DE4407925A1 - Stromzuführung, Verfahren zu ihrem Betrieb sowie ihre Verwendung in der Kryotechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung mit einer Mehr­ zahl elektrischer Leitungen, ein Verfahren zu ihrem Betrieb sowie ihre Verwendung in der Kryotechnik.

In dem Buch "Superconducting Magnets" von Martin N. Wilson, Clarendon Press, Oxford, 1983, behandelt das Kapitel 11 "Current Supply", S. 256 bis 278, Stromzuführungen für su­ praleitende Magnete. Die Stromzuführungen verbinden in der Regel eine Stromquelle, die sich auf Raumtemperatur befin­ det, mit einem supraleitenden Magneten, der mit flüssigem Helium gekühlt wird. Aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen Stromquelle und Magnet sowie einer Wärmeerzeugung in der Stromzuführung aufgrund ihres ohmschen Widerstandes, wenn durch diese ein elektrischer Strom fließt, wird das Helium zum Verdampfen gebracht. Das entstehende Helium-Gas wird zur Kühlung an der Stromzuführung so vorbeigeführt, daß sich entlang der Stromzuführung ein stationärer Tempe­ raturverlauf einstellt. In Kapitel 11 ist der Temperatur­ verlauf (s. Fig. 11.3, 11.5 und 11.6) entlang einer Strom­ zuführung für verschiedene Materialien sowie verschiedene elektrische Ströme angegeben, insbesondere wird der Fall der minimalen Wärmezufuhr in das Helium behandelt. In diesem Fall hat der Temperaturverlauf an dem auf Raumtempe­ ratur befindlichen Ende der Stromzuführung, dem warmen Ende, eine waagerechte Tangente, so daß von der Stromquelle keine Wärmeenergie in die Stromzuführung gelangt. Fließt kein elektrischer Strom, so fällt die Temperatur entlang der Stromzuführung weitgehend exponentiell ab und der Tem­ peraturverlauf hat an dem warmen Ende eine steigende Tangente. Bei einem größeren elektrischen Strom als dem für die minimale Wärmezufuhr notwendigen hat der Temperaturverlauf auf der Stromzuführung vor dem warmen Ende ein Maximum und mündet mit einer fallenden Tangente in das warme Ende ein. Lage und Breite des Maximums sowie die Steigung der Tangente hängen stark von dem Material der Stromzuführung ab. Beispielsweise ist bei hochreinem Kupfer das Maximum deutlich schmäler und die Tangente deutlich steiler als bei mit Phosphor deoxidiertem Kupfer. Eine Stromzuführung aus hochreinem Kupfer birgt daher bei einer Erhöhung des elektrischen Stromes die Gefahr einer Überhitzung und dadurch unter Umständen auch einer Beschädigung des Magnets. Das Buch enthält keine Informa­ tionen bezüglich des Temperaturverlaufes bei anderen als den genannten Materialien. Zudem betreffen sämtliche Berechnungen ausschließlich eine einpolige Stromzuführung, und es wird nur Bezug auf eine konkrete Ausgestaltung einer einpoligen Stromzuführung (Abb. 11.11) genommen.

Trotz der bekannten Nachteile werden in der Kryotechnik dennoch in der Regel einpolige oder koaxiale Stromzuführun­ gen aus hochreinem Kupfer verwendet, insbesondere weil hochreines Kupfer einen sehr geringen spezifischen elektri­ schen Widerstand sowie eine sehr hohe thermische Leit­ fähigkeit aufweist und hochreine Kupferleitungen mit vorgegebener Qualität industriell in großen Mengen verfügbar sind. Solche bekannten Stromzuführungen sind so ausgelegt, daß bei Betrieb mit einem elektrischen Nennstrom und der Kühlung durch vorbeiströmendes Helium-Gas keine Wärmeleistung am warmen Ende auftritt. Es ist bekannt, daß es bei diesen Stromzuführungen, insbesondere bei einem Betrieb mit einem kleineren elektrischen Strom als dem Nennstrom oder bei einem Abschalten des Nennstromes, zu Vereisungen an dem warmen Ende kommen kann, insbesondere bei einer feuchten Umgebungsluft.

