DE4223145C2 - Stromzuführungsvorrichtung für eine auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvor­ richtung für eine elektrische, auf Tieftemperatur zu hal­ tende, insbesondere supraleitende Einrichtung, welche Vor­ richtung mindestens zwei Leitungsabschnitte aufweist, zwi­ schen denen sich eine Verbindungseinrichtung auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur und der Tieftemperatur befindet, wobei der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supra­ leitermaterial mit einer Sprungtemperatur oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs enthält.

Eine derartige Stromzuführungsvorrichtung geht aus der Fir­ menzeitschrift der Firma "Toshiba", Vol. 46, No. 5, 1991, Seite 430 hervor.

Für eine Stromeinspeisung in elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern werden Stromzufüh­ rungsvorrichtungen benötigt, über die ein elektrischer Strom diesen tiefgekühlten Leitern von einer auf einem höheren Temperaturniveau, insbesondere auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversorgungseinrichtung zugeführt wird. Die elektrischen Einrichtungen können insbesondere supra­ leitende Spulen, Kabel oder Maschinen sein, deren Leiter supraleitendes Material enthalten, das mit Hilfe eines kryogenen Mediums wie beispielsweise flüssigem Helium auf ein Temperaturniveau unterhalb seiner sogenannten Sprung­ temperatur T_c gekühlt wird. Da die Sprungtemperatur von bekannten metallischen Supraleitermaterialien wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn weit unter der Raumtemperatur liegt, wer­ den zur Überbrückung der entsprechenden Temperaturdif­ ferenzen in bekannten Stromzuführungsvorrichtungen viel­ fach Leiter aus ausschließlich elektrisch normalleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, ver­ wendet (vgl. z. B. "Cryogenics", April 1975, Seiten 193 bis 200). Diese normalleitenden Leiter sind dann mit den Supraleitern der elektrischen Einrichtung an einer Stelle verbunden, die ebenfalls auf einem Temperaturniveau unter­ halb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiterma­ terials gehalten wird. Die Normalleiter können bis zu die­ ser Anschlußstelle kontinuierlich oder auch stufenweise abgekühlt werden.

Daneben ist es auch bekannt, für die Leiter von Stromzu­ führungsvorrichtungen zumindest zum Teil supraleitendes Material zu verwenden, dessen Sprungtemperatur über der des für die auf Tieftemperatur zu haltende supraleitende Einrichtung eingesetzten Supraleitermaterials liegt (vgl. z. B. die FR 2 637 728).

Seit einiger Zeit sind neben den klassischen metallischen Supraleitermaterialien, die mit flüssigem Helium zu küh­ len sind, auch supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen T_c von vorzugsweise über 77K bekannt, die deshalb mit flüssigem Stickstoff bei Normal­ druck gekühlt werden können. Entsprechende Metalloxidver­ bindungen, bei denen es sich insbesondere um Cuprate han­ delt, basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Mel-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Me1 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium und Me2 ein Erdalkalimetall zumin­ dest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vier­ komponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O (Abkürzung: YBCO). Da­ neben weisen auch Phasen von 5- oder höherkomponentigen, seltenerdfreien Cupraten wie z. B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung: BSCCO) oder TI-Ba-Ca-Cu-O (Ab­ kürzung: TBCCO) Sprungtemperaturen T_c von deutlich über 77K auf.

Auch mit solchen metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleiterma­ terialien (Abkürzung: HTSL-Materialien) können Stromzu­ führungsvorrichtungen aufgebaut werden. Aus der US 4 965 246 geht eine derartige Stromzuführungsvorrichtung hervor, deren abgasgekühlten Leiter durchgehend zwischen einem Raumtemperaturbereich und einem Tieftemperaturbe­ reich HTSL-Material auf einem Trägerkörper aufweisen.

