DE4134492C2 - Uebergangsstueck, das ein normalleitendes bauteil mit einem supraleitenden bauteil verbindet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Übergangsstück, das ein normalleitendes Bauteil mit einem supraleitenden Bauteil verbindet. Entlang dem Übergangsstück tritt während des Betriebs eine Temperaturdifferenz derart auf, daß an seinem kalten, dem supraleitenden Bauteil nächstliegenden Ende und dem anschließenden Teil von der Übergangszone Temperaturbedingungen für Supraleitung bestehen. Im weiteren Teil der Übergangszone bis zum warmem Ende besteht Normalleitung.

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

Wärmetransport in Richtung supraleitenden Bauteils 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 im Normalleiter und andererseits Wärmeerzeugung (Joule′sche Wärme R i²) darin. Letzteres ist unvermeidlich während des Betriebs. 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 Untersuchungen über die Wärmeerzeugung und den Wärmetransport an stromdurchflossenen Leitern angestellt, die dann schließlich zur theoretischen Auslegung gekühlter Stromzuführungen für einen vorgegebenen Strom dienen. In diesem Aufsatz wird die Parallelschaltung von Supra- und Normalleiter erwähnt (Seite 197, 1. Spalte). Die Parallelschaltung eines Supralei­ ters zum normalleitenden Teil der Stromzuführung am kalten Ende ist bisher für hohe Ströme konstruktiv und fertigungs­ mäßig noch nicht gelöst worden. In einer Schlußbetrachtung (Seite 197, Spalte 2 unten) wird lediglich noch der problematische Betrieb mit zeitvariablen Strömen angesprochen.

In der OS 27 48 479 ist ein Übergangsstück zwischen Supraleiter und Normalleiter beschrieben. Im Innern des zylinderförmigen Übergangsstücks sind perforierte Scheiben gestapelt, die den Wärmetauscher bilden. An einem Ende beginnend, besteht bis zur Mitte des Übergangsstücks durch die in die Mantelfläche eingelassenen und verlöteten Drahtenden ein Supraleiterbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Teil des Über­ gangsbereichs eines Übergangsstücks, das das normalleitende Bauteil mit dem supraleitenden koppelt, konstruktiv derart zu gestalten, daß die Stromzuführung problemlos vom Leerlauf bis zum vorgesehenen Maximalstrom betrieben werden kann. Wärme soll dabei stets ausreichend durch den vom kalten zum warmen Ende fließenden Kühlmittelstrom abgeführt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dazu werden vom kalten Ende des Übergangsstücks in Richtung warmes Ende Bohrlöcher im normal leitenden Material parallel zur Achse des Übergangsstücks angebracht. In diese Bohrlöcher ist je ein Einsatz über seine gesamte Länge eingeführt.

Über die Gesamtlänge der Manteloberfläche eines jeden Ein­ satzes winden sich spiralförmig um die Einsatzachse Nuten, in denen Supraleiterdrähte unverrückbar und elektrisch gut kontaktierend 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 sind die Supraleiterdrähte eingelegt. Die Nutränder werden dann gehämmert oder gepreßt, so daß die Supraleiterdrähte gut leitend und unverrückbar auf den Einsatz eingebettet sind. Anschließend wird der Einsatz um seine Achse tordiert, und zwar soweit, daß kein Abriß an einem der eingelegten Supraleiterdrähte auftritt. Die letzte Behandlung des supraleiterdrahtbestückten Einsatzes 12 vor dem Einsetzen in die Stromzuführung besteht im Ausglühen desselben.

Am Übergangsstück, in der Fachliteratur auch Stromzuführung genannt, wird schließlich der Spalt zwischen Bohrlochwandung und supraleiterbündelbesetztem Einsatz mit Lot ausgegossen. Dadurch ist eine gut leitende Übergangszone von normalleitenden zum supraleitenden Material hergestellt.

Durch diese Parallelschaltung von normalleitendem zu supralei­ tendem Material wird eine automatische Anpassung der normal­ leitenden Länge der Stromzuführung an den jeweiligen Betriebs­ strom des supraleitenden Bauteils erreicht. Die normalleitende Länge der Stromzuführung 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 Sicherheitsmaßnahmen ist der Einsatz oder sind die Einsätze in der Stromzuführung hart- oder weich eingelötet. Das ist hauptsächlich eine Frage des zeitlichen Stromverlaufs.

