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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für das Steuern des Betriebes
einer supraleitenden Spule der Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art und
insbesondere ein Verfahren für
das stabile Betreiben einer supraleitenden Spule der Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art,
die einen supraleitenden Magneten bildet, ohne Quenching.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Herkömmlicherweise
ist ein normaler Leiter, wie Kupfer, und ein Supraleiter auf Metallbasis,
der bei einer Temperatur für
flüssiges
Helium supraleitfähig
ist, für
Spulen verwendet worden. Wenn unter der Verwendung von Kupfer ein
großes
Magnetfeld erzeugt werden soll, ist es notwendig, z. B. durch einen erzwungenen
Wasserfluss so sehr abzukühlen,
wie Wärme
erzeugt wird. Eine Spule, die unter der Verwendung eines normalen
Leiters, wie Kupfer, ausgebildet wird, weist die Probleme großen Energieverbrauchs,
Schwierigkeiten bei der Herstellung einer kompakten Spule und eine
mühsame
Wartung auf.
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Im
Gegensatz dazu ist eine supraleitende Spule für verschiedene Anwendungen
nützlich,
da ein großes
Magnetfeld mit einer kleinen Energie erzeugt werden kann. Wenn jedoch
ein supraleitender Draht auf Metallbasis für eine Spule benutzt wird,
ist das Abkühlen
auf eine Tieftemperatur (etwa 4 K) notwendig, und das resultiert
in hohen Kosten für
das Abkühlen.
Des Weiteren weist der Supraleiter auf Metallbasis, da er bei einer
Tieftemperatur mit niedriger spezifischer Wärme verwendet wird, eine geringe Stabilität auf, und
er ist anfällig
für Quenching.
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In
letzter Zeit sind Techniken wie magnetische Separation, Kristallziehen
und ähnliche
vorgeschlagen worden, die eine Hochtemperatursupraleitungsoxidspule
benutzen, die bei einer verhältnismäßig hohen
Temperatur benutzt werden kann. Die Hochtemperatursupraleitungsoxidspule
kann bei einer verhältnismäßig hohen
Temperatur verglichen mit der supraleitenden Spule auf Metallbasis
benutzt werden, und folglich kann sie in einem Bereich mit einer
verhältnismäßig hohen
spezifischen Wärme
verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, dass ein solcher Gebrauch
eine sehr gute Stabilität
ergibt. Es ist ein praktischer Gebrauch der Hochtemperatursupraleitungsoxidspule,
um einen geeigneteren Magneten herzustellen, erwartet worden.
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Der
Oxidhochtemperatursupraleiter wird bei der Temperatur flüssigen Stickstoffes
supraleitfähig. Bei
der Temperatur flüssigen
Stickstoffes weist jedoch zur Zeit der Oxidhochtemperatursupraleiter
keine sehr guten Eigenschaften der kritischen Stromdichte und für das Magnetfeld
auf. Aus diesem Grund ist zur Zeit der Oxidhochtemperatursupraleiter
in einer Spule für
die Erzeugung eines niedrigen magnetischen Felds verwendet worden.
Die Hochtemperatursupraleitungsoxidspule kann auf der anderen Seite
möglicherweise
eine höhere
Leistungsfähigkeit
bei einer Temperatur aufweisen, die niedriger als die Temperatur
flüssigen
Stickstoffes liegt. Für
den Gebrauch bei einer niedrigeren Temperatur, ist das Abkühlen durch
flüssiges
Helium möglich.
Die Kosten des Abkühlens
durch flüssigen
Stickstoff sind jedoch hoch und die Handhabung ist schwierig. Angesichts des
Vorangehenden sind Versuche mit einer Kühlmaschine, deren Betriebskosten
verhältnismäßig niedrig sind
und deren Handhabung einfach ist, unternommen worden, die Hochtemperatursupraleitungsoxidspule
auf Tieftemperatur abzukühlen.
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Das
allgemeine Verfahren zum Auffinden eines stabilen Betriebsbereiches
für die
supraleitende Spule umfasst die Schritte des Erhaltens einer Lastlinie
und Auffindens eines stabilen Betriebsbereiches ausgehend von derselben.
Ein Betriebsbereich, der von der Lastlinie abgeleitet wird, wird
im Allgemeinen für
das Betreiben der supraleitenden Spulen auf Metallbasis in den beiden
Fällen
einer pool-abkühlenden Art
und einer Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art verwendet.
