DE69005511T2 - Supraleitende Sammelschiene. - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf die Verteilung von elektrischer Energie auf elektronische Komponenten oder Systeme. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Anordnung zur Übertragung von elektrischer Energie in ein System, das supraleitende Komponenten enthält und das somit die Verteilung von Tieftemperaturflüssigkeit erfordert.
Technischer Hintergrund der Erfindung
• Elektronische Systeme wie Computer- und Telekommunikations-Systeme benutzen Komponenten, die bei tiefen Temperaturen arbeiten, wie z.B. supraleitende elektronische Bauelemente und optische Bauelemente, und erfordern es, daß Tieftemperaturflüssigkeiten (z.B. flüssiger Stickstoff) auf die verschiedenen Teile des Systems verteilt werden. Derartige Systeme erfordern es ebenfalls, daß elektrische Energie über das gesamte System zu jedem einzelnen Bauelement geleitet wird. Typischer Weise wird die Energie über eine breite Kupfersammelschiene verteilt. Um die Energieverluste im Verteilungssystem zu reduzieren, werden die Sammelschienen einerseits breit und andererseits aus Kupfer hergestellt. Trotzdem bewirken die bekannten Energieverteilungssysteme einen erheblichen Energieverlust und erzeugen eine unerwünschte Wärmemenge. Um die Energieverluste weiter zu reduzieren, wird die Energie auf der Sammelschiene üblicherweise bei einem elektrischen Potential (z.B. 48 Volt) übermittelt, das höher liegt als das Potential, das von den verschiedenen elektronischen Komponenten vertragen wird. Dies erfordert Energieumwandlungsschaltkreise in der Nähe der elektronischen Bauelemente, um die Spannung auf das geforderte Niveau zu reduzieren. Von den Energieverlusten einmal abgesehen, tragen die breiten Kupfersammelschienen und die energiewandelnden Schaltkreise in erheblicher Weise zu den Kosten einer umfangreichen elektronischen Installation bei.
• Die britischen Patente 1206472 und 2206440 offenbaren Anordnungen zum Kühlen von Leitern eines elektrischen Kabels auf ein supraleitenden Niveau, indem Tieftemperaturflüssigkeit durch den hohlen Kern eines elektrischen Kabels geleitet ist, wobei das supraleitende Material an der Innenseite der Höhlung mit der Tieftemperaturflüssigkeit in Kontakt steht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat vorgeschlagen, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
• Gemäß dieser Erfindung werden diese und andere Probleme im Stand der Technik überwunden und ein Fortschritt in der Technik erzielt.
• Insbesondere werden gemäß der vorliegenden Erfindung ein Energieverteilungssystem, das supraleitendes Material ei nsetzt, und ein Tiefkühlfluidverteilungssystem kombiniert, so daß sowohl elektrische Energie als auch Tiefkühlflüssigkeit jedem Teil des Systems zur Verfügung gestellt wird, der mit beidem versorgt werden muß. Die Vorrichtung enthält einen Leiter, der ein supraleitendes Material zum Transport von elektrischer Energie und einen Kanal zum Transport des Tiefkühlfluids bei einer bestimmten Tiefkühltemperatur enthält. In dieser einheitlichen Struktur wird das supraleitende Material durch durch den Leiter fließende Flüssigkeit gekühlt, so daß die elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle zu ein oder mehreren elektronischen Untersystemen bei einem elektrischen Widerstandswert nahe Null fließen kann, während gleichzeitig Tieftemperaturflüssigkeit zu den Untersystemen geliefert wird, um ihre Komponenten zu kühlen. In vorteilhafter Weise eleminiert diese Anordnung die Notwendigkeit für eine separate Stromschiene und reduziert damit Energieverluste. Dies führt zu finanzielle Einsparungen bei den Kupferkosten, den Kosten für die Ausrüstungen zur Energieherstellung und den Kosten für die Ausrüstungen zur schrittweisen Herunterschaltung der elektrischen Energie.
