DE4208378A1 - Stromzufuehrung fuer supraleitende apparate - Google Patents

Stromzufuehrung fuer supraleitende apparate

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DE4208378A1
DE4208378A1 DE19924208378 DE4208378A DE4208378A1 DE 4208378 A1 DE4208378 A1 DE 4208378A1 DE 19924208378 DE19924208378 DE 19924208378 DE 4208378 A DE4208378 A DE 4208378A DE 4208378 A1 DE4208378 A1 DE 4208378A1
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ABB AB
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/68—Connections to or between superconductive connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H01F6/065—Feed-through bushings, terminals and joints

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung für supraleitende Apparate gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zur Anwendung kommen dabei Hochtemperatur- Supraleiter, die bei tiefen Temperaturen, unter 77K, eingesetzt werden. Eine solche Stromzuleitung ist aus der japanischen Patentschrift JP 2-1 35 714 bekannt.
Stand der Technik
Stromzuführungen für supraleitende Anwendungen müssen den Stromtransport von Raumtemperatur bis auf die Betriebstemperatur, einige Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, bewerkstelligen.
Die thermischen Verluste sollten dabei möglichst gering gehalten werden. Thermische Verluste entstehen einerseits durch Wärmeleitung und andererseits durch die Entstehung von Joulescher Wärme beim Stromtransport.
Ein wesentliches Problem bei der Dimensionierung der Stromzuführungen besteht darin, daß die Optimierung des Leiters bezüglich den beiden Hauptanteilen an thermischen Verlusten entgegensätzliche Ansprüche an den Leiter stellt. Um die Verluste durch Wärmeleitung klein zu halten, sollte der Leiter möglichst lang sein und einen kleinen Querschnitt aufweisen. Kleine Verluste durch Joulesche Wärme hingegen fordern einen kurzen Leiter mit großem Querschnitt.
Heutige Stromzuführungen bestehen meist aus metallischen Leitern. Versuche am CERN haben gezeigt, daß es durch den Einsatz von sehr dünnen versilberten Cu-Drähten mit einer großen Welligkeit gelingt, die gesamten Energieverluste auf ca. 1 Watt pro kA zu beschränken.
Eine andere Art von Stromzuführungen wird in der JP-PS 2- 1 35 714 vorgeschlagen. Darin werden die beiden metallischen Zuführungsbänder in einem bestimmten Bereich durch Hochtemperatur-Supraleiter-Bänder ersetzt.
Stromzuführungen der eben genannten Art weisen gegenüber rein metallischen Zuführung bezüglich der thermischen Entkopplung wesentliche Vorteile auf.
Problematisch bleibt die Kontaktierung zwischen metallischem Leiter und Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL):
Auf der einen Seite sind für den Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und ca. 77K sehr dünne Silberdrähte von größtem Vorteil, auf der anderen Seite ist es einfacher, normalleitende Stäbe oder Bänder als dünne Drähte mit den HTSL-Bändern zu verbinden.
Ein weiteres Problem tritt auf, wenn die Temperatur über die kritische Temperatur Tc ansteigt oder der HTSL hohen Strombelastungen ausgesetzt ist. Dann geht der HTSL vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand über (thermisches Quenchen).
Beim thermischen Quenchen kann lokal eine Überhitzung des HTSL auftreten, was zur Zerstörung des HTSL führt. Man begegnet dieser Gefahr der Überhitzung dadurch, daß parallel zum Supraleiter ein metallischer Leiter (Bypass) geschaltet wird.
In der erwähnten japanischen Patentschrift wird dieser metallische Bypass durch eine auf den HTSL aufgetragene Silberschicht gebildet.
Diese Silberschicht dient nicht nur als elektrischer Bypass zur Quenchstabilisierung, sondern ist auch durch den Herstellungsprozeß bedingt, da der HTSL-Körper z. B. in Silberformen hergestellt wird.
Herstellungsverfahren für schmelzprozessierte HTSL-Körper, bei denen der Körper gegossen wird, sind beispielsweise aus der schweizerischen Patentanmeldung CH 539/91-6 oder der europäischen Patentanmeldung EP 0 362 492 A2 bekannt.