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Ähnlich kann
das Lastlinienverfahren für
eine Hochtemperatursupraleitungsoxidspule verwendet werden. Hier
hat der Oxidhochtemperatursupraleiter eine hohe kritische Temperatur
und bildet einen gemäßigten Übergang
zu der normalen Leitung, und folglich hat er eine hohe Stabilität und ist
nicht gegen Quenching empfindlich. Es ist zu erwarten, dass unter
Verwendung dieser Eigenschaft ein Stromwert bei dem Betreiben der
Spule beinahe bis auf den kritischen Stromwert erhöht werden
kann. Zusätzlich
ist es zu erwarten, dass der Betriebsstrom soviel wie möglich erhöht werden
kann, während
die Hochtemperatursupraleitungsoxidspule durch eine Kühlmaschine
abgekühlt
wird, deren Betriebskosten niedrig sind und deren Handhabung einfach
ist. Zur Zeit jedoch ist, was die Hochtemperatursupraleitungsoxidspule
anbelangt, ihr Verhalten während
des Kühl maschinen-Leitungskühlens nicht
hinreichend aufgeklärt
worden, und folglich müssen
Betriebstests durchgeführt
werden, um den stabilen Betriebsbereich aufzufinden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren
für das
Erhalten eines stabilen Betriebsbereichs einer supraleitenden Spule der
Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art
aufzufinden und dementsprechend, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, das den Betrieb der Spule stabil steuern kann.
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Ein
zusätzliches
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, das für
das Steuern des Betriebes einer Hochtemperatursupraleitungsoxidspule
der Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art
geeignet ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren des Steuerns eines Betriebes
einer supraleitenden Spule wie in den Ansprüchen dargelegt gerichtet.
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Das
steuernde Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung ist
für den
Betrieb einer supraleitenden Spule, die einen Oxidhochtemperatursupraleiter
verwendet, geeignet.
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Vorzugsweise
wird das steuernde Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung
in einem Temperaturbereich durchgeführt, der nicht niedriger als
10 K ist.
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Die
vorangehenden und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen offensichtlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine Kühlmaschinenkühlungskapazität.
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2 zeigt
ein Beispiel davon, wie die effektive Kühlkurve aus der Kühlmaschinenkühlungskapazität und dem
thermischen Widerstand erhalten wird.
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3 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Struktur der Hochtemperatursupraleitungsspule
zeigt, die in Beispiel 1 benutzt wird.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, welches die Anschlussstruktur zwischen
der Kühlmaschine
und der Hochtemperatursupraleitungsspule, die in Beispiel 1 benutzt
wird, zeigt.
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5 zeigt
das Verhältnis
zwischen der Wärmekurve
der Spule und der effektiven Kühlkurve von
Beispiel 1.
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6 zeigt
das Verhältnis
zwischen der Spulenwärmekurve
und der effektiven Kühlkurve
von Beispiel 2.
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7 zeigt
das Verhältnis
zwischen der Spulenwärmekurve
und der effektiven Kühlkurve
von Beispiel 3.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der vorliegenden Erfindung wird der thermische Widerstand zwischen
einer Kühlmaschine und
einer supraleitenden Spule, die daran angebracht ist, erhalten.
Die Maßeinheit
des thermischen Widerstandes ist K/W (Temperaturunterschied zwischen
zwei bestimmtem Punkten ΔT/Wärmewertdifferenz
zwischen den zwei bestimmten Punkten ΔW). Der thermische Widerstandswert
verändert
sich in Abhängigkeit
von den Kühlungseigenschaften
zwischen der Kühlmaschine
und der Spule (z. B. Material und Größe des Wärmeleitelements/der Wärmeleitelemente
zwischen der Kühlmaschine
und der Spule). Der thermische Widerstand kann durch eine Berechnung
erhalten werden, welche die Wärmeleitfähigkeit
berücksichtigt,
die von dem Material des Wärmeleitelements
und dem Querschnitt und der Länge des
Wärmeleitelements
abhängt.