Neben einer solchen einstufig ausgebildeten Ausführungs­ form ist aus der eingangs genannten Firmenzeitschrift der Firma "Toshiba" eine zweistufige Stromzuführungsvorrich­ tung bekannt. Diese Vorrichtung enthält als einen dem Raumtemperatur-Bereich zugewandten ersten Stromzuführungs- oder Leitungsabschnitt einen Behälter für flüssigen Stick­ stoff (LN₂) aus normalleitendem Metall. Am Boden dieses LN₂-Behälters ist ein Behälter für gasförmiges Helium (GHe) angeflanscht, durch welchen sich ein zweiter, dem Tieftemperaturbereich zugewandter Leitungsabschnitt er­ streckt. Dieser zweite Abschnitt enthält gasgekühlte Lei­ terteile aus metalloxidischem HTSL-Material. Diese Leiter­ teile sind an ihrem dem Tieftemperaturbereich abgewandten Ende mit dem Boden des LN₂-Behälters verbunden und bilden dort eine etwa auf LN₂-Temperaturniveau liegende Verbin­ dungseinrichtung zwischen den beiden Zuführungsabschnit­ ten. Es zeigt sich jedoch, daß der raumtemperaturseitige Zuführungsabschnitt wegen des beim Betrieb schwankenden Niveaus des in seinem LN₂-Behälter vorhandenen LN₂ hin­ sichtlich der Joule′schen Verluste nur schwer zu optimie­ ren ist. Außerdem treten isolationstechnische Probleme auf, da die Behälterwand aus normalleitendem Metall be­ steht.

Eine Stromzuführung, die einen ersten Leitungsabschnitt aus normalleitendem Metall und einen zweiten Leitungsab­ schnitt aus einem metalloxidischen HTSL-Material enthält, geht auch aus "Pat. Abstracts of Japan", Vol. 151, Sect. E, Seite 783 bzgl. JP 1-01-76707 A hervor. Bei dieser be­ kannten Stromzuführung ist der Verbindungsbereich zwischen den beiden Leitungsabschnitten mittels eines diesen Be­ reich umschließenden Wärmetauschers auf LN₂-Temperatur gehalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Stromzu­ führungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß ihre elektrisch leitenden Teile hinsichtlich geringerer thermischer Verluste bei Stromtransport von Raumtemperatur auf die tiefe Temperatur der insbesondere mit LHe zu kühlenden, vorzugsweise supra­ leitenden Einrichtungen unter Einsatz von HTSL-Materialien leichter zu optimieren sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

D.h., von den stromführenden Leiterteilen des raumtempe­ raturseitigen Leitungsabschnittes sind nur die zu der Verbindungseinrichtung zugehörenden Leiterteile thermisch an das LN₂-Bad in dem LN₂-Behälter unmittelbar angekop­ pelt und liegen somit auf einem zumindest weitgehend kon­ stanten Temperaturniveau.

Die mit dieser Ausgestaltung der Stromzuführungsvorrich­ tung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu se­ hen, daß die Leiterlänge des raumtemperaturseitigen Lei­ tungsabschnittes unabhängig von einem LN₂-Füllstand ist. Somit kann dieser Abschnitt aufgrund von definierten Lei­ terparametern (Leiterlänge und -querschnitt) so ausgebil­ det sein, daß die Joule′sche Verlustwärme praktisch eine Konstante zum jeweils geführten Strom darstellt und damit die Optimierung der gesamten Stromzuführung erleichtert. Folglich sind insbesondere die Auslegungskriterien für den tieftemperaturseitigen Leitungsabschnitt wesentlich ver­ einfacht. Außerdem läßt sich eine erforderliche Isolation der stromführenden Teile der Stromzuführungsvorrichtung bei dem erfindungsgemäßen Aufbau leicht von außen anbrin­ gen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strom­ zuführungsvorrichtung gehen aus den Unteransprüchen her­ vor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Schnitt durch einen Aufbau mit zwei Stromzu­ führungsvorrichtungen nach der Erfindung veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer dieser Stromzuführungsvorrichtungen. In Fig. 3 ist eine beson­ dere Ausführungsform einer Stromzuführungsvorrichtung nä­ her veranschaulicht. In den Figuren sind sich entsprechen­ de Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt als Längsschnitt einen Kryostaten 2 oder ein Kryostatensystem mit mindestens einem äußeren Vakuumgehäu­ se 3. In den evakuierten Innenraum 4 dieses Gehäuses sind zwei gegenüber diesem Innenraum abgedichtete, weitgehend rohrförmige Behälter 5 und 6 eingesetzt. Diese Behälter dienen jeweils in einem erweiterten unteren Bereich zur Aufnahme eines Vorrates 7 bzw. 8 an flüssigem Helium (LHe). An den Böden dieser nachfolgend als LHe-Behälter bezeichneten Gefäße können die LHe-Vorräte 7 und 8 über ein Leitungssystem 9 miteinander verbunden sein, so daß sich auch in diesem Leitungssystem LHe befindet. Das LHe-Leitungssystem dient zur Aufnahme einer in der Figur nicht näher ausgeführten, insbesondere supraleitenden Einrichtung 10, beispielsweise eines supraleitenden Kabels oder eines supraleitenden Magneten. Diese supraleitende Einrichtung soll vorzugsweise Teile aus einem der klassi­ schen metallischen Supraleitermaterialien wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn enthalten. Dieses Material wird mittels des LHe in dem LHe-Leitungssystem 9 unterhalb seiner Sprungtempe­ ratur T_c gehalten. Gegebenenfalls sind für die Einrichtung 10 auch andere Materialien geeignet, welche auf dem Tempe­ raturniveau des LHe gehalten werden. Durch die vorzugs­ weise supraleitende Einrichtung 10 ist ein Strom I zu lei­ ten, der über zwei im wesentlichen zweistufig ausgebildete Stromzuführungsvorrichtungen 12 bzw. 13 nach der Erfindung zu- bzw. abzuführen ist. Hierzu erstrecken sich die beiden Stromzuführungsvorrichtungen in den LHe-Behältern 5 und 6 von Raumtemperatur bis in den Tieftemperaturbereich des jeweiligen LHe-Vorrates 7 bzw. 8.

