DE69225379T2 - Verfahren zur kühlung einer spule aus supraleitendem oxidmaterial - Google Patents

Verfahren zur kühlung einer spule aus supraleitendem oxidmaterial

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Spule aus supraleitendem Oxidmaterial oder eines massiven supraleitenden Materials und dient zur Bereitstellung einer Technologie zur Kühlung von Spulen aus supraleitendem Oxidmaterial auf eine Temperatur, die niedriger ist als der Siedepunkt von Flüssigstickstoff bei atmosphärischen Druck, und zur Verhinderung des Kriech- bzw. Viskositätsphänomens des magnetischen Flusses einer supraleitenden Spule.
  • Ein supraleitendes Material entfaltet seine Supraleitfähigkeit bei und unter seiner kritischen Temperatur (Tc), und supraleitende Oxidmaterialien mit einer relativ hohen kritischen Temperatur (Tc) werden erwartungsgemäß beim Siedepunkt von Flüssigstickstoff bzw. bei 77 K verwendet. Zwei Verfahren werden im allgemeinen zur Kühlung von supraleitenden Materialien angewendet. Das eine verwendet eine Tiefkühlvorrichtung, und das andere verwendet flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff als Tiefkühlmittel. Das letztere wird angesichts der schnellen wärmeleitung, der verbesserten Wärmeleitfähigkeit und der gleichmäßigen Wärmeverteilung normalerweise zur Kühlung von supraleitenden Spulen und massiven supraleitenden Materialien empfohlen. Verflüssigtes Helium wird häufig unter verringertem Druck bei einer Temperatur unter 2,19 K verwendet, um es in einem Suprafluidzustand zu halten. Angesichts der oben beschriebenen Tatsachen und weiterer überlegungen beträgt die Temperatur, bei der ein massives supraleitendes Oxidmaterial verwendet wird, vorzugsweise 2,19 K, 4,2 K oder 77 K.
  • Ein supraleitendes Material muß normalerweise beträcht lich unter seine kritische Temperatur abgekühlt werden, um seine gewünschten Eigenschaften unter der Bedingung einer hohen elektrischen Stromdichte stabil sicherzustellen. Obwohl die Verwendung von flüssigem Helium (2,19 K, 4,2 K) als Kühlmittel einen Vorteil hat, nämlich eine erhöhte kritische elektrische Stromdichte im Vergleich zur Verwendung von Flüssigstickstoff, ist sie mit folgendem Nachteil behaftet: hohe Kosten und schwieriger Handhabung. Was die Verwendung von Flüssigstickstoff (77 K) betrifft, so ist andererseits in einem Bericht festgestellt worden, daß ein QMG-Material, das in einem Quench-und-Schmelzwachstumsverfahren hergestellt wurde und mit Flüssigstickstoff (77 K) gekühlt wurde, in einem Magnetfeld von 1 T einen Jc-Wert von 30 000 A/cm² aufwies ("New Superconducting Materials Forum News"; Nr. 10, S. 15), und ein anderer Bericht besagt, daß unter Verwendung eines silberummantelter Bi-Drahtes ein Jc-Wert von immerhin 4 000 A/cm² erreicht worden ist, was den Gedanken nahelegt, daß solche supraleitenden Materialien in naher Zukunft praktische Anwendungsmöglichkeiten finden können. Es wird jedoch allgemein anerkannt, daß ein neues oder verbessertes Kühlverfahren vorgeschlagen werden muß, das supraleitende Oxidmaterialien unter 77 K stabil kühlen kann, und zwar unter Verwendung eines leicht handhabbaren Flüssigstickstoffs als Kühlmittel, so daß die supraleitenden Eigenschaften solcher Materialien vollständig genutzt werden können.
  • Es ist außerdem berichtet worden, daß von einem massiven Magneten, der aus einem QMG-Material bestand, bei 77 K eine maximale magnetische Flußdichte von 1,35 T erreicht wurde, diese wurde jedoch begleitet vom Kriechphänomen des magnetischen Flusses des QMG-Materials, das die magnetische Flußdichte mit der Zeit allmählich dämpft. Deshalb besteht auch dringender Bedarf für eine Beseitigung eines solchen Kriechens.
  • US-A-3 994 141 offenbart ein System, das ein niedrigsiedendes Gas am Tripelpunkt als Kühlmittel verwendet, das an den Verbrauchsort transportiert wird. Je nach Einzelfall muß eine Zwischenlagerung des Schlickers nicht erforderlich sein. US-A-4 689 439 offenbart eine supraleitende Spule, die in einem Normalfluid-Heliumbad angeordnet ist.
  • Angesichts der oben beschriebenen Probleme besteht deshalb eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung eines massiven halbleitenden Oxidmaterials oder eines massiven Magneten unter Verwendung von Flüssigstickstoff bereitzustellen, der bei niedrigen Kosten verfügbar und leicht handhabbar ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
  • Die Erfindung hat im wesentlichen zwei Aspekte. Gemäß einem Aspekt stellt sie eine Einrichtung zur stabilen Kühlung eines supraleitenden Körpers auf die Tripelpunkttemperatur (63,1 K) von Stickstoff bereit, die erreicht wird, indem Stickstoff durch Verringerung des Druckes gekühlt wird, und gemäß dem anderen Aspekt stellt sie eine Einrichtung zur stabilen Kühlung eines supraleitenden Körpers bei annähernd 63,9 K unter atmosphärischem Druck unter Verwendung der latenten Wärme eines Phasenübergangs von Stickstoff, der eine flüssige und eine feste Phase umfaßt, bereit.
