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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur für
eine Stromzuleitung, die für eine bei sehr niedriger
Temperatur arbeitende Anlage bestimmt ist.
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Die Verwendung von Supraleitern oder Hyperleitern bei
sehr tiefer Temperatur (beispielsweise bei 4,2 K, der
Temperatur des flüssigen Heliums) bedingt, daß der Strom durch
Stromleiter der auf Umgebungstemperatur liegenden Zone (300 K) zu
der auf sehr niedriger Temperatur liegenden Zone übertragen
wird.
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Im allgemeinen werden die Stromzuleitungen mit Hilfe
von metallischen Leitern gebildet, die eventuell durch die
Dämpfe des Tiefsttemperaturfluids gekühlt werden.
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Die sich daraus ergebenden Kälteverluste sind
beträchtlich und können wegen der bei einem Metall zwischen der
elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit bestehenden
Beziehung (Gesetz von Wiedemann Franz) nicht unter eine
bestimmte Grenze herabgedrückt werden. So gibt eine
Stromzuleitung aus Kupfer, die zwischen 4,2 K und 300 K arbeitet und für
1000 A ausgelegt ist, 1W in das Helium ab und benutzt die
erzeugten Dämpfe für ihre Kühlung. Die Kühl- und
Verflüssigungskapazität dieser Dämpfe liegt dann in der Größenordnung
von 3 kW elektrisch.
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Nach dem Auftauchen supraleitender Keramiken mit hoher
kritischer Temperatur (beispielsweise: 93 K für YBa&sub2;Cu&sub3;O6,9) ist
in Aussicht genommen worden, gemischte Stromzuleitungen
herzustellen, die einen Supraleiter für den Bereich zwischen der
sehr niedrigen Temperatur (beispielsweise 4,2K) und einer
Zwischentemperatur (beispielsweise 77 K, Temperatur des
flüssiges Stickstoffs) sowie einen metallischen Leiter für den
Bereich zwischen der Zwischentemperatur und der
Umgebungstemperatur aufweisen. Die supraleitende Keramik besitzt nämlich
den Vorteil, daß sie im Dauerbetrieb keine Wärme durch den
Joule-Effekt erzeugt und daß sie unter bestimmten Bedingungen
im veränderlichen Betrieb nur sehr wenig Wärme erzeugt. Dieser
Vorteil steht mit einer sehr geringen thermischen
Leitfähigkeit in Verbindung.
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Die Veröffentlichung "YBaCuO current lead for liquid
helium temperature applications" von F. Grivon et al, in 1990
Applied Superconductivity Conference, Snowmass Colorado vom
24. bis 28. September 1990 beschreibt ein Beispiel für eine
Stromzuführung, bei der man ein Bauteil aus YBaCuO in Form
eines Stabes oder Rohres verwendet.
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Beispielsweise kann die Verwendung eines Keramikstabes
mit einem Querschnitt von 20 mm² und einer Länge von 10 cm,
der 1000 A führt, in Betracht gezogen werden. Dieser Stab
würde etwa 0,2 W Wärme in das Helium einführen, was durch
einen Verbrauch von 100 w elektrisch eines Heliumkühlers
kompensiert wird. Dazu käme noch die Kühlung der metallischen
Stromzuleitung zwischen 70 K und 300 K, die ungefähr 400 W
elektrisch entspricht. Eine solche Lösung erscheint also sehr
vorteilhaft in Bezug auf eine metallische Stromzuführung
zwischen 4,2 K und 300 K, wie sie oben angesprochen wurde.
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Wie aus dem Aufsatz von J.L. Wu et al und J.R. Hull et
al in 1990 Applied Superconductivity Conference, Snowmass
Colorado vom 24. bis 28. September 1990 hervorgeht, ist auch
ein Zusammenbau supraleitender massiver Stäbe aus Keramik HTc
ausgeführt worden.