Alternativ kann der thermische Widerstand experimentell durch ein
einfaches Experiment zu der thermischen Leitfähigkeit erhalten werden. Des
Weiteren kann ein empirischer Wert, der angemessen auf die Kühlungseigenschaften
angewendet werden kann, als der thermische Widerstand angenommen
werden. Ein allgemeiner Wert des thermischen Widerstandes zwischen
der Kühlmaschine
und der Spule liegt bei ungefähr
1 bis ungefähr
4 K/W.
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Die
effektive Kühlkurve
kann in der folgenden Weise aus dem so erhaltenen thermischen Widerstand
und der bewerteten Kühlungskapazität der Kühlmaschine
erhalten werden. Die bewertete Kühlungskapazität der Kühlmaschine
wird abhängig
von der Art und der Struktur der Kühlmaschine eingestellt, und
allgemein als eine zugehörige
Eigenschaft der benutzten Kühlmaschine
zur Verfügung
gestellt. Ein spezielles Beispiel der Kühlungskapazität der Kühlmaschine
ist in 1 dargestellt. Die Kühlungskapazitätskurve
P, die in 1 gezeigt wird, zeigt die Kühlungskapazität der Kühlmaschine
an, in der die Kapazität
der ersten Kühlstufe
60W (bei 80 K) beträgt und
die Kapazität
der zweiten Kühlstufe
16,5W (bei 20 K) beträgt.
Dieses Diagramm zeigt, dass, wenn der zweiten Kühlstufe der Kühlmaschine
5W an Wärme
zugeführt
wird, die Temperatur ungefähr
12 K erreicht, und wenn 10 W an Wärme zugeführt wird, die Temperatur ungefähr 14 K
erreicht.
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Hinsichtlich
des oben beschriebenen thermischen Widerstands kann die folgende
Gleichung aufgestellt werden. Thermischer Widerstand
(K/W) = (Spulentemperatur – Temperatur
der Kühlstufe)/Wärmewert
des Spulenteils
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Aus
dieser Relation und der oben beschriebenen Kühlungskapazität der Kühlmaschine
kann die effektive Kühlkurve
in der folgenden Weise erhalten werden. Wenn zum Beispiel der Wärmewert
des Spulenteils 5W beträgt,
kann der Temperaturunterschied, der zwischen der Spule und der Kühlstufe
erzeugt wird, zu 5 (W) × 1,5
(K/W) = 7,5 (K) errechnet werden. Zuerst wird lediglich die Kühlungskapazität der Kühlmaschine
berücksichtigt,
und 5 W Wärme
resultiert in einer Temperatur von ungefähr 12 K. Dann wird der oben
genannte Temperaturunterschied berücksichtigt, und es wird eine
Spulentemperatur von 19,5 K erhalten, die sich aus der Temperatur
von 12 K der Kühlstufe
plus dem Temperaturunterschied von 7,5 K ergibt. 2 zeigt
ein Ergebnis der dargestellten effektiven Kühlkurve entsprechend einer
solchen Berechnung.
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In
der vorliegenden Erfindung wird der Betrieb der supraleitenden Spule,
die betrieben wird, während
sie durch die Kühlmaschine
gekühlt
wird, so gesteuert, dass der Wärmewert
der supraleitenden Spule bei einer vorgeschriebenen Temperatur nicht die
oben beschriebene effektive Kühlkurve übersteigt.
Genauer kann die Betriebstemperatur und/oder der Betriebsstrom so
kontrolliert werden, dass der Wärmewert
der supraleitenden Spule unterhalb der effektiven Kühlkurve
liegt. In diesem Fall liegt die Wärmekurve, in der die Wärmewerte
der Spule in bezug auf die Spulentemperatur dargestellt werden,
unter der effektiven Kühlkurve.
Die Wärmewerte
und die Wärmekurve
können
durch Messung erhalten werden, oder sie können durch eine Berechnung
erhalten werden, die die Magnetfelder und Temperaturen verschiedener
Bereiche der Spule berücksichtigt.
Wenn die Wärmewerte
und die Wärmekurve durch
Berechnung erhalten werden sollen, kann die Spule in Bereiche eingeteilt
werden, kann der Widerstand des supraleitenden Drahts, welcher die
Spule bildet, aus der Temperatur und dem Magnetfeld jedes Bereichs
errechnet werden, kann der Wärmewert aus
dem angelegten Strom und dem Widerstandswert errechnet werden, und
es können
dann die Wärmewerte
der jeweiligen Bereiche aufsummiert werden, um den Gesamtwärmewert
der Spule zu erhalten. Wenn der Widerstand des supraleitenden Drahts errechnet
wird, kann die kritische Stromdichte (Jc) des Drahts zuerst erhalten
werden, und kann dann der Widerstand des Drahts aus Jc erhalten
werden. Als Verfahren zu der Berechnung des Wertes Jc, kann z. B.
