EP1846999A1 - Stromzuführungseinrichtung für einen tieftemperaturleiter und verfahren zur kühlung einer stromzuführungseinrichtung - Google Patents

Stromzuführungseinrichtung für einen tieftemperaturleiter und verfahren zur kühlung einer stromzuführungseinrichtung

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Publication number
EP1846999A1
EP1846999A1 EP06706745A EP06706745A EP1846999A1 EP 1846999 A1 EP1846999 A1 EP 1846999A1 EP 06706745 A EP06706745 A EP 06706745A EP 06706745 A EP06706745 A EP 06706745A EP 1846999 A1 EP1846999 A1 EP 1846999A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductor
power supply
coolant
supply device
plates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP06706745A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Schauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of EP1846999A1 publication Critical patent/EP1846999A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R12/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, specially adapted for printed circuits, e.g. printed circuit boards [PCB], flat or ribbon cables, or like generally planar structures, e.g. terminal strips, terminal blocks; Coupling devices specially adapted for printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures; Terminals specially adapted for contact with, or insertion into, printed circuits, flat or ribbon cables, or like generally planar structures
    • H01R12/70—Coupling devices
    • H01R12/71—Coupling devices for rigid printing circuits or like structures
    • H01R12/72—Coupling devices for rigid printing circuits or like structures coupling with the edge of the rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/721—Coupling devices for rigid printing circuits or like structures coupling with the edge of the rigid printed circuits or like structures cooperating directly with the edge of the rigid printed circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G15/00—Cable fittings
    • H02G15/34—Cable fittings for cryogenic cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R9/00—Structural associations of a plurality of mutually-insulated electrical connecting elements, e.g. terminal strips or terminal blocks; Terminals or binding posts mounted upon a base or in a case; Bases therefor
    • H01R9/11—End pieces for multiconductor cables supported by the cable and for facilitating connections to other conductive members, e.g. for liquid cooled welding cables

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for a low temperature conductor and a method for cooling a power supply device according to the preamble of the independent claims.
  • This electrical conductor which is referred to here as a low-temperature conductor, for example, comprises a superconductor as part of a superconducting magnet.
  • a power supply for the low-temperature conductor or the superconducting magnet must be provided, which conducts current from a hot contact point to a cold contact point at which the superconducting magnet connected .
  • the conductor of a power supply is surrounded by a jacket, so that a space is created between the conductor and the jacket, through which the coolant, for example, cold helium, is guided.
  • the helium is introduced near the cold contact point in the gap and derived near the warm contact point again.
  • the conductor is arranged vertically with the enclosing jacket, wherein the cold contact point should be at the lower end, so that . an ascending helium flow is supported by natural convection.
  • the object is achieved with a power supply device according to claim 1 or. a method and a use of the power supply device according to the further independent claims.
  • the invention is based on the recognition that in a coolant channel for guiding a coolant, which extends along the conductor of a power supply device, with guide elements, a directed convection of the coolant is forced from the cold contact point to the hot contact point.
  • the guide elements provided according to the invention make it possible for the convection of the coolant along the length of the conductor to be adapted depending on the local requirements, by locally influencing the speed of the coolant through the guide elements.
  • the current supply device according to the invention has at least one electrical conductor via which a low-temperature conductor, for example that of a superconducting magnet, can be supplied with current.
  • the electrical conductor has a hot and a cold contact point connected to the low-temperature conductor.
  • the power supply device comprises at least one coolant channel which adjoins the electrical conductor, wherein a coolant can be passed through the coolant channel in order to dissipate heat from the conductor.
  • the coolant channel comprises guide elements with which the directional convection of the coolant forced and possibly. adapted to the particular cooling requirements along the length of the electrical conductor.
  • directional convection means that the coolant, which dissipates heat from the conductor, flows in a certain and forced direction through the coolant channel.
  • adapted convection means that also the amount of the speed of the coolant in the coolant channel is set to predetermined values by the guide elements in order to adapt the cooling of the conductor to the locally given requirements.
  • cold pad refers to one end of the conductor connected to the cryogenic conductor, while the "hot pad” at the opposite end, for example for connection to a higher temperature power supply, e.g. B. Room temperature is.
  • the flow is preferably adjusted so that at each point in the coolant channel the heat transfer from the conductor to the coolant is maximum and the pressure loss of the coolant is minimal. Natural (or “free") convection is minimized or completely avoided.
  • the flow directions and velocities of the coolant may be at different stages along the ge the coolant channel can be set differently in a predetermined manner.
  • the guide elements form barriers against a free thermally induced convection of the coolant in the coolant channel. Furthermore, with suitable mutual alignment in each section of the coolant channel, they can force the optimum flow velocity of the coolant.
  • this ensures effective heat exchange along the entire length of the conductor. This is possible, for example, in that the guide elements constrict the coolant channel at one or more predetermined positions or over its entire length so that a backflow or a locally circulating flow in the coolant channel is not possible and the flow velocity at the respective position for an optimum Heat transfer between the conductor and the coolant is adjusted.
  • the flow of the coolant through the coolant channel is assisted by a pressure gradient along the coolant channel, wherein the pressure gradient can be achieved for example by a pump which is arranged in a coolant circuit, or by a differently generated overpressure in the supply line of the coolant channel.
  • a forced convection of the coolant in the coolant channel is preferably achieved, i. H . that the coolant in the coolant channel at all points in only one direction and if necessary
  • the guide elements are formed by the walls of the coolant channel.
  • the walls are used to form such a narrow Section of the coolant channel arranged that the directional convection is enforced.
  • the cross section is chosen so that the locally optimal speed of the coolant is adjusted.
  • elevations or depressions on the surface of the conductor form the guide elements.
  • a conductor with a coolant channel is provided, for example, by recesses are formed in the surface of a flat conductor, in which the coolant can flow and by an adjacent component, for. B. be covered by another leader. Accordingly, bumps can be provided between which the coolant flows.
  • an advantage of the use of elevations or depressions as guide elements is that thereby the structure of the power supply device according to the invention is simplified. This advantage occurs especially when all guide elements are formed by elevations or depressions on the surface of the conductor.
  • the cross section of the coolant channel is smaller than 0.5 mm, more preferably smaller than 0.3 mm.
  • the recesses are formed as longitudinal grooves, which extend substantially in the direction of electric current flow on the surface of the conductor.
  • the orientation of the longitudinal grooves in the direction of electrical current flow includes both variants in which the longitudinal grooves are straight and parallel to the direction of current flow corresponding to a predetermined conductor axis, as well as variants in which the longitudinal grooves curved with several reversal points or wound relative to the conductor axis, z. B. with a zig-zag or wave pattern.
  • This variant offers the advantage that the at least one coolant channel is distributed finely and uniformly over the surface of the conductor In this way, the heat transfer surface can be increased in a simple manner and a uniform cooling of the body can be achieved over its entire cross section. This also applies to other depressions or elevations that serve as guide elements.
  • the longitudinal grooves ⁇ ekrümmt or wound run it may be advantageous to r hen in the vicinity of the cold junction straight deviation from 1er, to the conductor axis parallel direction is greater md / or the succession of the displacements at shorter intervals are formed as in the area with a greater distance r on the cold contact point.
  • This feature means that as the distance from the cold contact decreases, the ratio of the length of the longitudinal grooves to the length of the conductor increases, so that advantageously an increase in the cooling efficiency results.
  • transverse grooves may be provided to form an interconnection between the longitudinal grooves.
  • the free cross-section of the coolant channel decreases in the direction of the cold contact point.
  • This has the advantage that the cross section of the changing temperature and thus the density of the coolant is adjusted, whereby in the vicinity of the cold contact point, a high flow velocity of the coolant in the coolant channel and thus a better heat transfer is achieved.
  • This is particularly advantageous because with the cross-sectional reduction the temperature difference between the coolant and the surface of the conductor and thus the ratio of the temperature difference to the coolant temperature can be kept low even in the cold region, so that a good cooling efficiency, which depends on this ratio, is achieved.
  • the reduction of the cross section of the coolant channel to the cold contact point may extend over the entire length or a portion of the coolant channel.