• Gemäß eines Aspekts der Erfindung besteht der Leiter aus einer Schale aus supraleitenden Material, die einen Kanal für den Transport von Tiefkühlfluid bildet. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Leiter aus voneinander elektrisch isolierten Abschnitten. Ein dieser Abschnitte wird benötigt, um Tiefkühlflüssigkeit zu einem elektronischen Untersystem zu führen, während der andere Abschnitt benutzt wird, um das Tiefkühlfluids zur Quelle zurückzuführen. Entsprechend wird eine elektrische Energiequelle mit dem einem isolierten Abschnitt verbunden, um elektrische Energie zu einem elektronischen Untersystem zu führen; die elektrische Energieversorgung ist auch verbunden mit dem anderen isolierten Abschnitt, um eine elektrische Rückführleitung vom Untersystem zur Energieversorgung zu erhalten.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, enthält ein Leiter zum Transport von Tiefkühlfluid und elektrischer Energie einen Abschnitt aus wärmeleitendem Material wie z.B. einen Kupferstab. Dieser ist mit wenigstens einem sich im Stab längs erstreckenden Kanal ausgestattet, um Tiefkühlfluid zu leiten, und mit wenigstens einem weiteren Kanal, den einen Stab aus supraleitendem Material enthält. In vorteilhafter Weise überträgt das wärmeleitende Material Wärme von dem supraleitendem Material zu der Tiefkühlflüssigkeit, damit das supraleitende Material seinen supraleitenden Zustand bei behält. Dadurch wird ein Energieverteilungssystem mit geringen Verlusten erzielt. Während das supraleitende Material einen Pfad geringen elektrischen Widerstandes in seinem supraleitendem Zustand zur Verfügung stellt, stellt der Kupferstab zusätzlich einen alternativen elektrischen Pfad von begrenzter Leitfähigkeit zur Verfügung für den Fall, daß das supraleitende Material in seinen nicht supraleitenden Zustand zurückfällt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält der Leiter zur Versorgung eines elektronischen Untersystems mit Tiefkühlfluid und elektrischer Energie ein Paar konzentrischer Hüllen, die jeder eine Schale aus supraleitendem Material aufweist und jeweils einen Kanal zum Transport von Tiefkühlfluid bildet. Tiefkühlfluid wird in dem einem Kanal zum Untersystem geliefert und im anderen Kanal zurückgeführt. In analoger Weise wird die eine Schale aus supraleitendem Material als energieführender Pfad zu einem Untersystem und die andere Schale als Rückführungspfad benutzt.
• Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung enthält ein Leiter für den gleichzeitigen Transport von Tiefkühlfluid und elektrische Energie eine Vielzahl von miteinander verbundenen Abschnitten, die sich in Längsrichtung erstrecken. Aneinander grenzende Abschnitte werden durch Kupplungsstücke aus elektrisch leitendem Material miteinander verbunden, wobei die Kupplungsstücke mit dem supraleitendem Material verbunden sind, so daß elektrische Energie über die diskontinuierlichen Verbindungen des supraleitenden Materials geleitet werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung kann besser anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden werden, wenn sie zusammen mit den Zeichnungen gelesen wird, wobei
• Figur 1 eine Darstellung eines Systems ist, das zur Übertragung von Tiefkühlfluid und elektrischer Energie zwischen einem elektronischen Untersystem und einer Quelle für Tiefkühlflüssigkeit bzw. elektrischer Energie ein Leitungspaar benutzt.
• Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiter gemäß Figur 1, der eine supraleitende Schale und einen Kanal zur Leitung von Tiefkühlfluid besitzt.
• Figur 2A ist ein Querschnitt entlang der Linie 2A-2A des Leiters nach Figur 2.
• Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Leitungskonfiguaration für ein System nach Figur 1, das einen Kupferstab enthält, in dem sich Kanäle zur Übertragung von Tiefkühlflüssigkeit und ein Kanal zur Lagerung eines Stabs aus supraleitendem Material befinden.
• Figur 3A ist ein Querschnitt entlang der Linie 3A-3A des Leiters gemäß Figur 3.
• Figur 4 ist ein Querschnittsdarstellung einer Quelle für Tiefkühlflüssigkeit und eines konzentrischen Leiters zur gleichzeitigen Übertragung von Tiefkühlflüssigkeit und elektrischer Energie zwischen einem elektronischen Untersystem und einer Quelle für Tiefkühlflüssigkeit bzw. elektrischer Energie.
• Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines Leiters zum Gebrauch in einem System nach Figur 4, bestehend aus konzentrisch geordneten supraleitenden Schalen, die Kanäle zur Übertragung von Tiefkühlfluid bilden.
• Figur 5A ist ein Querschnitt entlang der Linie 5A-5A des Leiters gemäß Figur 5.
