WO1993008616A1

Description

Die Erfindung betrifft eine kühlbare Stromzuführung für hohe Ströme zum Betreiben eines supraleitenden Bauteils. Entlang der Stromzuführung tritt im Betrieb eine Temperaturdifferenz derart auf, daß an ihrem kalten, dem supraleitenden Bauteil nächstliegenden Ende und dem anschließenden Teil von der Über gangszone Temperaturbedingungen für Supraleitung bestehen. In den weiteren Teil der Übergangszone bis zum warmem Ende hin besteht im Betrieb nur noch Normalleitung.

Am kalten Ende wird ähnlich oder gleich wie am warmen Ende der Stromzuführung das Bauteil angeklemmt oder angeschraubt, so daß dort bei Maximalstrom ein thermisch beherrschbarer und to lerierbarer Stromübergang stattfinden kann.

Wärmetransport in Richtung supraleitendem Bauteil muß während des Betriebes unter allen Umständen vermieden werden bzw. auf die maximal zulässige Leistung beschränkt bleiben. Haupt sächliche Gründe für einen solchen sind einerseits Wärmelei tung entlang dem normal leitenden Material und Wärmeerzeugung (Joule′sche Wärme R i²) in diesem. Letztere ist sogar unver meidlich im Betrieb. Die Schnittstelle Normalleiter-Supralei ter ist daher konstruktiv sorgfältig zu gestalten.

In der Zeitschrift Cryogenics, April 1975 werden in dem Auf satz "A review of current leads for cryogenic devices", Seiten 193-200, von Yu. L. Buyanov et al. zunächst theoretische Unter suchungen über die Wärmeerzeugung und den Wärmetransport an stromdurchflossenen Leitern angestellt, die dann schließlich zur theoretischen Auslegung gekühlter Stromzuführungen für einen bestimmten Strom dienen. In diesem Aufsatz wird die Par allelschaltung von Supra- und Normalleiter schon erwähnt (Seite 197, 1. Spalte). Die Parallelschaltung eines Supralei ters zum normal leitenden Teil der Stromzuführung am kalten Ende ist bisher für hohe Ströme konstruktiv und fertigungs mäßig noch nicht gelöst wurden. In einer Schlußbetrachtung (Seite 197, Spalte 2 unten) wird der problematische Betrieb mit zeitvariablen Strömen angesprochen jedoch nicht vertieft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Teil des Über gangsbereichs einer kühlbaren Stromzuführung, in dem der Über gang vom Normalleiter auf den Supraleiter erfolgt, konstruktiv derart zu gestalten, daß die Stromzuführung problemlos für den vorgesehenen Maximalstrom und darunter als auch im Leerlauf betrieben werden kann. Wärme soll dabei stets ausreichend durch den Kühlmittelstrom vom kalten zum warmen Ende abgeführt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vom kalten Ende der Stromzuführung aus in Richtung warmes Ende Tieflochbohrungen im normal leitenden Material angebracht sind, und zwar parallel zur Achse der Stromzuführung. In diese Tieflochbohrungen ist dann je ein Einsatz mindestens ganz ein geführt. Zwischen der Bohrlochwandung und dem Einsatz ist zunächst noch ein geringer Spalt frei.

Über die Gesamtlänge der Manteloberfläche eines jeden Ein satzes winden sich spiralförmig um die Einsatzachse Nuten, in denen Supraleiterdrähte unverrückbar und elektrisch gut kon taktierend eingebettet sind.

Vorzugsweise werden in den zylinderischen Einsatz zunächst Längsnuten auf der Manteloberfläche durch Fräsen oder Hobeln oder entsprechende spanabhebende Bearbeitung eingebracht. Über die gesamte Länge der Nuten werden dann die Supraleiterdrähte eingelegt. Die Nutränder werden dann gehämmert oder gepreßt, so daß die Supradrähte elektrisch gut kontaktierend unverrück bar um den Einsatz eingekettet sind. Anschließend wird dann der Einsatz um seine Achse tordiert, soweit, daß kein Abriß an einem Supraleiterdraht eintritt. Die letzte Behandlung des su praleiterdrahtbestückten Einsatzes vor dem Einsetzen in die Stromzuführung ist das Ausglühen desselben.

