DE60317866T2

DE60317866T2 - Stromzuführung für supraleitende Vorrichtungen

Info

Publication number: DE60317866T2
Application number: DE60317866T
Authority: DE
Inventors: Steffen Elschner; Joachim Bock; Franck Breuer
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: ATE380387T1; EP1406272A1; DE60317866D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Stromzuführung zur Versorgung von auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur gekühlten tieftemperatursupraleitenden Vorrichtungen mit Strom. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine derartige Stromzuführung, die eine multifilare Spule aus einem hochtemperatursupraleitenden Material umfasst.
Heutige supraleitende Vorrichtungen werden zumeist bei Flüssig-Helium-Temperatur, das heißt 4,2 K, betrieben. Zur Versorgung einer derartigen Tief-Tc-Vorrichtung mit Strom müssen für die Zuleitung und die Ableitung des Stroms mindestens zwei Stromleitungen von außen (Raumtemperatur) in das kryogene System geführt werden.
Im Allgemeinen bestehen diese Stromleitungen aus normalleitenden Metallen. Die aufgrund von Wärmeleitung und ohmschen Verlusts in das kryogene System eingeleitete Energie bewirkt einen deutlichen Abdampfverlust flüssigen Heliums, der einen wichtigen Kostenfaktor darstellt.
Es wurde vorgeschlagen, so genannte hybride Stromleitungen, die aus zwei Teilen bestehende Rohre oder Stäbe sind, zu verwenden. Der erste Teil ist normalleitend und führt von Raumtemperatur zu einem kryogenen System mit einer Zwischentemperatur von z. B. flüssigem Stickstoff LN2, d. h. 77 K. Der zweite Teil besteht aus hochtemperatursupraleitender (htsl) Keramik mit einer Sprungtemperatur oberhalb der Zwischentemperatur und führt von dem kryogenen System mit Zwischentemperatur zu der Tief-Tc-Vorrichtung mit z. B. flüssigem Helium LHe. Dadurch konnte der Wärmeeintrag in das flüssige Helium reduziert werden, da der zweite Teil aus einer Keramik besteht, die eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalle aufweist. Ferner werden bei Gleichstrom-Anwendungen ohmsche Verluste vermieden, da der zweite Teil selbst über seine gesamte Länge supraleitend ist.
Beide Enden des supraleitenden Teils der Stromleitungen sind mit Kontakten von geringem Widerstand versehen, wobei ein Ende mit dem normalleitenden Teil am Hochtemperaturende (warmes Ende) und das andere mit der supraleitenden Vorrichtung am Tieftemperaturende (kaltes Ende) verbunden ist.
Eine solche rohrartige hybride Stromleitung ist in EP 0 723 278 A1 offenbart. Diese hybride Stromleitung besitzt die Form eines Hohlzylinders, von dem ein Ende aus einem supraleitenden Material (kaltes Ende) und das andere aus einem Metall besteht.
Um den Wärmeeintrag zu verringern, ist ein mit einem Kühlmedium gefülltes Reservoir im Inneren des Rohrs an der Seite des Metallteils des Rohrs nahe dem supraleitenden Teil vorgesehen.
US 5,057,645 offenbart eine mit einer supraleitenden Vorrichtung verbundene Leitungsschnittstelle, wobei die Leitungsschnittstelle z. B. ein zylinderförmiges isolierendes Dewargefäß ist, in dem eine elektrische Leitung für die Stromzuführung zu der Tieftemperatur-Vorrichtung aufgenommen ist. Da die elektrische Leitung in einem isolierenden Dewargefäß aufgenommen ist, ist es nicht erforderlich, die elektrische Leitung in den Zeiträumen, in denen der supraleitenden Vorrichtung kein Strom zugeführt wird und die elektrische Leitung nicht gekühlt werden muss, von der supraleitenden Vorrichtung zu trennen. In dem elektrischen Element nach US 5,057,645 wird eine monofilare Spule als elektrische Leitung für den supraleitenden Teil am kalten Ende verwendet.