Ausführliche Beschreibung
• Figur 1 ist die Darstellung eines Systems wie z.B. eines Computer- oder Telekommunikationssystems oder ähnliches, das eine Vielzahl von Untersystemen 101 enthält, wobei jedes Untersystem eine Versorgung mit elektrischer Energie und Tiefkühlflüssigkeit für seine Komponenten benötigt. Eine Tieftemperatur- oder Cryopumpe 110 stellt die Quelle für Tiefkühlflüssigkeit für die Untersysteme 101 und eine elektrische Energieversorgung 112 die Quelle für elektrische Energie für die Untersysteme dar. Ein Leitungssystem, bestehend aus zwei elektrisch isolierten Abschnitten 120 und 121, stellt einen Kanal für die Übertragung von Tiefkühlfluid zur Verfügung. Abschnitt 120 liefert Tiefkühlflüssigkeit zum Untersystem 101 mittels einer Abzweigung 123; Abschnitt 121 stellt einen Rückflußpfad für das Tiefkühlfluid vom Untersystem 101 über die Abzweigung 125 zur Verfügung. Auf die Flußrichtung des Kühlfluids kommt es dabei nicht an; die Funktionen der zwei Abschnitte können ohne weiteres vertauscht werden. Die Leitungsabschnitte 120 und 121 und ihre Abzweigungen sind von der Cryopumpe 110 durch Isolierabschnitte 130, von den Untersystemen 101 durch Isolierabschnitte 135 und untereinander durch Isolierabschnitte 137 elektrisch isoliert. Ein Energieübertragungsweg zwischen der Energieversorgung 112 und den elektrischen Anschlüssen 146 und 147 der Untersysteme wird durch sich parallel zu den Isolierabschnitten erstreckende Leiter gebildet. Ein elektrischer Übertragungsd raht 140 verbindet einen Anschluß der Energieversorgung 112 mit dem Abschnift 120, ein Draht 141 verbindet den anderen Anschluß der Energieversorgung 112 mit dem Abschnitt 121. Drähte 143 verbinden die elektrischen Anschlüsse 147 der Untersysteme 101 mit den Abzweigungen 123 des Abschnitts 120, und Drähte 145 verbinden die elektrischen Anschlüsse 146 der Untersysteme 101 mit den Abzweigungen 125 des Abschnitts 121. Die Isolatoren 130, 135 und 137 können z.B. aus KAPTON, einem kommerziell erhältlichen Isoliermaterial, hergestellt werden. Die Isolatoren werden so in die Leitungen eingesetzt, daß ein freier Fluß der Tiefkühlflüssigkeit durch die Leitungen ermöglicht wird gleichzeitig aber eine elektrische Isolation für die elektrisch leitenden Teile vorliegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Tiefkühlfluid Stickstoff (N&sub2;), das kein elektrischer Leiter ist und somit keinen elektrischen Strom zwischen den beiden Abschnitte leitet. Andere Tiefkühlfluids mit ähnlichen Eigenschaften können ebenso genutzt werden.b
• Die Cryopumpe 110 ist eine kommerziell erwerbbare Pumpeinheit, die eine Kühleinheit enthält, um das zurückfließende Tiefkühlfluid zu kühlen, und ein Resevoir mit Tiefkühlfluid enthält, das ausreicht, die Untersysteme 102 bis zu der geforderten Temperatur zu kühlen und somit die supraleitenden Materialien in den Leitungen, insbesondere in der Rückflußleitung unter der kritischen Temperatur zu halten. In ähnlicher Weise kann die elektrische Energieversorgung 112 eine kommerziell erwerbbare Einheit sein, die in der Lage ist, die geforderte Energie für die Untersysteme 101 zur Verfügung zu stellen. In der Zeichnung sind Ventile nicht dargestellt, die normalerweise in den Leitungen vorhanden sind, um die Leitungen von den unterschiedlichen Teilen des Systems abzutrennen. Nebenschlußventile 150 sind vorhanden, die es der Flüssigkeit erlauben, am Untersystem 101 vorbeizufließen, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Bei dieser dargestellten Ausführungsform ist ein bestimmter Betrag an Nebenschluß erwünscht, damit die Flüssigkeit in der Rückführleitung auf einer ausreichend tiefen Temperatur gehalten wird, um damit eine ausreichende Kühlung des supraleitenden Materials in der Rückführleitung zu erhalten. Um eine ausreichende Druckdifferenz zwischen der Versorgungsleitung 120 und der Rückflußleltung 121 sicherzustellen, damit der gewünschte Fluß durch das elektronische Untersystem 101 erfolgt, wird eine Strombegrenzung in der Form eines Ventils 148 in der Verbindung zwischen den beiden Leitungsabschnitten 120 und 121 verwendet. Alternativ können die beiden Abschnitte an den Enden geschlossen und nicht miteinander verbunden sein, wie in Fig. 1 gezeigt. Durch die Verbindung der beiden Abschnitte über ein den Flüssigkeitsstrom begrenzendes Ventil wird eine Einstelleinrichtung zur Steuerung des Flüssigkeitsstromes zur Verfügung gestellt; damit ist eine Steuerung der Temperatur des Supraleiters in der Rückführleitung möglich.
• Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Leiters zum Transportieren von Tiefkühlflüssigkeit und elektrischer Energie in einer Anordnung nach Figur 1. Der Leiter enthält eine Schale 251, die aus supraleitendem Material besteht, das ein kommerziell erhältliches Material sein kann, das manchmal als 1-2-3 Keramikmaterial (Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;) bezeichnet wird. Die Tiefkühlfluid fließt durch den Kanal 252, der durch die supraleitenden Schalen gebildet wird. Die innere und die äußere Oberfläche der Schalen können mit einem geeigneten Pazivierungsmaterial überzogen werden, z.B. einem dünnen Silberüberzug oder einer Indiumschutzschicht, auf diese Weise soll die Erosion der Schale reduziert werden und die elektrische Leitfähigkeit zu den angrenzenden Oberflächen vergrößert werden. Die angemessene Größe des Kanals für das Tiefkühlfluid hängt ab von der Energie, die von dem zu kühlenden System abgestrahlt wird und vom Druck, der von der Pumpe geliefert wird. Der Kanal 252 kann z.B. in der Größenordnung von 5 cm im Durchmesser ausgebildet werden und zwar in einem System, bei der die Energieabstrahlung in der Größenordnung von 10 Kilowatt liegt. Die Dicke der supraleitenden Schale 251 liegt bei diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 1,5 cm. Die Dicke des verwendeten Materials hängt einerseits ab von seinen physikalischen Eigenschaften und andererseits von ihrer Fähigkeit Strom zu leiten. Bei geläufig erwerbbarem Material wird eine Dicke in der Größenordnung von wenigstens 1,5 cm empfohlen, um die nötige physikalische Festigkeit zu erhalten. Eine Schale aus 1-2-3 Material dieser Dicke stellt die geforderte Stromleitungskapazität in einem 5 Volt System zur Verfügung, bei dem 10 Kilowatt Verlustleistung ensteht und bei dem die Temperatur des Tiefkühlfluids am oder nahe der Temperatur von flüssigem Stickstoff, d.h. bei 77 Grad Kelvin, liegt. Die supraleitende Schale wird umgeben von einer Kupferstützschale 253. Die Dicke dieser Schale liegt in der Größenordnung von 0,3 cm. Die Kupferschale stellt eine Stütze für die supraleitende Schale dar und stellt gleichzeitig einen elektrischen Nebenschluß für den Fall her, daß die Systemtemperatur oberhalb der kritschen Temperatur des supraleitendem Materials ansteigt und das Material damit im wesentlichen nichtleitend wird. Eine äußere Schale 255, die aus geeignetem kommerziell erhältlichen Isoliermaterial, besteht, sorgt für eine termische Isolation des Leiters. Die Dicke dieser Schale hängt von dem gewählten Material und der Größe der Wärmeleitung ab, die für das System als akzeptabel angesehen wird. Eine weitere Schale (nicht in der Figur gezeigt) besteht aus einer Vakuumkammer und kann zwischen der Kupferröhre und dem Isoliermaterial angeordnet werden, um die Wärmeübertragung weiter zu reduzieren. Die elektrische Verbindung zum Leiter wird mittels eines Anschlusses 260 hergestellt, der elektrisch mit der supraleitenden Schale 251 über die Kupferstützschale 253 verbunden ist.
• Die Figur 2A ist ein Querschnitt des Leiters entlang der Linie 2A-2A der Figur 2 und zeigt weiterhin ein Schraubkupplungsstück 257, das vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Das Kupplungsstück 257 verbindet zwei Gewinde 258 der beiden aneinander stoßenden Leitungsabschnitte, um eine mechanische Verbindung herzustellen. Eine Dichtung 259, hergestellt aus Gummi oder ähnlichem, verhindert eine Leckage des Tiefkühlfluids. Kupferringe 256 sind hinzugefügt, um die elektrische Leitfähigkeit über die Verbindung zu vergrößern. Die Ringe 256 sind so dimensioniert, daß sie zwangsweise mit den supraleitenden Schalen 251, der Kupferschalen 253 und miteinander in Kontakt treten, sobald das Kupplungsstück 257 angezogen wird. Der Ausdehnungskoeffizient der Kupferschale 253 wird vorzugsweise etwas größer gewählt als den der supraleitenden Schale 251, um einen größeren elektrischen Kontakt der beiden Schalen bei tiefen Temperaturen zu erzielen. Der Kontakt zwischen den supraleitenden Schalen 251 und der Kupferschale 253 stellt eine elektrische Leitfähigkeit über die Verbindung mittels des Schraubkupplungsstückes aus Kupfer 257 her. Wenn eine Kupferlegierung für das Verbindungsstück gewählt wird, das einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als den der Schale 253 besitzt, wird ein engerer Kontakt hergestellt, wenn das System sich auf tiefer Temperatur befindet.
• Ein T-Abschnitt beispielsweise zur Verbindung von Abzweigungen 123 und 125 kann, wie in Fig. 2A bei 265 ausgebildet sein. Der T-Abschnitt kann ein gesonderter Abschnitt sein, der zum graden Abschnitt des Leiters mittels des Kupplungsstückes 257, wie oben beschrieben, angefügt wird. Die Kupferleitungsschale des T-Abschnitts kann in bekannter Weise geformt werden, in dem z.B. Unterbrechungsabschnitte mit Gewindeabschnitten vorgesehen werden, die den gewünschten elektrischen Kontakt herstellen.
