DE9209457U1

DE9209457U1 - Stromzuführungsvorrichtung für eine auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung

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Publication number: DE9209457U1
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Authority: DE
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Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2002-07-15

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Stromzuführungsvorrichtung für eine auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung

Die Neuerung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrichtung für eine elektrische, auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung, welche Vorrichtung mindestens zwei Leitungsabschnitte aufweist, zwischen denen sich eine Verbindungseinrichtung auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur und der Tieftemperatur befindet, wobei der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs enthält. Eine derartige Stromzuführungsvorrichtung geht aus der Firmenzeitschrift der Firma "Toshiba", Vol. 46, No. 5, 1991, Seite 430 hervor.

Für eine Stromeinspeisung in elektrische Einrichtungen mit auf Tieftemperatur gekühlten Leitern werden Stromzuführungsvorrichtungen benötigt, über die ein elektrischer Strom diesen tiefgekühlten Leitern von einer auf einem höheren Temperaturniveau, insbesondere auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversorgungseinrichtung zugeführt wird. Die elektrischen Einrichtungen können insbesondere supraleitende Spulen, Kabel oder Maschinen sein, deren Leiter supraleitendes Material enthalten, das mit Hilfe eines kryogenen Mediums wie beispielsweise flüssigem Helium auf ein Temperaturniveau unterhalb seiner sogenannten Sprung-

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Slm/Hag / 10.07.1992

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temperatur T gekühlt wird. Da die Sprungtemperatur von bekannten metallischen Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb,Sn weit unter der Raumtemperatur liegt, werden zur Überbrückung der entsprechenden Temperaturdifferenzen in bekannten Stromzuführungsvorrichtungen vielfach Leiter aus ausschließlich elektrisch normalleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, verwendet (vgl. z.B. "Cryogenics", April 1975, Seiten 193 bis 200). Diese normalleitenden Leiter sind dann mit den Supraleitern der elektrischen Einrichtung an einer Stelle verbunden, die ebenfalls auf einem Temperaturniveau unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials gehalten wird. Die Normalleiter können bis zu dieser Anschlußstelle kontinuierlich oder auch stufenweise abgekühlt werden.

Daneben ist es auch bekannt, für die Leiter von Stromzuführungsvorrichtungen zumindest zum Teil supraleitendes Material zu verwenden, dessen Sprungtemperatur über der des für die auf Tieftemperatur zu haltende supraleitende Einrichtung eingesetzten Supraleitermaterials liegt (vgl. z.B. die FR-OS 2 637 728).

Seit einiger Zeit sind neben den klassischen metallischen Supraleitermaterialien, die mit flüssigem Helium zu kühlen sind, auch supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtemperaturen T von vorzugsweise über 77 K bekannt, die deshalb mit flüssigem Stickstoff bei Normaldruck gekühlt werden können. Entsprechende Metalloxidverbindungen, bei denen es sich insbesondere um Cuprate handelt, basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des

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Typs Mel-Me2-Cu-0, wobei die Komponenten MeI ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium und Me2 ein Erdalkalimetall zumindest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vierkomponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O (Abkürzung: YBCO). Daneben weisen auch Phasen von 5- oder höherkomponentigen, seltenerdfreien Cupraten wie z.B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung: BSCCO) oder Tl-Ba-Ca-Cu-O (Abkürzung: TBCCO) Sprungtemperaturen T von deutlich über 77 K auf.

Auch mit solchen metalloxidischen Hoch-T -Supraleitermaterialien (Abkürzung: HTSL-Materialien) können Stromzuführungsvorrichtungen aufgebaut werden. Aus der US-PS 4 965 246 geht eine derartige Stromzuführungsvorrichtung hervor, deren abgasgekühlten Leiter durchgehend zwischen einem Raumtemperaturbereich und einem Tieftemperaturbereich HTSL-Material auf einem Trägerkörper aufweisen.

