EP0014766B1 - Stromzuführungsvorrichtung für eine supraleitende Magnetspule - Google Patents

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EP0014766B1
EP0014766B1 EP79105293A EP79105293A EP0014766B1 EP 0014766 B1 EP0014766 B1 EP 0014766B1 EP 79105293 A EP79105293 A EP 79105293A EP 79105293 A EP79105293 A EP 79105293A EP 0014766 B1 EP0014766 B1 EP 0014766B1
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EP
European Patent Office
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contact
power supply
cooled
contact element
arrangement according
Prior art date
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EP79105293A
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Hans Hieronymus
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/62—Heating or cooling of contacts

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for a superconducting magnet coil cooled by a cryogenic medium, the coil ends of which are to be short-circuited via a continuous current switch, with a separating device per coil end, which has a stationary contact part connected to the respective coil end and also cooled by the cryogenic medium, and a movable part contains a contact part connected to a power supply device, which is at a comparatively higher temperature at least when the contact is open, and a mechanical actuating device for joining together the contact parts with a predetermined contact force or for separating them after the magnetic coil has been short-circuited.
  • current supply devices are required via which an electrical current is supplied to these conductors from a power supply unit located at a higher temperature level, for example at room temperature.
  • the conductors of the magnetic coil are kept at a temperature below the so-called transition temperature of their superconducting material with the aid of a cryogenic medium, for example with liquid helium. Since this transition temperature of the known superconducting materials is far below the room temperature, conductor parts made of electrically normally conductive material such as copper or aluminum are used to bridge the corresponding temperature differences in the current supply devices. These normally conductive conductor parts are then connected to the superconductors of the magnetic coil at a point which is also kept at a temperature level below the transition temperature of the superconductor material.
  • a corresponding switch for short-circuiting a superconducting magnet is also known from US-A-3,551,861.
  • This switch can be operated mechanically with a linkage which is relatively stable and at the same time serves as a power supply.
  • the contact parts of the switch contain superconducting material and are also cooled by the cryogenic medium that cools the superconducting magnet.
  • the parts of the shift linkage that are also cooled are provided with cooling fins to ensure good heat exchange between the cooling medium and the current-carrying linkage parts.
  • the power supply device can therefore be provided with a separating device in order to supply electrically and thermally highly conductive conductor parts of the power supply, which are connected to the power supply device to room temperature, during the continuous operation of the magnet coil of conductor parts that are in the cryogenic medium separate (see, for example, the magazine "Elektrie", Vol. 19 (1965), No. 4, page 179).
  • a corresponding separating device generally contains a stationary, cold contact part and a movable, warm contact part, as well as a mechanical actuating device with which the contact parts are to be joined together with a predetermined contact force or to be separated from one another after the magnetic coil has been short-circuited.
  • the object of the invention is therefore to provide a power supply device with a separating device in which these difficulties are substantially reduced.
  • the temperature of the connection put to the superconductor immediately after joining the warm contact part to the cold contact part to be kept so low that with appropriate cooling of the supply parts there is practically no immediate risk of the superconductor becoming normal.
  • a shape of the cooled contact part which is elongated in the direction of current conduction is to be understood to mean a shape whose length between the contact area and the connection point for the superconductor is substantially greater than its mean extent in directions perpendicular thereto.
  • the advantages of this design of a power supply device are, in particular, that when the contact parts are separated, there is practically no heat introduced into the cryogenic medium via the power supply device, and even when the contact parts are joined together, the heat input is relatively low, since, due to the large mass ratio chosen between hot and cold Contact part can only transfer a correspondingly small amount of heat from the warm to the cold contact part. In addition, this amount of heat does not reach the connected superconducting coil end directly, because the cooled contact part is designed to be relatively elongated and has a predetermined minimum thermal resistance.
  • a temperature gradient advantageously forms over the cold contact part, and the amount of heat transferred to the cold contact part is largely released to the cooling cryogenic medium at its end facing away from the contact area before it connects the connected superconducting medium Can heat coil end.
  • the risk of the superconductor of the magnet coil becoming normally conductive is therefore low.
  • the time until the cold contact part is completely cooled again is relatively short and is, for example, only a few 10 seconds if the thermal resistance of the cooled contact part per 1000 A to be transmitted is at most 3 K / W.
  • the mass ratio between the hot and cold contact part is advantageously chosen to be very large and is, for example, at least 10: 1.
  • the upper limit of this mass ratio is determined in particular by the mechanical strength of the smaller, warm contact part under the influence of the contact force.
  • the contact force in the closed state of the separating device can advantageously be at least 500 N, preferably at least 1000 N.
  • At least one of the contact surfaces of the two contact parts can be curved, preferably spherical cap-shaped. Under the influence of a relatively large contact force, a low contact resistance between the two contact parts of the separating device is achieved.