Die erwähnte Silberschicht stellt natürlich nicht nur einen elektrischen, sondern auch einen thermischen Bypass dar. Die Wärmeisolationsfähigkeit des HTSL wird deshalb durch die Silberschicht massiv herabgesetzt.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromzuführung für supraleitende Apparate anzugeben, bei der die Nachteile der Kontaktierung und die Wärmeleitungsprobleme durch die Silberschicht durch den speziellen Aufbau der Stromzuführung umgangen werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Stromzuführung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs dadurch gelöst, daß
  • a) der Hochtemperatur-Supraleiter aus einem massiven Körper aus unter der Temperatur von flüssigem Stickstoff supraleitenden Material besteht, und
  • b) die den Hochtemperatur-Supraleiter kontaktierenden Drähte oder Bänder auf beiden Seiten des Körpers in den massiven Körper eingeschmolzen sind.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht darin, daß durch die Verwendung eines massiven Körpers keine Silberschicht mehr nötig ist.
Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit des HTSL-Teils nur noch durch die Wärmeleitfähigkeit des HTSL-Materials und nicht mehr zusätzlich durch die Wärmeleitfähigkeit des Silbers bestimmt.
Der HTSL-Körper dient also wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit bei tiefen Temperaturen als massive Wärmebarriere.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß wegen des Einschmelzens der normalleitenden Drähte in den HTSL-Körper vom Bereich mit Raumtemperatur bis zum HTSL-Körper die konventionellen, optimierten Zuleitungen verwendet werden können.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die Stromzuführung gemäß erstem Anspruch in einer Anordnung verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
  • a) normalleitende erste Drähte, den Strom von Raumtemperatur durch eine mit gasförmigen N2 gefüllten Kammer zu einem Bad mit flüssigem N2 führen, und
  • b) normalleitende oder mit Silber ummantelte und aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material bestehende zweite Drähte, den Strom vom N2-Bad durch eine Kammer mit gasförmigen Helium zum massiven Hochtemperatur- Supraleiter führen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die Stromzuführung gemäß erstem Anspruch in einer Anordnung verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die normalleitenden ersten Drähte den Strom durch eine mit gasförmigem Helium gefüllte Kammer direkt von einem Bereich mit Raumtemperatur zum Hochtemperatur-Supraleiter führen.
Kern der Erfindung ist es also, eine Stromzuführung anzugeben, bei der ein Stück HTSL als Wärmebarriere verwendet wird. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich besonders dadurch aus, daß
  • - kein metallischer Bypass vorhanden ist,
  • - der HTSL als massiver Körper ausgeführt ist und
  • - die normalleitenden Drähte in den HTSL-Körper eingeschmolzen werden.
Aus der Gesamtheit der abhängigen Ansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wir die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Erfindungsgemäße Stromzuführung für supraleitende Apparate.
Fig. 2 Darstellung des massiven Hochtemperatur- Supraleiter-Körpers.
Fig. 3 Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromzuführung.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Hochtemperatur- Supraleiter als massives Bauteil als thermische Entkopplung zwischen dem Tieftemperatur-Supraleiter und den Zuleitungen zum Stickstoffbad im Temperaturbereich zwischen 4.2K bis ca. 30-40K eingesetzt.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung einer Stromzuführung (1) für supraleitende Apparate (12) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Normalleitende Drähte (2) führen von einem Bereich mit Raumtemperatur (300K) durch eine mit gasförmigem Stickstoff gefüllte Kammer (3) zu einem Stickstoffbad (4), das durch einen metallisch leitenden Körper (16) von einer Kammer (6) mit gasförmigem Helium abgetrennt ist.
Für das Stickstoffbad (4) ist ein Einlaß (14) für flüssigen Stickstoff vorgesehen. Die Kammer (3) wird durch abdampfenden Stickstoff mit Stickstoffgas gefüllt, das nach oben entweichen kann.
Vom metallisch leitenden Körper (16) führen normalleitende, vorzugsweise aus Silber, oder mit Silber ummantelte und aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material bestehende Drähte (5) durch eine mit Helium-Gas gefüllte Kammer (6) zu einem massiven Körper aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material (7).
Der supraleitende Apparat (12) und der Tieftemperatur- Supraleiter (11) sowie ein Teil des Hochtemperatur- Supraleiters (7) befinden sich in einem Bad mit flüssigem Helium (10). Das Helium-Gas entsteht durch abdampfendes Helium aus dem Helium-Bad (10), das durch spezielle Kanäle (8) aufsteigt, die im Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) eingelassen sind.
Die Temperatur der einzelnen Bereiche ist auf der Skala im linken Teil der Figur dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung dieser Kanäle (8) im Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7). Der Querschnitt des massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körpers (7) wird so gewählt, daß der angelegte Strom deutlich unter dem kritischen Strom des Materiales liegt.