Neben einer solchen einstufig ausgebildeten Ausführungsform ist aus der eingangs genannten Firmenzeitschrift der Firma "Toshiba" eine zweistufige Stromzuführungsvorrichtung bekannt. Diese Vorrichtung enthält als einen dem Raumtemperatur-Bereich zugewandten ersten Stromzuführungsoder Leitungsabschnitt einen Behälter für flüssigen Stickstoff (LN2) aus normalleitendem Metall. Am Boden dieses LN₂-Behälters ist ein Behälter für gasförmiges Helium (GHe) angeflanscht, durch welchen sich ein zweiter, dem Tieftemperaturbereich zugewandter Leitungsabschnitt erstreckt. Dieser zweite Abschnitt enthält gasgekühlte Leiterteile aus metalloxidischem HTSL-Material. Diese Leiterteile sind an ihrem dem Tieftemperaturbereich abgewandten

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Ende mit dem Boden des LN^-Behälters verbunden und bilden dort eine etwa auf LN₂-Temperaturniveau liegende Verbindungseinrichtung zwischen den beiden Zuführungsabschnitten. Es zeigt sich jedoch, daß der raumtemperaturseitige Zuführungsabschnitt wegen des beim Betrieb schwankenden Niveaus des in seinem LN₂-Behälter vorhandenen LN₂ hinsichtlich der Joule'schen Verluste nur schwer zu optimieren ist. Außerdem treten isolationstechnische Probleme auf, da die Behälterwand aus normalleitendem Metall besteht.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es deshalb, die Stromzuführungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß ihre elektrisch leitenden Teile hinsichtlich geringerer thermischer Verluste bei Stromtransport von Raumtemperatur auf die tiefe Temperatur der insbesondere mit LHe zu kühlenden, vorzugsweise supraleitenden Einrichtungen unter Einsatz von HTSL-Materialien leichter zu optimieren sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß der raumtemperaturseitige Leitungsabschnitt ein Vakuumgefäß enthält, in dessen Vakuumraum ein Flüssig-Stickstoff-Behälter angeordnet ist, und daß nur die der Verbindungseinrichtung zuzuordnenden stromführenden Leiterteile des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes in direktem Wärmekontakt mit dem Flüssig-Stickstoff-Behälter stehen.

D.h., von den stromführenden Leiterteilen des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes sind nur die zu der Verbindungseinrichtung zugehörenden Leiterteile thermisch

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an das LN₂-BaO in dem LN₂-Behälter unmittelbar angekoppelt und liegen somit auf einem zumindest weitgehend konstanten Temperaturniveau.

Die mit dieser Ausgestaltung der Stromzuführungsvorrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß die Leiterlänge des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes unabhängig von einem LN₂-Füllstand ist. Somit kann dieser Abschnitt aufgrund von definierten Leiterparametern (Leiterlänge und -querschnitt) so ausgebildet sein, daß die Joule'sehe Verlustwärme praktisch eine Konstante zum jeweils geführten Strom darstellt und damit die Optimierung der gesamten Stromzuführung erleichtert. Folglich sind insbesondere die Auslegungskriterien für den tieftemperaturseitigen Leitungsabschnitt wesentlich vereinfacht. Außerdem läßt sich eine erforderliche Isolation der stromführenden Teile der Stromzuführungsvorrichtung bei dem erfindungsgemäßen Aufbau leicht von außen anbringen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Stromzuführungsvorrichtung nach der Neuerung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Neuerung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Schnitt durch einen Aufbau mit zwei Stromzuführungsvorrichtungen nach der Neuerung veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer dieser Stromzuführungsvorrichtungen. In Figur 3 ist eine besondere Ausführungsform einer Stromzuführungsvorrichtung nä-