Zunächst sei nachfolgend auf die Stromzuführungsvorrich­ tung 12 näher eingegangen. Diese Vorrichtung enthält im wesentlichen zwei Leitungsabschnitte A1 und A2, wobei sich der Abschnitt A1 zwischen Raumtemperatur und etwa der Tem­ peratur des siedenden Stickstoffs (LN₂) erstreckt, während der Abschnitt A2 zwischen der LN₂-Temperatur und etwa der LHe-Temperatur des LHe-Vorrates 7 verläuft. Der raumtempe­ raturseitige Leitungsteil A1 weist im wesentlichen ein beispielsweise hohlzylindrisches inneres Vakuumgefäß 15 mit einem rohrförmigen Mantelteil auf. Dieser Mantelteil wird von einem Leiterrohr 17 gebildet, das konzentrisch von einer rohrförmigen Isolation 18 unter Einhaltung eines Zwischenraumes 19 umschlossen ist. Dieser Teil des Aufbaus des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitts A1 geht ins­ besondere aus Fig. 2 näher hervor. Das Leiterrohr 17 be­ steht aus einem normalleitenden Material wie z. B. Cu und dient als stromführender Leiterteil des Leitungsabschnit­ tes A1. Auch ein Mantelteil aus isolierendem Material mit einzelnen auf seiner Außenseite verlaufenden Leiterteilen ist möglich. In Fig. 1 sind ferner ein Deckel- und ein Bodenteil 20 bzw. 21 des inneren Vakuumgefäßes 15 gezeigt, die ebenfalls aus dem normal leitenden Material des Leiter­ rohres 17 hergestellt sind. Der Deckelteil 20 ist mit einem Stromanschlußstück 22 elektrisch leitend verbunden, an welches z. B. eine in der Figur nicht dargestellte Strom-/Spannungsquelle anzuschließen ist. Damit sich der Bodenteil 21 auf einem festen Temperaturniveau zwischen etwa 77 und 80K befindet, ist in dem Vakuumraum 23 im Inneren des inneren Vakuumgefäßes 15 ein Behälter 24 für einen LN₂-Vorrat 25 so angeordnet, daß eine gute wärme­ leitende Verbindung mit dem Bodenteil 21 besteht. Bei­ spielsweise wird der Boden des Vorratsbehälters 24 zu­ gleich von dem Bodenteil 21 mitgebildet. Das LN₂ wird über ein Zuleitungsrohr 27 in den Vorratsbehälter 24 einge­ speist. Verdampfter, gasförmiger Stickstoff (GN₂) wird zu einer Abgaskühlung des normalleitenden Leiterrohres 17 herangezogen. Hierzu ist in dem Bodenteil 21 ein Vertei­ lerkanal 28 vorgesehen, in den aus dem Dampfraum 29 über dem LN₂ entnommenes GN₂ über ein zentrales Verbindungsrohr 30 gelangt. An den Verteilerkanal 28 sind beispielsweise Kühlrohre 32 angeschlossen, die in dem zwischen der rohr­ förmigen Isolation 18 und dem normalleitenden Leiterrohr 17 ausgebildeten Zwischenraum 19 verlaufen und mit dem Leiterrohr wärmeleitend verbunden sind (vgl. Fig. 2). In diesem Zwischenraum, der gegenüber den Vakuumräumen 4 und 23 vakuumdicht ist, können auch andere, beispielsweise netzartige Strukturen z. B. aus Kunststoff angeordnet sein, die einen Wärmeaustausch des durch diesen Zwischenraum strömenden GN₂-Abgases mit dem normalleitenden Material des Leiterrohres 17 fördern. Das GN₂ tritt an einem An­ schlußstutzen 34 aus dem inneren Vakuumgefäß 15 aus.