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

Ein Übergangsstück mit den Kennzeichen der Ansprüche 1 bis 6 wird vorteilhafterweise für Bauteile, die sehr hohe Ströme führen müssen, verwendet. Das sind bisher meist Hochstrommagnete für die Fusionsforschung oder Stromspeicher aus supraleitenden Magneten in Energieversorgungsnetzen. Auch ist ihr Einsatz zum Test von Leiterproben vorteilhaft, wie auch für supraleitende Kabel zum Führen hoher Ströme in Metallschmelzwerken.

Im Betrieb fließt der Kühlmittelstrom vom kalten Ende, dem Supraleiteranschluß, zum warmen Ende. In der Übergangszone herrschen Temperaturen, bei denen sich Supraleitung einstellen kann. Dadurch stellt sich bei Stromfluß, abhängig von der Stromstärke, automatisch ein Stromübergangsbereich innerhalb des Supraleiterbereichs von Normalleiter auf den Supraleiter in der Übergangszone und eine supraleitende Zone bis zum kalten Ende der Stromzuführung ein.

Der Temperaturanstieg vom kalten zum warmen Ende verläuft innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes, und das selbst bei Leerlaufbetrieb, bei dem nur noch die Wärmeleitung über den Normalleiter besteht.

Um Wirbelstromeffekte zu unterbinden oder wenigstens auf ein tolerierbares Maß zu beschränken, hat sich die Tordierung des supraleiterdrahtbesetzten 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 Übergangsstück mit Supraleiterbereich

Fig. 2a Schnitt durch das Übergangsstück im Supraleiterbereich

Fig. 2b vergrößerte Darstellung des supraleiterdrahtbesetzten Einsatzes

Fig. 3 Temperaturverlauf über der Länge des Hochstromübergangsstücks.

Das Übergangsstück gemäß Fig. 1 unterteilt sich in drei Bereiche: Ein warmes Ende 1, das der Stromversorgung am nächsten ist. Daran schließt sich ein Wärmetauscherbereich 3, auch Übergangszone 3 genannt, an, auf das das kalte Ende 4 folgt, welches 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 demselben Leitermaterial wie das warme Ende besteht. Diesem folgt ein Bereich aus dem gleichen Leitermaterial bis zum kalten Ende, in welchem sich zwei Bohrungen 7 befinden, in die jeweils ein Einsatz 8 eingelassen ist.

Fig. 2 zeigt den Schnitt B durch das Übergangsstück mit eingelassenen Einsätzen 8 außerhalb des Anschlusses am kalten Ende 4.

Der supraleiterdrahtbestückte und tordierte Einsatz 8 ist in dem Bohrloch 15 über die ganze Länge eingelassen. Die Bohrlöcher 15 haben einen solchen Durchmesser, daß die Einsätze 8 gerade, ohne zu verkanten oder zu klemmen, eingebracht werden können.

Auch hier wurde die elektrisch wirksame Länge L vom Ende der Bohrung 15 bis zum warmen Ende 1, also nur im normalleitenden Material, anhand der o.e. Beziehung festgelegt. Damit kann sich das Übergangsstück bei maximalem Betriebsstrom I max und dazu optimalem Kühlmittelfluß monoton steigend erwärmen, und zwar so, daß die Erwärmung im Anschlußbereich des kalten Endes 4 unterhalb der Supraleitersprungtemperatur mit nahezu waagrechter Tangente einsetzt und mit ebenfalls nahezu waagrechter Tangente am warmen Ende 1 der Stromzuführung bei Umgebungstemperatur endet, wie das Fig. 3 zeigt. Dieser Temperaturanstieg kann für Ströme, die kleiner als der betriebliche Maximalstrom sind, bei Anpassung des Kühlmittelstromes eingestellt werden. Selbst bei Leerlauf, also kein Stromfluß, bei dem nur noch Wärmetransport vom warmen Ende 1 her im normalleitenden Material erfolgt und keine Stromwärme mehr erzeugt wird, läßt sich der Temperaturanstieg ähnlich dem für den Maximalstrom einstellen, wodurch der Gefahr des Vereisens am warmen Ende 1 begegnet wird und die Wärmezufuhr vom supraleitenden Bauteil 5 auf das tolerierbare Maß beschränkt bleibt.