Auf der PAC-Konferenz in Washington, D.C., am 17.05.93, wurde unter dem Thema "Design of Superconducting Quadrupole Magnets for CEBAF′s Hall A Spectrometer" von R. Kreutz et al ein supraleitender Magnet mit einer Stromzuführung vorgestellt. Die Stromzuführung weist 16 Leitungen, die jeweils aus gebündelten Messingdrähten bestehen, auf und dient dem Ein- und Ausleiten eines elektrischen Stromes. Die Leitungen sind gebündelt und durch ein Rohr geführt, in dem sie mit gasförmigem Helium gekühlt werden. Am Ende des Rohres sind die Leitungen auseinandergeführt. Weitere Einzelheiten der Stromzuführung wurden nicht dargestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Stromzuführung anzugeben, bei der über zumindest zwei voneinander unabhän­ gige Pole ein jeweiliger elektrischer Strom so führbar ist, daß in einer Querschnittsebene der Pole eine weitgehend gleichmäßige Temperaturverteilung vorliegt. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb der Stromzufüh­ rung anzugeben, mit dem eine Vereisung eines Endes ver­ mieden oder deutlich verlangsamt wird, insbesondere, wenn der elektrische Strom abgeschaltet oder kleiner als ein vorgegebener Nennstrom ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Stromzuführung gelöst, mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einer Mehrzahl elektrischer Leitungen, die an dem ersten Ende zu mindestens zwei elektrischen Polen geordnet, zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende in einer Umhüllung weitgehend ungeordnet geführt und an dem zweiten Ende zu der identischen Mehrzahl elektrischer Pole wie am ersten Ende geordnet sind.

Eine ungeordnete Führung der elektrischen Leitungen, insbesondere in einer Umhüllung, bedeutet, daß jede elektrische Leitung eines Pols von elektrischen Leitungen eines anderen Pols oder mehrerer anderer Pole umgeben ist; insbesondere sind die elektrischen Leitungen eines jeden Pols über einen Querschnitt der Stromzuführung irregulär verteilt.

Dadurch ist auch für den Fall, daß nur durch einen Pol ein elektrischer Strom fließt, eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung über den Querschnitt gewährleistet und eine starke lokale Aufheizung vermieden. Darüber hinaus ist die Stromzuführung selbst bei einer Mehrzahl, beispielsweise 4, 8 oder 16, elektrischer Pole besonders kompakt. Eine Kühlung der Pole kann über einen einzigen Kühlfluidstrom erfolgen, welcher aufgrund der ungeordneten Führung der elektrischen Leitungen über den Querschnitt der Umhüllung Stromzuführung, insbesondere der Umhüllung, eine weitgehend gleichmäßige Temperaturverteilung hat. Das Kühlfluid wird dadurch ebenfalls gleichmäßig aufgeheizt.

Vorzugsweise sind die elektrischen Leitungen eines jeden Pols zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende über einen Querschnitt der Stromzuführung weitgehend homogen verteilt.

Eine Mehrzahl elektrischer Pole, die durch die Umhüllung geführt sind und durch ein Kühlfluid kühlbar sind, haben gegenüber einzelner Pole, die jeweils in einer entsprechen­ den Umhüllung geführt und einzeln gekühlt sind, den Vor­ teil, daß ein wesentlich geringerer Platzbedarf und appara­ tiver Aufwand notwendig ist. Dieser Vorteil gilt unabhängig von dem verwendeten Material der elektrischen Leitungen, insbesondere auch für elektrische Leitungen aus hochreinem Kupfer. Bevorzugt sind die elektrischen Leitungen, insbe­ sondere Drähte, gegeneinander elektrisch isoliert, wodurch jeder Pol einen von den anderen Polen unabhängigen elektri­ schen Strom führen kann. Da jeder elektrische Pol einen elektrischen Strom führen kann, ist ebenfalls eine einfache Regelungsmöglichkeit gegeben. Durch Wahl der Anzahl und Abmessung der elektrischen Leitungen, beispielsweise der Länge und des Durchmessers von die elektrischen Leitungen bildenden Drähten, kann auf einfache Art und Weise der stromführende Querschnitt vergrößert und die kühlbare Oberfläche bemessen werden, so daß bei einer Belastung mit Nennstrom und entsprechender Kühlung ein gewünschtes Temperaturprofil entlang der elektrischen Leitungen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erhalten wird.