Bei der betriebsbereiten Stromzuführung ist schließlich der Spalt zwischen Bohrlochwandung und supraleiterbündelbesetztem Einsatz mit elektrisch gut leitendem Lot ausgefüllt. Somit ist eine elektrisch gut leitende Übergangszone von normal leiten den zu supraleitendem Material hergestellt.

Durch diese Parallelschaltung von normalleitendem zu supralei tenden Material wird eine automatische Anpassung der normal leitenden Länge der Stromzuführung an den jeweiligen Betriebs strom der Spule erreicht. Die normalleitende Länge der Strom zuführung bestimmt sich gemäß der Näherungsformel

(aus Cryogenics, Dec. 1969, "OPTIMIZATION OF CURRENT LEADS INTO A CRYOSTAT", J. M. Lock, S. f 438-442, insbesondere S. 439, 2. Spalte). Bei höheren Strömen wird der normalleitende Bereich, der die ohmschen Verluste erzeugt, kürzer, bei niedereren Strömen wird er länger.

Gemäß den geforderten Sicherheitsabsichten ist der Einsatz oder die Einsätze in der Stromzuführung hart- oder weichverlö tet. Das ist auch eine Frage der zugelassenen zeitlichen Stromverläufe.

Um eine selbständiges Auslöten zu verhindern kann von Vorteil sein das kalte Ende im gesamten Bereich eingelassenen Einsätze strangzupressen oder zu hämmern. Auch hierdurch wäre dann eine elektrisch gute Kontaktierung zwischen dem Einsatz oder den Einsätzen und der Stromzuführung erreicht.

Eine Stromzuführung mit den Kennzeichen der Ansprüche 1 bis 5 wird vorteilhafterweise für Bauteile, die sehr hohe Ströme er fahren, verwendet. Das Hochstrommagnete aus dem Bereich der Fusionstechnologie, der Stromspeicherung, oder Forschung über haupt. Auch ist da ihr Einsatz zum Test von Leiterproben vor teilhaft, oder auch für supraleitende Kabel zum Weiterleiten hoher Ströme.

Im Betrieb fließt der Kühlmittelstrom vom kalten zum warmen Ende. In der Übergangszone herrschen Temperaturen derart, daß sich Supraleitung einstellen kann - also unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters. Dadurch kann sich bei Stromfluß abhängig von der Stromstärke automatisch ein Strom übergangsbereich von Normalleiter auf den Supraleiter in der Übergangszone und eine supraleitende Zone bis zum kalten Ende der Stromzuführung einstellen.

Der Temperaturanstieg vom kalten zum warmen Ende hin verläuft dabei innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes, selbst bei Leerlaufbetrieb, wo ja nur noch die Wärmeleitung über den Nor malleiter besteht.

Um Wirbelstromeffekte zu unterbinden oder wenigstens ein tole rables Maß zu beschränken, hat sich die Tordierung des supra leiterdrahtbesetzten Einsatzes auf die Länge (Twistlänge) ca. zehnmal seines Durchmessers als vorteilhaft herausgestellt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und soll im folgenden näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Stromzuführung mit Supraleiterdraht bestücktem Einsatz

Fig. 2a Schnitt durch die Stromzuführung im Einsatzbereich

Fig. 2b Vergrößerte Darstellung des supraleiterbündelbe setzten Einsatz

Fig. 3 Temperaturverlauf über der Länge der Stromzuführung.

Die Stromzuführung gemäß Fig. 1 unterteilt sich vom Sprachge brauch her in zunächst drei Bereiche. Es gibt ein warmes Ende 1, das der Stromversorgung am nächsten ist. Daran schließt sich ein Wärmetauscherbereich 3, auch Übergangszone 3 genannt, an. In der Weiterleitung folgt dann das kalte Ende 4, das dem angeschlossenen supraleitenden Bauteil 5 am nächsten ist.

Der Bereich Wärmetauscher 3 und kaltes Ende 4 wird von der funktionellen konstruktiven und fertigungstechnischen Seite her noch etwas spezifischer unterteilt. So schließt sich dem warmen Ende 1 zunächst der normal leitende Bereich 6 der Stromzuführung an der aus dem selben Leitermaterial wie das warme Ende besteht. Diesem folgt der Bereich mit der Tiefloch bohrung 7, aus dem gleichen Leitermaterial w.o. bis zum kalten Ende. In diesem letzten Bereich befinden sich zwei Tiefloch bohrungen 7 in die jeweils ein Einsatz 8 eingelassen ist.