Im Ausführungsbeispiel ist der Spalt 11 zwischen Einsatz 8, dem Supraleiterträger 8, mit Hartlot ausgegossen. In einer Art Vergießlötung dringt das Lot, durch die Schwerkraft getrieben, in den Spalt 11 ein. Erste Probelötungen ergaben einen Benetzungsgrad in Spalt 11 von etwa 98%, so daß in dem Supraleiterbereich 7 ein guter Strom - als auch Wärmeübergang besteht.

Der Einsatz 8, der aus demselben normalleitendem Material wie das Übergangsstück besteht, dient als Träger 8 für die in die Nuten eingepreßten oder eingehämmerten Supraleiterdrähte 12. Ein Supraleiterdraht 12 besteht hier aus kommerziell erhältlichen Supraleiterfilamenten 14 (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 unverrückbar an die Nutoberfläche anlegen. Dies ist wesentlich, da nach dem Einpressen der Supraleiterdrähte 12 der gesamte Einsatz 8 verdreht wird, so daß sich die ursprünglich geraden Nuten auf dem Einsatz 8 auf der Einsatzmanteloberfläche um die Einsatzachse schrauben. Im Durchführungsbeispiel waren das zwei Einsätze 8 mit 20 mm Durchmesser und einer Einsatzlänge von 1600 mm. Dabei schraubten sich die Nuten etwa zehnmal um den Einsatz 8. Das anschließende Glühen der supraleiterdrahtbesetzten Einsätze 8 bewirkt zweierlei: Einerseits die Reaktionsglühung des Supraleiterdrahtes 12, andererseits eine Diffusionsverschweißung des Nb3Sn mit dem Material des Einsatzes 8. Des weiteren ist am Einsatz 8 dadurch ein guter Strom- und Wärmeübergang hergestellt.

Das Material des normalleitenden Teils des Übergangsstücks und des Einsatzes 8 ist Kupfer, dessen elektrische Leitfähigkeit gegenüber gebräuchlichen Elektrolytkupfer etwas reduziert ist. Dadurch ist auch die Wärmeleitfähigkeit dieses Kupfers nicht so gut. Diese Auswahl geschieht bewußt, da damit weniger Wärme in Richtung supraleitendes Bauteil 5 transportiert wird.

Der konstruktive Aufbau des Übergangsstücks im Bereich der Bohrungen 15 gewährt gute Strom- und Wärmeübergänge und eine örtliche Begrenzung der Wärmeerzeugung (RI²) auf den Bereich, an dem das supraleitende Bauteil 5 mit seinen Drahtenden angeklemmt oder angeschraubt wird.

Claims (8)

1. Übergangsstück, das ein normalleitendes Bauteil (2) mit einem supraleitenden Bauteil (5) verbindet, bestehend aus normalleitendem Material, in das supraleitende Drähte (12) eingelassen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - im normalleitenden Material des Übergangsstücks parallel zur Achse des Übergangsstücks mindestens ein Bohrloch (15) vorhanden ist, in das je ein Einsatz (8) eingelassen ist;
• - der Einsatz (8) aus einem Normalleiter besteht, auf dessen Mantelfläche die supraleitenden Drähte (12) über die Länge des Einsatzes (8) eingelassen sind;
• - die Drähte (12) in spiralig um die Achse des Einsatzes (8) verlaufenden Nuten eingelassen sind;
• - zwischen dem normalleitenden Material des Einsatzes (8), den Drähten (12) und der Wand des Bohrlochs (15) überall ein gut leitender Übergang besteht.

2. Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (12) im Einsatz (8) eingehämmert sind.

3. Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (12) im Einsatz (8) eingepreßt sind.

4. Übergangsstück nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (11) zwischen Bohrung (15) und dem Einsatz (8) mit Hartlot ausgefüllt ist.

5. Übergangsstück nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (11) zwischen Bohrung (15) und dem Einsatz (8) mit Weichlot ausgefüllt ist.

6. Übergangsstück nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Einsatzes (8) etwa achtzigmal gleich dem Einsatzdurchmesser ist.

7. Verfahren zur Fertigung des Übergangsstücks nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (8) durch Strangpressen des Bereichs des eingelassenen Einsatzes (8) mit dem umgebenden normalleitenden Material gut leitend verpreßt wird.

8. Verfahren zur Fertigung des Übergangsstücks nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (8) durch Hämmern mit dem umgebenden, normalleitenden Material gut leitend verbunden wird.