US 5,880,068 offenbart ein Verfahren zur Erhöhung der thermischen Länge des hochtemperatursupraleitenden Anteils einer Stromzuführung für Tieftemperatur-Supraleitungsvorrichtungen bezogen auf den Abstand zwischen seinem warmen und seinem kalten Ende, wobei der hochtemperatursupraleitende Anteil mindestens zwei Teile umfasst, die nicht kolinear angeordnet sind. Beispielsweise können die einzelnen Teile so parallel zueinander angeordnet sein, dass sie Platten bilden oder so hintereinander angeordnet sein, dass sie ein Zickzackmuster bilden.
Ferner wird vorgeschlagen, zwei jeweils aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammengesetzte Platten zu einer dualen Hochtemperatursupraleitung anzuordnen, wobei eine Platte zur Stromzufuhr zu und die andere Platte zur Stromabfuhr von der tieftemperatursupraleitenden Vorrichtung dient.
Die Stromzuführung nach US 5,880,068 ist eine komplexe, aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehende Anordnung. Außerdem erfordert ihre Herstellung eine Vielzahl von Verfahrensschritten, die das Herstellen, Anordnen und leitfähige Verbinden jedes einzelnen Teils einschließen.
WO 99//22386 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule aus einem hochtemperatursupraleitenden Material und eine hochtemperatursupraleitende Spule mit geringem Wechselstromverlust, einschließlich mono-, bi- und multifilarer Spulen. Zum mechanischen Stützen der Spule wird vorgeschlagen, die Zwischenräume zwischen den Filamenten der Spule mindestens teilweise mit einem elektrisch nichtleitenden Material auszufüllen, um Wirbelströme zu vermeiden. Gemäß WO 99//22386 können die erhältlichen Spulen als Halbzeuge zur Herstellung einer Stromzuführung verwendet werden. Es gibt keinen Hinweis auf die Verwendung derartiger Spulen als Stromzuführung zu Tieftemperatur-Vorrichtungen, bei denen die Stromzuführung die Tieftemperaturseite der Vorrichtung mit einer Hochtemperaturseite verbindet. Darüber hinaus gibt es keinen Hinweis auf den spezifischen Aufbau einer derartigen Stromzuführung in Spulenform zur Reduktion der Wärmeübertragung von der Hochtemperaturseite zu der Tieftemperaturseite. Im Gegenteil, unter den als zum Ausfüllen der Zwischenräume geeignet aufgeführten Materialien werden Materialien wie Aluminiumnitrid erwähnt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben.
In EP 0 350 268 A3 ist eine bifilare Spule aus YBCO-Material offenbart, die als Stromzuführung zur Verbindung einer Hochtemperaturseite mit einer Tieftemperaturseite verwendet wird. Um die Wärmeleitung von der Hochtemperaturseite zu der Tieftemperaturseite zu verringern, wird vorgeschlagen, in Richtung zu der Tieftemperaturseite hin verjüngte Filamente zu verwenden. In der Spule sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen Filamenten nicht gefüllt. Darüber hinaus gibt es keinen Hinweis auf die Herstellung einer derartigen Spule, insbesondere gibt es keinen Hinweis auf weitere konstruktive Besonderheiten, wie etwa die Breite der Zwischenräume etc..
Für die praktische Verwendung ist es erwünscht, dass der Querschnitt des Supraleiters möglichst gering ist, der Minimalwert wird jedoch von dem Nennstrom und der kritischen Stromdichte, das heißt der kritischen Stromdichte im wärmsten Teil in dem magnetischen Eigenfeld bestimmt.
Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte htsl Stromzuführung mit drastisch verringertem Wärmeeintrag zur Verfügung zu stellen. Außerdem war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine htsl Stromzuführung zur Verfügung zu stellen, bei der die Leitung für die Stromzufuhr zu und die Stromabfuhr von der Tieftemperatur-Vorrichtung in einem stabilen Bauteil vereinigt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solch eine kombinierte htsl Stromzuführung zur Verfügung zu stellen, die eine Optimierung der supraleitenden Geometrie und eine Reduzierung des Wärmeeintrags entsprechend den Anforderungen der speziellen Anwendung ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine htsl Stromzuführung in Form einer multifilaren Spule mit mindestens zwei Filamenten gelöst, wobei die Filamente aus einem htsl Material bestehen und zumindest teilweise durch ein Material von geringer Wärmeleitfähigkeit voneinander isoliert sind, wobei die Breite der Zwischenräume mindestens 2 mm beträgt.