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Bei den vorgenannten Fällen werden die
Stromzuleitungen von Fall zu Fall berechnet und die Probleme der
elektrischen Isolation, der Dichtheit, der Kühlung werden nicht im
Bereich der Stromführung selber behandelt, sondern auf der
Ebene der Gesamtheit der Anlage, zu der die Stromführung
gehört. Somit erfordert die Kühlung der Stromzuleitung durch die
Heliumdämpfe eine globale Untersuchung dieser Anlage.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur für
eine Stromzuleitung, die geeignet ist, in Serie in Form eines
Bauteils hergestellt zu werden, das an viele unterschiedliche
Anlagen angepaßt werden kann und mit sehr geringen Verlusten
den Stromtransport zwischen der Zone sehr niedriger Temperatur
(beispielsweise 4,2 K) und der Zwischentemperaturzone
(beispielsweise 77 K) zu bewirkt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
Struktur für eine Stromzuführung, die für eine Anlage bestimmt ist,
welche bei sehr niedriger Temperatur arbeitet, und die ein
langgestrecktes Bauteil aus supraleitender Keramik mit hoher
kritischer Temperatur aufweist, dessen beide Enden mit einem
ersten Medium bei der sehr tiefen Temperatur bzw. einem
zweiten Medium bei Zwischentemperatur in Kontakt kommen sollen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil an den beiden Enden
mit zwei metallischen Anschlüssen versehen ist, die gute
Strom- und Wärmeleiter sind und an denen zwei Hüllenelemente
dicht befestigt sind, die eine niedrige Wärme- und elektrische
Leitfähigkeit besitzen und so angeschlossen werden können, daß
um das supraleitende Bauteil herum ein Isolationsvakuum
herrscht.
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Die beiden Anschlüsse können leicht angeschlossen
werden, beispielsweise durch Schweißung einerseits an das
supraleitende Gerät und andererseits an eine metallische
Stromzuleitung im Bereich zwischen der Zwischentemperatur und
der Umgebungstemperatur.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante sind die beiden
Hüllenelemente aus einem Metall hergestellt, das eine sehr
geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit, aber gute
mechanische Eigenschaften besitzt, wie etwa der rostfreie
Stahl 304 L. Diese Elemente werden an den metallischen
Anschlüssen vor der Herstellung des Kontaktes zwischen der
supraleitenden Keramik und den Anschlüssen angelötet, um eine
nachteilige Erwärmung der supraleitenden Keramik zu vermeiden.
Anschließend werden die beiden Hüllenelemente miteinander
durch eine dichte Schweißung verbunden. Der Raum zwischen der
so geschlossenen Hülle und dem supraleitenden Bauteil kann
teilweise mit einem Superisolator gefüllt werden. Anschließend
stellt man in der Hülle das Vakuum durch eine Öffnung her, die
mit einem Rohr verbunden ist, das man nach dem Auspumpen
zuquetscht. Auf diese Weise stellt man eine Fertigkomponente
her, die in sehr unterschiedlichen Konfigurationen verwendbar
ist.
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Das durch die unterschiedlichen Schrumpfungen und
durch andere Quellen von Belastungen verursachte Problem wird
durch die metallische Hülle vermindert, die zugleich eine
gewisse mechanische Stabilität und eine gewisse
Nachgiebigkeit, abstimmbar über die Dicke und die Form ihrer Wand,
aufweisen kann.
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Diese Form kann sehr unterschiedlich sein. Die Wand
kann mindestens teilweise gewellt sein, was ihr eine
beträchtliche Verformungskapazität verleiht und die Wärmeleitungswege
zwischen den beiden Anschlüssen verlängert.
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Die Struktur der Stromzuleitung gemäß der Erfindung
bildet eine kompakte Komponente, die Strom mit sehr geringen
Verlusten zwischen ihrem auf sehr niedriger Temperatur
liegenden Anschluß, der beispielsweise in ein Bad flüssigen Heliums
mit 4,2 K eingetaucht ist, und ihrem auf Zwischentemperatur
befindlichen Anschluß leitet, der beispielsweise in ein Bad
aus flüssigem Stickstoff mit 77 K eingetaucht ist.
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Sie erfordert keine interne Kühlung und wird nur durch
Wärmeleitung an ihrem Anschluß gekühlt, der sich in dem auf
sehr niedriger Temperatur liegenden Medium befindet, was eine
wichtige technische Vereinfachung im Vergleich zu
Vorrichtungen bringt, die durch Dämpfe gekühlt werden. Insbesondere
verträgt die Struktur jede Schrägstellung und kann in den
unterschiedlichsten Lagen montiert werden.