Der HTSL-Körper (7) wird sowohl durch das Helium-Bad wie auch durch aufsteigendes Helium gekühlt. Das Helium-Gas wird durch speziell eingelassene Kanäle (8) abgeführt.
Eine Quench-Stabilisierung des Hochtemperatur-Supraleiter- Körpers (7) mit normalleitenden Metallteilen ist nicht erforderlich.
Die Kontaktierung des HTSL-Körpers erfolgt auf beiden Seiten durch Einschmelzen der Drähte (5) bzw. der normal- oder supraleitenden Bänder (9).
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromzuführung (1). Sie unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß auf eine Stickstoff-Kühlung verzichtet werden kann.
Von einem Stromanschluß (13) in einem Bereich mit Raumtemperatur führen normalleitende Drähte (2) direkt zum Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7). Die normalleitenden Drähte (5) werden durch abdampfendes Helium gekühlt, das durch im Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) eingelassene Kanäle (8) aufsteigt.
Der Aufbau des Hochtemperatur-Supraleiter-Körpers (7) entspricht demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 2).
Durch den Verzicht auf Stickstoff-Kühlung ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, der schnell realisierbar ist. Deshalb läßt er sich leicht bei konventionellen Stromzuführungen, zum Beispiel für Labormagnete, einbauen.
Die Temperatur der einzelnen Bereiche ist auf der Skala im linken Teil der Figur dargestellt.
Bei beiden Ausführungsbeispielen nützt man die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Hochtemperatur-Supraleiter-Material bei tiefen Temperaturen aus.
Vorzugsweise werden Verbindungen des Typs Y1Ba2Cu3Ox, Bi2Sr2Ca1Cu2Oy, Bi2Sr2Cu3Oz oder Tl2Ba2Ca2Cu3Ot eingesetzt.
Insbesondere schmelzprozessiertes Bi2Sr2Ca1Cu2Oy weist als massiver Körper zusätzlich zu den guten Wärmeisolations­ eigenschaften eine hervorragende Stromtragfähigkeit auf.
Da sich der Hochtemperatur-Supraleiter-Körper im und teilweise oberhalb des Helium-Bades (10) befindet, weist er Temperaturen zwischen ca. 4.2K und ca. 30-40K auf.
Die normal- oder supraleitenden Zuleitungen (9) vom massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) zum Tieftemperatur- Supraleiter (11) werden so dimensioniert, daß das verdampfende Helium, hervorgerufen durch Joulesche Wärme, den massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) so weit kühlt, daß die maximale Temperatur des massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) 30-40K nicht überschritten wird.
Für diesen Zweck sind im Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) spezielle Kanäle (8) eingelassen. Das verdampfende Helium steigt durch diese Kanäle (8) auf und kühlt den Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7).
Hochtemperatur-Supraleiter der genannten Zusammensetzung haben eine Übergangstemperatur von über 77K. Sie sind also im eingesetzten Temperaturbereich im Normalbetrieb supraleitend, und die ohmschen Verluste werden damit drastisch reduziert.
Bei 4.2K ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Oxidsupraleiters um ca. einen Faktor 1500 kleiner als diejenige von Kupfer. Dadurch werden zusätzlich zu den ohmschen Verlusten auch die Verluste durch Wärmeleitung gegenüber metallischen Leitern sehr stark vermindert.
Der HTSL-Körper ist als massiver Körper ausgebildet. Sein Querschnitt wird so gewählt, daß die Stromdichte im Normalbetrieb thermische Fluktuation zuläßt.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärme, vergleichbar mit Kupfer, kann auf einen Bypass aus normalleitendem Metall, vorzugsweise Silber, verzichtet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit des HTSL-Körpers wird durch keine Silberschicht erhöht. Der massive HTSL-Körper wirkt somit als sehr effektive Wärmebarriere.
Versuche, so auch die erwähnten vom CERN, haben gezeigt, daß für die normalleitenden Zuleitungen dünne Drähte aus versilbertem Material oder massivem Silber die besten Resultate liefern.
Diesem positiven Umstand steht jedoch entgegen, daß die dünnen Drähte nicht auf eine einfache Weise mit dem HTSL in Kontakt gebracht werden können.