  • This contact resistance is particularly low if the mutually facing sides of the contact parts, which consist for example of copper, are each provided with a contact piece made of fine silver.
  • the current supply device can advantageously be associated with a short-circuit switch located parallel to the continuous current switch and a mechanical actuating device which, depending on the switching state of the contact parts of the separating device, keeps the short-circuit switch open when contact parts are joined together and keeps closed when contact parts are separated. It is thus prevented that an unintentional or premature opening of the permanent current switch of the energized solenoid coil, if the contact parts of the power supply devices have not yet been connected, causes damage or even destruction of the permanent current switch and high electrical voltages at the coil ends.
  • a superconducting magnet coil can be connected to a power supply device, also not shown, which is at room temperature.
  • the magnet coil is located within a cryostat in a bath 2 of a cryogenic medium, such as liquid helium, with which the superconducting Conductors of the coil are kept below the characteristic jump point for their superconducting material from the superconducting to the normal conducting state.
  • the power supply device contains a stationary, essentially cooled contact part 3 which runs in the bath 2 and has a fully cylindrical component 4 which is elongated in the direction of current conduction and which at its upper end protruding from the bath 2 and facing a contact area 5 into a disc-shaped, horizontally running component 6 passes.
  • the side of this disk-shaped component facing the contact area 5 is provided with a contact piece 8 with a flat contact surface 9.
  • a plurality of cooling vanes are fastened, of which only two flags 11 1 and 12 can be seen in the illustration in FIG. 1. According to the cross section shown in FIG.
  • cooling vanes 13 and 14 can also be attached to the lower end 10 of the contact part 3.
  • large cooling of the lower end 10 of the contact part 3 is achieved, so that this end always has at least approximately the temperature of the cryogenic medium in the bath 2.
  • a superconducting end piece 16 of the magnetic coil can therefore advantageously be connected to this end.
  • the fixed position of the cooled contact part 3 is ensured with the aid of a thin-walled, vertically extending steel tube 18, the upper end of which is connected to a housing (not shown in the figure) and the lower end of which is connected to the disk-shaped component 7 of the contact part 3 lying outside the bath 2 connected plate 19 is attached.
  • a contact part 22 of the power supply device which is movable in the vertical direction along the pipe axis by means of an actuating device (not shown in the figure), is arranged in the upwardly open space 20 bounded by the stationary steel pipe 18 and the plate 19.
  • This contact part contains a likewise fully cylindrical component 23, which is provided at its lower end facing the contact area 5 with a contact piece 24 with a curved, preferably slightly spherical, curved contact surface 25.
  • the upper end of the contact part 22 facing away from the contact area 5 is widened to form a disk-shaped component 26 to which an electrical feed line 28 is connected, via which the contact part 22 is connected to the external power supply unit.
  • This supply line consists, for example, of a copper network, the cross-section of which is predetermined due to the Joule losses that arise and which is cooled by evaporating helium.
  • This feed line 28 is surrounded concentrically by a thin-walled rigid steel tube 29 fastened to the outer edge of the disc-shaped component 26, which represents a mechanically fixed connection between the actuating device (not shown in the figure) and the contact part 22.
  • the contact part 22 is advantageously pressed or separated from the contact piece 8 of the fixed, cold contact part 3 with a force of at least 500 N, preferably of at least 1000 N, for example 2000 N.
  • the temperature of the warm contact part 22 can be influenced when pulled up.
  • the components 23 and 26 of the contact part 22 and the components 4 and 7 of the contact part 3 and also the cooling vanes 11 to 14 are expediently made of a normally conductive, electrically and thermally highly conductive material such as copper.
  • the mass of the lower contact part 3, which is kept at a low temperature by the helium bath 2 is very large in comparison to the upper, movable, warm contact part 22.
  • the mass ratio between these contact parts should be at least 5: 1, preferably at least 10: 1.
  • the upper limit of this ratio is determined by the mechanical stability of the warm contact part 22 under the influence of the predetermined contact force. This measure ensures that when the still warm contact part 22 is joined to the cold contact part 3, a correspondingly limited amount of heat is transferred to the contact part 3.
  • the cold contact part 3 is also designed such that it has a thermal resistance of at least 0.2 K / W, preferably of at least 0.5, per 1000 A of current to be transmitted K / W has.
  • the upper limit of the thermal resistance is mainly determined by the Joule heat generated and the maximum permissible time for the contact part 3 to cool down. Values above 3 K / W, preferably above 1 K / W, per 1000 A current are expediently not exceeded. It is thus ensured that the contact part 3 cools down again sufficiently within a relatively short time, for example less than 1 minute, even at the end connected to the movable contact part 22.
  • the desired thermal resistance of the contact part 3 is achieved with given material properties in that its length 1 in the vertical direction is at least twice as large what its mean extent is in the horizontal direction.