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Da die Struktur nicht durch Dämpfe gekühlt wird, paßt
sich die Stromzuleitung gemäß der Erfindung besonders gut
Anlagen an, die als "Kühlschrank" arbeiten, d.h. in denen eine
Tiefsttemperaturkühlmaschine die bei sehr niedriger Temperatur
aufgefangene Dämpfe verflüssigt. Das ist beispielsweise bei
supraleitenden Geräten der Fall, die mit 50 oder 60 Hz
arbeiten und eine überschüssige Heliummenge verdampfen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante, die besser
dem Fall angepaßt ist, daß die Stromzuleitung die metallischen
Wände eines Kryostaten durchqueren muß, ohne die Dichtheit und
die elektrische Isolation zu beeinträchtigen, bestehen die
Hüllenelemente aus isolierender Keramik. Ihre dichte
Verbindung mit den metallischen Anschlüssen wird durch eine an sich
bekannte Behandlung vor der Herstellung der Kontakte zwischen
der supraleitenden Keramik und den Anschlüssen sichergestellt.
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Nach der Anbringung der supraleitenden Keramik und
eventuell eines Superisolators können die beiden
Hüllenelemente aus isolierender Keramik durch eine metallische
Zwischenwand vereinigt werden, die die mechanische Festigkeit
verbessert und später die Herstellung von Verbindungen mit dem
Kryostaten durch Schweißung ermöglicht. Die metallische
Zwischenwand ist vorzugsweise durchbrochen. Dies ermöglicht es, nach
der Montage ein den metallischen Wänden des Kryostaten und der
Stromzuführung gemäß der Erfindung gemeinsames
Isolationsvakuum herzustellen und die Wärmeleitung sehr herabzusetzen.
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Im äußersten Fall werden die Hüllenelemente aus
isolierender Keramik nicht miteinander direkt durch eine
metallische Zwischenwand verbunden. Sie sind aber mit einem
metallischen Kragen versehen, der dicht an der entsprechenden Wand
des Kryostaten angeschweißt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante weist die
äußere Wand des Hüllenelements bei der Zwischentemperatur
einen Raum auf, der einen Speicher für das
Tiefsttemperaturfluid bildet, das in thermischem Kontakt mit dem
entsprechenden Anschluß steht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden im Laufe der nachfolgende Beschreibung von nicht
beschränkend zu verstehenden Ausführungsformen erläutert.
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Figur 1 zeigt schematisch im Teilschnitt ein Beispiel
einer Struktur für eine Stromzuleitung gemäß der Erfindung.
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Figur 2 zeigt schematisch im Teilschnitt ein weiteres
Beispiel einer Struktur Stromzuleitung gemäß der Erfindung,
die die Wände eines Kryostaten durchqueren soll.
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Figur 3 zeigt ausschnittsweise eine Variante der
Stromzuleitungsstruktur gemäß Figur 2.
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Figur 4 zeigt schematisch im Teilschnitt ein weiteres
Beispiel einer Stromzuleitung gemäß der Erfindung, die einen
Speicher für flüssigen Stickstoff enthält.
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Figur 5 ist eine sehr schematische Ansicht eines
Kryostaten, der mit Stromzuleitungen gemäß den Varianten der
Figuren 2, 3, 4 versehen ist.
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In Figur 1 sieht man ein langgestrecktes Bauteil, wie
etwa einen Stab 1, mit einer Länge zwischen einigen
Zentimetern und mehreren zehn Zentimetern aus supraleitender Keramik
mit hoher kritischer Temperatur des Typs YBaCuO, dessen beide
Enden 2, 3 mit zwei metallischen Anschlüssen 4 und 5 verbunden
sind, die gute Strom- und Wärmeleiter sind und beispielsweise
aus Kupfer bestehen. Die Kontakte zwischen den Enden 2 und 3
und den beiden Anschlüssen 4 und 5 werden beispielsweise durch
das in dem Aufsatz von F. Grivon et al beschriebene Verfahren
hergestellt.
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Das Ende 2 und der Anschluß 4 sind dazu bestimmt, mit
einer Zone sehr niedriger Temperatur (4,2 K) in Kontakt zu
stehen, während das Ende 3 und der Anschluß 5 dazu bestimmt
sind, mit einer auf Zwischentemperatur (77 K) liegenden Zone
in Kontakt zu stehen.
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Zwei dünne metallische Hüllenelemente 6 und 7, die
vorzugsweise unmagnetisch sind, beispielsweise aus rostfreiem
Stahl des Typs 304 L oder 316 L bestehen, sind auf die
Anschlüsse 4 und 5 in den mit 8 und 9 bezeichneten Bereichen
angelötet und miteinander entlang einer mit 10 bezeichneten
Linie verschweißt. Sie definieren um den Stab 1 und um einen
Abschnitt der Anschlüsse 4 und 5 herum einen Raum 11, in dem
man mit Hilfe eines Stutzens 30, der später zugequetscht wird,
ein Vakuum herstellt. Man kann in dem Raum eine Gruppe von
geprägten Scheiben 12 aus einem superisolierenden Material
vorsehen, beispielsweise Mylarblätter, die auf ihren beiden
Flächen, welche orthogonal zum Stab 1 angeordnet sind, mit
Aluminium beschichtet sind.