Mit Vorteil sind bei einer Stromzuführung die elektrischen Leitungen aus einem Werkstoff, welcher eine Wärmeleitfähig­ keit hat, die in einem Intervall der Temperatur, insbeson­ dere von etwa 4 K bis 350 K, eine im wesentlichen monoton steigende Funktion der Temperatur ist. Mit einem solchen Werkstoff und entsprechender Geometrie der Stromzuführung, insbesondere der Länge und Oberfläche der elektrischen Lei­ tungen, ist bei Belastung mit einem Nennstrom und entsprechender Kühlung der elektrischen Leitungen ein Temperaturprofil mit einem relativen Maximum auf der Stromzuführung erreichbar. Das Maximum liegt, insbesondere bei einer Temperatur des ersten Endes von etwa 4,2 K (Temperatur von flüssigem Helium unter Normaldruck) und einer Temperatur des zweiten Endes von etwa 290 K (Raumtemperatur), in der Nähe des zweiten, des warmen Endes. Bei einer solchen Stromzuführung tritt bei Belastung mit dem Nennstrom am warmen Ende keine Kühlung, sondern eine Heizung auf. Eine Vereisung des warmen Endes ist dadurch sicher vermieden. Bei Betrieb mit einem kleineren Strom als dem Nennstrom oder bei einem Abschalten des Stromes tritt bei der angegebenen Stromzuführung gegenüber einer Stromzuführung aus hochreinem Kupfer, bei der das Maximum viel steiler ausgeprägt wäre, eine wesentlich klei­ nere Kühlleistung am warmen Ende auf. Dadurch ist die Gefahr eines Vereisens des warmen Endes entweder ganz vermieden oder zumindest deutlich verringert. Auch ist gewährleistet, daß ein Wärmestrom am ersten, dem kalten Ende, allenfalls nur unwesentlich gegenüber einem Betrieb der Stromzuführung mit einer waagerechten Tangente des Temperaturverlaufes am warmen Ende ansteigt. Somit bleiben am kalten Ende die günstigen Eigenschaften bekannter Stromzuführungen weitgehend erhalten; am warmen Ende wird zudem eine Vereisung verhindert.

Besonders vorteilhaft ist der Werkstoff eine Kupferlegie­ rung, beispielsweise Messing oder Bronze, da die beiden Legierungen eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen sowie eine thermische Leitfähigkeit haben, die in einem Temperaturbereich von 2 K bis zu einigen 100 K eine weitgehend monoton steigende Funktion der Temperatur ist. Besonders eignet sich eine Messinglegierung aus 90 Gew.-% Kupfer und 10 Gew.-% Zink, die in der englisch sprachigen Literatur auch "Commercial Bronce" genannt wird.

Vorteilhafterweise ist an dem zweiten Ende eine Verteilein­ richtung angeordnet, die eine getrennte Führung einer Mehr­ zahl elektrischer Pole, insbesondere aus einer Umhüllung heraus, ermöglicht. Jeder Pol ist bevorzugt in einem Führungskanal geführt, in dem der Pol von einem Kühlfluid in ähnlich guter Weise wie in der Umhüllung kühlbar ist, wodurch eine gleichmäßige Kühlung jedes elektrischen Pols auch in der Verteileinrichtung gewährleistet ist. Jeder Pol verläuft in etwa parallel zu einer Querschnittsebene der Stromzuführung am zweiten Ende. Die Führungskanäle ver­ laufen beispielsweise radial von einer Hauptachse der Stromzuführung zu einer äußeren Berandung der Verteilein­ richtung. Je nach Geometrie der Verteileinrichtung und/oder der Umhüllung, beispielsweise eines Hüllrohres, kann ein anderer Verlauf der Führungskanäle vorteilhaft sein.

Bevorzugt sind die elektrischen Pole gasdicht aus der Ver­ teileinrichtung herausgeführt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Einbettung der elektrischen Leitungen in ein Epoxidharz. Es ist somit gewährleistet, daß kein Kühlfluid, welches innerhalb der Führungskanäle geführt wird, unkon­ trolliert aus der Verteileinrichtung heraustritt; vielmehr kann für das Kühlfluid ein geschlossener Kreislauf gebildet werden. Die Führungskanäle können beispielsweise in einem Abstand von etwa einem Zentimeter von einem Endbereich der Verteileinrichtung enden, wodurch für das Kühlfluid eine wirksame Austrittsbarriere erreicht ist.