  • the change in the free cross section of the coolant channel can be adjusted according to a further variant by a variation of the number of longitudinal grooves along the length of the conductor in the power supply device.
  • a transverse groove for adapting the mutually adjacent longitudinal grooves for a redistribution of the coolant flow from the larger number of longitudinal grooves may be provided to the smaller number of longitudinal grooves.
  • a preferred variant curved or tortuous Lijnsril ⁇ is given to the formation of a meander along the conductor from the warm to the cold junction.
  • This has the advantage that the coolant channel, which reliably forces a directed convection, in relation to the length the power supply significantly extended and thereby the heat transfer can be improved accordingly.
  • the cross section of the coolant channel decreases from the warm to the cold end of the power supply.
  • the guide elements are arranged in the coolant channel.
  • This variant can be combined with the o. g. first embodiment of the invention may be provided.
  • the guide elements can subdivide the coolant channel into a plurality of individual cross sections, thereby achieving optimum flow cross sections and hydraulic diameters in a simple manner, as well as disturbing flows due to thermal effects, for example in the direction of the cold contact point, when arranged at the top, or transversely to the direction of the coolant channel or perpendicular to Surface of the conductor can be effectively prevented.
  • the guide elements comprise at least partially or completely wires or foils.
  • the cross-sectional dimensions of the guide elements are chosen as a function of the cross-sectional dimensions of the coolant channel and the desired adjustment of the coolant velocity and can, for example, in the range of 50 .mu.m to 5 mm, preferably 50 .mu.m to 2 mm fall.
  • the film has a thickness of 50 microns.
  • the wire has a diameter of 2 mm. Accordingly, the terms "wire” and "foil” also includes thin rods or sheets.
  • two or more wires can be arranged, which maintain a distance between the flat surfaces. form conductors and define the cross-sectional dimension of the coolant channel to force directional convection.
  • a reliable power supply device with cooling possibility is formed with wires in a simple manner.
  • Films can be used to reduce cross-sections of coolant channels and thereby increase flow rates, for example, by placing a film at a certain distance between a conductor and an adjacent wall of the coolant channel so as to form a coolant channel between the film and the conductor.
  • a defined width of the coolant channels is ensured by spacers between the foil and the conductor surface.
  • the spacers may be wires or wire pieces, foil or sheet metal pieces, surface structures of the film, such as. B. Nubs, grooves or waves or the like. include.
  • a combination of wires and films is possible, in particular by arranging pairs of superimposed wires between which a film is clamped in the above-described arrangement of planar conductors between the planar conductors.
  • the wires serve both to guide the coolant flow and as a spacer for the films.
  • the wires may be attached to the surface of the film, for example by gluing, welding, soldering or the like. is provided .
  • both the foil and the wires may be interrupted in order to achieve a pressure equalization of the cooling medium within the cross section of the conductor of the power supply device.
  • the films may contain holes for pressure equalization between adjacent coolant channels.
  • the wires or foils can be combined with other guide elements, such as grooves in the conductors, which can form very narrow coolant channels and large heat transfer surfaces in a simple manner.
  • the cross-section of a coolant channel on the planar surface of the cooled conductor can be adapted to the particular cooling requirements by different thicknesses and / or a different number of films along the length of the conductor.
  • a thicker film can be inserted, as in the middle.
  • the film can be completely omitted.
  • the conductor and / or the guide elements comprise copper, steel, aluminum, an aluminum alloy, bronze, brass or another copper alloy.
  • the guide elements can take over part of the power line. Alternatively or additionally, the guide elements may at least partially consist of plastic.
  • the properties of the power supply device can be varied and optimized. For example, a part of the guide elements formed as wires made of copper and the remaining wires and the conductor made of stainless steel.
  • the two materials copper and stainless steel offer the special advantages that they are easy to process, fit and are also available at low cost.
  • the term steel denotes a high le ⁇ -alloy carbon steel at normal ambient conditions shows no visible signs of corrosion in the form of rust.
  • the materials can be selected such that a desired thermal conductivity and Stroraleitfä- ability of the power supply device arise.
  • the electrical and thermal properties of the power supply device can be adjusted by the combination of materials.
  • the use of plastic offers the advantage of good formability of the guide elements for adaptation to the shape of a coolant channel.
  • the conductor comprises at least one plate that conducts the current through the power supply device.
  • Plates offer the advantage that, for example, they have a larger surface area for cooling than circularly shaped wires with the same cross section, and the ratio of the conductor surface to the cross section of the coolant channel can be optimized over a wide range.
  • the ratio of the circumferential surface of a plate to its cross-sectional area can be adapted to different applications by choosing its width and thickness.
  • plates offer the advantage that they are easy to manufacture and easy to install in the power supply device.
  • the conductor comprises a plurality of juxtaposed, in particular juxtaposed or stacked plates with z.
  • the coolant channel is provided between the plates to simultaneously cool two plates. If a plurality of plates in a stack with a stand From ⁇ j arranged in each case between two plates, it is DA by already between two plates in each case a plate gap created as a coolant channel, which can be further subdivided.
  • wires can be arranged between the plates, which firstly ensure compliance with the distance between the plates and secondly force a directed convection of the coolant. In this way, it is possible to form with simple means very many coolant channels with exactly the same geometry and small cross-section, whereby a uniform cooling of the entire conductor can be achieved.
  • the guide elements are arranged between the plates.
  • the plates comprise passage openings, so that coolant can flow from one plate interspace into another plate interspace of the adjacent plates.
  • This offers the advantage that a pressure equalization between the individual coolant channels between the plates is possible.
  • passages are arranged in guide elements, so as to allow at defined locations a passage of coolant from a coolant channel into an adjacent coolant channel.
  • pressures can be compensated, which can arise, for example, by an inhomogeneous stress on the conductor or deviations from the desired geometry of the coolant channel.
  • the power supply device comprises a housing in which the plates are arranged, wherein the housing is gas-tight, in order to prevent leakage of the coolant.
  • the housing is gas-tight, in order to prevent leakage of the coolant.
  • one or more coolant supply lines and one or more coolant outlets are provided, wherein a plurality of coolant supply lines or.
  • Coolant drains offer the advantage that the coolant distributed in different coolant channels of the power supply device can be initiated to allow uniform cooling of the conductor.
  • the housing also offers the advantage that a reliable support of stacked plates is possible. It should be noted that in the operation of the power supply device as part of an extended system, the superconducting magnets, cryostats and refrigeration systems with different operating conditions and in case of accidents can lead to considerable gas pressures.
  • the housing has two side plates forming a lateral support for the stacked plates and a bottom and a top plate.
  • the plates are preferably gas-tight welded together to prevent leakage of the coolant from the power supply device.
  • Al ternatively ⁇ can also provide a frameless array advantages, for example by the stacked plates are welded to each other and each of the plates having a cross section to the arrangement of coolant channels between the plates leaves a cavity between the plates.
  • the plates preferably have a U-shaped or H-shaped profile.
  • the conductor contains a superconducting material.
  • a superconductor which is superconducting when the conductor is sufficiently cooled in the current supply device can be incorporated in a metallic conductor at its end which is cold in the current supply device.
  • This may have the advantage that only the normally conductive part of the conductor without superconductor acts as a transition between warm conditions and cold conditions, so that the cooling must be designed only for the normally conductive part.
  • the advantage of this variant results in particular when idling the power supply device, d. H. without current operation. In this operating state, the cooling is reduced, so that the superconducting part can also be heated by the heat conduction from the warm end.
  • Such power supply devices have particular advantages in devices which are operated at a high percentage at idle, as is often the case for example with large superconducting magnets. These are only used on working days during the day and otherwise switched off, for example at night, on weekends and public holidays, whereby they are nevertheless cooled.
  • the superconductor may extend well over half of the conductor.
  • the conductor is cooled to particularly low temperatures depending on the type of superconductor used (for example less than 15 K), so that there the temperature limit at certain operating parameters of the superconductor can be exceeded, wherein the superconductor becomes conductive without electrical resistance and thus the advantages described above are realized.
  • the conductor has superconducting wires or superconductor tapes, which are advantageously embedded in the surface of the conductor and, for example, soldered to ensure sufficient contact with the conductor.