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Der Anschluß 4 ist beispielsweise in ein Bad aus
flüssigem Helium eingetaucht.
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Die elektrische Isolation einer solchen Struktur kann
durch herkömmliche Techniken erfolgen. So können die
Hüllenelemente 6, 7 im übrigen Bereich der Anlage durch Träger aus
Teflon, Epoxyharz, Glas, Keramik oder entsprechenden Stoffen
befestigt werden.
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Die Varianten der Struktur für eine Stromzuleitung
gemäß der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, sind
in den Figuren 2, 3, 4 durch die Bezugszeichen 40, 50, 60
bezeichnet und erscheinen in Figur 5 in Verbindung mit einem
Kryostaten 100. Letzterer enthält eine zu versorgende
Einrichtung 101, die in einen Speichertank mit flüssigem Helium 110
eingetaucht ist, von dem zwei Wände 102 und 107 bezeichnet
wurden.
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Flüssiger Stickstoff 111 ist in einem Speichertank
enthalten, dessen Wände 103 und 108 von den Wänden 102 und 107
durch das im Raum 109 herrschende Isolationsvakuum getrennt
sind.
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Metallische oder supraleitende Anschlüsse 104, 105,
106, die sich auf einem Temperaturniveau von 4,2 K befinden,
sind mit metallischen Anschlüssen 114, 15, 116, die sich auf
einem Temperaturniveau von 77 K befinden, durch
Stromzuleitungsstrukturen 40, 50, 60 gemäß der Erfindung verbunden.
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Bezugnehmend auf Figur 2 sieht man, daß die Struktur
40 zwei Hauptschalen 40 aus isolierender Keramik 13 und 14
aufweist, die in dichter Verbindung mit einerseits den
Anschlußklemmen 4 und 5 und andererseits einer metallischen
Zwischenwand 15 stehen, die eventuell gewellt ist und Löcher
16 aufweist. Bei der Montage wird die Zwischenwand 15 an die
metallischen Wände 102 und 103 des Kryostaten angeschweißt,
wobei sie die Medien auf sehr niedriger Temperatur bzw. auf
Zwischentemperatur voneinander trennt. Auf diese Weise ist das
Isoliervakuum 109 dem Kryostaten 100 und der Stromzuleitung
gemäß der Erfindung gemeinsam. Der Superisolator 12 kann in
der in Figur 1 gezeigten Weise angeordnet werden.
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In Figur 3, in der die Strukturvariante 50 gemäß der
Erfindung dargestellt ist, sieht man, daß zwei Halbschalen 13
und 14 aus Keramik mit metallischen Kragen 33, 34 versehen
sind, die jeweils an die Wände 102 und 103 des Kryostaten
angeschweißt sind. Auch in diesem Fall ist das Isoliervakuum
109 dem Kryostaten 100 und der Stromzuleitung gemäß der
Erfindung gemeinsam.
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Bei der in Figur 4 dargestellten Variante 60 weist das
Ende 5 der Stromzuleitung, die auf dem Niveau der
Zwischentemperatur arbeitet, eine Geometrie auf, die für eine bequeme
Integration in das System geeignet ist. Eine Hülle 27 aus
Metall oder Keramik umgibt wie bei der Variante der Figur 1
den Stab vollständig. Der obere Abschnitt der Hülle begrenzt
einen gegen das Vakuum 19 isolierten Raum 20, der das
Tiefsttemperaturfluid auf dem Niveau der Zwischentemperatur 21
aufnehmen kann. Bei der Montage begrenzt ein Rohr 22 den Raum, in
welchem die Dämpfe des Fluids zirkulieren, welche den
metallischen Anschluß 116 der Stromzuleitung kühlen.
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Um die Verluste der Stromzuleitung klein zu halten,
kann man der supraleitenden Keramik einen veränderlichen
Querschnitt geben, derart, daß der vom Querschnitt, den örtlichen
Werten der Temperatur und dem Magnetfeld abhängige kritische
Strom überall ungefähr die gleiche Größe besitzt. Dies führt
allgemein zu einem Querschnitt, der nach den tiefen
Temperaturen hin abnimmt.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt. So kann man im Rahmen der Ansprüche
jedes Mittel durch ein äquivalentes Mittel ersetzen.