Die Verteileinrichtung ist vorteilhafterweise von dem Kühl­ fluid durchströmbar, wodurch eine zusätzliche und gleich­ mäßige Kühlung der elektrischen Leitungen gewährleistet ist. Das Kühlfluid gelangt durch einen Führungskanal in ei­ nen Sammelkanal, der eine Austrittsöffnung für einen kon­ trollierten Austritt des Kühlfluids, beispielsweise in ei­ nen Gasverflüssiger, hat. Dadurch ist gewährleistet, daß das Kühlfluid jeden der elektrischen Pole, d. h. die den Pol bildenden elektrischen Leitungen, in gleicher Weise kühlt und in einem einzigen Strom aus der Umhüllung heraus führbar ist.

Die Verteileinrichtung besteht vorzugsweise weitgehend aus einem Kunststoff, insbesondere einem glasfaserverstärktem Kunststoff. Ein Kunststoff eignet sich besonders wegen seiner elektrischen Isolation sowie seiner geringen Wärmeleitfähigkeit.

In einer weiteren Ausgestaltung hat die Verteileinrichtung an einem Endbereich, an dem der Pol herausgeführt ist, ein Heizelement, insbesondere eine Heizfolie. Dieses Heizele­ ment kann gegebenenfalls unterstützend bei einer Abschal­ tung des Nennstroms eine Vereisung des zweiten Endes ver­ hindern. Zudem kann das Heizelement ein Vereisen des zwei­ ten Endes sowie daran angeordneter Stecker und/oder Buchsen bei außergewöhnlichen Betriebszuständen, wie beispielsweise bei einer erhöhten Gasproduktion des Heliums bei einem Verlust der Supraleitung des Magneten, verhindern.

Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung der Stromzufüh­ rung in der Kryotechnik bei einem mehrpoligen Einleiten und/oder Ausleiten eines elektrischen Stroms in ein bzw. aus einem System unabhängiger Spulen, beispielsweise einer Multipolspule, oder einem System mit mehreren separaten elektrischen Stromkreisen. Das System wird mit flüssigem Helium gekühlt, so daß die Stromzuführung an dem ersten Ende auf etwa 4,2 K und auf dem zweiten, dem warmen Ende auf etwa 290 K liegt. Insbesondere beim Abschalten des elektrischen Stromes besteht die Gefahr einer Vereisung des warmen Endes, da bei Ausbildung eines hohen Temperatur­ gradienten - dies ist vor allem bei Stromzuführungen aus hochreinem Kupfer der Fall - an dem warmen Ende eine Abküh­ lung der umgebenden Atmosphäre mit einem Gefrieren der in der Atmosphäre vorhandenen Feuchtigkeit eintreten kann. Bei Verwendung von Bronze oder Messing für die Stromzuführung wird diese Gefahr deutlich verringert. Darüber hinaus gibt es in der Kryotechnik häufig strenge Anforderungen an den Platzbedarf einer Stromzuführung. Eine Stromzuführung, die es ermöglicht, mit geringem Platzbedarf eine Mehrzahl elek­ trischer Pole aufzunehmen, ist daher besonders günstig. Dies gilt auch für den Fall, daß wie bisher üblich elektri­ sche Leitungen aus hochreinem Kupfer verwendet werden. Dar­ über hinaus kann der Kühlfluidstrom, der in einer einzigen Umhüllung geführt wird, bei einer erfindungsgemäßen Strom­ zuführung besonders einfach geregelt werden.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betrieb einer Stromzuführung mit elektrischen Leitungen, die an einem er­ sten, kalten Ende auf eine erste, kryogene Temperatur und an einem zweiten, warmen Ende auf eine zweite, höhere Tem­ peratur gebracht, mit einem Nennstrom belastet und mit ei­ nem, an den elektrischen Leitungen in Gegenstrom, d. h. entgegen der Richtung eines Wärmestroms in den elektrischen Leitungen, vorbeiströmenden Kühlfluid gekühlt wird. Zwi­ schen dem kalten Ende und dem warmen Ende wird entlang der Stromzuführung ein Temperaturprofil mit einem relativen Ma­ ximum eingestellt. Das relative Maximum liegt in der Nähe des warmen Endes und bedingt somit eine Heizung an dem warmen Ende, wodurch eine Vereisung des warmen Endes ver­ mieden wird. Bevorzugt bestehen die elektrischen Leitungen der Stromzuführung aus einem Werkstoff, insbesondere Bronze oder Messing, welcher eine Wärmeleitfähigkeit hat, die in einem Intervall der Temperatur, welches die erste Tempera­ tur, die zweite Temperatur sowie das relative Maximum um­ faßt, eine im wesentlichen monoton steigende Funktion der Temperatur ist. Vor allem bei einem Abschalten des Nenn­ stromes oder einem Betrieb der Stromzuführung mit einem kleineren Strom als dem Nennstrom hat ein solcher Werkstoff gegenüber hochreinem Kupfer, welches bisher überwiegend bei Stromzuführungen verwendet wird, den Vorteil, daß aufgrund einer flacheren Tangente des Temperaturverlaufes, d. h. ei­ nes kleineren Temperaturgradients, an dem warmen Ende eine Vereisungsgefahr deutlich verringert ist.