  • Im einzelnen wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die oben genannte Aufgabe dadurch erreicht, daß ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule und zum stabilen Halten derselben bei einer konstanten Temperatur bereitgestellt wird, mit den Schritten: Einbringen von Flüssigstickstoff in einen Spulenbehälter und Verringern des Innendrucks des Spulenbehälters durch eine Pumpeinrichtung, um den Stickstoff auf die Tripelpunkttemperatur (63,1 K) abzukühlen. Auf eine andere Art und Weise wird die Aufgabe der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule und zum stabilen Halten derselben auf einer konstanten Temperatur für eine längere Zeitdauer bereitgestellt wird, mit den Schritten: Einbringen von Flüssigstickstoff in einen Spulenbehälter, Verringern des Innendrucks des Spulenbehälters durch eine Pumpeinrichtung, um den Stickstoff auf die Tripelpunkttemperatur (63,1 K) abzukühlen, stabiles Halten der supraleitenden Spule auf dieser Temperatur, während Flüssigstickstoff in eine Vorvakuumkammer eingebracht wird, der Innendruck der Vorvakuumkammer verringert wird, um den Stickstoff auf die Tripeltemperatur von Stickstoff abzukühlen, und der Spulenbehälter wiederholt mit dem zusätzlichen gekühlten Stickstoff der Vorvakuumkammer versorgt wird.
  • Was die Verhinderung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses betrifft, so wird die oben genannte Aufgabe dadurch erfüllt, daß ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule unter Verwendung von Flüssigstickstoff und zur Vermeidung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses bereitgestellt wird, mit den Schritten: magnetisches Erregen der supraleitenden Spule in einem Spulenbehälter auf über 63,1 K durch Verändern des Innendrucks des Spulenbehälters und anschließendes Verringern der Innentemperatur des Spulenbehälters auf 63,1 K durch Verringerung des Innendrucks.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule und zum stabilen Halten derselben auf einer konstanten Temperatur bereitgestellt wird, mit den Schritten: Einbringen von Flüssigstickstoff in einen Spulenbehälter und anschließendes Kühlen des Inneren des Behälters durch eine Tiefkühleinrichtung auf nahe dem Schmelzpunkt (63,9 K) von Stickstoff bei atmosphärischem Druck.
  • Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Verhinderung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses dadurch erreicht, daß ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule unter Verwendung von Flüssigstickstoff bei atmosphärischem Druck und zur Vermeidung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses bereitgestellt wird, mit den Schritten: magnetisches Erregen der supraleitenden Spule in einem Spulenbehälter auf über 63,9 K durch Verändern der Innentemperatur des Spulenbehälters durch eine Tiefkühleinrichtung und anschließendes Verringern der Innentemperatur des Spulenbehälters auf nahe 63,9 K.
  • Auf andere Art und Weise wird die Verhinderung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses dadurch erreicht, daß ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Oxidspule unter Verwendung von Flüssigstickstoff und zur Vermeidung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses bereitgestellt wird, mit den Schritten: magnetisches Erregen der supraleitenden Spule in einem Spulenbehälter bei oder unter 92 K bei einem Druck über dem atmosphärischen Druck und anschließendes weiteres Kühlen des Spulenbehälters durch Entweichenlassen oder Ablassen des Innendrucks des Spulenbehälters auf eine Temperatur unter der Temperatur, bei der die magnetische Erregung beendet worden ist.
  • Fig. 1 bis 4 sind schematische Schnittansichten verschiedener Ausführungsformen der Vorrichtung zum Kühlen einer supraleitenden Oxidspule zur Realisierung dieser Erfindung.
  • Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Bedingung des magnetischen Flusses in einem supraleitenden Körper darstellt.
  • Fig. 6 ist ein Diagramm, das darstellt, wie sich die magnetische Flußdichte mit der Zeit in einem supraleitenden Körper verringert.
  • Fig. 7 ist eine schematische Darstellung, die darstellt, wie das Kriechphänomen des magnetischen Flusses in einer supraleitenden Spule erfindungsgemäß vermieden wird.
  • Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines massiven Magneten mit drei Wicklungen, die einem Experiment unterworfen worden sind, das von den Erfindern zum Zweck der Erfindung durchgeführt worden ist.
  • Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Umgebungsdruck und dem Siedepunkt von Stickstoff darstellt.
  • Erfindungsgemäß wird ein supraleitender Körper bei atmposphärischem Druck dadurch stabil unter dem Siedepunkt von Stickstoff gehalten, daß die feste und die flüssige Phase von Stickstoff nebeneinander bestehen.