• Figur 3 ist ein Querschnitt durch eine alternative Ausbildung eines Leiters zum Gebrauch in einem System nach Figur 1. Der Leiter nach Figur 3 besteht aus einem Kupferstab 200, in dem eine Vielzahl von Kanälen 201 ausgebildet sind, die Tiefkühlfluid führen, sowie ein Kanal 202, der sich entlang der Achslinie des Kupferstabes 200 erstreckt und der einen Stab 203 enthält, der aus supraleitendem Material besteht. Der Kupferstab 200 ist von einem termischen Isolationsmantel 210 umgeben, der aus einem geeigneten termisch isolierenden Material oder aus einer Kombination aus einer Vakuumkammer (nicht gezeigt) und Isoliermaterial besteht, um die gewünschte Isolation zu bewerkstelligen. Eine elektrische Verbindung zum supraleitendem Stab 203 wird über den Kupferstab 200 und einen elektrischen Anschluß 220 hergestellt. Der supraleitende Stab kann einen Durchmesser von näherungsweise 1,25 cm aufweisen; der Kanal zur Aufnahme des supraleitenden Stabes weist einen etwas größeren Durchmesser auf, damit es möglich ist, den supraleitenden Stab in den Kanal einzusetzen. Die Kanäle 201 zur Führung der Tiefkühlflüssigkeit haben ebenfalls einen Durchmesser von 1,25 cm; der Kupferstab 200 hat einen Durchmesser von 8,75 cm. An jedem Ende des supraleitenden Stabes 203 befindet sich in Fig. 3A gezeigtes bearbeitetes Kupfereinsatzstück 212, um sowohl den supraleitenden Stab 203 als auch die Seiten des Kanals 202 zu kontaktieren, und ist in den Kanal 202 eingesetzt, um den elektrischen Kontakt zwischen dem supraleitenden Stab 203 und dem Kupferstab 200 sicherzustellen. Dadurch kann ein elektrischer Strom durch den Kupferstab zum Anschluß 220 und über die Verbindung zwischen zwei Abschnitten des Leiters fließen. Da der Ausdehnungskoeffizient von Kupfer größer ist als der von 1-2-3 Keramikmaterial (Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;), wird ein weiterer Kontakt zwischen dem supraleitenden Stab und den Kanalwänden bei tiefer Temperatur hergestellt, falls der Kanaldurchmesser bei Raumtemperatur etwa gleich groß ist wie der des supraleitenden Stabes.
• Ein Kupplungsstück 216 aus Kupfer mit einem Schraubgewinde ist in Figur 3A gezeigt. Es wird benutzt, um zwei Abschnitte des Leiters zu verbinden und einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den Abschnitten zur Verfügung zu stellen, indem ein elektrischer Kontakt über den Gewindeabschnitt 213 der verbundenen Kupferstäbe hergestellt wird. Indem eine Kupferlegierung ausgewählt wird für das Kupplungsstück, das einen etwas größeren Ausdehnungskoeffizient besitzt als der Kupferstab, wird ein engerer Kontakt zum Kupferstab erreicht, sobald das System sich auf tiefer Temperatur befindet. Gleichzeitig wird die Leitfähigkeit über die Verbindung erhöht. Weiterhin ist zu bedenken, daß der Widerstand von Kupfer z. B. bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff in der Größenordnung von einem Sechstel des Widerstandes bei Raumtemperatur liegt; dies erhöht zusätzlich die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers am Verbindungspunkt. Um den Fluß des Tiefkühlfluids durch die Kanäle 201 zu erleichtern, falls die Kanäle von verbundenen Abschnitten nicht vollständig ausgerichtet sind, wird in das Ende des Kupferstabs 200 ein ausgesparter Bereich 215 gefräst, so daß das Fluid zwischen den Kanälen 201 fließen kann.
• Ein T-Abschnitt des Leiters ist bei 225 gezeigt. Der T-Abschnitt kann ein seperater Abschnitt sein, der an einem geraden Abschnitt des Leiters mittels eines Kupplungsstück 216 angefügt wird, wie oben beschrieben. Der T-Abschnitt kann als massiver Kupferabschnitt ausgebildet werden, der sich schneidende, eingeformte Kanäle aufweist, die den Tiefkühlfluidstrom ermöglichen und die Verbindungsstäbe aus supraleitendem Material stützen. Alternativ hierzu kann auf die supraleitenden Stäbe im T-Abschnitt verzichtet werden, da der Kupferkörper des T-Abschnitts nur einen relativ kleinen Widerstand über eine vergleichbar kurze Distanz aufweist.