In der erfindungsgemäßen Stromzuführung wird das Problem dadurch gelöst, daß die normalleitenden, dünnen Drähte in den HTSL-Körper eingeschmolzen werden.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung weist also insgesamt einen optimalen Aufbau bezüglich Wärmeisolationsfähigkeit auf.
Dieser optimale Aufbau wird dadurch erreicht, daß der HTSL- Körper als massiver Körper ausgebildet ist, kein metallischer Bypass notwendig ist und als normalleitende Zuführungen dünne Drähte verwendet werden können, die in den HTSL-Körper eingeschmolzen werden.
Bezeichnungsliste
 1 Stromzuführung
 2 normalleitende Drähte
 3 Kammer mit N₂-Gas
 4 N₂-Bad
 5 normalleitende oder mit Silber ummantelte und aus HTSL-Material bestehende Drähte
 6 Kammer mit Helium-Gas
 7 massiver HTSL-Körper
 8 Kühlungskanäle
 9 Drähte oder Bänder, normal- oder supraleitend
10 Helium-Bad
11 Tieftemperatur-Supraleiter
12 supraleitender Apparat
13 normalleitender Stromanschluß
14 Einlaß für flüssiges N₂
15 Auslaß für Helium-Gas
16 metallisch leitender Körper
T Temperatur

Claims (8)

1. Stromzuführung (1) für supraleitende Apparate (12) umfassend:
  • a) eine normalleitende Stromzuführung (2), die den Strom von einem Bereich mit Raumtemperatur zu einem Hochtemperatur-Supraleiter (7) führt,
  • b) Drähte oder Bänder (9), die den Strom vom Hochtemperatur-Supraleiter (7) durch ein Bad mit flüssigem Helium (10) zu einem Tieftemperatur- Supraleiter (11) führen, wobei
  • c) der Tieftemperatur-Supraleiter (11) den Strom zum supraleitenden Apparat (12) führt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • d) der Hochtemperatur-Supraleiter (7) aus einem massiven Körper aus unter der Temperatur von flüssigem Stickstoff supraleitenden Material besteht, und
  • e) die den Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) kontaktierenden Drähte oder Bänder (5 bzw. 9) auf beiden Seiten des Körpers in den massiven Körper (7) eingeschmolzen sind.
2. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) normalleitende erste Drähte (2), den Strom von einem Bereich mit Raumtemperatur durch eine mit gasförmigen N2 gefüllten Kammer (3) zu einem Bad (4) mit flüssigem N2 führen, und
  • b) zweite Drähte (5), den Strom vom N2-Bad (4) durch eine Kammer (6) mit gasförmigen Helium zum Hochtemperatur- Supraleiter-Körper (7) führen.
3. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitenden ersten Drähte (2) den Strom durch eine mit gasförmigem Helium gefüllte Kammer (6) direkt von einem Bereich mit Raumtemperatur zum Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) führen.
4. Stromzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Trennung des N2-Bades (4) von der mit Helium-Gas gefüllten Kammer (6) durch einen metallisch leitenden Körper (16), vorzugsweise aus Kupfer, erfolgt, und
  • b) das Helium-Gas über einen Auslaß (15) aus der Kammer (6) geführt wird.
5. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des massiven Hochtemperatur- Supraleiter-Köpers (7) so gewählt wird, daß die Stromdichte im Normalbetrieb thermische Fluktuation zuläßt.
6. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des massiven Hochtemperatur-Supraleiter Köpers (7)
  • a) durch das Helium-Bad (10) und
  • b) durch abdampfendes Helium-Gas erfolgt, das durch Kanäle (8) durch den Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) dringt, wobei
  • c) die Zuleitungen vom massiven Hochtemperatur- Supraleiter-Körper (7) zum Tieftemperatur-Supraleiter (11) so dimensioniert sind, daß das verdampfende Helium, hervorgerufen durch Joulesche Wärme, den massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) so weit kühlt, daß die maximale Temperatur des massiven Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) 30-40K nicht überschritten wird.
7. Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) aus einem der Materialien Y1Ba2Cu3Ox, Bi2Sr2Ca1Cu2Oy, Bi2Sr2Cu3Oz oder Tl2Ba2Ca2Cu3Ot, insbesondere aus schmelzprozessiertem Bi2Sr2Ca1Cu2Oy besteht.
8. Stromzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochtemperatur-Supraleiter-Körper (7) kontaktierenden zweiten Drähte (5) aus Silber oder aus mit Silber ummanteltem Hochtemperatur-Supraleiter- Material bestehen.
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