  • Der Tripelpunkt von Stickstoff beträgt 63,1 K, und diese Temperatur kann durch Verringerung des Druckes (94 mm Hg), mit dem Flüssigstickstoff beaufschlagt wird, erreicht werden. Stickstoff unter der Tripelpunktbedingung wird mit größter Wahrscheinlichkeit in einem sorbetähnlichen Zustand vorgefunden, wobei feste Stickstoffstücke im Flüssigstickstoff verteilt sind. Dabei beträgt der Schmelzpunkt von Stickstoff bei atmosphärischem Druck annähernd 63,9 K, und Stickstoff unter einer Bedingung, wo er sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand vorkommt, kann erreicht werden, indem er mit einer Tiefkühleinrichtung gekühlt wird. Die Temperatur einer Substanz kann ohne Schwierigkeit unter einer Bedingung konstantgehalten werden, wo aufgrund einer latenten Wärme, die mit einem Phasenübergang von fest zu flüssig verbunden ist, sowohl eine feste als auch eine flüssige Phase nebeneinander bestehen. Außerdem kann der supraleitende Körper effektiv und effizient unter einer solchen Bedingung gekühlt werden, da der Körper mit einer Flüssigkeit in Kontakt ist. Einer der Vorteile der Kühlung eines supraleitenden Körpers mit Stickstoff unter der Tripelpunktbedingung besteht darin, daß er auf eine relativ einfache Weise unter Verwendung einer Pumpeinrichtung zur Verringerung des Drucks gekühlt werden kann, ohne daß Tiefkühlvorrichtungen erforderlich wären. Andererseits ist es vorteilhaft, einen supraleitenden Körper bei atmosphärischem Druck durch Flüssigstickstoff auf seinen Schmelzpunkt abzukühlen, da die Verwendung eines Vakuumgefäßes nicht erforderlich ist und somit die Struktur des Spulenbehälters relativ einfach sein kann.
  • Ein QMG-Material weist normalerweise bei 63,1 K (oder 63,9 K) einen Jc-Pegel auf, der zwei- bis dreimal so hoch wie dessen Pegel bei 77 K und in einem Magnetfeld von 1 T nahe 80 000 A/cm ist, um sich bei der Erzeugung eines Magnetfeldes als zweimal so effektiv zu erweisen, wie es bei 77 K ist. Es kann mit Sicherheit behauptet werden, daß ein solches Material auf vielen verschiedenen technischen Gebieten angewendet werden kann.
  • Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Realisierung der Erfindung zur Kühlung eines supraleitenden Körpers auf den Tripelpunkt von Stickstoff durch Verringerung des Druckes von Flüssigstickstoff. Die Vorrichtung weist einen Spulenbehälter 1, einen darin befindlichen supraleitenden Oxidkörper 6 und eine Vakuumpumpe 2 auf. Der Spulenbehälter 1 ist fest genug ausgeführt, um jeder Vakuumbedingung innerhalb des Behälters standzuhalten. Das Innere des Spulenbehälters 1 ist mit einer Schicht aus einem wärmeisolierenden Material 3 beschichtet, um den Behälter mit einem gewissen Grad an Wärmeisolierung zu versehen. Flüssiger Stickstoff wird bei atmosphärischem Druck in den Behälter 1 unter Verwendung einer Flüssigstickstoffeinlaßöffnung 5 eingebracht, die oben am Behälter 1 angeordnet ist, und nachdem die Einlaßöffnung 5 mit einer Kappe verschlossen worden ist, wird das Ventil 4 der Vakuumpumpe 2 geöffnet, um das Innere des Spulenbehälters 1 mit der Vakuumpumpe 2 zu verbinden, und die Innentemperatur des Spulenbehälters kann durch Steuerung des Innendrucks auf einer gewünschten Temperatur zwischen 77 K und 63,1 K gehalten werden. Wenn die Tripelpunkttemperatur von Stickstoff durch Verringerung des Innendrucks erreicht ist, kann diese Temperatur sehr stabil gehalten werden, da diese Temperatur die Eigentemperatur des Materials ist.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat ein Verfahren zur Kühlung eines supraleitenden Körpers für eine längere Zeitdauer unter Verwendung der Tripelpunktbedingung von Stickstoff entwickelt. Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer sol chen Vorrichtung. Wie die oben beschriebene Vorrichtung gemäß Fig. 2 weist sie einen Spulenbehälter 1 auf, der mit einer Vakuumpumpe 2 über ein Ventil 9 verbunden ist, weist jedoch, anders als die Vorrichtung gemäß Fig. 2, zusätzlich eine Vorvakuumkammer 8 auf, die angrenzend an den Spulenbehälter 1 angeordnet und auch über das Ventil 9 mit der Vakuumpumpe 2 verbunden ist. Die Zufuhr von Stickstoff ist unverzichtbar, um eine supraleitende Spule im Spulenbehälter für eine längere Zeitdauer weiterzukühlen, jedoch steigt die Innentemperatur des Spulenbehälters unerwünschterweise, wenn dem Spulenbehälter bei atmosphärischem Druck Flüssigstickstoff zugeführt wird. Dann nimmt die Vorvakuumpumpe 8 vorübergehend den über die Flüssigstickstoffzuführungsöffnung 5 zugeführten Flüssigstickstoff auf und senkt die Temperatur des zugeführten Flüssigstickstoffs durch Verringerung des zugeführten Drucks auf diejenige des Flüssigstickstoffs im Spulenbehälter, so daß dem Spulenbehälter 1 ausreichend gekühlter Flüssigstickstoff zugeführt werden kann, indem die Trennwand 10, die den Spulenbehälter 1 und die Vakuumkammer 8 trennt, entfernt wird. Es ist verständlich, daß bei einer solchen Anordnung dem Spulenbehälter Flüssigstickstoff bei einer konstanten Temperatur zugeführt werden kann, so daß die supraleitende Spule für eine längere Zeitdauer auf der niedrigen Temperatur gehalten werden kann.
  • Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Realisierung der Erfindung, die geeignet ist, latente Wärme zwischen einer flüssigen und einer festen Phase bei atmosphärischem Druck zu verwenden. Diese Vorrichtung weist einen Spulenbehälter 1 und eine Tiefkühlvorrichtung 12 mit einem Kühlteil 11 auf, der im Spulenbehälter 1 angeordnet ist, so daß der Flüssigstickstoff, der im Spulenbehälter 1 enthalten ist, bei atmosphärischem Druck auf die Temperatur gekühlt werden kann, bei der sowohl eine flussige als auch eine feste Phase von Stickstoff nebeneinander bestehen (Schmelzpunkt). Das Innere des Spulenbehälters 1 ist mit einer Schicht aus einem wärmeisolierenden Material 3 beschichtet, um den Behälter mit einem gewissen Grad an Wärmeisolierung zu versehen. Bei einer solchen Anordnung kann die Innentemperatur des Spulenbehälters durch Betreiben der Tiefkühlvorrichtung zwischen 77 K und annähernd 63,9 K gesteuert werden, nachdem der Behälter bei atmosphärischem Druck über eine Flüssigstickstoffeinlaßöffnung 5, die sich oben am Behälter befindet, mit Flüssigstickstoff versorgt worden ist. Mit diesem Verfahren kann das Innere des Spulenbehälters unter Verwendung latenter Wärme zwischen einer flüssigen und einer festen Phase stabil gekühlt werden.
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Realisierung der Erfindung, die geeignet ist, eine Temperatur des Spulenbehälters der Vorrichtung für eine längere Zeitdauer zu halten, wenn die latente Wärme zwischen einer flüssigen und einer festen Phase bei atmosphärischem Druck genutzt wird. In diesem Fall entsteht anders als bei der oben beschriebenen Vorrichtung, die die Tripelpunktbedingung verwendet, von sich aus kein Stickstoffverlust aufgrund von Verdampfung. Es ist jedoch nützlich, eine Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Zuführung von Flüssigstickstoff zu versehen, da Stickstoff von Zeit zu Zeit in geringem Maße verloren gehen kann, wenn die Vorrichtung manuell oder mechanisch betätigt wird, und solche geringen Verluste an Stickstoff können sich über eine längere Zeitdauer zu einem beträchtlichen Volumen addieren. Die Vorrichtung gemäß 4 weist einen Spulenbehälter 1 und eine Tiefkühlvorrichtung 12 mit einem Kühlteil 11 auf, das im Spulenbehälter 1 angeordnet ist, so daß der Flüssigstickstoff 7, der im Spulenbehälter 1 enthalten ist, wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 gekühlt werden kann. Außerdem weist sie eine Vorkühlkammer 13 auf, die ebenfalls ein weiteres Kühlteil 11a der Tiefkühlvorrichtung 12 zum Kühlen von dem Spulenbehälter 1 zuzuführenden Stickstoff 7 enthält. Wenn Flüssigstickstoff dem Spulenbehälter 1 bei 77 K direkt zugeführt wird, steigt die Innentemperatur des Spulenbehälters 1, und der Spulenbehälter 1 wird nicht mehr unter einer thermisch stabilen Bedingung gehalten. Daher ist die Vorkühlkammer 13 dazwischen angeordnet und nimmt vorübergehend Flüssigstickstoff auf, um ihn auf seinen Schmelzpunkt oder die Temperatur von flüssigem Stuckstoff im Spulenbehälter 1 abzukühlen, bevor er durch Öffnen des Ventils 14 dem Spulenbehälter 1 zugeführt wird. Die Anordnung einer Vorkühlkammer stellt die Zuführung von Flüssigstickstoff bei konstanter Temperatur und längerem Kühlbetrieb sicher.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelte außerdem Verfahren zur Verhinderung des Auftretens von Flußkriechen, das für einen supraleitenden Magneten spezifisch ist, unter Verwendung der oben beschriebenen Kühlverfahren, die entweder den Tripelpunkt von Stickstoff oder latente Wärme zwischen fest und flüssig bei atmosphärischem Druck verwenden. Flußkriechen ist ein Phänomen, das das Magnetfeld eines supraleitenden Magneten im Verhältnis zum Logarithmus der Zeit allmählich dämpft, wenn er so erregt wird, daß er unter der Bedingung eines dauerhaften elektrischen Stroms arbeitet. Dieses Phänomen verursacht ein ernsthaftes Problem bei einem supraleitenden Oxidkörper, der bei einer relativ hohen Temperatur verwendet wird, da es durch Bewegung von quantisiertem magnetischem Fluß bewirkt wird, der durch Wärme aktiviert wird. Das diesem Verfahren zugrundeliegende Prinzip wird nachstehend unter Verwendung eines Beanschen kritischen Zustandsmodells beschrieben.