In ihrer einfachsten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Doppelfaden- oder bifilare Spule, die aus zwei spiralförmigen Filamenten gebildet ist, die aus einem htsl Material bestehen und die Zwischenräume zwischen den spiralförmigen Filamenten sind zumindest teilweise mit einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt, um die Filamente gegeneinander zu isolieren.
Im Betrieb ist ein Ende jedes der die Spule bildenden Filamente mit einer tieftemperatursupraleitenden Vorrichtung verbunden und das andere Ende jedes der Filamente ist mit einer normalleitenden Leitung verbunden, wobei der Strom von einem der Filamente zugeführt und von dem anderen zurückführt wird.
Aufgrund der Spulenanordnung ist die thermische Länge drastisch erhöht, so dass der Wärmeeintrag deutlich reduziert wird.
Da der Strom in der htsl Stromzuführung der vorliegenden Erfindung in entgegengesetzter Richtung fließt, werden ferner negative Einflüsse des Eigenfelds des Supraleiters, welche die Stromtragfähigkeit des Leiters beeinträchtigen, vermindert. Aufgrund der erhöhten Stromtragfähigkeit gegenüber einem Supraleiter, in dem der Strom nur in eine Richtung fließt, kann in der Stromzuführung der vorliegenden Erfindung der Querschnitt des Supraleiters, also des Filaments, verringert und die Wicklungsanzahl erhöht werden.
Darüber hinaus wird das äußere Streufeld durch die multifilare Anordnung stark reduziert.
Die Stromzuführung der vorliegenden Erfindung in Form einer multifilaren Spule eignet sich insbesondere für Wechselstrom und Gleichstromanwendungen mit kleinem oder mittlerem Strom, insbesondere in einem Bereich von I = 10 A bis I = 1000 A.
Bei der vorliegenden Erfindung kann im Prinzip ein beliebiges hochtemperatursupraleitendes Material zur Bildung der multifilaren Spule verwendet werden. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete hochtemperatursupraleitende Material kann sowohl ein oxidisches, als auch ein nichtoxidisches Material sein. Die vorliegende Erfindung betrifft auch multifilare Spulen, die aus einem Material bestehen, das bei thermischer Behandlung supraleitend wird.
Beispiele sind oxidische supraleitende Materialien des Typs (Y,SE)-(Ba,Ca,Sr)-Cu-O, (TI,SE)-Ea-Cu-O, wobei Ea Erdalkalimetall und SE Seltenerdelement ist, oder ein oxidisches Supraleitermaterial umfassend Hg, wie zum Beispiel Supraleiter des Seltenerde-Barium-Kuprat-Typs, z. B. Supraleiter des Quecksilber-Barium-Strontium-Calcium-Kuprat-Typs oder Supraleiter des Thallium-Strontium-Calcium-Barium-Kuprat-Typs. Ein Beispiel für ein nichtoxidisches Material ist MgB₂ mit einer Tc von etwa 50 K.
Ein bevorzugtes oxidisches Supraleitermaterial ist vom Bismut-Strontium-Calcium-Kuprat-Typ (BSCCO) wie zum Beispiel Bi₂Sr₂CaCu₂Oy (allgemein durch "2212" bezeichnet) oder Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Oy (allgemein durch "2223" bezeichnet). Das supraleitende Material kann ein oder mehrere geeignete zusätzliche und/oder substituierende Elemente einschließen. Beispielsweise kann der BSCCO-Teil des Eismuts durch Pb ((Pb-)Bi-Sr-Ca-Cu-O) substituiert werden.