• Figur 4 zeigt eine Versorgungseinrichtung für Tiefkühlflüssigkeit, das die Schwerkraft ausnutzt, und eine Verteilungsanordnung zum Gebrauch in dem System, wie es in Figur 1 beschrieben ist. Diese Anordnung benutzt ein Satz aus konzentrisch angeordneten Leitern 402, 403 anstelle von zwei voneinander getrennten Abschnitte, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Die Leiter 402, 403 übertragen sowohl Kühlfluid als auch elektrischen Strom zum und vom Untersystem 412. In dieser Anordnung wird das Tiefkühlfluid von der Quelle in flüssiger Form geliefert und in Gasform zurückgeführt, die durch Wärmeaufnahme im Untersystem entsteht.Ein Vorrat an Tiefkühlflüssigkeit wird in einem Reservoir 418 aufrecht erhalten und zwar auf einem Pegel der physikalisch höher liegt als der Pegel 409 der Tiefkühlflüssigkeit in dem Untersystemgehäuse 412, was einen Fluß zum Untersystem aufgrund von Gravitationskräften hervorruft. Eine Füllstandssteuerschwimmer 408 betätigt ein Ventil 407, um den Pegel innerhalb des elektronischen Untersystems zu regulieren. Die Tiefkühlflüssigkeit, z.B. flüssiger Stickstoff, wird in dem äußeren Kanal 402 des konzentrisch angeordneten Leiters transportiert und zum Subsystem geführt Anordnungen 422 mit elektronischen, optischen oder supraleitenden Komponenten tauchen in die Flüssigkeit des Untersystems ein und übertragen während des normalen Arbeitbetriebs Wärme in die Flüssigkeit; dies bewirkt, daß ein Teil der Flüssigkeit in demDampfzustand überführt wird. Eine Standröhre 425 im Untersystem, die sich über die Oberfläche der Tiefkühlflüssigkeit im Untersystem erstreckt, kommuniziert über den inneren Kanal 403 der konzentrischen Anordnung mit der Standröhre 414 im Reservoir 418. Sobald Gas im Untersystemgehäuse 412 erzeugt wird und der Druck dort ansteigt, wird gasförmiger Stickstoff durch die Standröhren 425 und 414 und den inneren konzentrischen Kanal 403 in das Reservoir 418 fließen und dort einen erhöhten Gasdruck erzeugen. Ein Drucksensor 411 wird eingesetzt, um eine Kühleinheit 415 über den Gasdruck im Reservoir zu informieren. So bald der Gasdruck über ein bestimmtes Niveau anwächst, kühlt die Kühleinheit 415 einen Kondensor 416, welcher das gasförmige Tiefkühlfluid wieder zur flüssigen Form kondensiert und die Flüssigkeit in dem Reservoir zurückleitet. Ein Überdruckventil 413 ist vorgesehen, das sicherstellt, daß ein extremer Gasdruck im System vermieden wird.
• Die Wand 401 des inneren Kanals 403 und die Wand 400 des äußeren Kanals 402 bestehen aus elektrisch leitendem Material. Insbesondere bestehen sie aus einem supraleitenden Material wie z.B. das zuvor erwähnte 1-2-3 Material (Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;), das von einer Kupferschale getragen wird. Dies soll im folgenden mit größerer Genauigkeit in Bezug auf Figur 5 erläutert werden. Die Wände der Standröhre 425 und der T-förmigen Erweiterung 24 sind aus dem gleichen Material hergestellt. Ein Kryogen, z.B. Stickstoff das kein elektrischer Leiter ist, wird eingesetzt. Elektrische Energie wird von der elektrischen Energieversorgung 416 über die Leiter 420 und 421 zu den Bauteilanordnungen 422 übermittelt, wobei die Wand 400 des äußeren konzentrischen Leiters als Hinleitung und die Wand 401 des inneren konzentrischen Leiters als Rückführweg dienen. Ein Abschnitt aus isolierendem Material 405 bewirkt eine Isolierung zwischen dem Gehäuse des Reservoirs 418 und der supraleitenden Wand 401. Das Standrohr 414 kann aus isolierendem oder leitendem Material hergestellt werden. Elektrische Isolatoren 406 sind zwischen dem Gehäuse des Untersystems 412 und der äußeren supraleitenden Wand 426 der T-förmigen Erweiterung 427 und zwischen dem Standrohr 425 und der äußeren Schale 426 der Erweiterung 427 vorgesehen. Kupferkupplungstücke 430 und 431 stellen eine Verbindungsmöglichkeit dar, um den Erweiterungsabschnitt 422 mit dem restlichen konzentrischen Leiter zu verbinden. Damit Gas, das in dem Tiefkühlfluid im Kanal 402 gebildet wird, entweichen kann, ist ein Belüftungsloch 423 vorgesehen. Ein Schwimmerventil 424 verhindert, daß Flüssigkeit durch das Entlüftungsloch fließt.