  • the coolant channel locally has a reduced cross-section, advantageously the flow velocity and with it the heat transfer can be increased.
  • a local constriction is provided by the guide elements.
  • the coolant channel expands to avoid an undesirable pressure drop.
  • the coolant channel at the cold end of a predetermined cross-section channel height perpendicular to the adjacent conductor, which halves in the transition region and on the warm side of the transition region initially expanded to the previous value and then, if necessary. up to the hot contact point of the power supply further increased.
  • thermocouples for detecting the temperature of the conductor.
  • the temperature sensors have the advantage that the cooling can be set exactly to the requirements, on the one hand to prevent overloading of the conductor and on the other hand excessive cooling and thus a waste ofmémit ⁇ tel. So it offers advantages when the forced directional convection is controlled as a function of the temperature detected by the thermocouples. For example, to ensure sufficient cooling, the flow velocity of the coolant in the coolant channel can be increased by increasing the pressure at the point of introduction of the coolant into the at least one coolant channel.
  • An independent subject of the invention is a method for cooling a conductor in a power supply device.
  • a method for cooling a conductor in a power supply device By forcing a directed convection and possibly. a certain flow velocity of the coolant in a coolant channel of the power supply device, a reliable cooling of the conductor is ensured.
  • not only the direction of the flow, but along the length of the coolant channel at least locally and their speed amount is set to a predetermined value.
  • Another independent object of the invention is the use of a power supply device according to the invention in the power supply of electrical devices with superconductors, z. B. Superconducting magnets.
  • Particular advantages of the invention are the ease of manufacture of the coolant channels with the guide elements, a uniform coolant distribution, which can be achieved for example by a regular arrangement of the coolant channels, an accurate and easy adjustability of the heat transfer surface of a coolant channel on the conductor, ei ⁇ ne accurate and simple Adjustability of the flow velocity of the coolant, a freely selectable mounting position of the power supply device and a compact design, which is me ⁇ chanically stable. Furthermore, the geometry of the Coolant channels and thus the heat transfer surface and the flow velocity along the power supply device easily varied and the j ehyroid cooling requirements in the different temperature ranges are optimally adjusted.
  • Figure 1 shows schematically a cross section of a power supply according to the invention.
  • Figure 2 shows schematically a cross section of another
  • Embodiment of a power supply according to the invention Embodiment of a power supply according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows a cross section of a further power supply according to the invention.
  • FIG. 4 shows two cross sections of another power supply according to the invention.
  • FIG. 5 shows schematically a cross section of a further power supply according to the invention.
  • FIG. 6 shows an enlarged schematic view of a detail of the cross section shown in FIG.
  • the power supply 1 shows a power supply 1 according to the invention is shown schematically in cross section.
  • the current direction is perpendicular to the plane of the drawing, with the electric current flowing from a cold contact point (not shown) located above the plane of the drawing to a plane below the plane of the drawing. low hot contact point (not shown) flows.
  • the power supply 1 has a plurality of plates 2, 2 ', which are stacked in a housing 3 with opposite surfaces side by side. Between the plates, in each case simple layers of wires 4 are arranged, the guide elements according to the invention and at the same time spacers for the plates
  • the housing 3 forms a U-shaped receptacle for the plates 2, 2 'and the wires 4.
  • the housing 3 is closed by a cover 5.
  • the cover 5 is welded to the housing 3 by means of two weld seams 6 passing through the power supply line 1 perpendicular to the plane of the drawing.
  • a central plate 2 ' is also secured by two welds 7 in position. The remaining plates 2 are held by the wires 4, the housing 3 and the cover 5 in position.
  • the lid 5 and the wires 4 are conducted from the cold pad to the hot pad and through the plate interspaces in which the wires 4 are arranged, a coolant, in this case cold helium, is passed.
  • a coolant in this case cold helium
  • the plates 2, 2 are made of steel, while the wires 4 are partly made of steel and partly of copper, Alternatively, here and in the other examples, other materials or combinations of materials may be provided, as stated above.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a power supply 10 according to the invention, wherein the same reference numbers as in FIG. 1 denote the same parts.
  • the Stromzu ⁇ management 10 includes a plurality of plates 12, the current as in Figure 1 lead perpendicular to the plane.
  • the plates 12 " are connected by gas-tight and continuous welds 15 which are arranged on the outer edges of the plate stack of plates 12.
  • the plates 12 are held together by means of welds 15.
  • the plates 12 have a U-shaped profile it is possible to arrange the respective recesses between the sheets of wire layers consisting of wires 4.
  • the individual cavities between the plates are connected by drilled holes 8 to equalize the pressure between the cavities through which the coolant flows perpendicular to the plane of the drawing
  • a plate 13 which has no cavity and only serves to close off the last cavity 10.
  • coolant can be stored in the space left free by the round shape of the wires 4 of the wire layers perpendicular to the plane of the drawing flow, with the remaining Kan le are so narrow that only a flow in the direction perpendicular to the plane of the lying above the plane of the cold junction to the lying below the plane of the drawing warm pad is possible. Local convections in other directions are excluded by this forced movement.
  • the plates 12, 13 and the wires 4 are made of steel.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, in which the guide elements are formed by the walls of the coolant channel.
  • a power supply 20 is shown in cross-section, wherein the current direction as in Figure 1 is perpendicular to the plane.
  • the same reference numerals as in Figures 1 and 2 in turn draw the same parts.
  • the power supply 20 includes plates 22 which are arranged as a stack next to each other, with their surfaces touching. The surfaces of the plates 22 face on one side incorporated longitudinal grooves 24.
  • the longitudinal grooves 24 form the guide elements according to the invention, by which the coolant is forced to the directed movement through the power supply 20 (perpendicular to the plane).
  • the grooves are each limited by the nearest plate 22, wherein at one end of the stack, a closure plate 13 is provided which has no grooves.
  • the plates 13, 22 are made of steel and are connected by continuous welds 15.
  • FIG. 4 schematically shows two sections of a further embodiment of a power supply 30 according to the invention.
  • the current direction in the drawing plane extends in both partial images, the cold contact point (not shown) being arranged in the drawing plane above the two cuts shown in FIG. 4 and the hot contact point at the opposite end of the current feed line 30 in FIG the drawing level below.
  • the power supply 30 shown in two sections has a meandering coolant channel 31, wherein arrows 32 indicate the flow direction of the coolant.
  • the coolant channel 31 is formed by two plates 33 are arranged side by side, wherein two comb-like guide layers 34 are installed against each other lying between the plates as guide elements.
  • the plates 33 and the guide layers 34 are installed in a housing 35 and fixed in the housing 35 with welds 36.
  • a fixation with fixing pins between the plates 33 and the guide layers 34 is possible.
  • the meandering coolant channel 31 can be milled into the plates 33 or incorporated by a corresponding machining method, in which case the guide layers 34 consist of corresponding elevations of the plates 33.
  • the Plates 33, the guide layers 34 and the housing 35 are made of steel.
  • FIGS. 5 and 6 Cross-sections of a further embodiment of the invention are shown in FIGS. 5 and 6, wherein FIG. 3 shows a detail X of FIG. 5 with further details.
  • like reference numerals designate like parts, with individual parts if necessary. just be described.
  • the power supply 40 has a length of 1.8 m perpendicular to the plane of the drawing and is constant approximately 100 mm (b) wide.
  • the power supply 40 is designed for a maximum current of 18.2 kA, the optimum current being approximately 11 kA.
  • the optimum current refers to the current that the power supply 40 can permanently conduct with minimal coolant flow, without being warmed up to temperatures above the warm, room temperature end.
  • the conductor of the power supply 40 consists essentially of bronze plates 41, which are arranged in two adjacent stacks. For example, there are 27 plates each having a thickness of 3 mm and a pitch of 0.3 mm.
  • the bronze plates 41 are surrounded by a housing which is composed of two housing side walls 42, a housing cover plate 43 and a housing bottom plate 44.
  • the housing cover plate 43 and the housing bottom plate 44 j in each case reinforced by reinforcing plates 45, wherein the reinforcing plates 45 or ⁇ Ver with reinforcement plate welds 46 to the housing cover plate 43rd are welded to the housing bottom plate 44.