  • the cold contact part 3 therefore contains an elongated, fully cylindrical component 4 with a small horizontal extent a. Due to the additional attached to its lower end 10 cooling lugs 11 to 14 it is ensured that this end 10 is always at least approximately at the temperature of the helium bath 2 with the superconducting end piece 16 of the magnetic coil connected to it. A temperature gradient then forms over the elongated component 4 of the contact part 3 shortly after the two contact parts 3 and 22 have been joined together, which temperature gradient is practically completely eliminated again in a relatively short time. A sudden increase in temperature on the conductors of the magnet coil is thus prevented by the thermal resistance of a predetermined size between the joined contact surfaces 9 and 25 on the one hand and the superconducting connection 16 of the magnet coil on the other hand.
  • the contact parts 3 and 22 essentially consist of electrolytic copper with soldered-on contact pieces 8 and 25 made of fine silver.
  • the contact surface 9 is flat, while the contact surface 25 is spherical with a sphere radius of approximately 80 to 100 mm.
  • the mass of the cold contact part 3 including the cooling lugs 11 to 14 is approximately 300 g, while the movable contact part 22 has a mass of approximately 30 g.
  • the cooling surface of the cooling vanes is approximately 100 cm 2 , and the thermal resistance between the contact point and the connection point of the superconductor 16 is between 0.5 and 1 K / W.
  • the warm contact part 22 which is initially at a temperature of approximately 280 to 300 K, is then joined to the cold contact part 3 at the temperature of the helium bath 2 of approximately 4 K, the resulting temperature gradient along the cold contact part 3 builds up about 30 seconds practically completely.
  • two current supply devices 30 and 31 are indicated in the form of a longitudinal section, which correspond to the current supply device according to FIG. 1 and which are connected to ends 33 and 34 of a superconducting magnet coil 35. These coil ends 33 and 34 can be electrically short-circuited via a continuous current switch 37.
  • the continuous current switch 37 is a further short-circuit switch 38 connected in parallel, which is connected to the movable contact parts 22 of the current supply devices 30 and 31 by means of a mechanical actuating device 40 only indicated in the figure such that it can only be opened when the contact parts 3 and 22 of the current supply devices are closed is, however, always remains closed immediately before and during a separation of these contact parts. This measure prevents that in the disconnected state of the power supply devices, if a continuous current flows through the coil 35 and the continuous current switch 37, if these switches are accidentally opened, they are damaged or even destroyed and very high electrical voltages occur at the coil ends 33 and 34.

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrichtung für eine von einem kryogenen Medium gekühlte supraleitende Magnetspule, deren Spulenenden über einen Dauerstromschalter kurzzuschließen sind, mit einer Trennvorrichtung pro Spulenende, die ein ortsfestes, mit dem jeweiligen Spulenende verbundenes und von dem kryogenen Medium mitgekühltes Kontaktteil und ein bewegliches, mit einer Stromversorgungseinrichtung verbundenes, zumindest bei geöffnetem Kontakt auf einer vergleichsweise höheren Temperatur liegendes Kontaktteil sowie eine mechanische Betätigungsvorrichtung zum Aneinanderfügen der Kontaktteile mit vorbestimmter Kontaktkraft bzw. zu deren Trennen nach erfolgtem Kurzschließen der Magnetspule enthält.
  • Für eine Stromeinspeisung in Magnetspulen mit tiefgekühlten Supraleitern werden Stromzuführungsvorrichtungen benötigt, über die ein elektrischer Strom diesen Leitern von einer auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversorgungseinheit zugeführt wird. Die Leiter der Magnetspule werden dabei mit Hilfe eines kryogenen Mediums, beispielsweise mit flüssigem Helium, auf einem Temperaturniveau unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur ihres supraleitenden Materials gehalten. Da diese Sprungtemperatur der bekannten supraleitenden Materialien weit unter der Raumtemperatur liegt, werden zur Überbrückung der entsprechenden Temperaturdifferenzen in den Stromzuführungsvorrichtungen Leiterteile aus elektrisch normalleitendem Material wie beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium verwendet. Diese normalleitenden Leiterteile sind dann mit den Supraleitern der Magnetspule an einer Stelle verbunden, die ebenfalls auf einem Temperaturniveau unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleitermaterials gehalten wird.
  • Ist ein magnetisches Feld einer solchen Magnetspule aufgrund eines entsprechenden Stromes erzeugt, so kann die Spule über einen Dauerstromschalter kurzgeschlossen werden, da ihr dann von außen zur Aufrechterhaltung des Feldes praktisch keine Energie mehr zugeführt zu werden braucht, Nur der Energiebedarf der zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes der Spule benötigten Kälteeinrichtungen ist dann noch zu decken. Als Dauerstromschalter sind dabei Schalter mit besonders niedrigem Widerstand geeignet, so daß der Strom dann fast ungedämpft in dem von Spule und Dauerstromschalter gebildeten kurzgeschlossenen Stromkreis fließen kann (vgl. beispielsweise DE-C 23 24 371 und DE-A 27 07 589).