Mit dem Bodenteil 21 ist der zweite, tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt A2 der Stromzuführungsvorrichtung 12 elektrisch und wärmeleitend verbunden. Der Bodenteil 21 und die unmittelbar daran angefügten elektrisch leitenden Verbindungsteile dieses zweiten Leitungsabschnittes stel­ len somit eine elektrische Verbindungseinrichtung V dar, die auf dem durch den LN₂-Vorrat 25 vorgegebenen Tempera­ turniveau liegt. Der Leitungsabschnitt A2 hat beispiels­ weise eine im wesentlichen zylindrische oder hohlzylinder­ förmige Gestalt und enthält in Stromführungsrichtung einen oder mehrere Leiterteile 35 aus einem der bekannten HTSL-Materialien, wobei sich das HTSL-Material vielfach auf einem geeigneten Träger befindet. Der Leitungsab­ schnitt A2 kann aber auch vollständig aus dem HTSL-Mate­ rial ausgebildet sein. Das zu verwendende HTSL-Material muß eine Sprungtemperatur T_c aufweisen, die oberhalb des Temperaturniveaus der Verbindungseinrichtung V liegt. Beispielsweise ist deshalb ein HTSL-Material des Lei­ tungsabschnittes A2 auf Basis des BSCCO-Stoffsystems geeignet.

An das tieftemperaturseitige Ende 36 des Leitungsabschnit­ tes A2, das in der Nähe der Oberfläche des LHe-Vorrates 7 liegt, ist ein supraleitendes Verbindungselement 38 ange­ schlossen, welches die Verbindung des Leitungsabschnittes A2 mit der supraleitenden Einrichtung 10 herstellt. Dieses Verbindungselement enthält vorteilhaft Teile aus normal­ leitendem Stabilisierungsmaterial wie z. B. Cu und metalli­ schem Supraleitermaterial wie z. B. NbTi, da es im wesent­ lichen durch den LHe-Vorrat 7 gekühlt wird.

Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, wird in dem Abgasraum 40 oberhalb des LHe-Vorrates 7 vorhandenes Abgas (GHe) seitlich an dem Vakuumgefäß 15 des raumtemperaturseitigen Abschnittes A1 vorbeigeführt und über einen Anschluß­ stutzen 41 aus dem Vakuumgehäuse 3 herausgeleitet. Ge­ gebenenfalls kann ein Teil dieses Abgases auch zu einer Kühlung des normalleitenden Leiterrohres 17 des Leitungs­ abschnittes A1 an Stelle einer GN₂-Kühlung dienen. Ferner ist auch eine umstellbare Kühlung mit GN₂ oder GHe mög­ lich. Hierzu ist beispielsweise zwischen dem Abgasraum 40 und dem Verteilerkanal 28 ein Verbindungsrohr 42 mit einem Ventil 43 vorhanden. Das Verbindungsrohr 30, über das GN₂ in den Verteilerkanal 28 gelangen kann, muß deshalb eben­ falls mit einem Ventil 44 absperrbar sein.