  • the housing side walls 42 are located on the housing cover plate 43 and welded to the housing bottom plate 44 with gas-tight and over the entire length of the power supply 40 continuous welds 47.
  • the reinforcing plates 45 have the task of higher pressures that may arise in the interior of the power supply 40 in certain operating modes or incidents record.
  • the housing is gas-tight over the entire length of the power supply 40, wherein at the ends of the power supply in each case supply and discharge lines for the coolant are present (not shown).
  • the housing side walls 42, the housing cover plate 43, the housing bottom plate 44 and the reinforcing plates 45 are made of steel.
  • an intermediate plate 48 is arranged centrally in the housing, which also consists of steel.
  • the intermediate plate 48 is secured with welds 49 on the side walls 42 of the housing.
  • the steel plate is omitted. Their function can be taken over by reinforcement plates 45, which are welded to the side walls analogously to the bottom and cover plates 44, 43.
  • wire-shaped superconductors 51 are inserted and soldered in the bronze plates, which extend from the cold contact point of the power supply 40 fro about two thirds of the total length. Since the cross section of the power supply line 40 shown in FIG. 5 is a cross section which corresponds to the center of the power supply line 40, the superconductors are in the cross section in FIG. 5
  • the superconducting wires are made of Nb3Sn.
  • the length of the superconductors 51 is about two thirds of the velvet length of the power supply 40 limited because only in the vicinity of the cold end of the power supply 40, the temperature for superconductivity can be undershot. At the warm end of the power supply 40, the temperature for the superconductivity is too high. For this reason, in the vicinity of the warm end of the power supply 40, the complete cross-section of the bronze plates 41 is used for power conduction with bronze. Therefore, the bronze plates 41 have no recesses for the superconductors 51 near the warm end.
  • the combination with superconductors can also be provided in the examples described above.
  • coolant channels 52 Between the bronze plates 41 are coolant channels 52 (see Fig. 6) through which the coolant, in this case helium, is passed.
  • the helium is fed to the cold end of the power supply 40 and then passes through the coolant channels 52, where it heats up due to the contact with the bronze plates 41 depending on the operating mode, and is again led out of the power supply 40 at the warm end of the power supply 40.
  • the coolant flow is so high that the superconducting part of the power supply device remains below the operating temperature of the superconductor, for example below 15 K. In this area, no heat is transferred from the printed circuit boards to the helium.
  • the superconducting part of the current supply device can also be considered in this operating state as an extension, for example, of the low-temperature conductor of a superconducting magnet, which is connected to an ordinary, normally conducting power supply device. is close, in which case the transition point between superconducting and normal conducting area corresponds to the cold contact.
  • the coolant channels 52 are thin steel wires 53 are arranged as guide elements and spacers, which are inserted between the bronze plates 41.
  • 41 foils 54 are arranged in the spaces between the bronze plates, which also consist of steel.
  • the foils 54 are clamped between the steel wires 53, wherein in each gap between two bronze plates 41 at one point in each case two superimposed steel wires 53 are arranged to receive one of the foils 54 between the two steel wires 53.
  • the foils 54 are held by the bolt 50.
  • the wires and foils also serve as spacers between the plates.
  • the foils can also be replaced by other elements, the pieces of wire, small pieces of sheet metal or foil, embossed structures in the foil, such as. B.
  • Nubs, beads, grooves or the like. be kept at the intended distance to the surface of the conductor.
  • structures such. B. Beading, grooves or waves in the transverse direction is ensured by the provision of holes or interruptions that the coolant flow in the j e election coolant channel is not interrupted.
  • holes or other interruptions are also provided by the provision of holes or other interruptions for a pressure equalization within the width of the coolant channel.
  • the foils 54 extend from the cold end of the power supply 40 towards the warm end of the power supply 40 slightly beyond the length of the superconducting wires 51 to the warm end, whereby the cross section of the flow channels 52 in the superconducting region of the power supply 40 is lower than in the vicinity the warm end.
  • the hydraulic cross section of the flow channels 52 is adjusted so that both natural convection is avoided in the cold region and a sufficient flow rate for a good heat transfer, especially in the transition region between the superconducting and the normal-conducting part of the power supply device is achieved.
  • the films are omitted. In this area only spacers are placed between the foils, since the warmer coolant in this area has a lower density and thus a sufficiently high flow rate.
  • a thicker for example, approximately twice as thick film having a length of z. B. 100 mm, so as to narrow the coolant channels in this critical transition area and thus to increase the flow velocity and to improve the heat transfer.
  • a thinner film can be arranged towards the warm end over a length of about 50 mm. In this way, the coolant channels are particularly easily adapted for optimal flow and heat transfer conditions. Due to the relatively short length of the thick film in the transition region and the thinner film in the warm part of the power supply device, the pressure drop over the entire cooling medium channel are kept low.
  • the coolant channels have at the cold end a cross section of z. B. 0.1 mm, which narrows in the transition area to 0.05 mm and then extended on the warm side to 0.1 mm up to 0.3 mm at the hot contact point of the power supply. Furthermore, 41 passage openings 55 are arranged in the bronze plates, which connect the flow channels 52 with each other and thus ensure a pressure equalization between the individual flow channels 52. In addition, in the centrally located intermediate plate 48 at predetermined intervals, for. B. 10 cm along the length of the power supply 40 transverse grooves 56 which allow a pressure equalization over the width b of the power supply 40.
  • the steel plate 48 is omitted and the side walls 42 of the housing and the cover and bottom plates 43, 44 are reinforced by reinforcing plates 45.
  • the pressure equalization over the width b of the power supply device is advantageously ensured by interruptions in the wires 53 or by the use of only short spacers between the films and conductor surfaces.
  • a juxtaposition of shorter pieces of film in the longitudinal direction of the power supply device with gaps between the pieces of film or the incorporation of transverse grooves in the circuit boards 41 may be provided.
  • each piece of film is separated, in particular in the longitudinal direction, z. B. with bolts 50, fixed.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführungseinrichtung (40) für einen Tieftemperaturleiter mit mindestens einem elektrisehen Leiter (41) , der eine warme und eine mit dem Tieftemperaturleiter verbundene, kalte Kontaktstelle aufweist und mit mindestens einem Kühlmittelkanal, der zumindest an einer Seite durch den Leiter (41) begrenzt wird. Es wird vorgeschlagen, dass der Kühlmittelkanal Führungselemente (53, 54) aufweist, mit denen eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle erzwungen und lokal die Geschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt werden kann.

Description

Stromztiführungseinriαhtung für einen Tieftemperaturleiter und Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Stromzuführungseinrichtung für einen Tieftemperaturleiter und ein Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche .
Es ist allgemein bekannt, für bestimmte Aufgaben elektrische Einrichtungen im Betrieb auf tiefe Temperaturen zu kühlen, so dass sich der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters in der Einrichtung reduziert oder sogar verschwindet . Dieser elektrische Leiter, der hier als Tieftemperaturleiter bezeichnet wird, umfasst beispielsweise einen Supraleiter als Teil eines Supraleitermagneten . Beim Betrieb von Tieftempera- turleitern, beispielsweise in Magneten, die zur Erzeugung eines Magnetfeldes einen stromdurchflossenen Supraleiter aufweisen, muss eine Stromzuführung für den Tieftemperaturleiter bzw. den Supraleitermagneten bereitgestellt werden, die Strom von einer warmen Kontaktstelle an eine kalte Kontaktstelle leitet, an welcher der Supraleitermagnet angeschlossen ist . Der Temperaturunterschied zwischen den Kontaktstellen ist durch die für Supraleiter notwendigen tiefen Temperaturen bedingt , die j e nach Art des Supraleiters in der Nähe des absoluten Nullpunktes liegen können. Dagegen wird der Strom zum Betrieb von Supraleitermagneten üblicherweise von einem Stromnetz entnommen, das bei etwa 290 bis 300 K (Raumtemperatur) betrieben wird. Problematisch dabei ist, dass über die Stromzuführung die kalte Kontaktstelle nicht übermäßig erwärmt werden darf, da es sonst zu einem Zusammenbruch der Supraleitung kommen kann. Die Verwendung von schlecht wärmeleitenden Materialien, die den Wärmeübergang von der warmen zu der kalten Kontaktstelle verringern sollen, führen zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands und damit zu erhöhten elektrischen Verlusten, da Materialien mit geringer Wärmeleitung allgemein auch eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen . Daher muss eine Stromzuführung, insbesondere wenn sie große Ströme leiten soll, zwischen der warmen und der kalten Kontaktstelle aktiv gekühlt werden, um die unerwünschte Erwärmung der kalten Kontaktstelle zu vermeiden .