Ferner kann das supraleitende Material ein oder mehrere geeignete Verbindungen einschließen, wie etwa Sulfate oder Erdalkalimetalle, wobei die Sulfate einen hohen Schmelzpunkt haben, z. B. BaSO4, SrSO4, und/oder (BaSr)SO4.
Die einzelnen Filamente einer Spule sind thermisch durch ein geeignetes Material von geringer Wärmeleitfähigkeit voneinander isoliert. Kunststoffmaterialien sind geeignete Materialien. Beispiele sind Kunstharze wie etwa Epoxidharze, z. B. von Emerson & Cuming hergestellte Epoxidharze, die unter dem Markennamen "Stycast" vertrieben werden und von Ciba-Geigy hergestellte Epoxidharze, die unter dem Markennamen "Araldit" vertrieben werden.
Das isolierende Material wird jeweils in die Zwischenräume oder Einschnitte zwischen den einzelnen Filamenten verfüllt. Die Zwischenräume/Einschnitte können vollständig oder zumindest teilweise verfüllt sein.
Aufgrund der thermischen Isolierung wird die Wärme gezwungen, sich entlang der Wicklungen zu bewegen und jeglicher Bypass wird vermieden. Darüber hinaus wird durch das Füllmaterial die mechanische Stabilität verbessert.
Die Enden der Spule und jedes Filaments sind jeweils als Kontakte ausgebildet, d. h. sie sind mit Mitteln versehen, um die Spule und die Filamente jeweils mit einer Stromquelle, hier dem konventionell leitenden Teil der Stromzuführung, und einem Stromverbraucher, hier der tieftemperatursupraleitenden Vorrichtung, elektrisch leitend zu verbinden.
Geeignete Verfahren zur Herstellung solcher Kontakte sind allgemein bekannt und sind in WO 00/08657 offenbart, welche aufgrund ihres Zitats als in diese Beschreibung einbezogen gilt.
Beispielsweise kann eine derartige elektrisch leitende Verbindung erhalten werden, indem die Enden der supraleitenden Spule und der Filamente jeweils mit einem elektrisch leitenden Metall umgeben werden. Beispiele geeigneter Metalle sind Kupfer, Silber und Legierungen dieser Metalle untereinander und/oder mit anderen Metallen, wie etwa CuNi-Legierungen.
Diese Kontakte können aus Metallblechen gebildet sein oder können eingebrannte Metallkontakte sein.
Im Prinzip kann jedes bekannte Verfahren zur Herstellung multifilarer Spulen zur Herstellung der als multifilare Stromzuführung geeigneten multifilaren Spule der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Beispielsweise werden in WO 99/22386 Verfahren zum Herstellen bi- und multifilarer Spulen offenbart.
Im Folgenden werden die Prinzipien der Herstellung einer geeigneten multifilaren Spule unter Bezugnahme auf eine bifilare Spule veranschaulicht.
Als Ausgangskörper kann ein Rohr aus supraleitender Keramik oder ein Rohr aus einem Material, das bei weiterer thermischer Behandlung supraleitend wird, verwendet werden. Der Ausgangskörper kann an beiden Enden mit ringförmigen Metallkontakten, z. B. aus Silber, versehen sein.
Der vorgesehene Verlauf der doppelten Spirale wird z. B. durch Sägen, Drehen oder Fräsen in die Außenfläche des Rohrs eingeschnitten. Vorzugsweise wird die Wandung beim Einschneiden des Spiralverlaufs in die Wandung nicht vollständig durchtrennt, die Einschnitte in Form des Spiralverlaufs erstrecken sich also nicht bis zum Inneren des Rohrs.
Die Enden des Rohrs bleiben auf einer Fläche, die etwa der Fläche der Kontakte entspricht, uneingeschnitten, die Einschnitte des Spiralverlaufs reichen also nicht bis zu den Enden des Rohrs.
Die Einschnitte werden zumindest teilweise mit einem nicht supraleitenden Material von geringer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise einem geeigneten Kunststoffmaterial, gefüllt.