  • Ein entsprechender Schalter zum Kurzschließen eines Supraleitungsmagneten ist ferner aus der US-A-3 551 861 bekannt. Dieser Schalter ist mit einem Gestänge mechanisch zu betätigen, das verhältnismäßig stabil ausgebildet ist und zugleich als Stromzuführung dient. Die Kontaktteile des Schalters enthalten supraleitendes Material und werden von dem den Supraleitungsmagneten kühlenden kryogenen Medium mitgekühlt. Die ebenfalls mitgekühlten Teile des Schaltgestänges sind mit Kühlrippen versehen, um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und den stromführenden Gestängeteilen zu gewährleisten.
  • Über die ständig angeschlossenen normalleitenden Leiterteile einer solchen Stromzuführungsvorrichtung wird jedoch dem die Leiter der Magnetspule kühlenden kryogenen Medium immer Wärme zugeführt, obwohl bei erregter und kurzgeschlossener Magnetspule eine Stromzuführung während des Dauerbetriebs nicht mehr benötigt wird. Zur Vermeidung entsprechender Wärmeverluste kann deshalb die Stromzuführungsvorrichtung mit einer Trennvorrichtung versehen sein, um elektrisch und thermisch gut leitende Leiterteile der Stromzuführung, die mit der Stromversorgunseinrichtung auf Raumtemperatur verbunden sind, während des Dauerbetriebs der Magnetspule von Leiterteilen, die sich in dem kryogenen Medium befinden, zu trennen (vgl. beispielsweise die Zeitschrift "Elektrie", Bd. 19 (1965), Heft 4, Seite 179). Eine entsprechende Trennvorrichtung enthält im allgemeinen ein ortsfestes, kaltes Kontaktteil und ein bewegliches, warmes Kontakttiel sowie eine mechanische Betätigungsvorrichtung, mit der die Kontaktteile mit vorbestimmter Kontaktkraft aneinanderzufügen sind bzw. nach dem Kurzschließen der Magnetspule voneinander zu trennen sind.
  • Bei der Gestaltung einer solchen Stromzuführungsvorrichtung mit Trennvorrichtung ergibt sich zwangsläufig die Schwierigkeit, daß das entfernte und dabei etwa auf Raumtemperatur erwärmte Kontaktteil wieder mit dem kalten Kontaktteil in thermische Verbindung zu bringen ist und somit dieses erwärmt. Dabei müssen besonders die sehr unterschiedlichen spezifischen Wärmen dieser beiden Kontaktteile mit berücksichtigt werden. Es besteht dann gegebenenfalls die Gefahr, daß zuviel Wärme in das kalte Kontaktteil und somit in den mit ihm verbundenen Spulenanschluß eingeleitet wird und dann das supraleitende Material zumindest an dieser Stelle normalleitend wird. Diese Gefahr ist hauptsächlich vor einem Entregungsvorgang gegeben, wenn noch der volle Strom in der Magnetspule fließt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Stromzuführungsvorrichtung mit einer Trennvorrichtung anzugeben, bei der diese Schwierigkeiten wesentlich verringert sind. Insbesondere soll dabei die Temperatur der Verbindungsstelle zum Supraleiter auch unmittelbar nach dem Aneinanderfügen des warmen Kontaktteiles an das kalte Kontaktteil so niedrig zu halten sein, daß bei entsprechender Kühlung der Zuleitungsteile eine unmittelbare Gefahr eines Normalleitend-Werdens der Supraleiter praktisch nicht besteht.
  • Diese Aufgabe wird für eine Stromzuführungsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die folgenden Merkmale gelöst:
    • a) das Massenverhältnis von gekühltem Kontaktteil zu beweglichem Kontaktteil beträgt mindestens 5: 1,
    • b) das gekühlte Kontaktteil ist in Stromführungsrichtung langgestreckt gestaltet und sein dem Kontaktbereich abgewandtes Ende ist mit Mitteln zur Oberflächenvergrößerung versehen und mit dem Spulenende verbunden und
    • c) der Wärmewiderstand des gekühlten Kontaktteils zwischen dem Kontaktbereich und der Anschlußstelle des Spulenendes beträgt pro 1000 A maximal zu übertragenden Strom mindestens 0,2 K/W.
  • Unter einer in Stromführungsrichtung langgestreckten Gestalt des gekühlten Kontaktteils ist dabei eine Form zu verstehen, deren Länge zwischen dem Kontaktbereich und der Anschlußstelle für die Supraleiter wesentlich größer als deren mittlere Ausdehnung in dazu senkrechten Richtungen ist.