• Figur 5 zeigt in größerer Genauigkeit den konzentrischen Leiter der Figur 4. Figur 5 zeigt einen inneren Kanal 504, der benötigt wird, um das gasförmige Kryogen zu transportieren. In einem System, das 10 Kilowatt Verlustleistung aufweist, ist der Durchmesser dieser Passage zu etwa 9 cm gewählt worden. Die Passage 504 wird umgeben von einer Schale 501 aus dem zuvor erwähnten 1-2-3 supraleitendem Material. Die Dicke dieser Schale ist in diesem Ausführungsbeispiel etwa 1,25 cm. Die innere und die äußere Oberfläche der Schale kann mit einem geeignete Pazivierungsmaterial überzogen werden, wie zuvor erwähnt z.B. mit Silber oder Indium. Um der Anordnung eine Strukturfestigkeit zu verleihen und ein bequemes Überleitungsverfahren des Stromes über die Verbindungs- oder Kupplungsstellen zur Verfügung zu stellen, an denen die Abschnitte der konzentrischen Leiter miteinander verbunden sind, ist die innere Schale des supraleitenden Materials von einer Kupferschale 503 umgeben, die eine Wanddicke von etwa 0,3 cm ausweist. Das flüssige Kryogen wird in dem Raum 505 zwischen den konzentrischen Schalen transportiert. Der Abstand zwischen der äußeren Wand der inneren Schale 503 und der inneren Wand der äußeren Schale 500 wird zu ungefähr 0,6 cm gewählt. Der äußere Leiter besteht aus einer Schale aus supraleitendem Material 500, das eine Dicke von etwa 1,25 cm aufweist, und wird von einer etwa 0,3 cm dicken Kupferstützschale 502 umgeben. Eine Vakuumkammer 507, gezeigt in Figur 5A, umgibt die äußere Wand des konzentrischen Leiters zur Wärmeisolation. Eine weitere Schicht aus isolierendem Material 508 bewirkt eine zusätzliche Isolation. Elektrisch leitende Abstandstücke 506 sind vorgesehen, um den inneren Leiter innerhalb des äußeren Leiters zu halten. Mit Gewinde versehene Kupferkupplungsstücke 509 und 510, gezeigt in Figur 5A, werden eingesetzt, um eine mechanische Verbindung und einen elektrisch leitenden Pfad zu erhalten. Kupplungsstück 509 verbindet Abschnitte der äußeren Kupferschale 502 und Kupplungsstück 510 verbindet Abschnitte der inneren Kupferschale 503. Eine Dichtung 511 wird verwendet, um zu verhindern, daß Flüssigkeit zwischen den Kanälen an den Verbindungspunkten ausgetauscht wird. Kupferringe 515 am Ende eines jeweiligen Abschnitts des konzentrischen Leiters unterstützen die Erzeugung eines elektrischen Kontakts zwischen der supraleitenden Schale und der sie umgebenden Kupfermuffe. Die elektrisch leitende Verbindung über die Leiterverbindung wird durch die Kupfermuffen und die Kupplungsstücke 509 und 510 bewirkt. Indem die Kupfermuffe nur wenig größer gemacht wird, als das supraleitende Material, das von ihr umfasst wird, wird ein zusätzlicher Kontakt zwischen der Kupfermuffe und dem supraleitenden Material bei tiefen Temperaturen wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Materialien erzielt.
• Ein T-Verbindungsstück für den konzentrischen Leiter ist bei 520 gezeigt. Der T-Abschnitt kann in allgemein bekannter Weise gebildet werden. Der unterbrochene innere Leiter kann z.B. mit einem Gewindeabschnitt ausgestattet werden, um eine mechanische und elektrische Verbindungen zu bewirken. Falls gewünscht kann im T-förmigen Abschnitt auf die supraleitende Schale verzichtet werden, da die entsprechende Kupferschale Strom bei einem relativ geringen Widerstand wegen der relativ kurzen Länge des T-Abschnittes leitet.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Zufuhr elektrischer Energie an ein elektrisches System mit folgenden Merkmalen:

eine Leitungsanordnung (253) weist elektrisch leitfähiges Material (251) zur Leitung elektrischer Energie an ein elektrisches Untersystem (101) auf;

ein Kanal (252) ist in der Leitungsanordnung zum Transport von Tieftemperaturflüssigkeit bei einer vorbestimmten niedrigen Temperatur vorgesehen, um das leitfähige Material in einen supraleitenden Zustand zu kühlen, um elektrische Energie bei einem niedrigen Wert des elektrischen Widerstandes zu leiten;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Kanal die Tieftemperaturflüssigkeit an das elektrische System zur Kühlung des elektrischen Systems transportiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material supraleitfähiges Material zur Leitung elektrischer Energie bei oder nahe dem Wert Null des elektrischen Widerstandes darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zum Transport von Tieftemperaturflüssigkeit in Kontakt mit dem supraleitfähi gen Material steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung erste (120) und zweite (121) Leitungsabschnitte aufweist, daß jeder Abschnitt einen Kanal aufweist, der durch eine Hülle mit dem supraleitfähigen Material gebildet wird, daß der Kanal des ersten