Die Innenfläche des Rohrs wird abgedreht, bis die einzelnen spiralförmigen Filamente voneinander getrennt sind.
Die Enden des Rohrs, die keine Einschnitte aufweisen, d. h. die Flächen der Kontakte werden durch zwei beispielsweise zur Achse des Rohrs parallele Schnitte durchtrennt und die Schnitte werden ebenfalls vollständig oder teilweise mit dem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, ein stabiles Bauteil zu erhalten, das aus zwei (oder, falls gewünscht, aus drei und mehr) voneinander isolierten, spiralförmigen Filamenten zusammengesetzt ist. Mit dem obigen Herstellungsverfahren kann auch eine multifilare Spule erhalten werden, bei der mehr als zwei Stromleitungen in einem Rohr integriert sind. Eine derartige Stromzuführung in Form einer multifilaren Spule kann vorteilhafterweise für Magnete mit tieftemperatursupraleitenden (ttsl) Shimming-Spulen verwendet werden, wie sie beispielsweise in der NMR-Spektroskopie zum Einsatz kommen.
Zur Verbindung der bifilaren Spule mit normalleitenden elektrischen Leitern oder Supraleitungsvorrichtungen kann jedes Ende der Filamente mit geeigneten Mitteln versehen werden, die den Fachleuten wohlbekannt sind.
Beispielsweise können beide Enden der Filamente mit halbkreisförmigen Bauteilen aus Kupfer versehen werden.
Als Ergebnis erhält man eine integrierte Stromzuführung, in der die Stromleitungen für die Stromzufuhr und die Stromabfuhr in einem einzigen Bauteil vereinigt sind.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Geometrie des Ausgangskörpers nicht auf ein Rohr beschränkt ist, sondern dass jede beliebige, zur Herstellung einer Spule geeignete Geometrie verwendet werden kann. Vorzugsweise ist die Geometrie des Ausgangsmaterials im Wesentlichen zylindrisch.
Die der Breite der Filamente entsprechende Breite der Windungen und die Schnittbreiten jedes spiralförmigen Filaments definieren die Steigung pro Windung und folglich die Gesamtlänge des spiralförmigen Filaments.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist "Breite" als die Erstreckung parallel zur Längsachse des Ausgangsrohrs definiert.
Die Abmessungen und die Geometrie der Spule sind nicht speziell eingeschränkt und können dem Bedarf entsprechend gewählt werden. Vorzugsweise sind die einzelnen Filamente der Spule konzentrisch angeordnet und haben denselben Durchmesser.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Breite der Zwischenräume (Schnitte) auf mindestens 2 mm eingestellt, um die Wärmeleitfähigkeit weiter zu reduzieren.
Vorzugsweise liegt die Schnittbreite im Bereich einiger Millimeter, z. B. von 2 mm bis 10 mm, insbesondere von 2 mm bis 6 mm und am bevorzugtesten von 2 mm bis 4 mm.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass bei einer bestimmten Länge des Spulenkörpers durch Verbreitern der Zwischenräume die Gesamtlänge der spiralförmigen Filamente und folglich die gesamte thermische Länge des Supraleiters reduziert wird – mit erhöhtem Risiko eines Wärmeeintrags in die supraleitende Vorrichtung mit tiefer Temperatur. Daher wird die obere Grenze für die Breite der Zwischenräume im Hinblick auf eine ausreichende thermische Länge des supraleitenden Filaments ausgewählt.
Der supraleitende Querschnitt ASC wird bestimmt durch die Breite und die Stärke der Windungen.
Da die Breite und die Stärke der Windungen dem Bedarf entsprechend gewählt werden können, ist eine genaue Einstellung des gewünschten Nennstroms möglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht die Stärke der Windungen der Wandstärke des Ausgangsrohrs für die Herstellung der Spule.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Stromzuführung in Form einer Spule nach der vorliegenden Erfindung einen Shunt aufweisen. Ein solcher Shunt dient dazu, das supraleitende Bauteil bei Durchbrennen zu schützen, wenn das htsl Material seine supraleitenden Eigenschaften verliert.