Aus der Praxis ist allgemein bekannt, dass der Leiter einer Stromzuführung mit einem Mantel umgeben wird, so dass zwischen dem Leiter und dem Mantel ein Zwischenraum entsteht, durch den das Kühlmittel, beispielsweise kaltes Helium, geführt wird. Dabei wird das Helium nahe der kalten Kontaktstelle in den Zwischenraum eingeleitet und nahe der warmen Kontaktstelle wieder abgeleitet . Um eine gleichmäßige Strömung des Kühlmittels von der kalten zur warmen Kontaktstelle zu gewährleisten, wird der Leiter mit dem umschließenden Mantel senkrecht angeordnet, wobei die kalte Kontaktstelle am unteren Ende liegen sollte, so dass . eine aufsteigende Heliumströmung durch natürliche Konvektion unterstützt wird.
Nachteilig daran ist, dass die Wirksamkeit der Kühlung von der geometrischen Anordnung des Leiters abhängt . So führt ei¬ ne Anordnung der kalten Kontaktstelle am oberen Ende des Leiters der Stromzuführung zu Problemen, da das Kühlmittel, das durch einen Wärmeaustausch mit dem Leiter erwärmt wurde, teilweise nach oben strömen kann und so eine wirksame Kühlung der kalten Kontaktstelle und des Leiters der Stromzuführung nicht mehr sichergestellt ist . Dadurch kann es zu einem schlechten Wirkungsgrad der Kühlung der Stromzuführung kommen . Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Stromzuführungen besteht unabhängig von ihrer Einbaulage darin, dass sich wegen der unterschiedlichen Temperaturen des Kühlmittels entlang des Leiters der Stromzuführung Strömungs- und Kühlungsparameter der Kühlung ändern, so dass in der Regel nicht an allen Stellen gleichzeitig optimale Strömungs- und Kühlungsverhältnisse herrschen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Stromzuführungseinrichtung anzugeben, welche die Nachteile der herkömmlichen, aktiv gekühlten Stromzuführungen beseitigt , insbesondere soll eine Stromzuführungseinrichtung angegeben werden, die eine wirksame Kühlung des Leiters unabhängig von dessen geometrischen Anordnung sicherstellt . Ein weiterer Gesichtspunkt der Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass die wirksame Kühlung über den gesamten Querschnitt und die gesamte Länge des Leiters sichergestellt werden soll .
Die Aufgabe wird mit einer Stromzuführungseinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw . einem Verfahren und einer Verwendung der Stromzuführungseinrichtung gemäß den weiteren nebengeordneten Ansprüchen gelöst .
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus , dass in einem Kühlmittelkanal zur Führung eines Kühlmittels , der sich entlang dem Leiter einer Stromzuführungseinrichtung erstreckt, mit Führungselementen eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle erzwungen wird. Vorteilhafterweise ermöglichen die erfindungsgemäß vorgesehenen Führungselemente, dass die Konvektion des Kühlmittels entlang der Länge des Leiters je nach dem lokal anfallenden Bedarf angepasst werden kann, indem die Geschwindigkeit des Kühlmittels durch die Führungselemente lokal beeinflusst wird. Die erfindungsgexnäße Stromzuführungseinrichtung weist mindestens einen elektrischen Leiter auf, über den ein Tieftemperaturleiter, beispielsweise der eines Supraleitermagneten, mit Strom versorgt werden kann . Der elektrische Leiter weist eine warme und eine mit dem Tieftemperaturleiter verbundene kalte Kontaktstelle auf . Die Stromzuführungseinrichtung umfasst erfindungsgemäß mindestens einen Kühlmittelkanal, der an den elektrischen Leiter grenzt, wobei durch den Kühlmittelkanal ein Kühlmittel geleitet werden kann, um Wärme von dem Leiter abzuleiten . Der Kühlmittelkanal umfasst Führungselemente, mit denen die gerichtete Konvektion des Kühlmittels erzwungen und ggf . den j eweiligen Kühlungsanforderungen entlang der Länge des elektrischen Leiters angepasst wird . Hierbei bedeutet "gerichtete Konvektion" , dass das Kühlmittel, welches Wärme vom Leiter abführt , in einer bestimmten und erzwungenen Richtung durch den Kühlmittelkanal strömt . Der Begriff "angepass- te Konvektion" bedeutet, dass auch der Betrag der Geschwindigkeit des Kühlmittels im Kühlmittelkanal durch die Führungselemente auf vorbestimmte Werte eingestellt wird, um die Kühlung des Leiters an die lokal j eweils gegebenen Anforderungen anzupassen . Der Begriff "kalte Kontaktstelle" bezieht sich auf ein Ende des Leiters, der mit dem Tieftemperaturlei- ter verbunden ist, während sich die "warme Kontaktstelle" am entgegengesetzten Ende, zum Beispiel zur Verbindung mit einem Stromnetz auf höherer Temperatur, z . B . Raumtemperatur befindet . Die Strömung wird vorzugsweise so eingestellt, dass an j eder Stelle im Kühlmittelkanal der Wärmeübergang vom Leiter auf das Kühlmittel maximal und der Druckverlust des Kühlmittels minimal ist . Natürliche (oder "freie" ) Konvektion wird minimiert oder komplett vermieden .
Die Strömungsrichtungen und -geschwindigkeiten des Kühlmittels können in unterschiedlichen Abschnitten entlang der Lan- ge des Kühlmittelkanals in vorbestimmter Weise verschieden eingestellt werden . Dabei bilden die Führungselemente Barrieren gegen eine freie thermisch bedingte Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal . Des Weiteren können sie bei geeigneter gegenseitiger Ausrichtung in j edem Abschnitt des Kühlmittelkanals die optimale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erzwingen . Vorteilhafterweise wird dadurch ein effektiver Wärmeaustausch entlang der gesamten Länge des Leiters sichergestellt . Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Führungselemente den Kühlmittelkanal an einer oder mehreren vorbestimmten Positionen oder über seine gesamte Länge derart einengen, dass eine Rückströmung oder eine lokal umlaufende Strömung in dem Kühlmittelkanal nicht möglich ist und die Strömungsgeschwindigkeit an der j eweiligen Position für einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Leiter und dem Kühlmittel angepasst ist .
Vorzugsweise wird die Strömung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal durch ein Druckgefälle entlang des Kühlmittelkanals unterstützt, wobei das Druckgefälle beispielsweise durch eine Pumpe, die in einem Kühlmittelkreis angeordnet ist , oder durch einen anders erzeugten Überdruck in der Zuleitung des Kühlmittelkanals erreicht werden kann . Mit einer einzelnen oder einer Kombination der angeführten Maßnahmen wird vorzugsweise eine erzwungene Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal erreicht , d. h . dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal an allen Stellen nur in einer vorbestimm¬ ten Richtung und ggf - mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit strömt und eine Rückströmung des Kühlmittels aufgrund von thermischen Effekten ausgeschlossen ist .
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die Führungselemente durch die Wände des Kühlmittelkanals gebildet . Die Wände werden zur Bildung eines derart engen Quer- Schnitts des Kühlmittelkanals angeordnet, dass die gerichtete Konvektion erzwungen wird. Der Querschnitt wird so gewählt, dass die lokal optimale Geschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt wird. Vorzugsweise bilden Erhebungen oder Vertiefungen auf der Oberfläche des Leiters die Führungselemente . Ein Leiter mit einem Kühlmittelkanal wird beispielsweise bereitgestellt, indem in der Oberfläche eines flächigen Leiters Vertiefungen gebildet werden, in denen das Kühlmittel strömen kann und die durch ein benachbartes Bauteil, z . B . einen weiteren Leiter abgedeckt werden . Entsprechend können Erhebungen bereitgestellt werden, zwischen denen das Kühlmittel strömt . Vorteilhaft an der Verwendung von Erhebungen oder Vertiefungen als Führungselemente ist, dass dadurch der Aufbau der erfindungsgemäßen Stromzuführungseinrichtung vereinfacht wird. Dieser Vorteil tritt besonders dann auf, wenn alle Führungselemente durch Erhebungen oder Vertiefungen auf der Oberfläche des Leiters gebildet werden . Vorzugsweise ist der Querschnitt des Kühlmittelkanals kleiner als 0.5 mm, besonders bevorzugt kleiner als 0.3 mm.