Bevorzugt wird das relative Maximum auf einen Wert der Tem­ peratur, der etwa 10 K bis etwa 70 K, insbesondere etwa 20 K oberhalb der höheren Temperatur liegt, eingestellt. Dadurch hat der Temperaturverlauf an dem warmen Ende eine Tangente die hinreichend von Null verschieden ist, so daß am zweiten Ende, auch bei kleineren Schwankungen des elektrischen Stromes, eine Heizung auftritt. Die auftretende Heizleistung ist darüber hinaus stets klein genug, um sicher und ohne Beschädigung von Kontaktstellen, insbesondere Lötverbindungen, oder Isolationsschichten, beispielsweise Lackschichten, abgeführt zu werden.

Bevorzugt ist das Kühlfluid Helium, die erste Temperatur beträgt in etwa 4,2 K und die zweite Temperatur ist Raum­ temperatur, d. h. sie beträgt etwa 280 K bis etwa 310 K. Die Stromzuführung wird von gasförmigem Helium durchströmt, welches an den elektrischen Leitungen in Richtung des zweiten, warmen Endes in vorgebbarer Weise vorbeiströmt. An dem warmen Ende ist das gasförmige Helium in etwa auf Raumtemperatur erwärmt. Entlang der Stromführung stellt sich ein stationäres Temperaturprofil mit einem relativen Maximum zwischen dem ersten Ende und dem warmen Ende ein, so daß bei Abschaltung des Nennstroms die Gefahr einer Vereisung deutlich verringert ist.

Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem das rela­ tive Maximum so eingestellt wird, daß es innerhalb einer Verteileinrichtung liegt, die an dem warmen Ende angeordnet ist und in der das Kühlfluid, insbesondere in Führungskanä­ len, an den elektrischen Leitungen vorbeiströmt. Da das Kühlfluid in Richtung des warmen Endes entlang der elektri­ schen Leitungen strömt, nimmt es von diesen Wärmeenergie auf, wodurch es erwärmt wird. Die Temperatur des Kühl­ fluides liegt deshalb entlang der elektrischen Leitungen etwas unterhalb der Temperatur der elektrischen Leitungen. Innerhalb der Verteileinrichtung findet ebenfalls ein Wär­ meübertrag zwischen Kühlfluid und jeder elektrischen Leitung statt, so daß das Kühlfluid, auch wenn es dem Anstieg der Temperatur auf das relative Maximum nicht folgen sollte, in der Verteileinrichtung in etwa die Temperatur des warmen Endes hat, wodurch die Gefahr einer Vereisung weiter verringert ist.

Anhand der Zeichnung werden eine Ausführungsform der Strom­ zuführung sowie das Verfahren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Stromzuführung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Stromzuführung ent­ lang des Schnittes II-II und

Fig. 3 einen Funktionsverlauf der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Werkstoffe.