  • Fig. 5 zeigt schematisch, wie die magnetische Flußdichte mit der Zeit in einem supraleitenden Körper gedämpft wird. Die durchgezogene Linie in Fig. 5 stellt die Bedingung des magnetischen Flusses in einem supraleitenden Körper zur Zeit t1 dar, kurz nachdem er bei einer bestimmten Temperatur (T1), die nicht höher als Tc ist, magnetisch erregt wurde, während die unterbrochenen Linien jeweils die Bedingungen des magnetischen Flusses nach einer Zeit T2 bzw. T3 darstellen, wenn die Temperatur auf T1 gehalten wird. Dieses Ergebnis stimmt mit der Tatsache überein, daß der maximale Supraleitungsstrom, der den supraleitenden Körper auf der Temperatur T1 halten kann, im Verhältnis zum Logarithmus der Zeit sinkt. Fig. 6 zeigt dieses Sinken des maximalen supraleitenden Stroms mit der Zeit. Ein solches Sinken des maximalen elektrischen Stroms führt bei praktischer Anwendungen unausweichlich zu einer unerwünschten Dämpfung des magnetischen Flusses von Magneten oder des Auftriebs von Lagern. Dieses Kriechphänomen des Flusses in einem supraleitenden Körper kann jedoch durch Kühlung desselben auf eine Temperatur T2 verhindert werden, die niedriger ist als die Temperatur T1, bei der der Körper magnetisch erregt worden ist, so daß die maximale elektrische Stromdichte, die der supraleitende Körper ermöglichen kann, auf einen Pegel erhöht werden kann, bei dem ein kritischer Zustand des supraleitenden Körpers vermieden werden kann.
  • In Fig. 7 stellen die gestrichelte und die unterbrochene Linie jeweils die Verteilungen des magnetischen Flusses eines supraleitenden Körpers nach der magnetischen Erregung des Körpers bei einer Temperatur T1 bzw. T2, die niedriger als T1 ist, dar. Durch Kühlung eines supraleitenden Magneten, der bei einer Temperatur T1 auf eine Temperatur T2, die niedriger als T1 ist, magnetisch erregt worden ist, wird die Kapazität des Magneten in bezug auf elektrischen Strom auf den kritischen Strom erhöht, der durch die unterbrochene Linie in Fig. 7 dargestellt ist. Wenn der Magnet mit einem Pegel betrieben wird, der niedriger als der kritische Strom ist, wird die Dämpfung der magnetischen Flußdichte, die bei einer Temperatur T1, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 dargestellt, auftritt, vermieden, wie durch die durchgezogene Linie dargestellt. Das heißt, die Spule des Magneten wird entweder bei einer Temperatur, die höher ist als die Tripelpunkttemperatur von Stickstoff, oder bei einer Temperatur, bei der eine feste und eine flüssige Phase von Stickstoff bei atmosphärischem Druck nebeneinander bestehen, magnetisch erregt, und danach wird sie auf eine der beiden Temperaturen gekühlt, um ein Kriechen des magnetischen Flusses zu vermeiden.
  • Obwohl ein supraleitender Körper nicht unter den Siedepunkt von Stickstoff abgekühlt werden kann, kann das Ziel, nämlich die Verhinderung des Kriechens des magnetischen Flusses erreicht werden durch ein einfaches Verfahren zum vorläufigen Halten des Inneren des Spulenbehälters über dem atmosphärischem Druck und zum anschließenden Entweichenlassen oder Ablassen des Drucks, um den magnetisch erregten supraleitenden Körper zu kühlen. In Fig. 9, die die Beziehung" zwischen dem Umgebungsdruck und dem Siedepunkt von Stickstoff darstellt, ist zu sehen, daß der Siedepunkt von Stickstoff bei 1 Atmosphäre 77 K beträgt und bei 4 Atmosphären auf 92 K ansteigt. Erfindungsgemäß wird festgestellt, daß der Druck, mit dem das Innere des Spulenbehälters beaufschlagt wird, sich im dargestellten Bereich befindet, der dem Siedepunkt von Stickstoff bis 92 K entspricht.
  • Beispiel 1
  • Ein Magnet, wie in Fig. 8 dargestellt (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit drei Wicklungen ist), wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Für RE wurde in diesem Beispiel (sowie in den folgenden Beispielen) Y verwendet. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 2 dargestellt. Nach dem Füllen des Spulenbehälters mit Flüssigstickstoff wurde der Innendruck des Spulenbehälters verringert, um den Magneten auf 63,1 K zu kühlen. Danach wurde die supraleitende Spule durch allmähliches Zuführen von Strom bis zu 20 A von außen magnetisch erregt, während die Innentemperatur auf 63,1 K gehalten wurde. Bei Prüfung der Verteilung des magnetischen Flusses in der supraleitenden Spule wurde festgestellt, daß ein maximaler magnetischer Fluß von 0,5 T erreicht wurde. Dies ist ein Beweis für eine deutliche Verbesserung bei der Erzeugung eines Magnetfeldes angesichts der Tatsache, daß hauptsächlich wegen der an den elektrischen Anschlüssen entstehenden Wärme nur ein maximaler elektrischer Strom von 14 A und ein maximaler magnetischer Fluß von 0,34 T bei 77 K erreicht werden konnten.