Vorzugsweise sind die Vertiefungen als Längsrillen ausgebildet, die im wesentlichen in Richtung des elektrischen Stromflusses auf der Oberfläche des Leiters verlaufen . Dies bedeutet , dass die Längsrillen in Richtung des Stromflusses von der kalten zu der warmen Kontaktstelle verlaufen . Die Ausrichtung der Längsrillen in Richtung des elektrischen Stromflusses umfasst sowohl Varianten, bei denen die Längsrillen gerade und parallel zur Richtung des Stromflusses entsprechend einer vorbestimmten Leiterachse verlaufen, als auch Varianten, bei denen die Längsrillen mit mehreren Umkehrpunkten gekrümmt oder gewunden relativ zur Leiterachse, z . B . mit einem Zick-Zack- oder Wellen-Muster verlaufen . Diese Variante bietet den Vorteil, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal fein und gleichmäßig über die Oberfläche des Leiter verteilt sein kann und dadurch auf eine einfache Weise die Wärmeüber- qangsfläche vergrößert sowie eine gleichmäßige Kühlung des eiters über seinen ganzen Querschnitt erzielt wird . Dies ilt entsprechend auch für andere Vertiefungen oder Erhebun- en, die als Führungselemente dienen .
'enn gemäß einer Modifikation der Erfindung die Längsrillen ■ekrümmt oder gewunden verlaufen, kann es von Vorteil sein, renn in der Nähe der kalten Kontaktstelle die Abweichung von 1er geraden, zur Leiterachse parallelen Richtung größer md/oder die Aufeinanderfolge der Auslenkungen in kürzeren abständen gebildet sind als im Bereich mit größerem Abstand ron der kalten Kontaktstelle . Dieses Merkmal bedeutet, dass iit abnehmendem Abstand von der kalten Kontaktstelle das Ver- lältnis der Länge der Längsrillen zur Lange des Leiters zachst, so dass sich vorteilhafterweise eine Steigerung der Cühlungseffizienz ergibt .
/Orteilhafterweise können zusätzlich zu den Längsrillen auf ier Oberfläche des Leiters Querrillen vorgesehen sein, um ei- ie Verbindung zwischen den Längsrillen zu bilden . Dadurch cönnen lokale Druckdifferenzen ausgeglichen werden, die auf- jrund unterschiedlicher Wärmeentwicklung unterschiedlicher Kanalquerschnitte oder unterschiedlicher Reibungsverhältnisse an verschiedenen Stellen des Leiters entstehen können.
Vorzugsweise nimmt der freie Querschnitt des Kühlmittelkanals in Richtung der kalten Kontaktstelle ab . Dies bietet den Vorteil, dass der Querschnitt der sich verändernden Temperatur und damit der Dichte des Kühlmittels angepasst wird, wodurch auch in der Nähe der kalten Kontaktstelle eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal und damit ein besserer Wärmeübergang erreicht wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da mit der Querschnittsverringerung die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Oberfläche des Leiters und damit auch das Verhältnis der Temperaturdifferenz zur Kühlmitteltemperatur auch im kalten Bereich niedrig gehalten werden kann, so dass ein guter Wirkungsgrad der Kühlung, der von diesem Verhältnis abhängt , erreicht wird. Die Verringerung des Querschnitts des Kühlmittelkanals hin zur kalten Kontaktstelle kann sich über die gesamte Länge oder einen Teilbereich des Kühlmittelkanals erstrecken .
Die Änderung des freien Querschnitts des Kühlmittelkanals kann gemäß einer weiteren Variante durch eine Variation der Anzahl der Längsrillen entlang der Länge des Leiters in der Stromzuführungseinrichtung eingestellt werden . Hierzu sind beispielsweise in der Nähe der warmen Kontaktstelle mehr Längsrillen vorgesehen als in der Nähe der kalten Kontaktstelle . Am Übergang zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichen Längsrillenzahlen kann eine Querrille zur Anpassung der zueinander benachbart angeordneten Längsrillen für eine Neuaufteilung des Kühlmittelstroms von der größeren Anzahl von Längsrillen auf die geringere Anzahl von Längsrillen vorgesehen sein .
Gemäß einer weiteren Variante ist es möglich, die Führungselemente nicht über die gesamte Länge des Kühlmittelkanals vorzusehen, sondern sie nur in dem kälteren Teil des Kühlmittelkanals, beispielsweise der kälteren Hälfte, anzuordnen, um eine Querschnittverkleinerung des Kühlmittelkanals in Richtung der kalten Kontaktstelle zu erreichen .
Eine bevorzugte Variante gekrümmter oder gewundener Längsril¬ len ist mit der Bildung einer Mäanderform entlang des Leiters von der warmen zu der kalten Kontaktstelle gegeben . Diese besitzt den Vorteil, dass der Kühlmittelkanal, der zuverlässig eine gerichtete Konvektion erzwingt, im Verhältnis zur Länge der Stromzuführung wesentlich verlängert und dadurch der Wärmeübergang entsprechend verbessert werden kann . Vorteilhafterweise kann auch bei dieser Variante vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Kühlmittelkanals vom warmen zum kalten Ende der Stromzuführung abnimmt .
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Führungselemente in dem Kühlmittelkanal angeordnet . Diese Variante kann in Kombination mit der o . g . ersten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein . Beispielsweise können die Führungselemente den Kühlmittelkanal in mehrere Einzelquerschnitte unterteilen, wodurch auf einfache Weise optimale Strömungsquerschnitte und hydraulische Durchmesser erzielt sowie störende Strömungen durch thermische Effekte beispielsweise in die Richtung zur kalten Kontaktstelle, wenn diese oben angeordnet ist, oder quer zur Richtung des Kühlmittelkanals oder senkrecht zur Oberfläche des Leiters wirksam unterbunden werden können .
Vorzugsweise umfassen die Führungselemente zumindest teilweise oder komplett Drähte oder Folien . Die Querschnittsdimensionen der Führungselemente (Drahtdurchmesser, Foliendicke) werden in Abhängigkeit von den Querschnittsdimensionen des Kühlmittelkanals und der gewünschten Anpassung der Kühlmittelgeschwindigkeit gewählt und können beispielsweise in den Bereich von 50 μm bis 5 mm, vorzugsweise 50 μm bis 2 mm fallen . Beispielsweise besitzt die Folie eine Dicke von 50 μm. und der Draht einen Durchmesser von 2 mm. Entsprechend werden durch die Begriffe "Draht" und "Folie" auch dünne Stäbe oder Bleche umfasst .
Gemäß einer Variante der Erfindung können beispielsweise zwischen zwei Leitern mit planaren Oberflächen zwei oder mehr Drähte angeordnet werden, die einen Abstand zwischen den flä- chigen Leitern bilden und die Querschnittsdimension des Kühlmittelkanals definieren, um eine gerichtete Konvektion zu erzwingen . Damit wird mit Drähten auf eine einfache Weise eine zuverlässige Stromzuführungseinrichtung mit Kühlmöglichkeit gebildet . Folien können dazu verwendet werden, Querschnitte von Kühlmittelkanälen zu verkleinern und dadurch Strömungsgeschwindigkeiten zu vergrößern, beispielsweise indem eine Folie in einem bestimmten Abstand zwischen einem Leiter und einer benachbarten Wand des Kühlmittelkanals angeordnet wird, um so zwischen der Folie und dem Leiter einen Kühlmittelkanal zu bilden. Dabei wird eine definierte Breite der Kühlmittelkanäle durch Abstandshalter zwischen der Folien- und der Leiteroberfläche sichergestellt . Die Abstandshalter können Drähte oder Drahtstücke, Folien- oder Blechstücke, Oberflächenstrukturen der Folie, wie z . B . Noppen, Rillen oder Wellen oder dgl . umfassen .