In den Fig. 1 bis 3 sind schematisch nur die für die Erläu­ terung der Stromzuführung sowie des Verfahrens wesentlichen Teile dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Stromzuführung 1 in einem Längsschnitt. Die Stromzuführung 1 hat eine Umhüllung 3, die aus einem Hüllrohr 11 und einer Verteileinrichtung 4 besteht. In der Stromzuführung 1 ist eine Vielzahl gegeneinander isolierter elektrischer Leitungen 10 geführt. An dem ersten Ende 14 sind die elektrischen Leitungen 10 derart gebündelt, daß jedes Bündel elektrischer Leitungen 10, welches beispiels­ weise etwa 30 elektrische Leitungen umfaßt, einen elektrischen Pol 2 ergibt. Innerhalb des Hüllrohres 11 sind die elektrischen Leitungen 10 jedes Pols 2 weitgehend unregelmäßig geführt, d. h. irregulär über den Querschnitt 13 des Hüllrohres 11 verteilt, und eine Bündelung in voneinander getrennten elektrischen Polen 2 liegt nicht mehr vor. Am zweiten Ende 15, d. h. in der Verteileinrich­ tung 4, werden die elektrischen Leitungen 10 wieder ausein­ andergeführt, so daß wiederum voneinander getrennte Bündel elektrischer Leitungen 10 vorliegen, welche dieselben elektrischen Pole 2 wie am ersten Ende 14 ergeben. Die elektrischen Pole 2 werden jeweils getrennt voneinander in jeweils einem Führungskanal 5 geführt und in einem End­ bereich 8 gasdicht aus der Verteileinrichtung 4 heraus­ geführt. Die elektrischen Pole 2 sind in dem Endbereich 8 mit einem Epoxidharz umgeben. In dem Endbereich 8 ist darüber hinaus ein Heizelement 9 angeordnet. Jeder Führungskanal 5 steht mit einem kreisringförmigen Sammel­ kanal 6 in Verbindung. Der Sammelkanal 6 weist eine Aus­ trittsöffnung 7 auf. Der Werkstoff eines elektrischen Leiters 2 ist Messing (MS 90), welches 90 Gew.-% Kupfer und 10 Gew.-% Zink enthält.

Durch die Umhüllung 3 der Stromzuführung 1 wird im Betrieb gasförmiges Helium geführt, welches an dem ersten Ende 14 in die Umhüllung 3 einströmt. Das gasförmige Helium gelangt durch das Hüllrohr 11 an den, elektrischen Leitungen 10 vorbei in die Verteileinrichtung 4. Dort gelangt es über die Führungskanäle 5, an den elektrischen Polen 2 vorbei, in den Sammelkanal 6 und von dort in die Austrittsöffnung 7, aus der es aus der Umhüllung 3 heraustritt. Die Anzahl und die Querschnitte der elektrischen Leitungen 10, die insbesondere Drähte sind, sind so gestaltet, daß bei Belastung mit einem Nennstrom ein Temperaturprofil mit einem relativen Maximum entlang der Stromzuführung 1 eingestellt wird, wobei das Maximum in der Verteil­ einrichtung 4, insbesondere innerhalb der Führungskanäle 5, liegt. Dieses Temperaturprofil ist zudem durch die gleichmäßige Kühlung mit Helium sowie durch die ungeordnete Führung der elektrischen Leitungen 10 innerhalb des Hüllrohres 11 begünstigt. Vorteilhaft ist weiterhin, daß mit der Stromzuführung 1 mehrere elektrische Pole 2 zum Ein- und/oder Ausleiten eines elektrischen Stroms in ein Spulensystem aus elektrisch separaten Einzelspulen, insbesondere einer Multipolspule, platzsparend geführt sind. Dies ist für eine Verwendung in der Kryotechnik, bei der die Stromzuführung an einem ersten Ende auf einer ersten, kryogenen Temperatur, beispielsweise 4,2 K, und an einem zweiten Ende auf einer zweiten, höheren Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur, gehalten wird, unabhängig von der Wahl des Werkstoffes für die elektrischen Leitungen 10, besonders vorteilhaft.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Verteileinrichtung 4 entlang des Schnittes II-II in Fig. 1. Die Führungskanäle 5 verlaufen weitgehend radial und haben in etwa den gleichen Strömungswiderstand, welcher kleiner als der Strömungswiderstand des Hüllrohres 11 ist, in dem die Pole 2 ineinander vermischt verlaufen. In den Führungskanälen 5 ist jeweils ein elektrischer Pol 2 aus einer Vielzahl elektrischer Leitungen 10 geführt. Insgesamt zeigt Fig. 2 sechzehn Führungskanäle 5 mit zugeordneten elektrischen Polen 2, die beispielsweise für einen elektrischen Anschluß einer 16-poligen Multipolspule geeignet sind.