  • Die Vorteile dieser Gestaltung einer Stromzuführungsvorrichtung bestehen insbesondere darin, daß im getrennten Zustand ihrer Kontaktteile praktisch keine Wärmeeinleitung in das kryogene Medium über die Stromzuführungsvorrichtung erfolgt und auch bei einem Aneinanderfügen der Kontaktteile die Wärmeeinleitung verhältnismäßig gering ist, da aufgrund des gewählten großen Massenverhältnisses zwischen warmem und kaltem Kontaktteil nur eine entsprechend kleine Wärmemenge von dem warmen auf das kalte Kontaktteil übergehen kann. Außerdem gelangt diese Wärmemenge nicht unmittelbar zu dem angeschlossenen supraleitenden Spulenende, weil das gekühlte Kontaktteil verhältnismäßig langgestreckt gestaltet ist und einen vorbestimmten Mindestwärmewiderstand hat. Es bildet sich so unmittelbar nach dem Zusammenfügen des warmen und kalten Kontaktteiles über das kalte Kontaktteil vorteilhaft ein Temperaturgefälle aus, und die auf das kalte Kontaktteil übertragene Wärmemenge wird an dessen dem Kontaktbereich abgewandten Ende großflächig an das kühlende kryogene Medium abgegeben, bevor sie das angeschlossene supraleitende Spulenende erwärmen kann. Die Gefahr eines Normalleitend-Werdens der Supraleiter der Magnetspule ist somit gering.
  • Darüber hinaus ist auch die Zeit bis zur völligen Wiederabkühlung des kalten Kontaktteils verhältnismäßig kurz und liegt beispielsweise bei nur einigen 10 Sekunden, falls der Wärmewiderstand des gekühlten Kontaktteils pro 1000 A zu übertragenden Strom höchstens 3 K/W beträgt.
  • Das Massenverhältnis zwischen warmem und kaltem Kontaktteil wird vorteilhaft sehr groß gewählt und liegt beispielsweise bei mindestens 10:1. Die obere Grenze dieses Massenverhältnisses wird insbesondere durch die mechanische Belastbarkeit des kleineren warmen Kontaktteils unter Einfluß der Kontaktkraft festgelegt. Die Kontaktkraft kann im geschlossenen Zustand der Trennvorrichtung vorteilhaft mindestens 500 N, vorzugsweise mindestens 1000 N betragen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Stromzuführungsvorrichtung nach der Erfindung kann wenigstens eine der Kontaktflächen der beiden Kontaktteile gekrümmt, vorzugsweise kugelkappenförmig gestaltet sein. Unter Einfluß einer verhältnismäßig großen Kontaktkraft wird so ein geringer Übergangswiderstand zwischen den beiden Kontaktteilen der Trennvorrichtung erreicht.
  • Dieser Übergangswiderstand ist dann besonders gering, wenn die einander zugewandten Seiten der Kontaktteile, die beispielsweise aus Kupfer bestehen, jeweils mit einem Kontaktstück aus Feinsilber versehen sind.
  • Darüber hinaus kann der Stromzuführungsvorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft ein zu dem Dauerstromschalter parallelliegender Kurzschlußschalter und eine mechanische Stellvorrichtung zugeordnet sein, die in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Kontaktteile der Trennvorrichtung den Kurzschlußschalter bei aneinandergefügten Kontaktteilen geöffnet und bei getrennten Kontaktteilen geschlossen hält. Es wird so verhindert, daß ein unbeabsichtigtes oder vorzeitiges Öffnen des Dauerstromschalters der erregten Magnetspule bei noch nicht erfolgter Verbindung der Kontaktteile der Stromzuführungsvorrichtungen eine Beschädigung oder sogar Zerstörung des Dauerstromschalters und hohe elektrische Spannungen an den Spulenenden verursacht.
  • Weitere Ausbildungen der Stromzuführungsvorrichtung nach der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Anhand der schematischen Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung noch weiter erläutert. Dabei ist in den Fig. 1 und 2 eine Stromzuführungsvorrichtung für eine supraleitende Magnetspule veranschaulicht, während in Fig. 3 solche. Stromzuführungsvorrichtungen in Verbindung mit einem zusätzlichen Kurzschlußschalter angedeutet sind.