  • Beispiel 2
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 15 mm und einem Durchmesser von 42 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzigen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 1 dargestellt. Er wurde dann einem Magnetfeld von 2,0 T ausgesetzt, das mit einem normalleitenden Magneten bewirkt wurde, mit Flüssigstickstoff versorgt und durch Verringerung des Innendrucks des Behälters 1 auf 63,1 K abgekühlt. Die supraleitende Spule wurde dann magnetisch erregt, indem das externe Magnetfeld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, den magnetischen Fluß einzufangen, während die Temperatur auf 63,1 K gehalten wurde. Nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten zeigte sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses, daß 100 s nach dem Entfernen des Magnetfeldes ein maximaler magnetischer Fluß von 1,8 T erreicht wurde. Zehn Stunden später wurde die Vorvakuumkammer 8 mit Flüssigstickstoff versorgt, und die Innentemperatur wurde durch Verringerung des Innendrucks auf 63,1 K verringert, um gekühlten Flüssigstickstoff zu erzeugen, der dann dem supraleitenden Spulenbehälter 1 zugeführt wurde. Das von der supraleitenden Spule erzeugte Magnetfeld zeigte vor und nach der Zuführung von Flüssigstickstoff bei der konstanten Temperatur von 63,1 K keine Fluktuation.
  • Beispiel 3
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 15 mm und einem Durchmesser von 42 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzigen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 2 dargestellt. Nach der Versorgung des Spulenbehälters 1 mit Flussigstickstoff wurde die Innentemperatur des Behälters 1 durch Verringerung des Innendrucks auf 63,1 K verringert. Dann wurde ein ringförmiger SmCo-Dauermagnet sehr nahe an die supraleitende Spule herangebracht, bis diese nur noch 0,8 mm voneinander getrennt waren, während die Temperatur auf 63,1 K gehalten wurde. Es wurde durch Anordnen eines Gewichts auf dem Dauermagneten nachgewiesen, daß unter dieser Bedingung ein Auftrieb (Abstoßungskraft) von 20 kg auf den Dauermagneten ausgeübt wurde. Der Auftrieb kann als Beweis dafür angesehen werden, daß ein Supraleitungsstrom durch die supraleitende Spule floß und dadurch die supraleitende Spule magnetisch erregt wurde.
  • Beispiel 4
  • Ein Magnet, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit drei Wicklungen ist), wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x- Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 3 dargestellt. Nach Versorgung des Spulenbehälters 1 mit Flüssigstickstoff wurde die Innentemperatur des Behälters 1 durch eine Tiefkühlvorrichtung auf 63,9 K verringert. Danach wurde die supraleitende Spule magnetisch erregt, indem Strom bis zu 20 A von außen allmählich zugeführt wurde, während die Innentemperatur auf 63,9 K gehalten wurde. Bei Prüfung der Verteilung des magnetischen Flusses in der supraleitenden Spule wurde festgestellt, daß ein maximaler magnetischer Fluß von 0,5 T erreicht wurde. Dies ist ein Beweis für eine deutliche Verbesserung der Erzeugung eines Magnetfeld angesichts der Tatsache, daß hauptsächlich wegen der an den elektrischen Anschlüssen entstehenden Wärme nur ein maximaler elektrischer Strom von 14 A und ein maximaler magnetischer Fluß von 0,34 T bei 77 K erreicht werden konnten.
  • Beispiel 5
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 15 mm und einem Durchmesser von 42 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzelnen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 4 dargestellt. Er wurde dann einem Magnetfeld von 2,0 T ausgesetzt, das mit einem normalleitenden Magneten bewirkt wurde, mit Flüssigstickstoff versorgt und mit einer Tiefkühlvorrichtung auf 63,9 K abgekühlt. Die supraleitende Spule wurde dann magnetisch erregt, indem das externe Magnetfeld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, den magnetischen Fluß einzufangen, während die Temperatur auf 63,9 K gehalten wurde. Nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten zeigte sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses, daß 100 s nach dem Entfernen des Magnetfeldes der maximale magnetische Fluß von 1,8 T erreicht wurde. Einhundert Stunden später wurde die Vorvakuumkammer 13 mit Flüssigstickstoff versorgt, und die Innentemperatur wurde mit der Tiefkühlvorrichtung auf 63,9 K verringert, um gekühlten Flüssigstickstoff zu erzeugen, der dann dem supraleitenden Spulenbehälter 1 zugeführt wurde. Das von der su praleitenden Spule erzeugte Magnetfeld zeigte vor und nach der Zuführung von Flüssigstickstoff bei der konstanten Temperatur von 63,9 K keine Fluktuation.