Fig. 3 zeigt in doppelt logarithmischem Maßstab einen prin­ zipiellen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit λ in W/(cm×K) in Abhängigkeit von der Temperatur in Kelvin für drei verschiedene Werkstoffe. Man erkennt, daß in einem Temperaturbereich von 2 K bis 300 K die Wärmeleitfähigkei­ ten von Messing (90 Gew.-% Kupfer, 10 Gew.-% Zink) und einer Bronzelegierung (93,3 Gew.-% Kupfer, 6,46 Gew.-% Zinn, 0,2 Gew.-% Phosphor) weitgehend monoton steigende Funktionen der Temperatur sind. Die Wärmeleitfähigkeit weitgehend reinen Kupfers (99,999 Gew.-% Kupfer) hat ein Maximum bei etwa 20 K und fällt zu höheren Werten der Temperatur bis zu etwa 80 K steil, bei noch höheren Tempe­ raturen leicht, ab. Bei allen drei Werkstoffen ist der spezifische elektrische Widerstand in dem betrachteten Temperaturintervall eine monoton steigende Funktion der Temperatur. Durch den mit der Temperatur monoton steigenden Verlauf der Wärmeleitfähigkeit des Messings oder der Bronze, insbesondere durch die kleinen Werte der Wärmeleitfähigkeit bei niedriger Temperatur, ergibt sich für die beiden Materialien im Gegensatz zu hochreinem Kupfer über die Länge der Stromzuführung ein gleichmäßige­ rer Temperaturverlauf, insbesondere mit einem allenfalls schwach ausgeprägten Wendepunkt und einem flachen Maximum in der Nähe des warmen Endes bei Belastung mit dem Nenn­ strom. Zudem ist auch für den Fall, daß kein elektrischer Strom durch die Stromzuführung fließt, die Tangente des Temperaturverlaufs, d. h. der Temperaturgradient, bei Mes­ sing und Bronze an dem warmen Ende deutlich flacher als bei hochreinem Kupfer, wodurch die Gefahr der Vereisung deut­ lich verringert ist. Darüber hinaus ist eine Stromzuführung aus Messing oder Bronze aufgrund der monotonen Wärmeleit­ fähigkeit gegen Überlastung, d. h. gegenüber einer Belastung mit einem höheren Strom als dem Nennstrom, deutlich unempfindlicher als eine Stromzuführung aus hochreinem Kup­ fer. Somit ist ein stabiler Betrieb einer Stromzuführung mit einem Maximum in der Nähe des warmen Endes gewähr­ leistet und eine einfache Steuerung, insbesondere über den Kühlfluidstrom, ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Stromzuführung mit einer Mehrzahl elektrischer Leitungen zeichnet sich durch eine äußerst platzsparende Ausführung aus, in der auf einfache Art und Weise eine Mehrzahl elektrischer Pole, beispielsweise zum Anschluß eines Spulensystems aus elektrisch separaten Ein­ zelspulen, geführt ist. Die Kühlung der Mehrzahl elektri­ scher Pole erfolgt über einen einzigen Kühlfluidstrom und ist dadurch besonders einfach regelbar. Aufgrund einer irregulären Anordnung der zu jedem Pol gehörigen Leitungen in der Stromzuführung ist selbst für den Fall, daß nur über einen einzigen elektrischen Pol ein elektrischer Strom fließt, ein weitgehend gleichmäßiger Temperaturverlauf über einen Querschnitt der Stromzuführung und damit eine gleichmäßige Erwärmung des Kühlfluides gewährleistet. Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betrieb einer Stromzuführung, bei dem durch einen elektrischen Nennstrom und einer Kühlung der den Nennstrom führenden elektrischen Leitungen mittels eines Kühlfluidstroms in der Nähe des warmen, beispielsweise auf Raumtemperatur befindlichen Endes ein Maximum der Temperatur eingestellt wird. Dadurch wird eine Vereisung des warmen Endes durch einen Wärmefluß von der Stromzuführung in das warme Ende hinein vermieden. Durch Wahl von Messing oder Bronze für das Material der elektrischen Leitungen ist selbst unmittelbar nach dem Abschalten des elektrischen Stromes aufgrund eines relativ flachen Temperaturgradienten am warmen Ende eine Gefahr der Vereisung desselben deutlich verringert.