  • Mit der in Fig. 1 nur teilweise als Längsschnitt ausgeführten Stromzuführungsvorrichtung kann eine in der Figur nicht dargestellte supraleitende Magnetspule an eine ebenfalls nicht gezeigte, auf Raumtemparatur liegende Stromversorgungseinrichtung angeschlossen werden. Die Magnetspule befindet sich innerhalb eines Kryostaten in einem Bad 2 eines kryogenen Mediums wie beispielsweise flüssigen Heliums, mit dem die supraleitenden Leiter der Spule unterhalb des für ihr supraleitendes Material charackteristischen Sprungpunktes vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand gehalten werden. Die Stromzuführungsvorrichtung enthält ein ortsfestes, im wesentlichen in dem Bad 2 verlaufendes und somit gekühltes Kontaktteil 3 mit einem in Stromführungsrichtung langgestreckten, vollzylindrischen Bauteil 4, das an seinem oberen aus dem Bad 2 herausragenden und einem Kontaktbereich 5 zugewandten Ende in ein scheibenförmiges, horizontal verlaufendes Bauteil 6 übergeht. Die dem Kontaktbereich 5 zugewandte Seite dieses scheibenförmigen Bauteils ist mit einem Kontaktstück 8 mit ebener Kontaktfläche 9 versehen. An dem dem Kontaktbereich 5 abgewandten Ende 10 des langgestreckten Bauteils 4 des Kontaktteils 3 sind mehrere Kühlfahnen befestigt, von denen in der Darstellung der Fig. 1 nur zwei Fahnen 11 1 und 12 ersichtlich sind. Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt durch diese Kühlfahnen können jedoch an dem unteren Ende 10 des Kontaktteils 3 auch noch weitere Kühlfahnen 13 und 14 angebracht sein. Mit Hilfe der Kühlfahnen wird eine großflächige Kühlung des unteren Endes 10 des Kontaktteiles 3 erreicht, so daß dieses Ende stets zumindest annähernd die Temperatur des kryogenen Mediums in dem Bad 2 hat. An diesem Ende kann deshalb vorteilhaft ein supraleitendes Endstück 16 der Magnetspule angeschlossen sein.
  • Die ortsfeste Lage des gekühlten Kontaktteils 3 wird mit Hilfe eines dünnwandigen, vertikal verlaufenden Stahlrohres 18 gewährleistet, dessen oberes Ende an einem in der Figur nicht dargestellten Gehäuse und dessen unteres Ende an einer mit dem scheibenförmigen, außerhalb des Bades 2 liegenden Bauteil 7 des Kontaktteils 3 verbundenen Platte 19 befestigt ist.
  • In dem von dem ortsfesten Stahlrohr 18 und der Platte 19 begrenzten, nach oben offenen Raum 20 ist ein in vertikaler Richtung längs der Rohrachse mittels einer in der Figur nicht dargestellten Betätigungsvorrichtung bewegliches Kontaktteil 22 der Stromzuführungsvorrichtung angeordnet. Dieses Kontaktteil enthält ein ebenfalls vollzylindrisches Bauteil 23, das an seinem unteren, dem Kontaktbereich 5 zugewandten Ende mit einem Kontaktstück 24 mit gekrümmter, vorzugsweise leicht kugelkappenförmig gewölbter Kontaktfläche 25 versehen ist. Das obere, dem Kontaktbereich 5 abgewandten Ende des Kontaktteils 22 ist zu einem scheibenförmigen Bauteil 26 verbreitert, an dem eine elektrische Zuleitung 28 angeschlossen ist, über die das Kontaktteil 22 mit der externen Stromversorgungseinheit verbunden ist. Diese Zuleitung besteht beispielsweise aus einem Kupfernetz, dessen Querschnitt wegen der entstehenden Joule'schen Verluste vorbestimmt ist und das von verdampfendem Helium gekühlt wird. Diese Zuleitung 28 ist von einem dünnwandigen, am Außenrand des scheibenförmigen Bauteils 26 befestigten starren Stahlrohr 29 konzentrisch umgeben, das eine mechanisch feste Verbindung zwischen der in der Figur nicht dargestellten Betägigungsvorrichtung und dem Kontaktteil 22 darstellt. Mit dieser Betätigungsvorrichtung wird das Kontaktteil 22 vorteilhaft mit einer Kraft von mindestens 500 N, vorzugsweise von mindestens 1000 N, beispielsweise 2000 N auf das Kontaktstück 8 des feststehenden, kalten Kontaktteils 3 gepreßt bzw. von diesem getrennt. Durch eine Festlegung des Hubs kann gegebenenfalls die Temperatur des warmen Kontaktteils 22 im hochgezogenen Zustand beeinflußt werden.