ein Verfahren verwendet werden, das in den Veröffentlichungen des B. internationalen
Seminars über
CRITICAL CURRENTS IN SUPERCONDUCTORS, 27. – 29. Mai 1996, S. 471 – 474 beschrieben
wird. Wenn die Wärmewerte
und die Wärmekurve
experimentell erhalten werden, kann ein Erregungstest mit der Spulentemperatur
und dem angelegten Strom als Parameter durchgeführt werden, und es können dann
die Wärmewerte
aus den Werten des angelegten Stroms und der erzeugten Spannungen
der Spule errechnet werden.
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Herkömmlicherweise
ist es gebräuchlich
gewesen, dass die supraleitende Spule unter einer Bedingung betrieben
wurde, unter der die Spule nicht exotherm war. Entsprechend der
vorliegenden Erfindung ist es jedoch bestätigt, dass, selbst wenn die Spule
sich in unter exothermen Bedingungen befindet, ein stabiler Betrieb
möglich
ist, wenn der Wärmewert
hinreichend niedriger als die effektive Kühlkurve ist. Auf diese Weise
kann ein Bereich eingestellt werden, der einen stabilen Betrieb
gewährleistet,
und es kann ein stabiler Betrieb mit einem größtmöglichen angelegten Strom durchgeführt werden.
In dem Bereich unterhalb der effektiven Kühlkurve ist ein stabiler Betrieb
möglich,
ohne ein Quenching der Spule zu verursachen. Im Allgemeinen erhöht sich,
wenn Wärme
in der supraleitenden Spule erzeugt wird, der Wärmewert derselben mit der ansteigenden
Temperatur. Die Tendenz der Zunahme kann aus einer Berechnung heraus
erwartet werden. Folglich kann, wenn der Wärmewert an einem bestimmten
Punkt hoch wird und es erwartet wird, dass der Wärmewert die effektive Kühlkurve
möglicherweise übersteigen kann,
wenn die Temperatur erhöht
wird, die Steuerung, wie eine sofortige Verringerung des angelegten Stromes,
so durchgeführt
werden, dass der stabile Betrieb aufrechterhalten wird. Das Steuerungsverfahren
der vorliegenden Erfindung, wie es oben beschrieben ist, ist auf
eine automatische Steuerung der Spule von der Kühlmaschinen-Leitungskühlungs-Art
anwendbar, die mit einer passenden Steuereinrichtung ausgerüstet ist.
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Des
Weiteren kann, entsprechend der vorliegenden Erfindung, der Bereich,
in dem ein stabiler Betrieb möglich
ist, durch Berechnung erhalten werden, ohne einen Grenzwertest für die supraleitende Spule
durchzuführen.
Folglich kann eine Beschädigung
der Spule durch den Grenzwerttest vermieden werden.
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Die
Art des Supraleiters, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt
wird, ist nicht speziell eingeschränkt. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn Hochtemperatursupraleiter wie
Oxidsupraleiter, die eine hohe Stabilität aufweisen, eingesetzt werden.
Während
die vorliegende Erfindung bei Tieftemperaturen (um 4 K), bei denen
die spezifische Wärme
klein ist und Störungen
einen größeren Einfluss
haben, anwendbar ist, so ist die vorliegende Erfindung in einem
Temperaturbereich besonders wirkungsvoll, der nicht niedriger als
10 K ist, in dem die spezifische Wärme größer und der Einfluss von Störungen geringer
ist. Die Form des Supraleiters, der für die vorliegende Erfindung
verwendet wird, ist nicht speziell eingeschränkt.