Beispielsweise ist eine Kombination aus Drähten und Folien möglich, insbesondere indem bei der oben beschriebenen Anordnung aus flächigen Leitern zwischen den flächigen Leitern Paare von aufeinanderliegenden Drähten angeordnet werden, zwischen denen eine Folie eingeklemmt wird. Die Drähte dienen sowohl zur Führung der Kühlmittelströmung als auch als Abstandshalter für die Folien . Die Drähte können auf der Oberfläche der Folie befestigt sein, wobei beispielsweise eine Verklebung, Verschweißung, Verlötung oder dgl . vorgesehen ist . Des weiteren können sowohl die Folie als auch die Drähte unterbrochen sein, um einen Druckausgleich des Kühlmediums innerhalb des Querschnitts des Leiters der Stromzuführungseinrichtung zu erreichen. Des weiteren können die Folien Löcher für den Druckausgleich zwischen benachbarten Kühlmittelkanälen enthalten . Die Drähte oder Folien können mit anderen Führungselementen kombiniert werden, beispielsweise Rillen in den Leitern, wodurch sich besonders enge Kühlmittelkanäle und große Wärmeübergangsflachen auf einfache Weise bilden lassen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung kann der Querschnitt eines Kühlmittelkanals an der planaren Oberfläche des gekühlten Leiters durch unterschiedliche Dicken und/oder eine unterschiedliche Anzahl der Folien entlang der Länge des Leiters den j eweiligen Kühlanforderungen ange- passt werden . Beispielsweise kann im Spalt zwischen dem Leiter und der benachbarten Wand des Kühlmittelkanals am kalten Ende der Stromzuführungseinrichtung eine dickere Folie eingelegt werden, als in deren Mitte . Des Weiteren kann am warmen Ende der Stromzuführungseinrichtung die Folie komplett weggelassen werden .
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in Bezug auf die Wahl der Materialien des Leiters und der Führungselemente, abgesehen von der elektrischen Leitfähigkeit des Leiters, keine Beschränkungen bestehen . Vorzugsweise umfassen der Leiter und/oder die Führungselemente Kupfer, Stahl, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Bronze, Messing oder eine andere Kupferlegierung . Dabei können die Führungselemente einen Teil der Stromleitung übernehmen. Alternativ oder zusätzlich können die Führungselemente zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen . Durch eine geeignete Kombination der Materialien können die Eigenschaften der Stromzuführungseinrichtung variiert und optimiert werden . Beispielsweise kann ein Teil der als Drähte ausgebildeten Führungselemente aus Kupfer und die restlichen Drähte sowie der Leiter aus Edelstahl bestehen . Die beiden Materialien Kupfer und Edelstahl bieten die besonderen Vorteile, dass sie leicht verar- beit- und fügbar sind und außerdem kostengünstig erhältlich sind. Hierbei bezeichnet der Begriff Edelstahl einen hoch le¬ gierten Kohlenstoffstahl, der bei normalen Umgebungsbedingun- gen keine sichtbaren Korrosionserscheinungen in Form von Rost zeigt . Allgemein können die Materialien so ausgewählt werden, dass sich eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit und Stroraleitfä- higkeit der Stromzuführungseinrichtung ergeben . So lassen sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Stromzuführungseinrichtung durch die Kombination von Materialien einstellen . Die Verwendung von Kunststoff bietet den Vorteil einer guten Formbarkeit der Führungselemente zur Anpassung an die Form eines Kühlmittelkanals .
Vorzugsweise umfasst der Leiter zumindest eine Platte, die den Strom durch die Stromzuführungseinrichtung leitet . Platten bieten den Vorteil, dass sie beispielsweise gegenüber kreisrund geformten Drähten bei gleichem Querschnitt eine größere Oberfläche zur Kühlung aufweisen und das Verhältnis der Leiteroberfläche zum Querschnitt des Kühlmittelkanals in weiten Bereichen optimiert werden kann . Insbesondere lässt sich das Verhältnis der Umfangsflache einer Platte zu ihrer Querschnittsfläche durch die Wahl ihrer Breite und Dicke an unterschiedliche Anwendungen anpassen. Weiterhin bieten Platten den Vorteil , dass sie leicht herzustellen und leicht in die Stromzuführungseinrichtung einzubauen sind.
Vorteilhafterweise umfasst der Leiter mehrere nebeneinander angeordnete, insbesondere nebeneinander oder übereinander gestapelte Platten mit z . B . ebenen Oberflächen, wodurch der Querschnitt der Stromzuführung in einer kompakten Bauform erhöht werden kann und gleichzeitig eine große Oberfläche zur Kühlung der Platten des Leiters zur Verfügung steht .
Vorzugsweise ist beim Plattenaufbau der Kühlmittelkanal zwischen den Platten vorgesehen, um gleichzeitig zwei Platten zu kühlen . Werden mehrere Platten in einem Stapel mit einem Ab¬ stand j eweils zwischen zwei Platten angeordnet, so wird da- durch bereits zwischen j eweils zwei Platten ein Plattenzwischenraum als Kühlmittelkanal geschaffen, der weiter unterteilt werden kann . Beispielsweise können zwischen den Platten Drähte angeordnet werden, die erstens eine Einhaltung des Abstands zwischen den Platten gewährleisten und zweitens eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels erzwingen . Auf diese Weise ist es möglich, mit einfachen Mitteln sehr viele Kühlmittelkanäle mit exakt gleicher Geometrie und geringem Querschnitt zu bilden, wodurch eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Leiters erreicht werden kann . Bei dieser Gestaltung werden die Führungselemente zwischen den Platten angeordnet . Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kühlmittelkanäle bereits zu zwei Seiten durch die Plattenoberflächen begrenzt sind und die Führungselemente lediglich dazu benötigt werden, eine seitliche Begrenzung zur Zwangsführung des Kühlmittels zu bilden . Weiterhin ist es möglich, bei der Verwendung von Drähten, die zwischen den Platten angeordnet sind, durch einen geeigneten Druck auf die Platten die einzelnen Drähte bis zur Verformung der Drähte zu pressen und damit sowohl den Kühlkanalquerschnitt sowie den thermischen Kontakt zwischen den Drähten und den Platten einzustellen . Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Platten am kalten Ende stärker zusam- mengepresst werden als am warmen Ende, um so durch ein stärkeres Zusammenpressen von Drähten am kalten Ende den Kühlkanalquerschnitt am kalten Ende kleiner zu gestalten als am warmen Ende .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung umfassen die Platten Durchtrittsöffnungen, so dass Kühlmittel von einem Plattenzwischenraum in einen anderen Plattenzwischenraum der benachbarten Platten strömen kann. Dies bietet den Vorteil, dass ein Druckausgleich zwischen den einzelnen Kühlmittelkanälen zwischen den Platten möglich ist . Entsprechend bietet es weitere Vorteile, wenn Durchtrittsöffnungen in Führungselementen angeordnet sind, um so an definierten Stellen einen Durchtritt von Kühlmittel von einem Kühlmittelkanal in einen benachbarten Kühlmittelkanal zu ermöglichen. Dadurch können Drücke ausgeglichen werden, die beispielsweise durch eine inhomogene Beanspruchung des Leiters oder Abweichungen von der Sollgeometrie des Kühlmittelkanals entstehen können.