  • Wird als Material für die Kontaktstücke 8 und 24 Feinsilber gewählt, so wird aufgrund der hohen Kontaktkraft und der entsprechenden Gestaltung der Kontaktflächen 9 und 25 ein besonders geringer Übergangswiderstand zwischen den Kontaktteilen 22 und 3 gewährleistet. Die Bauteile 23 und 26 des Kontaktteils 22 sowie die Bauteile 4 und 7 des Kontaktteils 3 und auch die Kühlfahnen 11 bis 14 bestehen zweckmäßig aus einem normalleitenden, elektrisch und thermisch gut leitenden Material wie beispielsweise Kupfer.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Masse des unteren, durch das Helium-Bad 2 auf Tieftemperatur gehaltenen Kontaktteils 3 sehr groß im Vergleich zu dem oberen, beweglichen warmen Kontaktteil 22 ist. Das Massenverhältnis zwischen diesen Kontaktteilen soll dabei mindestens 5:1, vorzugsweise mindestens 10:1 betragen. Die obere Grenze dieses Verhältnisses ist durch die mechanische Stabilität des warmen 'Kontaktteils 22 unter Einwirkung der vorbestimmten Kontaktkraft festgelegt. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß bei einem Aneinanderfügen des noch warmen Kontaktteils 22 an das kalte Kontaktteil 3 eine entsprechend begrenzte Wärmemenge auf das Kontaktteil 3 übertragen wird. Um dann eine unmittelbare Weiterleitung dieser Wärmemenge auf das supraleitende Spulenende 16 zu verhindern, ist ferner das kalte Kontaktteil 3 so gestaltet, daß es pro 1000 A maximal zu übertragenden Strom einen Wärmewiderstand von mindestens 0,2 K/W, vorzugsweise von mindestens 0,5 K/W aufweist. Der obere Grenzwert des Wärmewiderstandes ist hauptsächlich durch die erzeugte Joule'sche Wärme und die maximal zulässige Zeit zur Wiederabkühlung des Kontaktteils 3 festgelegt. Zweckmäßig werden Werte über 3 K/W, vorzugsweise über 1 K/W pro 1000 A Strom nicht überschritten. Es ist so gewährleistet, daß sich das Kontaktteil 3 innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit, beispielsweise unter 1 Minute, auch an dem mit dem beweglichen Kontaktteil 22 verbundenen Ende ausreichend wiederabkühlt. Der gewünschte Wärmewiderstand des Kontaktteils 3 wird bei vorgegebenen Materialeigenschaften dadurch erreicht, daß seine Länge 1 in vertikaler Richtung mindestens doppelt so groß wie seine mittlere Ausdehnung in horizontaler Richtung ist. Das kalte Kontaktteil 3 enthält deshalb ein langgestrecktes, vollzylindrisches Bauteil 4 mit einer geringen horizontalen Ausdehnung a. Aufgrund der zusätzlich noch an seinem unteren Ende 10 angebrachten Kühlfahnen 11 bis 14 wird dabei gewährleistet, daß sich dieses Ende 10 mit dem an ihm angeschlossenen supraleitenden Endstück 16 der Magnetspule stets zumindest annähernd auf der Temperatur des Helium-Bades 2 befindet. Es bildet sich dann über das langgestreckte Bauteil 4 des Kontaktteils 3 kurzfristig nach dem Aneinanderfügen der beiden Kontaktteile 3 und 22 ein Temperaturgefälle aus, das in verhältnismäßig kurzer Zeit praktisch vollständig wieder abgebaut wird. Durch den Wärmewiderstand vorbestimmter Größe zwischen den aneinandergefügten Kontaktflächen 9 und 25 einerseits sowie dem supraleitenden Anschluß 16 der Magnetspule andererseits wird somit eine sprunghafte Temperaturzunahme an den Leitern der Magnetspule verhindert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel einer 1000 A-Stromzuführungsvorrichtung nach den Fig. 1 und 2 bestehen die Kontaktteile 3 und 22 im wesentlichen aus Elektrolytkupfer mit aufgelöteten Kontaktstücken 8 bzw. 25 aus Feinsilber. Die Kontaktfläche 9 ist dabei plan, während die Kontaktfläche 25 kugelig gestaltet ist mit einem Kugelradius von etwa 80 bis 100 mm. Die Masse des kalten Kontaktteils 3 einschließlich der Kühlfahnen 11 bis 14 beträgt etwa 300 g, während das bewegliche Kontaktteil 22 eine Masse von etwa 30 g hat. Die Kühlfläche der Kühlfahnen ist etwa 100 cm2 groß, und der Wärmewiderstand zwischen der Kontaktstelle und der Anschlußstelle des Supraleiters 16 liegt zwischen 0,5 und 1 K/W. Wird dann das warme, zunächst auf einer Temperatur von etwa 280 bis 300 K liegende Kontaktteil 22 mit dem kalten Kontaktteil 3 auf der Temperatur des Helium-Bades 2 von etwa 4 K zusammengefügt, so baut sich das dabei entstehende Temperaturgefälle längs des kalten Kontaktteils 3 nach etwa 30 sec. praktisch wider vollständig ab.