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Entsprechend
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, während die supraleitende Spule
betrieben wird, die Temperatur der supraleitenden Spule überwacht
werden. Wenn die überwachte Temperatur
nicht unterhalb eines voreingestellten erlaubten Grenzwerts fällt, wird
der angelegte Strom der supraleitenden Spule gesteuert. Solch ein
zulässiger
Grenzwert der Temperatur kann beispielsweise auf die folgende Weise
erhalten werden. Wie bereits beschrieben worden ist, werden der
Wärmewert
und die Wärmekurve
für einen
festgesetzten angelegten Strom durch Berechnung erhalten. Die erhaltene Wärmekurve
und die effektive Kühlkurve
werden in dem gleichen Diagramm dargestellt. Eine höchste Temperatur
in dem Bereich der Wärmekurve,
der niedriger als die effektive Kühlkurve ist (die Temperatur
an einem Schnittpunkt der effektiven Kühlkurve und der Wärmekurve)
wird erhalten. Die erhaltene Temperatur oder eine Temperatur, die
in der Nähe niedriger
als diese ist, kann als der zulässige
Grenzwert verwendet werden. Der zulässige Grenzwert der Temperatur
variiert in Abhängigkeit
von der Größe des angelegten
Stromes. Folglich ist es vorzuziehen, den zulässigen Grenzwert für jeden
einer Mehrzahl von angelegten Strömen zu erhalten. Auf der anderen
Seite kann, da im Allgemeinen je größer der angelegte Strom ist,
desto niedriger der zulässige Grenzwert
der Temperatur ist, nur der zulässige Grenzwert
der Temperatur für
den maximal verfügbaren
angelegten Strom erhalten werden. Während des tatsächlichen
Betriebs übersteigt
der Wärmewert
in der supraleitenden Spule, wenn die überwachte Temperatur nicht
den zulässigen
Grenzwert übersteigt, nicht
die effektive Kühlkurve,
und folglich ist ein stabiler Betrieb möglich. Wenn die überwachte
Temperatur nicht unterhalb des erlaubten Grenzwerts fällt, kann
ein Quenching durch das Steuern des angelegten Stroms vermieden
werden.
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Entsprechend
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann die Spannung,
die in der supraleitenden Spule erzeugt wird, überwacht werden, während die
supraleitende Spule in Betrieb ist. Die erzeugte Spannung ist eine
solche, die von dem elektrischen Widerstand der Spule abgeleitet wird.
Die Spannung, die von der elektromagnetischen Induktion abgeleitet
wird, wird von der zu überwachenden
Spannung ausgeschlossen. Der angelegte Strom der supraleitenden
Spule wird gesteuert, wenn die überwachte
Spannung nicht unterhalb eines voreingestellten zulässigen Grenzwerts
fällt.
Der zulässige
Grenzwert der Spannung kann z. B. auf die folgende Weise erhalten
werden. Wie bereits beschrieben worden, werden der Wärmewert
und die Wärmekurve
für einen
festgesetzten angelegten Strom erhalten. Die erhaltene Wärmekurve
und die effektive Kühlkurve
werden in dem gleichen Diagramm dargestellt. Die höchste Wärmemenge
in dem Bereich der Wärmekurve,
der niedriger als die effektive Kühlkurve (die Wärmemenge
an einem Schnittpunkt der effektiven Kühlkurve und der Wärmekurve)
ist, wird erhalten. Indem man die erhaltene Wärmemenge durch den festgesetzten
angelegten Strom teilt, kann die entsprechende erzeugte Spannung
erhalten werden. Die erhaltene Spannung oder eine niedrigere Spannung
in der Nähe
können
als der zulässige
Grenzwert verwendet werden. Der zulässige Grenzwert der Spannung
variiert in Abhängigkeit von
der Größe des angelegten
Stromes. Folglich ist es vorzuziehen, den zulässigen Grenzwert für jeden einer
Mehrzahl von angelegten Strömen
zu erhalten. Auf der anderen Seite kann, da im Allgemeinen je größer der
angelegte Strom ist, desto niedriger der zulässige Grenzwert der Spannung
ist, nur der zulässige
Grenzwert der Spannung für
den maximal verfügbaren
angelegten Strom erhalten werden. Während des tatsächlichen
Betriebs übersteigt
der Wärmewert
in der supraleitenden Spule, wenn die überwachte Spannung nicht den
zulässigen
Grenzwert übersteigt,
nicht die effektive Kühlkurve,
und folglich ist ein stabiler Betrieb möglich. Wenn die überwachte Spannung
nicht unterhalb des erlaubten Grenzwerts fällt, kann ein Quenching durch
das Steuern des angelegten Stroms vermieden werden.
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In
der vorliegenden Erfindung können
die oben beschriebene Überwachung
der Temperatur und die oben beschriebene Überwachung der Spannung gleichzeitig
durchgeführt
werden. Es ist möglich,
durch Steuerung des angelegten Stroms ein Quenching zu vermeiden,
wenn die überwachte
Temperatur und/oder die überwachte
erzeugte Spannung nicht unterhalb eines zulässigen Grenzwerts fällt.