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her veranschaulicht. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt als Längsschnitt einen Kryostaten 2 oder ein Kryostatensystem mit mindestens einem äußeren Vakuumgehäuse 3. In den evakuierten Innenraum 4 dieses Gehäuses sind zwei gegenüber diesem Innenraum abgedichtete, weitgehend rohrförmige Behälter 5 und 6 eingesetzt. Diese Behälter dienen jeweils in einem erweiterten unteren Bereich zur Aufnahme eines Vorrates 7 bzw. 8 an flüssigem Helium (LHe). An den Böden dieser nachfolgend als LHe-Behälter bezeichneten Gefäße können die LH-Vorräte 7 und 8 über ein Leitungssystem 9 miteinander verbunden sein, so daß sich auch in diesem Leitungssystem LHe befindet. Das LHe-Leitungssystem dient zur Aufnahme einer in der Figur nicht näher ausgeführten, insbesondere supraleitenden Einrichtung 10, beispielsweise eines supraleitenden Kabels oder eines supraleitenden Magneten. Diese supraleitende Einrichtung soll vorzugsweise Teile aus einem der klassisehen metallischen Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb-jSn enthalten. Dieses Material wird mittels des LHe in dem LHe-Leitungssystem 9 unterhalb seiner Sprungtemperatur T_c gehalten. Gegebenenfalls sind für die Einrichtung 10 auch andere Materialien geeignet, welche auf dem Temperaturniveau des LHe gehalten werden. Durch die vorzugsweise supraleitende Einrichtung 10 ist ein Strom I zu leiten, der über zwei im wesentlichen zweistufig ausgebildete Stromzuführungsvorrichtungen 12 bzw. 13 nach der Erfindung zu- bzw. abzuführen ist. Hierzu erstrecken sich die beiden Stromzuführungsvorrichtungen in den LHe-Behältern 5 und 6 von Raumtemperatur bis in den Tieftemperaturbereich des jeweiligen LHe-Vorrates 7 bzw. 8.

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Zunächst sei nachfolgend auf die Stromzuführungsvorrichtung 12 näher eingegangen. Diese Vorrichtung enthält im wesentlichen zwei Leitungsabschnitte Al und A2, wobei sich der Abschnitt Al zwischen Raumtemperatur und etwa der Temperatur des siedenden Stickstoffs (LN₂) erstreckt, während der Abschnitt A2 zwischen der LN^-Temperatur und etwa der LHe-Temperatur des LHe-Vorrates 7 verläuft. Der raumtemperaturseitige Leitungsteil Al weist im wesentlichen ein beispielsweise hohlzylindrisches inneres Vakuumgefäß 15 mit einem rohrförmigen Mantelteil auf. Dieser Mantelteil wird von einem Leiterrohr 17 gebildet, das konzentrisch von einer rohrförmigen Isolation 18 unter Einhaltung eines Zwischenraumes 19 umschlossen ist. Dieser Teil des Aufbaus des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitts Al geht insbesondere aus Figur 2 näher hervor. Das Leiterrohr 17 besteht aus einem normalleitenden Material wie z.B. Cu und dient als stromführender Leiterteil des Leitungsabschnittes Al. Auch ein Mantelteil aus isolierendem Material mit einzelnen auf seiner Außenseite verlaufenden Leiterteilen ist möglich. In Figur 1 sind ferner ein Deckel- und ein Bodenteil 20 bzw. 21 des inneren Vakuumgefäßes 15 gezeigt, die ebenfalls aus dem normalleitenden Material des Leiterrohres 17 hergestellt sind. Der Deckelteil 20 ist mit einem Stromanschlußstück 22 elektrisch leitend verbunden, an welches z.B. eine in der Figur nicht dargestellte Strom-/Spannungsquelle anzuschließen ist. Damit sich der Bodenteil 21 auf einem festen Temperaturniveau zwischen etwa 77 und 80 K befindet, ist in dem Vakuumraum 23 im Inneren des inneren Vakuumgefäßes 15 ein Behälter 24 für einen LN₂-Vorrat 25 so angeordnet, daß eine gute wärmeleitende Verbindung mit dem Bodenteil 21 besteht. Bei-

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spielsweise wird der Boden des Vorratsbehälters 24 zugleich von dem Bodenteil 21 mitgebildet. Das LN₂ wird über ein Zuleitungsrohr 27 in den Vorratsbehälter 24 eingespeist. Verdampfter, gasförmiger Stickstoff (GN₂) wird zu einer Abgaskühlung des normalleitenden Leiterrohres 17 herangezogen. Hierzu ist in dem Bodenteil 21 ein Verteilerkanal 28 vorgesehen, in den aus dem Dampfraum 29 über dem LN₂ entnommenes GN₂ über ein zentrales Verbindungsrohr 30 gelangt. An den Verteilerkanal 28 sind beispielsweise Kühlrohre 32 angeschlossen, die in dem zwischen der rohrförmigen Isolation 18 und dem normalleitenden Leiterrohr 17 ausgebildeten Zwischenraum 19 verlaufen und mit dem Leiterrohr wärmeleitend verbunden sind (vgl. Figur 2). In diesem Zwischenraum, der gegenüber den Vakuumräumen 4 und 23 vakuumdicht ist, können auch andere, beispielsweise netzartige Strukturen z.B. aus Kunststoff angeordnet sein, die einen Wärmeaustausch des durch diesen Zwischenraum strömenden GN₂-Abgases mit dem normalleitenden Material des Leiterrohres 17 fördern. Das GN₂ tritt an einem Anschlußstutzen 34 aus dem inneren Vakuumgefäß 15 aus.