In einem solchen Fall tritt ein hoher Widerstand auf, der ohmsche Wärme verursacht, die das supraleitende Bauteil binnen kürzester Zeit zerstören oder beschädigen kann.
Der Shunt besteht aus einem normalleitenden Material, das auf die Außenfläche jedes der spiralförmigen Filamente aufgebracht wird. Der Shunt kann die Außenfläche sowohl in der Länge, als auch in der Breite vollständig oder nur teilweise bedecken. Vorzugsweise erstreckt sich der Shunt über die gesamte Länge des spiralförmigen Filaments.
Das Material für den Shunt kann aus jedem geeigneten leitenden Kunststoffmaterial oder aus Metall ausgewählt sein, wobei Metall bevorzugt ist.
Beispiele sind die Edelmetalle, insbesondere Ag, Au, Pt, Rh, Pd, Ru, Os und Ir und Legierungen hiervon. Auch Unedelmetalle und Legierungen können verwendet werden.
Die Edelmetalle sind hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft. Allerdings haben Edelmetalle andererseits auch eine gute Wärmeleitfähigkeit. Im Hinblick auf die gewünschte Reduktion des thermischen Eintrags in die mit der Stromzuführung verbundene supraleitende Vorrichtung wird die Verwendung von Metallen oder Legierungen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, obwohl diese Materialien häufig nur eine geringere elektrische Leitfähigkeit als die Edelmetalle aufweisen. Ein geeignetes Beispiel dafür ist CuNi30.
Um den Shunt auf die Außenfläche der spiralförmigen Windungen der Spule aufzubringen, kann der Ausgangskörper, in den der Spiralverlauf eingeschnitten wird, z. B. ein Rohr, vor dem Schneidvorgang mit einer Metallhülle versehen werden.
Alternativ kann das Metall für den Shunt durch eine Aufdampftechnik, wie etwa ein Plasma-Verfahren, eine Sputtering-Technik oder galvanisches Abscheiden auf die Oberfläche der spiralförmigen Filamente aufgebracht werden.
Geeignete Verfahren und Materialien, um einen Supraleiter mit einem Shunt zu versehen, sind in der WO 00/086657 , auf die oben Bezug genommen wird, offenbart. Die hier offenbarten Verfahren sind auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sich der Querschnitt der spiralförmigen Filamente in Richtung zu dem kalten Ende des spiralförmigen Filaments hin verjüngen, da sich die kritische Stromdichte mit abnehmender Temperatur erhöht. Beispielsweise kann der Querschnitt allmählich über die gesamte Länge abnehmen oder über eine bestimmte Erstreckung am warmen Ende gleich bleiben und von dem zum kalten Ende gerichteten Ende der Erstreckung bis zum kalten Ende des spiralförmigen Filaments reduziert sein.
Die verbleibende Wärmeleitfähigkeit der vorliegenden htsl Stromzuführung in Form einer multifilaren Spule wird bestimmt durch zwei Effekte, nämlich die Wärmeleitfähigkeit in Axialrichtung (P1) und die Wärmeleitfähigkeit in Azimutrichtung (P2, parallel zum Supraleiter).
Erstere (P1) ist durch die Breite der isolierenden Einschnitte bestimmt und nimmt mit zunehmender Breite der Einschnitte ab. Die für diesen Beitrag relevante Fläche ist definiert durch die Abmessungen des Ausgangsrohrs aus dem die Spule entsteht gemäß folgender Gleichung: ASpule = π(ra2–ri2), mit ra = Außenradius und ri = Innenradius.
Letztere (P2) ist durch die Gesamtlänge des Supraleiters (der Spule) bestimmt und nimmt mit zunehmender Länge der Spule ab.
Um P1 möglichst klein zu halten, sollte der Querschnitt des Rohrs also gering sein, um P2 möglichst klein zu halten sollte auf der anderen Seite die Länge der Spule groß sein.
Da die Länge der Spule mit zunehmender Breite der Einschnitte abnimmt, muss der Querschnitt der Spule optimiert werden, um die verbleibende Wärmeleitfähigkeit zu minimieren.