Fig. 2 zeigt den Schnitt B durch die Stromzuführung mit ein gelassenen Einsätzen 8 außerhalb des kalten Endes 4.

Der supraleiterdrahtbestückte und tordierte (getwistete) Ein satz 8 ist in der Tieflochbohrung 7 über die ganze Länge ein gelassen. Die Tieflochbohrungen haben einen solchen Durchmes ser, daß die Einsätze gerade, ohne zu verkanten oder zu klem men, eingebracht werden können.

Auch hier wurde die elektrische wirksame Länge L vom Ende der Tieflochbohrung 7 bis zum warmen Ende also nur im normallei tenden Material anhand der o.e. Beziehung festgelegt. Damit kann sich die Stromzuführung bei maximalem Betriebsstrom I max und dazu optimalen Kühlmittelfluß vom warmen zum kalten Ende monoton steigend erwärmen, und zwar so, daß die Erwärmung im inneren Bereich des kalten Endes unterhalb der Supraleiter sprungtemperatur mit nahezu waagrechter Tangente einsetzt und mit ebenfalls nahezu waagrechter Tangente am warmen Ende der Stromzuführung bei etwa Umgebungstemperatur endet, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieser Temperaturanstieg kann für Ströme, die kleiner als der betriebliche Maximalstrom sind, bei Anpas sung des Kühlmittelstromes ebenfalls eingestellt werden. Selbst bei Leerlauf, also kein Stromfluß, bei dem ja nur noch Wärmetransport vom warmen Ende her im normalleitenden Material erfolgt und keine Stromwärme mehr erzeugt wird, läßt sich der Temperaturanstieg ähnlich dem bei Maximalstrom einstellen, wo durch der Gefahr des Vereisens am warmen Ende wirksam begegnet wird und die Wärmezufuhr vom supraleitenden Bauteil auf das tolerable Maß beschränkt bleibt.

Im Durchführungsbeispiel ist der Spalt 11 zwischen Einsatz 8, dem Supraleiterträger 8, mit Hartlot ausgefüllt. In einer Art Vergießlötung dringt das Lot, durch die Schwerkraft getrieben, in den Spalt ein. Erste Probelötungen ergaben einen Benet zungsgrad in Spalt 11 von etwa 98%, so daß in diesem Bereich Tieflochbohrung 7 sowohl ein guter Strom als auch Wärmeüber gang hergestellt ist.

Der Einsatz 8, der aus demselben normalleitendem Material wie die Stromzuführung Fig. 1 besteht, dient als Träger 8 für die in die Nuten eingepreßten oder eingehämmerten Supraleiter drähte 12. Ein Supraleiterdraht 12 besteht hier kommerziell erhältlichen aus Supraleiterfilamenten 14 aus Nb3Sn, die um ein sogenanntes Stabilisierungskupfer 13 gewunden sind. Beim Einpressen oder Einhämmern in die Nuten des Einsatzes 8 kann sich der Supraleiterdraht 12 unter leichter Verformung unver rückbar an die Nutoberfläche anlegen. Dies ist wesentlich, da nach dem Einpressen der Supraleiterdrähte 12 der gesamte Ein satz 8 verdreht wird, so daß sich die ursprünglich geraden Nu ten auf dem Einsatz 8 auf der Einsatzmanteloberfläche um die Einsatzachse schrauben. Im Durchführungsbeispiel waren das dann schließlich zwei Einsätze 8 mit 20 mm Durchmesser und ei ner Einsatzlänge von 1600 mm. Dabei schraubten sich die Nuten etwa achtmal um den Einsatz 8. Das anschließende Glühen der supraleiterdrahtbesetzten Einsätze bewirkt zweierlei: Einer seits die Reaktionsglühung des Supraleiterdrahtes, anderer seits eine Diffusionsverschweißung des Nb3Sn mit dem Material des Einsatzes. Des weiteren ist am Einsatz selbst so ein guter Strom- und Wärmeübergang geschaffen.