  • Beispiel 6
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 15 mm und einem Durchmesser von 42 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzigen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub2;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 3 dargestellt. Nach der Versorgung des Spulenbehälters 1 mit Flüssigstickstoff wurde die Innentemperatur des Behälters 1 mit der Tiefkühlvorrichtung auf 63,9 K verringert. Dann wurde ein ringförmiger SmCo-Dauermagnet sehr nahe an die supraleitende Spule herangebracht, bis beide nur noch 0,8 mm voneinander getrennt waren, während die Temperatur auf 63,9 K gehalten wurde. Es wurde durch Anordnen eines Gewichts auf dem Dauermagneten nachgewiesen, daß unter dieser Bedingung ein Auftrieb (Abstoßungskraft) von 20 kg auf den Dauermagnet ausgeübt wurde. Der Auftrieb kann als Beweis dafür angesehen werden, daß ein Supraleitungsstrom durch die supraleitende Spule floß und dadurch die supraleitende Spule magnetisch erregt wurde.
  • Beispiel 7
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 15 mm und einem Durchmesser von 42 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzigen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub3;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Spulenbehälter 1 eingebracht, wie in Fig. 1 dargestellt. Er wurde dann einem Magnetfeld von 2,0 T ausgesetzt, das mit einem normalleitenden Magneten bewirkt wurde, mit Flüssigstickstoff versorgt und durch Verringerung des Innendrucks des Behälters 1 auf 70 K gekühlt. Die supraleitende Spule wurde dann magne tisch erregt, indem das externe Magnetfeld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, den magnetischen Fluß einzufangen, whrend die Temperatur auf 70 K gehalten wurde. Nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten zeigte sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses, daß 200 s und 1000 s nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten ein magnetischer Fluß von 1,10 T bzw. 1,07 T erreicht wurde. Dabei wurde festgestellt, daß er eine standardisierte Dämpfungsrate von 2,0 x 10&supmin;² hat.
  • Nach der magnetischen Erregung wurde ein Experiment zur Kühlung der supraleitenden Spule auf 63,1 K durchgeführt, wie nachstehend beschrieben. Zunächst wurde die gleiche supraleitende Spule in dem Spulenbehälter angeordnet, und es wurde mit einem normalleitenden Magneten ein Magnetfeld von 2,0 T an sie angelegt. Danach wurde dem Behälter Flüssigstickstoff zugeführt, und die Innentemperatur des Behälters wurde durch Verringerung und Steuerung des Innendrucks auf 70 K verringert. Danach wurde die supraleitende Spule magnetisch erregt, indem das externe Magnetfeld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, den magnetischen Fluß einzufangen, während die Temperatur auf 70 K gehalten wurde. Es ergab sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses 200 s nach dem Entfernen des normaleitenden Magneten ein magnetischer Fluß von 1,100 T. Dann wurde die Innentemperatur des Behälters durch Verringerung des Innendrucks über 60 s auf 63,1 K festgelegt. Die magnetische Flußdichte betrug unter dieser Bedingung 1,095 T. 2000 s später wurde festgestellt, daß die magnetische Flußdichte auf einem Pegel von 1,095 T verblieben war, und es wurde kein Kriechen des magnetischen Flusses innerhalb der zulässigen Fehlergrenze beobachtet.
  • Beispiel 8
  • Ein massiver Magnet mit einer Höhe von 20 mm und einem Durchmesser von 52 mm (der ein Äquivalent einer supraleitenden Spule mit einer einzigen Wicklung ist) wurde unter Verwendung eines supraleitenden Materials (QMG-Material) hergestellt, in dem feine RE&sub2;BaCuO&sub5;-Phasen mit Abmessungen von mehreren Mikrometern in einer REBa&sub2;Cu&sub2;O7-x-Pseudoeinkristallphase dispergiert wurden. Der hergestellte Magnet wurde dann in einen Behälter eingebracht, der einem Innendruck (Druckkammer) standhält. Er wurde dann einem Magnetfeld von 2,0 T ausgesetzt, das mit einem normalleitenden Magneten bewirkt wurde, mit Flüssigstickstoff versorgt und bei einem Druck von 2 Atmosphären auf 48 K abgekühlt. Die supraleitende Spule wurde dann magnetisch erregt, indem das externe magnetische Feld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, den magnetischen Fluß einzufangen, während die Temperatur auf 48 K gehalten wurde. Nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten zeigte sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses, daß 200 s und 1000 s nach dem Entfernen des normalleitenden Magneten ein magnetischer Fluß von 0,68 T bzw. 0,64 T erreicht wurde.