In der vorliegenden Erfindung kann dies ohne Weiteres durch einfache Variation der Breite der erzeugten Einschnitte und der Abmessungen der verwendeten Spule erreicht werden.
Zur Erläuterung wird in den folgenden Beispielen eine htsl Stromzuführung in Form einer bifilaren Spule gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer bisher bekannten htsl Stromzuführung in Form eines Rohrs verglichen.
Diese Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken.
In den Beispielen wird der Wärmeeintrag von htsl Stromzuführungen zwischen einem kryogenen System bei Zwischentemperatur (LN2) und einer Tieftemperatur-Vorrichtung mit flüssigem Helium (LHe) untersucht für I = 240 A.
Der Abstand zwischen beiden kryogenen Systemen (LN2, LHe) betrug 30 cm.
Die kritische Stromdichte bei 77 K betrug 1000 A/cm².
Das in beiden Beispielen verwendete supraleitende Material war BSCCO 2212. Das isolierende Material war Stycast 2850 FT.
Der Berechnung des Wärmeeintrags werden die folgenden Integrale für die Wärmeleitfähigkeit zugrunde gelegt:
Integral der Wärmeleitfähigkeit des Supraleiters (sc):
Integral der Wärmeleitfähigkeit des isolierenden Materials (im):
Beispiel 1

a) Stromzuführung des Stands der Technik, die aus zwei Stäben besteht.

Die verwendeten Stäbe hatten einen Querschnitt Asc = 0,24 cm².
Der Gesamt-Wärmeeintrag P_T wurde wie folgt berechnet: PT = 2 × Isc × Asc/L = 0,074 W, L = Länge der Stäbe = 30 cm

b) Erfindungsgemäße Stromzuführung in Form einer bifilaren Spule ohne elektrischen Shunt:

Es wurde eine Spule mit folgenden Abmessungen verwendet:

• Außendurchmesser der Spule = 35 mm
• Stärke der Wandung = 4 mm
• Länge der Spule = 30 cm
• resultierender Querschnitt A_Spule = 3,90 cm²
• Breite der Windungen = 6 mm
• Schnittbreite = 3 mm
• Länge jeder Spirale L_S = 162 cm.

Wärmeeintrag (axial):
mit x_im = L_im/L = 0,33 -relative Länge des isolierenden Materials (im)
x_sc = L_sc/L = 0,67 -relative Länge des Supraleiters (sc)
Wärmeeintrag (azimutal):
Gesamt-Wärmeeintrag: P_T < P₁ + P₂ = 0,039 W
Wie aus der vorstehenden Berechnung ersichtlich, wurde durch die Verwendung der Stromzuführung der vorliegenden Erfindung in Form einer bifilaren Spule der Wärmeeintrag um 48% reduziert.
Beispiel 2
Dasselbe kryogene System und dieselben Stromzuführungen wie in Beispiel 1 wurden verwendet, mit der Ausnahme, dass die Stromzuführung der vorliegenden Erfindung in Form einer bifilaren Spule und die stabförmige Stromzuführung nach dem Stand der Technik mit einem Shunt aus normalleitendem Metall versehen wurden.
Der Shunt war aus einer CuNi30-Legierung mit A_SC = A_M (AM = Querschnitt des Shunt) gefertigt.
Integral des Wärmeeintrags des normalleitenden Shunt (M)

a) Stromzuführung nach dem Stand der Technik:
Gesamt-Wärmeeintrag: P_ges = P_M + P_SC = 0,18 W + 0,075 W = 0,225 W
b) Stromzuführung der vorliegenden Erfindung: Wärmeeintrag (axial):

Wärmeeintrag (azimutal):
Gesamt-Wärmeeintrag: PT < P1 + P2 = 0,050 W + 0,063 W = 0,113 W
Durch die Stromzuführung der vorliegenden Erfindung wurde der Wärmeeintrag in das kryogene System mit LHe um 55% reduziert.