Die zweite, in Fig. 1 gezeigte und mit 13 bezeichnete Stromzuführungsvorrichtung unterscheidet sich von der Stromzuführungsvorrichtung 12 lediglich dadurch, daß für ihren raumtemperaturseitigen Leitungsteil A1′ eine Möglichkeit einer wahlweisen GN₂- oder GHe-Kühlung des nor­ malleitenden Leiterrohres 17′ nicht vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform sind erfindungsgemäß von den stromführenden Leiterteilen des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes A1′ nur die der zugehörigen Verbin­ dungseinrichtung V′ zuzuordnenden Leiterteile thermisch an das LN₂-Bad 25′ in dem LN₂-Vorratsbehälter 24′ unmittelbar angekoppelt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich außerdem zumindest der wesentliche Teile des tieftempera­ turseitigen HTSL-Leitungsteils A2′ in einer evakuierten Kammer 46, wird also nicht wie der Leitungsteil A2 direkt von GHe gekühlt.

Wie ferner in Fig. 1 angedeutet ist, kann der im Innen­ raum 4 des äußeren Vakuumgehäuses 3 befindliche Aufbau aus den beiden LHe-Behältern 5 und 6 sowie dem Leitungs­ system 9 zweckmäßigerweise von einem Strahlungsschild 48 umgeben sein, der mittels eines LN₂-Vorrates 49 gekühlt wird.

Darüber hinaus können die beiden Ventile 43 und 44 der Stromzuführungsvorrichtung 12 zur wahlweisen, d. h. um­ stellbaren GN₂- oder GHe-Kühlung des normalleitenden Lei­ terrohres 17 des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnit­ tes A1 selbstverständlich auch an anderen Stellen als den in Fig. 1 gezeigten angeordnet sein. In Fig. 3 ist im Schnitt eine weitere Ausführungsform angedeutet, bei der beide Ventile zu einer gemeinsamen, zentralen Ventilanord­ nung 50 vereinigt sind. Bei dieser Ausführungsform wird GHe zentral durch den Innenraum 51 des rohrförmig gestal­ teten HTSL-Leiterteils 52 des tieftemperaturseitigen Lei­ tungsabschnittes A2 an das GHe-Ventil 43 der Ventilanord­ nung 50 herangeführt.

Claims (9)

1. Stromzuführungsvorrichtung für eine elektrische, auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung, welche Vorrichtung mindestens zwei Leitungs­ abschnitte aufweist, zwischen denen sich eine Verbindungs­ einrichtung auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur und der Tieftemperatur befindet, wobei der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprungtempe­ ratur oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stick­ stoffs enthält, gekennzeichnet durch einen raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt (A1, A1′), der

• a) ein Vakuumgefäß (15) enthält mit
• - einem vorzugsweise rohrförmig gestalteten, zumindest teilweise aus normalleitendem Material bestehenden Mantelteil, der als ein stromführender Leiterteil (17, 17′) des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnit­ tes (A1, A1′ ) vorgesehen ist, und
• - einem Vakuumraum (23), in dem ein Flüssig-Stickstoff-Behälter (24, 24′) angeordnet ist,
• sowie
• b) nur mit seinen der Verbindungseinrichtung (V, V′) zu­ zuordnenden stromführenden Leiterteilen (21) in direk­ tem Wärmekontakt mit dem Flüssig-Stickstoff-Behälter (24, 24′) steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der stromführende Leiter­ teil (17, 17′) des Mantelteils mittels dem Flüssig-Stick­ stoff-Behälter (24, 24′) entnommenen Stickstoff-Abgases zu kühlen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der stromführende Leiter­ teil (17) des Mantelteils mittels Helium-Abgases zu küh­ len ist, das einem Behälter (5) mit einem zur Kühlung der elektrischen Einrichtung vorgesehenen Vorrat (7) an flüssigem Helium entnommen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilanordnung (42 und 44; 50) zu einer wahlweisen Kühlung des stromfüh­ renden Leiterteils (17) des Mantelteils mit Stickstoff-Abgas oder Helium-Abgas vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der strom­ führende Leiterteil (17, 17′) des Mantelteils von außen zu kühlen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Mantel­ teil von einer elektrischen Isolation (18) umgeben ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der tief­ temperaturseitige Leitungsabschnitt (A2, A2′) mindestens einen stromführenden Leiterteil (35, 52) aus dem metall­ oxidischen Supraleitermaterial enthält, der insbesondere rohrförmig gestaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest der wesentliche Teil des stromführenden Leiterteils (35, 52) aus dem me­ talloxidischen Supraleitermaterial in einer Vakuumkammer (46) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß metall­ oxidisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O vorgesehen ist.