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Wenn
ein DC(Gleichstrom)-Strom an der supraleitenden Spule angelegt wird,
kann der Wärmewert
der supraleitenden Spule als der Wärmewert betrachtet werden,
der von dem elektrischen Widerstand der supraleitenden Spule abgeleitet
wird. Wenn ein AC(Wechselstrom)-Strom an der supraleitenden Spule
angelegt wird, kann der Wärmewert
der supraleitenden Spule als die Summe von dem Wärmewert, der von dem AC-Verlust der supraleitenden Spule
abgeleitet wird, und von dem Wärmewert,
der von dem elektrischen Widerstand der supraleitenden Spule abgeleitet
wird, erhalten werden.
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Der
AC-Verlust kann durch einen Erregungstest gemessen werden. In dem
Erregungstest kann der AC-Verlust aus dem Produkt aus dem Spannungswert
ausschließlich
eines Bestandteils resultierend aus der elektromagnetischen Induktion
und dem Stromwert oder aus dem Produkt aus der Temperaturzunahme
in dem wärmeisolierten
Zustand und der spezifischen Wärme
erhalten werden.
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Der
AC-Verlust kann ebenso durch eine Berechnung erhalten werden. Obwohl
der AC-Verlust durch
verschiedene Ursachen erzeugt wird, kann der AC-Verlust im Allgemeinen
als die Summe der Verluste erhalten werden, die durch zwei Hauptfaktoren, Hystereseverlust
und Kopplungsverlust, verursacht werden, wie es in den folgenden
Formeln gezeigt ist. P = Phf +
Pcf Phf =
2μ0H2 mβf/3 (β < 1) Phf = 2dμ0JcHm(1 – 2/3β)f (β > 1) β = Hm/Hp, Hp =
Jcd Pcf = Γcμ0H2 m2πf2TS/2{(2πfTS)2 + 1} TS = (μ0/2ρn)(l/2)2
- P:
- AC-Verlust [W/m3]
- Phf:
- Hystereseverlust [W/m3]
- Pcf:
- Kopplungsverlust [W/m3]
- μ0:
- magnetische Vakuumspermeabilität
- Hm:
- maximales Magnetfeld
auf Supraleiteroberfläche
- Jc:
- kritische Stromdichte
des Supraleiters
- d:
- halbe Dicke des Supraleiters
- f:
- Frequenz [Hz]
- ΓC:
- Konstante
- TS:
- Zeitkonstante
- ρn:
- spezifischer Widerstand
normal leitenden Metalls
- l:
- Breite des normal
leitenden Metalls
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Beispiel 1
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Ein
Bündel
von drei silberumhüllten
supraleitenden Drähten
auf Wismutbasis Bi2223 (3,6 ± 0,4 mm × 0,23 ± 0,02
mm) wurden mithilfe eines Polyimidbandes, das eine Dicke von ungefähr 13 μm besaß und eines
SUS-Bandes, das eine Dicke von ungefähr 0,1 mm besaß, zur Herstellung
einer doppelten Pancake-Spule, die einen inneren Durchmesser von
80 mm, einen äußeren Durchmesser
von ungefähr
300 mm und eine Höhe
von ungefähr
8 mm aufwies, aufgewickelt. Das Silberverhältnis des verwendeten supraleitenden
Drahts betrug 2,4 und der kritische Strom desselben lag bei 35 bis
45 A (77 K). Acht der hergestellten doppelten Pancake-Spulen wurden in
einer Schicht gestapelt und mit einander verbunden. Die doppelten
Pancake-Spulen wurden voneinander durch FRP-Schichten von 0,1 mm Dicke isoliert.
Wie in 3 gezeigt, wird eine Kühlplatte 32 aus Kupfer
zwischen jedem Paar der doppelten Pancake-Spulen 31 eingesetzt,
und jede Kühlplatte 32 wurde
mit einem thermischen Leitungsstab 33 aus Kupfer verbunden.
Die gestapelten doppelten Pancake-Spulen 31 wurden zwischen
ein Paar FRP-Platten 34 positioniert, und somit wurde eine
Hochtemperatursupraleitungsspulenstruktur 30 fertiggestellt.