Man beachte, dass die vorstehenden Berechnungen die Effekte, die an der Reduzierung des magnetischen Eigenfeldes aufgrund des gegenläufigen Stroms in der multifilaren Spule der vorliegenden Erfindung beteiligt sind und die eine Erhöhung der Stromtragfähigkeit von etwa 20% zur Folge haben, nicht berücksichtigen.
Da in der vorliegenden htsl Stromzuführung in Form einer multifilaren Spule die Stromtragfähigkeit erhöht ist, kann für einen vorbestimmten Wert der Stromtragfähigkeit der Querschnitt des Supraleiters um den gleichen Betrag verringert werden.
Außerdem ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, ohne Weiteres die Abmessungen der Spule durch die Variation der Breite der Filamente und/oder der Breite der Einschnitte in Abhängigkeit von der kritischen Stromdichte, die von der Temperatur abhängig ist (ebenfalls nicht in der Berechnung berücksichtigt) zu optimieren.
Wenn diese Effekte in die Berechnung aufgenommen werden, können im Hinblick auf das Obige noch bessere Ergebnisse durch den Einsatz der Stromzuführung der vorliegenden Erfindung in Form einer multifilaren Spule, wie etwa einer bifilaren Spule, erwartet werden.

Claims

Hochtemperatursupraleitende Stromzuführung in Form einer multifilaren Spule mit mindestens zwei spiralförmigen Filamenten, wobei die Filamente aus einem hochtemperatursupraleitenden Material oder einem Material, das bei thermischer Behandlung supraleitend wird, bestehen und durch ein zumindest teilweise in die Zwischenräume zwischen den spiralförmigen Filamenten verfülltes Material voneinander isoliert sind und wobei die Leitung für die Stromzufuhr zu und die Stromabfuhr von der hochtemperatursupraleitenden Vorrichtung in einem Bauteil integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Zwischenräume mindestens 2 mm beträgt und das zumindest teilweise in die Zwischenräume verfüllte Material von geringer Leitfähigkeit ist.
Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine bifilare Spule ist.
Stromzuführung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus einem oxidischen Supraleitermaterial des Eismut-Typs (BSCCO) oder einem derartigen Material, das bei thermischer Behandlung supraleitend wird, gefertigt ist.
Stromzuführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuführung zumindest teilweise mit einem Shunt aus normalleitendem Material versehen ist.
Stromzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Shunt aus einem Material gefertigt ist, das aus Materialien mit verminderter oder geringer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt ist.
Stromzuführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt von einem oder mehreren der Filamente am kalten Ende der Stromzuführung kleiner ist, als am warmen Ende.
Stromzuführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der die Filamente voneinander trennenden Zwischenräume in einem Bereich von 2 mm bis 10 mm liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem röhrenförmigen Hohlkörper eine multifiiare Spule mit mindestens zwei spiralförmigen Filamenten gefertigt wird, wobei die Breite der die Filamente voneinander trennenden Zwischenräume mindestens 2 mm beträgt, dass die Zwischenräume zwischen den Filamenten zumindest teilweise mit einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt werden und dass jedes Ende der Filamente, gegebenenfalls vor dem Einschneiden der spiralförmigen Filamente in die äußere Oberfläche des röhrenförmigen Hohlkörpers, mit elektrischen Kontakten versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den spiralförmigen Filamenten Einschnitte mit einer Breite im Bereich von 2 mm bis 10 mm eingebracht werden.
Verwendung einer aus einem oxidischen Supraleitermaterial gefertigten multifilaren Spule als Stromzuführung für eine hochtemperatursupraleitende Vorrichtung, wobei die multifilare Spule aus mindestens einem Filament für die Stromzufuhr zu und mindestens einem Filament für die Stromabfuhr von der hochtemperatursupraleitenden Vorrichtung besteht und wobei die Zwischenräume zwischen den Filamenten zumindest teilweise mit einem Material ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Material von geringer Wärmeleitfähigkeit ist und dass die Zwischenräume eine Breite von mindestens 2 mm haben.