Mit dem Bodenteil 21 ist der zweite, tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt A2 der Stromzuführungsvorrichtung 12 elektrisch und wärmeleitend verbunden. Der Bodenteil 21 und die unmittelbar daran angefügten elektrisch leitenden Verbindungsteile dieses zweiten Leitungsabschnittes stellen somit eine elektrische Verbindungseinrichtung V dar, die auf dem durch den LN₂-Vorrat 25 vorgegebenen Temperaturniveau liegt. Der Leitungsabschnitt A2 hat beispielsweise eine im wesentlichen zylindrische oder hohlzylinderförmige Gestalt und enthält in Stromführungsrichtung

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einen oder mehrere Leiterteile 35 aus einem der bekannten HTSL-Materialien, wobei sich das HXSL-Material vielfach
auf einem geeigneten Träger befindet. Der Leitungsabschnitt A2 kann aber auch vollständig aus dem HTSL-Mate-

rial ausgebildet sein. Das zu verwendende HTSL-Material
muß eine Sprungtemperatur T aufweisen, die oberhalb des
Temperaturniveaus der Verbindungseinrichtung V liegt.
Beispielsweise ist deshalb ein HTSL-Material des Leitungsabschnittes A2 auf Basis des BSCCO-Stoffsystems
geeignet.

An das tieftemperaturseitige Ende 36 des Leitungsabschnittes A2, das in der Nähe der Oberfläche des LHe-Vorrates 7 liegt, ist ein supraleitendes Verbindungselement 38 angeschlossen, welches die Verbindung des Leitungsabschnittes A2 mit der supraleitenden Einrichtung 10 herstellt. Dieses Verbindungselement enthält vorteilhaft Teile aus normalleitendem Stabilisierungsmaterial wie z.B. Cu und metallischem Supraleitermaterial wie z.B. NbTi, da es im wesentliehen durch den LHe-Vorrat 7 gekühlt wird.

Wie ferner aus Figur 1 hervorgeht, wird in dem Abgasraum
AO oberhalb des LHe-Vorrates 7 vorhandenes Abgas (GHe)
seitlich an dem Vakuumgefäß 15 des raumtemperaturseitigen Abschnittes Al vorbeigeführt und über einen Anschlußstutzen 41 aus dem Vakuumgehäuse 3 herausgeleitet. Gegebenenfalls kann ein Teil dieses Abgases auch zu einer
Kühlung des normalleitenden Leiterrohres 17 des Leitungsabschnittes Al an Stelle einer GN₂-Kühlung dienen. Ferner ist auch eine umstellbare Kühlung mit GN₂ oder GHe möglich . Hierzu ist beispielsweise zwischen dem Abgasraum

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und dem Verteilerkanal 28 ein Verbindungsrohr 42 mit einem Ventil 43 vorhanden. Das Verbindungsrohr 30, über das GN₂ in den Verteilerkanal 28 gelangen kann, muß deshalb ebenfalls mit einem Ventil 44 absperrbar sein. 5

Die zweite, in Figur 1 gezeigte und mit 13 bezeichnete Stromzuführungsvorrichtung unterscheidet sich von der Stromzuführungsvorrichtung 12 lediglich dadurch, daß für ihren raumtemperaturseitigen Leitungsteil Al¹ eine Möglichkeit einer wahlweisen GN₂- oder GHe-Kühlung des normalleitenden Leiterrohres 17' nicht vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausführungsform sind erfindungsgemäß von den stromführenden Leiterteilen des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes Al' nur die der zugehörigen Verbindungseinrichtung V¹ zuzuordnenden Leiterteile thermisch an das LN₂-Bad 25' in dem LN₂~Vorratsbehälter 24' unmittelbar angekoppelt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich außerdem zumindest der wesentliche Teile des tieftemperaturseitigen HTSL-Leitungsteils A2 ■ in einer evakuierten Kammer 46, wird also nicht wie der Leitungsteil A2 direkt von GHe gekühlt.