Die hergestellte Hochtemperatursupraleitungsspule wurde, wie in 4 gezeigt,
an der Kühlmaschine
angeschlossen. Eine erste Stufe 41a und eine zweite Stufe 41b werden
als die Kühlstufen
der Kühlmaschine 41 in
einem wärmeisolierendem
Behälter 42 untergebracht.
Eine Kupferplatte 43 wird an der zweiten Stufe 41b befestigt.
Die Hochtemperatursupraleitungsspule 30 wird durch die
Kupferplatte 43 an der zweiten Stufe 41b der Kühlmaschine 41 angeschlossen. Eine
Stromleitung 44 aus einem Hochtemperatursupraleitungsoxiddraht
wird bereitgestellt, die sich von der Hochtemperatursupraleitungsspule 30 zu
dem thermischen Anker der ersten Stufe 41a erstreckt. Die
Stromleitung 44 unterdrückt
effektiv einen Wärmeeintritt.
Eine Stromleitung 45 aus Kupfer wurde von dem thermischen
Anker der ersten Stufe 41a bis zur Raumtemperatur benutzt.
Die Hochtemperatursupraleitungsspule 30 wird mit einer
Wärmeschildplatte 46 für das Verhindern
des Eintritts von Wärmestrahlung
abgedeckt. Der wärmeisolierende
Behälter 42 wird
auf Vakuum evakuiert. Das Spulenpackungsverhältnis der supraleitenden Spule 30 betrug
75%.
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Für das Material
und die Größe der wärmeleitenden
Elemente, die zwischen der zweiten Kühlstufe der Kühlmaschine
und der Hochtemperatursupraleitungsspule vorhanden waren, wurde
der thermische Widerstand durch Berechnung zu 1,5 K/W eingestellt.
Dann wurde unter Verwendung des thermischen Widerstandswerts von
1,5 K/W, wie oben beschrieben, die effektive Kühlkurve aus der Kühlungskapazitätskurve
der Kühlmaschine
erhalten.
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Die
Kühlmaschine
wurde betrieben, und Erregungstests wurden durchgeführt. Die
Temperatur der Spule betrug 11 K. Bei dem Betrieb mit einem angelegten
Strom von 260 A (erzeugtes zentrales Magnetfeld von ungefähr 3,5 T),
lag die Wärmekurve
unterhalb der effektiven Kühlkurve,
und es war möglich, den
Betrieb für
eine lange Zeit über
mehr als 2 Tage aufrechtzuerhalten. Auf der anderen Seite lag bei dem
Betrieb mit einem angelegten Strom von 300 A (erzeugtes zentrales
Magnetfeld von ungefähr
4 T), die Wärmekurve
oberhalb der effektiven Kühlkurve, und
die Spulentemperatur erhöhte
sich, so dass kein stabiler Betrieb möglich war. Das Verhältnis zwischen der
Spulenwärmekurve
und der effektiven Kühlkurve ist
in 5 gezeigt. Aus den Experimenten, der effektiven
Kühlkurve
ist in 5 gezeigt. Aus den Experimenten, die oben beschrieben
wurden, wurde bestätigt,
dass ein stabiler Betrieb der Spule in dem Bereich möglich ist,
in dem die effektive Kühlkurve oberhalb
der Wärmekurve
liegt.
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Beispiel 2
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Wenn
man annimmt, dass ein Strom von 280 A an der Spule von Beispiel
1 angelegt wurde, wurden der Wärmewert
und die Wärmekurve
durch die oben beschriebene Berechnung erhalten. Die erhaltene Wärmekurve
ist in 6 gezeigt. Die effektive Kühlkurve ist ebenso in demselben
Diagramm dargestellt. Die Temperatur an dem Schnittpunkt von der effektiven
Kühlkurve
und der Wärmekurve
lag bei etwa 21,7 K, und die Wärmemenge
an dem Punkt betrug etwa 6,4 W. Die Spannung, die an dem Punkt erzeugt
wurde, wurde zu 6,4 W/280 A = 22,9 mV errechnet. Der Wärmewert
der Spule würde
in dem tatsächlichen
Betrieb die effektive Kühlkurve
nicht übersteigen,
wenn die Temperatur niedriger als 21,7 K ist. Gleichfalls würde der
Wärmewert
der Spule die effektive Kühlkurve
in dem tatsächlichen
Betrieb nicht übersteigen,
wenn die erzeugte Spannung kleiner als 22,9 mV ist. Da es einen
Fehler bei den Messungen der Temperatur und der Spannung geben kann,
ist eine Toleranz berücksichtigt
worden, und der zulässige
Grenzwert der Temperatur wurde zwischen 21,9 K und 21 K (eine Toleranz
von 0,7 K) festgesetzt, und der zulässige Grenzwert für die erzeugte
Spannung wurde zwischen 22,9 mV und 20 mV (eine Toleranz von 2,9
mV) festgesetzt. Es wurde ein System konstruiert, welches betrieben
wurde, während
die Temperatur und die erzeugte Spannung der supraleitenden Spule
gemessen wurden, und in welchem der Strom schnell bis auf 0 verringert
wurde, wenn jeder gemessene erreichte Wert nicht niedriger als jeder zulässige Grenzwert
war. In diesem System dauerte die Erregung bis zu 280 A 10 Minuten.