Claims (14)

1. Stromzuführung (1) mit einem ersten Ende (14), einem zweiten Ende (15) und einer Mehrzahl elektrischer Leitungen (10), die an dem ersten Ende (14) zu mindestens zwei elek­ trischen Polen (2) geordnet, zwischen dem ersten Ende (14) und dem zweiten Ende (15) weitgehend ungeordnet geführt und an dem zweiten Ende (15) zu der identischen Mehrzahl elek­ trischer Pole (2) wie am ersten Ende (14) geordnet sind.

2. Stromzuführung (1) nach Anspruch 1, bei der die elektri­ schen Leitungen (10) eines jeden Pols (2) zwischen dem ersten Ende (14) und dem zweiten Ende (15) über einen Quer­ schnitt (13) der Stromzuführung (1) weitgehend homogen ver­ teilt sind.

3. Stromzuführung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die elektrischen Leitungen (10) aus einer Kupferlegierung, beispielsweise Messing oder Bronze, bestehen.

4. Stromzuführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der an dem zweiten Ende (15) eine Verteileinrichtung (4) zur getrennten Führung der elektrischen Pole (2), insbeson­ dere in einem jeweiligen Führungskanal (5), angeordnet ist.

5. Stromzuführung (1) nach Anspruch 4, bei der jeder elek­ trische Pol (2) in der Verteileinrichtung (4) im wesent­ lichen parallel zu einer Querschnittsebene (16) der Strom­ zuführung (1) am zweiten Ende (15) geführt ist.

6. Stromzuführung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei jeder elektrische Pol (2) gasdicht aus der Verteil­ einrichtung (4) herausgeführt ist.

7. Stromzuführung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wo­ bei in der Verteileinrichtung (4) ein Kühlfluid entlang je­ des elektrischen Pols (2) in einen Sammelkanal (6) mit ei­ ner Austrittsöffnung (7) führbar ist.

8. Stromzuführung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Verteileinrichtung (4) weitgehend aus einem Kunst­ stoff, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff, be­ steht.

9. Stromzuführung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die Verteileinrichtung (4) an einem Endbereich (8), an dem ein elektrischer Pol (2) herausgeführt ist, ein Heiz­ element (9), insbesondere eine Heizfolie, aufweist.

10. Verwendung der Stromzuführung (1) nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche zu einem mehrpoligen Einleiten und/oder Ausleiten eines elektrischen Stromes in ein Spulensystem aus elektrisch separaten Einzelspulen hinein bzw. aus dem Spulensystem heraus, welches mit flüssigem Helium gekühlt wird.

11. Verfahren zum Betrieb einer Stromzuführung (1) nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 9, wobei

• a) die Stromzuführung (1) an einem ersten Ende (14) auf eine erste, kryogene Temperatur und an einem zweiten Ende (15) auf eine zweite, höhere Temperatur gebracht wird und
• b) entlang der Stromzuführung (1) durch eine elektrische Belastung mit einem Nennstrom und durch eine Kühlung mit einem Kühlfluid in Gegenstrom ein Temperaturprofil ein­ gestellt wird, welches zwischen dem ersten Ende (14) und dem zweiten Ende (15) ein relatives Maximum aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das relative Maximum der Temperatur auf einen Wert eingestellt wird, der etwa 10 K bis 70 K, bevorzugterweise etwa 20 K, oberhalb der höheren Temperatur liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Kühlfluid Helium-Gas ist, die kryogene Temperatur etwa 4,2 K beträgt und die höhere Temperatur Raumtemperatur ist, insbesondere zwischen etwa 280 K und etwa 310 K liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der das relative Maximum der Temperatur innerhalb einer an dem zweiten Ende (14) angeordneten Verteileinrichtung (4) liegt.