Wie ferner in Figur 1 angedeutet ist, kann der im Innenraum 4 des äußeren Vakuumgehäuses 3 befindliche Aufbau aus den beiden LHe-Behältern 5 und 6 sowie dem Leitungssystem 9 zweckmäßigerweise von einem Strahlungsschild 48 umgeben sein, der mittels eines LN^-Vorrates 49 gekühlt wird.

Darüber hinaus können die beiden Ventile 43 und 44 der Stromzuführungsvorrichtung 12 zur wahlweisen, d.h. um-

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stellbaren GN₂- oder GHe-Kühlung des normalleitenden Leiterrohres 17 des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes Al selbstverständlich auch an anderen Stellen als den in Figur 1 gezeigten angeordnet sein. In Figur 3 ist im Schnitt eine weitere Ausführungsform angedeutet, bei der beide Ventile zu einer gemeinsamen, zentralen Ventilanordnung 50 vereinigt sind. Bei dieser Ausführungsform wird GHe zentral durch den Innenraum 51 des rohrförmig gestalteten HTSL-Leiterteils 52 des tieftemperaturseitigen Leitungsabschnittes A2 an das GHe-Ventil A3 der Ventilanordnung 50 herangeführt.

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Claims

926 3 3 76 OE 12 Schutzansprüche

1. Stromzuführungsvorrichtung für eine elektrische, auf Tieftemperatur zu haltende, insbesondere supraleitende Einrichtung, welche Vorrichtung mindestens zwei Leitungsabschnitte aufweist, zwischen denen sich eine Verbindungseinrichtung auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur und der Tieftemperatur befindet, wobei der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs enthält, dadurch gekennzeichne t , daß der raumtemperaturseitige Leitungsabschnitt (Al, Al¹) ein Vakuumgefäß (15) enthält, in dessen Vakuumraum (23) ein Flüssig-Stickstoff-Behälter (24, 24') angeordnet ist, und daß nur die der Verbindungseinrichtung (V, V¹) zuzuordnenden stromführenden Leiterteile (21) des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes (Al, Al¹) in direktem Wärmekontakt mit dem Flüssig-Stickstoff-Behälter (24, 24') stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Vakuumgefäß (15) einen vorzugsweise rohrförmig gestalteten Mantelteil zumindest teilweise aus normalleitendem Material enthält, der als ein stromführender Leiterteil (17, 17') des raumtemperaturseitigen Leitungsabschnittes (Al, Al¹) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß der stromführende Leiterteil (17, 17·) des Mantelteils mittels dem Flüssig-Stickstof f-Behälter (24, 24') entnommenen Stickstoff-Abgases zu kühlen ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der stromführende Leiterteil (17) des Mantelteils mittels Helium-Abgases zu kühlen ist, das einem Behälter (5) mit einem zur Kühlung der elektrischen Einrichtung vorgesehenen Vorrat (7) an flüssigem Helium entnommen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Ventilanordnung (42 und 44; 50) zu einer wahlweisen Kühlung des stromführenden Leiterteils (17) des Mantelteils mit Stickstoff-Abgas oder Helium-Abgas vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß der stromführende Leiterteil (17, 17') des Mantelteils von außen zu kühlen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß der Mantelteil von einer elektrischen Isolation (18) umgeben ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der tief- temperaturseitige Leitungsabschnitt (A2, A2') mindestens einen stromführenden Leiterteil (35, 52) aus dem metalloxidischen Supraleitermaterial enthält, der insbesondere rohrförmig gestaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest der wesentliche

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Teil des stromführenden Leiterteils (35, 52) aus dem metalloxidischen Supraleitermaterial in einer Vakuumkammer (46) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß metalloxidisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O vorgesehen ist.

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