  • In Fig. 3 sind in Form eines Längsschnittes zwei Stromzuführungsvorrichtungen 30 und 31 angedeutet, die der Stromzuführungsvorrichtung gemäß Fig. 1 entsprechen und die an Enden 33 und 34 einer supraleitenden Magnetspule 35 angeschlossen sind. Diese Spulenenden 33 und 34 können über einen Dauerstromschalter 37 elektrisch kurzgeschlossen werden. Dem Dauerstromschalter 37 ist ein weiterer Kurzschlußschalter 38 parallelgeschaltet, der mittels einer in der Figur nur angedeuteten mechanischen Stellvorrichtung 40 mit den beweglichen Kontaktteilen 22 der Stromzuführungsvorrichtungen 30 und 31 derart verbunden ist, daß er nur im geschlossenen Zustand der Kontaktteile 3 und 22 der Stromzuführungsvorrichtungen zu öffnen ist, jedoch unmittelbar vor und während einer Trennung dieser Kontaktteile immer geschlossen bleibt. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, daß im abgetrennten Zustand der Stromzuführungsvorrichtungen, wenn durch die Spule 35 und den Dauerstromschalter 37 ein Dauerstrom fließt, bei versehentlichem Öffnen dieser Schalter beschädigt oder sogar zerstört wird und sehr hohe elektrische Spannungen an den Spulenenden 33 und 34 auftreten.

Claims (13)

1. Stromzuführungsvorrichtung für eine von einem kryogenen Medium gekühlte supraleitende Magnetspule, deren Spulenenden (16) über einen Dauerstromschalter kurzzuschließen sind, mit einer Trennvorrichtung pro Spulenende (16), die ein ortsfestes, mit dem jeweiligen Spulenende (16) verbundenes und von dem kryogenen Medium mitgekühltes Kontaktteil (3) und ein bewegliches, mit einer Stromversorgungseinrichtung verbundenes, zumindest bei geöffnetem Kontakt auf einer vergleichsweise höheren Temperatur liegendes Kontaktteil (22) sowie eine mechanische Betätigungsvorrichtung zum Aneinanderfügen der Kontaktteile (3, 22) mit vorbestimmter Kontaktkraft bzw. zu deren Trennen nach erfolgtem Kurzschließen der Magnetspule enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale;
a) daß das Massenverhältnis von gekühltem Kontaktteil (3) zu beweglichem Kontaktteil (22) mindestens 5:1 beträgt,
b) daß das gekühlte Kontaktteil (3) in Stromführungsrichtung langgestreckt gestaltet ist und sein dem Kontaktbereich (5) abgewandtes Ende (10) mit Mitteln zur Oberflächenvergrößerung versehen und mit dem Spulenende (16) verbunden ist und
c) daß pro 1000 Ampere maximal zu übertragenden Strom der Wärmewiderstand des gekühlten Kontaktteils (3) zwischen dem Kontaktbereich (5) und der Anschlußstelle des Spulenendes (16) mindestens 0,2 Kelvin pro Watt beträgt.
2. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Massenverhältnis von gekühltem Kontaktteil (3) zu beweglichem Kontaktteil (22) von mindestens 10:1.
3. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte Kontaktteil (3) an seinem dem Kontaktbereich (5) abgewandten Ende (10) mit Kühlfahnen (11 bis 14) zur Oberflächenvergrößerung versehen ist.
4. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß pro 1000 Ampere maximal zu übertragenden Strom der Wärmewiderstand des gekühlten Kontaktteils (3) mindestens 0,5 Kelvin pro Watt beträgt.
5. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß pro 1000 Ampere maximal zu übertragenden Strom der Wärmewiderstand des gekühlten Kontaktteils (3) höchstens 3 Kelvin pro Watt, vorzugsweise höchstens 1 Kelvin pro Watt, beträgt.
6. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (I) des gekühlten Kontaktteils (3) in Stromführungsrichtung mindestens doppelt so groß wie seine mittlere Ausdehnung in dazu senkrechter Richtung ist.
7. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Kontaktflächen (25, 9) der beiden Kontaktteile (22 bzw. 3) gekrümmt, vorzugsweise kugelkappenförmig gestaltet ist.
8. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Seiten von Kontaktteilen (3, 22) aus Kupfer jeweils mit einem Kontaktstück (8 bzw. 24) aus Feinsilber versehen sind.
9. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (9) des gekühlten Kontaktteils (3) außerhalb eines Bades (2) des kryogenen Mediums liegt.
10. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkraft in geschlossenem Zustand der Trennvorrichtung mindestens 500 N, vorzugsweise mindestens 1000 N, beträgt.
11. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen zu dem Dauerstromschalter (37) parallelliegenden Kurzschlußschalter (38) und eine mechanische Stellvorrichtung (40), die in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Kontaktteile (3, 22) der Trennvorrichtungen (30, 31) den Kurzschlußschalter (38) bei aneinandergefügten Kontaktteilen (3, 22) geöffnet und bei getrennten Kontaktteilen (3, 22) geschlossen hält (Fig. 3).
12. Stromzuführungsvorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen von dem kryogenen Medium mitgekühlten Kurzschlußschalter (38).
13. Stromzuführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des beweglichen Kontaktteils (22) gegenüber dem gekühlten Kontaktteil (3) auf einen vorbestimmten Wert begrenzt ist.
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