Infolgedessen trat, obwohl sich die Spulentemperatur zu der Zeit
der Erregung leicht erhöhte,
kein Quenching auf, und es war ein stabiler Betrieb möglich.
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Beispiel 3
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In
der Spule von Beispiel 1 wurde eine AC-Erregung bei 0,006 Hz durchgeführt, und
es wurde der AC-Verlust gemessen. Der gemessene AC-Verlust betrug
1,5 W. Der Wärmewert
während der
AC-Erregung wurde erhalten, indem man 1,5 W dem Wärmewert
hinzufügte,
der in Beispiel 2 erhalten wurde. Die erhaltene Wärmekurve
ergibt sich, wie in 7 gezeigt. Die effektive Kühlkurve
ist ebenso in demselben Diagramm dargestellt. Die Temperatur an
einem Schnittpunkt von der effektiven Kühlkurve und der Wärmekur ve
lag bei etwa 20 K, und die Wärmemenge
an dem Punkt betrug etwa 5,4 W. Die Spannung, die am Punkt erzeugt
wurde, wurde zu 5,4 W/280 A = 19,3 mV errechnet. Der Wärmewert der
Spule würde
in dem tatsächlichen
AC-Betrieb die effektive Kühlkurve
nicht übersteigen,
wenn die Temperatur niedriger als 20 K ist. Gleichfalls würde der Wärmewert
der Spule die effektive Kühlkurve
in dem tatsächlichen
AC-Betrieb nicht übersteigen,
wenn die erzeugte Spannung kleiner als 19,3 mV ist. Da es einen
Fehler bei den Messungen der Temperatur und der Spannung geben kann,
ist eine Toleranz berücksichtigt
worden, und der zulässige
Grenzwert der Temperatur wurde zwischen 20 K und 19 K (eine Toleranz
von 1 K) festgesetzt, und der zulässige Grenzwert für die erzeugte
Spannung wurde zwischen 19,3 mV und 19 mV (eine Toleranz von 0,3
mV) festgesetzt. Es wurde ein System konstruiert, welches betrieben
wurde, während
die Temperatur und die erzeugte Spannung der supraleitenden Spule
gemessen wurden, und in welchem der Strom schnell bis auf 0 verringert
wurde, wenn jeder gemessene erreichte Wert nicht niedriger als jeder
zulässige Grenzwert
war. In dem System wurde eine AC-Erregung
bei 0,006 Hz über
1 Stunde lang fortgesetzt. Infolgedessen war ein stabiler Betrieb
ohne Quenching möglich.
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Wie
oben beschrieben, kann durch das System, in dem die zulässigen Grenzwerte
festgesetzt werden, die Leistungsfähigkeit der supraleitenden Spule
vollständig
entfaltet werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann ein stabiler Betrieb der supraleitenden
Spule fortgesetzt werden, ohne ein Quenching zu verursachen. Insbesondere
können
gemäß der vorliegenden Erfindung
Bedingungen für
einen stabilen Betrieb, selbst wenn Wärme in der Spule erzeugt wird,
sofort eingestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist zur Betriebssteuerung
von supraleitenden Magneten nützlich.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung in Einzelheiten beschrieben und veranschaulicht
worden ist, versteht es sich in klarer Weise, dass dieses zur Veranschaulichung
und lediglich als Beispiel geschah und nicht als Beschränkung anzusehen
ist.