Abschnittes zur Übertragung der Tieftemperaturflüssigkeit von einer Tieftemperaturflüssigkeitsquelle (110) an ein elektrisches Untersystem und der Kanal des zweiten Abschnittes zur Übertragung der Tieftemperaturflüssigkeit von dem Untersystem zur Tieftemperaturflüssigkeitsquelle dienen, daß die Hülle des ersten oder zweiten Abschnittes einen elektrischen Stromweg von einer elektrischen Energiequelle (112) zu dem Untersystem bildet, und daß die Hülle des anderen - zweiten oder ersten - Abschnitts einen elektrischen Stromweg von dem Untersystem zurück zu der elektrischen Energiequelle bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Abschnitt an einer Verbindungsstelle an einem Ende jedes Abschnittes miteinander vereinigt sind, um einen fortlaufenden Kanal für Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsverbindungspunkt einer Tieftemperaturflüssigkeitsquelle zu einem anderen Verbindungspunkt der Tieftemperaturflüssigkeitsquelle zu bilden, und daß die Hüllen des ersten und des zweiten Abschnitts an der Verbindung elektrisch voneinander isoliert (137) sind, um elektrisch unabhängige Wege zwischen einer elektrischen Energiequelle und dem Untersystem zu schaffen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Isolationseinrichtungen (135, 130) zur Schaffung einer elektrischen Isolation zwischen den jeweiligen Abschnitten und dem Untersystem (101) sowie zwischen den jeweiligen Abschnitten und der Tieftemperaturflüssigkeitsquelle vorgesehen sind, und daß elektrische Verbindungseinrichtung (140, 141, 143, 145) elektrische Verbindungen zwischen den Hüllen des ersten und zweiten Abschnitts und der elektrischen Energiequelle und zwischen den Hüllen des ersten und zweiten Abschnittes und dem elektrischen Untersystem errichten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsanordnung einen Abschnitt (200) aus wärmeleitfähigem Material mit einer Längsachse und mit mindestens einem Kanal (201) aufweist, der sich in Längsrichtung und innerhalb des Abschnitts des wärmeleitfähi gen Materials erstreckt, um Tieftemperaturflüssigkeit zu leiten, ferner mindestens einen zusätzlichen Kanal aufweist, der sich in Längsrichtung erstreckt, um ein längliches Teil (203) aus supraleitfähigem Material zu stützen, und daß das längliche Teil aus supraleitfähigem Material zur Leitung von elektrischem Strom dient, während es auf einer supraleitfähigen Temperatur gehalten wird, und zwar durch Ableitung von Wärme von dem länglichen Teil über das wärmeleitfähige Material zu der Tieftemperaturflüssigkeit, die in mindestens einem zur Leitung von Tieftemperaturflüssigkeit vorgesehenen Kanal fließt, und daß das wärmeleitfähige Material auch elektrisch leitfähig ist und zur Leitung von elektrischer Energie dient, wann immer das supraleitfähige Material den supraleitenden Zustand verläßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsanord nung zwei konzentrische Leitungen (504, 505) aufweist, die jeweils einen flüssigkeitsführenden Kanal besitzen, der durch Kanalwände mit supraleitfähigem Material gebildet wird, daß jeder Kanal des Kanalpaares zur Verbindung zu einer Tieftemperaturflüssigkeitsquelle und einer elektrischen Energiequelle sowie zur Verbindung zu einem elektrischen System vorgesehen ist, welches Tieftemperaturflüssigkeit und elektrische Energie benötigt, daß eine Leitung des Leitungspaars zur Leitung von Tieftemperaturflüssigkeit und elektrischen Strom von den Quellen zu dem System und die andere Leitung des Leitungspaares zur Bildung eines Rückkehrweges für das Tieftemperaturmaterial und den Strom von dem System zu den Quellen darstellt, und daß der Rückkehrweg das Tieftemperaturmaterial im flüssigen oder gasförmigen Zustand leitet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Tieftemperaturfluids ein Fluidreservoir (418) mit einem Fluidauslaß (405) aufweist, der in einem unteren Teil des Behälters gelegen ist, um Tieftemperaturfluid in flüssiger Form an den ersten Leitungsabschnitt abzugeben und mit einem Fluideinlaß (414) versehen ist, der eine verlängerte Leitung aufweist, die sich zu einem oberen Teil des Behälters erstreckt, um die Tieftemperaturfluid in Dampfform aufzunehmen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kupplungseinrichtungen mit elektrisch leitfähigem Material elektrisch mit den Umhüllungsabschnitten verbunden sind, um elektrische Energie über die Verbindungen der Hüllenabschnitte zu leiten, und daß die Kupplungseinrichtung Schraubkupplungsstücke mit einem Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der Ausdehnungskoeffizient der Hüllenabschnitte ist, wobei die Kupplungsstücke dahingehend wirken, daß die Abschnitte enger aufeinandergepreßt werden, wenn die Abschnitte gekühlt werden.