  • Nach der magnetischen Erregung wurde der Druck der Druckkammer bis zum atmosphärischen Druck abgelassen, dann wurde ein Experiment zur Kühlung der supraleitenden Spule auf 77 K durchgeführt, wie nachstehend beschrieben. Zunächst wurde die gleiche supraleitende Spule in die Druckkammer eingebracht, und ein Magnetfeld von 2,0 T wurde mit einem normalleitenden Magneten an diese angelegt. Dann wurde dem Behälter Flüssigstickstoff zugeführt und die Innentemperatur des Behälters wurde auf 84 K verringert, indem der Innendruck so gesteuert wurde, daß er über dem atmosphärischem Druck lag. Danach wurde die supraleitende Spule magnetisch erregt, indem das externe Magnetfeld entfernt wurde und sie veranlaßt wurde, das Magnetfeld einzufangen, wobei die Temperatur auf 84 K gehalten wurde. Es ergab sich bei der Analyse der Verteilung des eingefangenen magnetischen Flusses 200 s nach der Entfernung des normalleitenden Magneten ein magnetischer Fluß von 0,68 T. Dann wurde die Innentemperatur des Behälters durch Verringerung des Innendrucks über 5 s auf 77 K verringert. Die magnetische Flußdichte betrug unter dieser Bedingung (205 s nach dem Entfernen des Magnetfeldes) 0,68 T. 2000 s später wurde festgestellt, daß die magnetische Flußdichte auf dem Pegel von 0,68 T verblieben war, und es wurde kein Kriechen des magnetischen Flusses innerhalb der zulässigen Fehlergrenze beobachtet.
  • Wie oben ausführlich beschrieben, wird erfindungsgemäß bereitgestellt: ein Verfahren zur Kühlung eines supraleitenden Oxidkörpers auf annähernd 63 K und zum stabilen Halten des supraleitenden Körpers auf dieser Temperatur unter Verwendung von Flüssigstickstoff auf einfache Weise. Somit hat die Erfindung den Anwendungsbereich eines supraleitenden Oxidkörpers deutlich erweitert. Die Erfindung stellt auch eine effektive Technik zur Verhinderung des Kriechphänomens des magnetischen Flusses bereit, um eine stabile Magnetisierung herzustellen. Dadurch hat ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kühlung eines supraleitenden Körpers immense industrielle Anwendungsmöglichkeiten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Kühlung einer Spule aus supraleitendem Oxidmaterial (6) und zum stabilen Halten derselben auf konstanter Temperatur, mit den Schritten:
a) Einbringen von flüssigem Stickstoff in einen Spulenbehälter (1) und
b) Verringern des Innendrucks des Spulenbehälters durch eine Pumpeinrichtung (2), um den Stickstoff auf dessen Tripelpunkttemperatur (63,1 K) abzukühlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit den zusätzlichen Schritten:
c) stabiles Halten der supraleitenden Spule auf dieser Temperatur,
d) Einbringen von flüssigem Stickstoff in eine Vorvakuumkammer (8)
e) Verringern des Innendrucks der Vorvakuumkammer, um den Stickstoff auf die Tripelpunkttemperatur abzukühlen, und
f) wobei der Spulenbehälter (1) wiederholt mit dem zu sätzlichen gekühlten Stickstoff der Vorvakuumkammer (8) versorgt wird.
3. Verfahren zur Kühlung einer Spule aus supraleitendem Oxidmaterial unter Verwendung von festem und flüssigem Stickstoff und zur Vermeidung eines Kriechphänomens des magnetischen Flusses, mit den Schritten:
a) magnetisches Erregen der supraleitenden Spule in einem Spulenbehälter (1), der durch Verändern des Innendrucks des Spulenbehälters (1) über 63,1 K und unter der kritischen Temperatur Tc der supraleitenden Spule gehalten wird, und
b) anschließendes Herabsetzen der Innentemperatur des Spulenbehälters (1) auf die Tripelpunkttemperatur (63,1 K) von Stickstoff durch Verringerung des Innendrucks.
4. Verfahren zur Kühlung einer Spule aus supraleitendem Oxidmaterial und zum stabilen Halten derselben auf konstanter Temperatur, mit den Schritten:
a) Einbringen von flüssigem Stickstoff in einen Spulenbehälter (1) und
b) anschließendes Kühlen des Inneren des Behälters (1) durch eine Tiefkühleinrichtung (12) auf den Schmelzpunkt (63,9 K) von Stickstoff bei atmosphärischem Druck.
5. Verfahren zur Kühlung einer Spule aus supraleitendem Oxidmaterial unter Verwendung von festem und flüssigem Stickstoff bei atmosphärischem Druck und zur Vermeidung eines Kriechphänomens des magnetischen Flusses, mit den Schritten:
a) magnetisches Erregen der supraleitenden Spule in einem Spulenbehälter, der durch Ändern der Innentemperatur des Spulenbehälters mittels einer Tiefkühleinrichtung (12) über 63,9 K gehalten wird, und
b) anschließendes Verringern der Innentemperatur des Spulenbehälters auf die Schmelzpunkttemperatur (63,9 K) von Stickstoff.
6. Verfahren zur Kühlung einer Spule supraleitendem Oxidmaterial unter Verwendung von flüssigem Stickstoff und zur Vermeidung eines Kriechphänomens des magnetischen Flusses, mit den Schritten:
a) magnetisches Erregen der supraleitenden Spule (6) in einem Spulenbehälter (1) bei oder unter 92 K und unter der kritischen Temperatur Tc der supraleitenden Spule bei einem Druck über dem atmosphärischem Druck und
b) anschließendes weiteres Kühlen des Spulenbehälters (1) durch Entweichenlassen oder Ablassen des Innendrucks des Spulenbehälters bis zu einem Druck unter dem Druck, bei dem die magnetische Erregung beendet wird.
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