Das Material des normalleitenden Teils der Stromzuführung und des Einsatzes 8 selbst ist Kupfer, dessen elektrische Leitfä higkeit gegenüber gebräuchlichen Stromleitungskupfer etwas re duziert ist. Dadurch ist auch die Wärmeleitfähigkeit dieses Kupfers nicht so gut. Diese Auswahl geschieht bewußt, da damit weniger Wärme in Richtung supraleitendes Bauteil transportiert wird.

Der konstruktive Aufbau der Stromzuführung im Bereich der Tieflochbohrungen 7 gewährt dort gute Strom- und Wärmeüber gänge und eine örtliche Begrenzung der Wärmeerzeugung (RI²) auf den Bereich, wo das supraleitende Bauteil 5 angeklemmt oder angeschraubt wird.

Bezugszeichenliste:

1 warmes Ende
2 Stromversorgung
3 Wärmetauscherbereich, Übergangszone
4 kaltes Ende
5 Supraleitendes Bauteil
6 normalleitender Bereich 6
7 Tieflochbohrung
8 Einsatz, Supraleiterträger
10 Durchmesser
11 Spalt
12 Supraleiterdrähte
13 Stabilisierungskupfer
14 Supraleiterfilament

Claims

1. Kühlbare Stromzuführung für hohe Ströme zum Betreiben eines supraleitenden Bauteils an der im Betrieb eine Temperatur differenz auftritt , bestehend aus:

- einem warmen und kalten Ende sowie einer Übergangszone dazwischen, wobei das warme Ende, einer angeschlossenen Stromversorgung und das kalte Ende dem angeschlossenen supraleitenden Bauteil am nächsten ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

- sich vom kalten Ende aus in den übrigen Teil der Übergangszone hinein im elektrisch normal leitenden Ma terial mindestens eine Tieflochbohrung parallel zur Achse der Stromzuführung befindet,
- in die Tieflochbohrungen je ein den elektrischen Strom gut leitender Einsatz eingeführt ist auf dessen Man telfläche Supraleiterdrähte in darauf spiralförmig um die Einsatzachse verlaufenden Nuten elektrisch gut kon taktierend eingelassen sind;
- der Zwischenraum zwischen einer Tieflochbohrung und dem eingeführten Einsatz mit seinen auf ihm eingelassenen Supraleiterdrähten durch Lot ausgefüllt ist, so daß über all im Bereich des Einsatzes ein elektrisch gut leiten der Übergang von normal- zu supraleitendem Material be steht,
- die Temperaturänderung zwischen warmen und kaltem Ende bei Betrieb mit Maximalstrom oder einem kleinerem Strom oder im Leerlaufbetrieb bei entsprechend angepaßtem Kühlmittelfluß vom kalten zum warmen Ende innerhalb ei nes vorgegebenen Toleranzbandes verläuft.

2. Kühlbare Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der Tieflochbohrung und dem Ein satz mit Hartlot ausgefüllt ist.

3. Kühlbare Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Tieflochbohrung und dem Einsatz mit Weichlot ausgefüllt ist.

4. Kühlbare Stromzuführung nach Anspruch 1, jedoch ohne den loterfüllten Zwischenraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Tieflochbohrung und supraleiter drahtbesetztem Einsatz durch Strangpressen der Stromzufüh rung im Bereich der Tieflochbohrung aufgehoben ist.

5. Kühlbare Stromzuführung nach Anspruch 1, jedoch ohne den loterfüllten Zwischenraum, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Tieflochbohrung und supraleiter drahtbesetzten Einsatz durch Hämmern der Stromzuführung im Bereich der Tieflochbohrung aufgehoben ist.

6. Kühlbare Stromzuführung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Magnet für hohe Ströme ist.

7. Kühlbare Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Leiterprobe für hohe Ströme.

8. Kühlbare Stromzuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Kabel für hohe Ströme ist.

9. Kühlbare Stromzuführung nach einem der vorangegangenen An sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Einsatz mit den eingelassenen Supraleiter drähten vorzugsweise etwa gleich achtzig der Einsatzdurch messer ist.

10. Kühlbare Stromzuführung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführende Länge (L) der Stromzuführung vom warmen Ende bis zum Beginn des Einsatz gemäß der Beziehung gewählt ist, wobei A der Leiterquerschnitt und I max der maximale Betriebsstrom ist.