Vorzugsweise umfasst die Stromzuführungseinrichtung ein Gehäuse, in dem die Platten angeordnet sind, wobei das Gehäuse gasdicht ist, um ein Austreten des Kühlmittels zu verhindern . Zur Zu- oder Ableitung des Kühlmittels werden vorteilhafterweise eine oder mehrere Kühlmittelzuleitungen und eine oder mehrere Kühlmittelableitungen vorgesehen, wobei mehrere Kühlmittelzuleitungen bzw . Kühlmittelableitungen den Vorteil bieten, dass das Kühlmittel verteilt in verschiedene Kühlmittelkanäle der Stromzuführungseinrichtung eingeleitet werden kann, um eine gleichmäßige Kühlung des Leiters zu ermöglichen . Das Gehäuse bietet ferner den Vorteil, dass eine zuverlässige Halterung von gestapelten Platten möglich ist . Zu berücksichtigen ist, dass es bei dem Betrieb der Stromzuführungseinrichtung als Teil eines ausgedehnten Systems , das Supraleitermagneten, Kryostaten und Kälteanlagen mit verschiedenen Betriebszuständen und bei Störfällen zu beträchtlichen Gasdrücken kommen kann . Vorzugsweise verfügt das Gehäuse über zwei Seitenplatten, die eine seitliche Halterung für die übereinander gestapelten Platten bilden und einer Boden- und einer Deckelplatte . Die Platten sind vorzugsweise gasdicht miteinander verschweißt, um einen Austritt des Kühlmittels aus der Stromzuführungseinrichtung zu verhindern. Al¬ ternativ kann auch eine gehäuselose Anordnung Vorteile bieten, beispielsweise indem die aufeinander gestapelten Platten aufeinander geschweißt werden und jede der Platten einen Querschnitt aufweist, der zur Anordnung von Kühlmittelkanälen zwischen den Platten einen Hohlraum zwischen den Platten lässt . Hierzu weisen die Platten vorzugsweise ein U-förmiges oder H-förmiges Profil auf .
Vorzugsweise enthält der Leiter ein supraleitendes Material . Beispielsweise kann in einem metallischen Leiter an seinem in der Stromzuführungseinrichtung kalten Ende ein Supraleiter eingearbeitet sein, der bei ausreichender Kühlung des Leiters in der Stromzuführungseinrichtung supraleitend wird. Daraus kann sich der Vorteil ergeben, dass nur der normal leitende Teil des Leiters ohne Supraleiter als Übergang zwischen warmen Bedingungen und kalten Bedingungen wirkt, so dass die Kühlung nur für den normal leitenden Teil ausgelegt sein muss . Der Vorteil dieser Variante ergibt sich insbesondere im Leerlauf der Stromzuführungseinrichtung, d. h. ohne Strombetrieb . In diesem Betriebszustand wird die Kühlung reduziert, so dass sich auch der supraleitende Teil durch die Wärmeleitung vom warmen Ende her erwärmen kann . Dadurch wird die Stromzuführung effektiv länger und damit auch die Wärmezufuhr vom warmen Kontakt zum kalten Kontakt signifikant verringert . Derartige Stromzuführungseinrichtungen besitzen besondere Vorteile in Einrichtungen, die zu einem hohen Prozentsatz im Leerlauf betrieben werden, wie dies beispielsweise oft bei großen supraleitenden Magneten der Fall ist . Diese werden nur an Arbeitstagen tagsüber in Betrieb genommen und im übrigen, beispielsweise in der Nacht, an Wochenenden und an Feiertagen abgeschaltet, wobei sie dennoch gekühlt werden .
Der Supraleiter kann sich beispielsweise weit über die Hälfte des Leiters erstrecken. Am kalten Ende, d. h. in der Nähe der kalten Kontaktstelle der Stromzuführungseinrichtung wird der Leiter j e nach Typ des verwendeten Supraleiters auf besonders tiefe Temperaturen gekühlt (bspw . kleiner als 15 K) , so dass dort bei bestimmten Betriebsparametern die Temperaturgrenze des Supraleiters unterschritten werden kann, wobei der Supraleiter ohne elektrischen Widerstand leitend wird und damit die oben beschriebenen Vorteile verwirklicht werden.
Vorteilhafterweise weist der Leiter Supraleiterdrähte oder Supraleiterbänder auf, die vorteilhafterweise zur Sicherstellung eines ausreichenden Kontaktes mit dem Leiter in die Oberfläche des Leiters eingelassen und beispielsweise verlötet sind.
Wenn am wärmeren Ende des Supraleiters und/oder in einem Übergangsbereich zwischen supraleitendem und normal leitendem Teil des Supraleiters der Kühlmittelkanal lokal einen verminderten Querschnitt aufweist, können vorteilhafterweise die Strömungsgeschwindigkeit und mit dieser der Wärmeübergang erhöht werden . Hierzu ist eine lokale Einengung durch die Führungselemente vorgesehen . Beidseitig der Einengung weitet sich der Kühlmittelkanal auf, um einen unerwünschten Druckabfall zu vermeiden . Beispielsweise weist der Kühlmittelkanal am kalten Ende einen vorbestimmten Querschnitt (Kanalhöhe senkrecht zum angrenzenden Leiter) auf, der sich im Übergangsbereich halbiert und auf der warmen Seite des Übergangsbereiches zunächst auf den vorherigen Wert erweitert und dann ggf . bis hin zur warmen Kontaktstelle der Stromzuführung weiter vergrößert .
Vorzugsweise sind an dem Leiter und/oder dem Gehäuse Tempera¬ tursensoren, beispielsweise Platinwiderstände oder Thermoelemente angeordnet, um die Temperatur des Leiters zu erfassen . Die Temperatursensoren bieten den Vorteil, dass die Kühlung exakt auf die Anforderungen eingestellt werden kann, um einerseits eine Überlastung des Leiters und andererseits eine übermäßige Kühlung und damit eine Verschwendung von Kühlmit¬ tel zu verhindern . So bietet es Vorteile, wenn die erzwungene gerichtete Konvektion in Abhängigkeit von der durch die Thermoelemente erfassten Temperatur gesteuert wird. Beispielsweise kann zur Sicherstellung einer ausreichenden Kühlung die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal erhöht werden, indem der Druck an der Einleitungsstelle des Kühlmittels in den mindestens einen Kühlmittelkanal erhöht wird.
Ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung eines Leiters in einer Stromzuführungseinrichtung. Durch Erzwingen einer gerichteten Konvektion und ggf . einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in einem Kühlmittelkanal der Stromzuführungseinrichtung wird eine zuverlässige Kühlung des Leiters gewährleistet . Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nicht nur die Richtung der Strömung, sondern entlang der Länge des Kühlmittelkanals wenigstens lokal auch deren Geschwindigkeitsbetrag auf einen vorbestimmten Wert eingestellt .
Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Stromzuführungseinrichtung bei der Stromversorgung von elektrischen Einrichtungen mit Supraleitern, z . B . Supraleitermagneten .
Besondere Vorteile der Erfindung sind die einfache Herstellbarkeit der Kühlmittelkanäle mit den Führungselementen, eine gleichmäßige Kühlmittelverteilung, die beispielsweise durch eine regelmäßige Anordnung der Kühlmittelkanäle erreicht werden kann, eine genaue und einfache Einstellbarkeit der Wärmeübergangsfläche von einem Kühlmittelkanal auf den Leiter, ei¬ ne genaue und einfache Einstellbarkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels , eine frei wählbare Einbaulage der Stromzuführungseinrichtung und eine kompakte Bauform, die me¬ chanisch stabil ist . Des weiteren kann die Geometrie der Kühlmittelkanäle und somit die Wärmeübergangsfläche und die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Stromzuführungseinrichtung einfach variiert und den j eweiligen Kühlanforderungen in den verschiedenen Temperaturbereichen optimal angepasst werden .
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben .
Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Stromzuführung .
Figur 2 zeigt schematisch einen Querschnitt einer anderen
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromzuführung .
Figur 3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Stromzuführung.
Figur 4 zeigt zwei Querschnitte einer anderen erfindungsgemäßen Stromzuführung .
Figur 5 zeigt schematisch einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Stromzuführung .
Figur 6 zeigt vergrößert schematisch ein Detail des in Figur 5 dargestellten Querschnitts .
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Stromzuführung 1 schematisch im Querschnitt dargestellt . Die Stromrichtung ist senkrecht zur Zeichenebene, wobei der elektrische Strom von einer oberhalb der Zeichenebene liegenden kalten Kontaktstelle (nicht dargestellt) zu einer unterhalb der Zeichenebene lie- genden warmen Kontaktstelle (nicht dargestellt) fließt . Die Stromzuführung 1 weist mehrere Platten 2 , 2 ' auf, die in einem Gehäuse 3 mit einander gegenüberliegenden Oberflächen nebeneinander gestapelt sind. Zwischen den Platten sind j eweils einfache Lagen aus Drähten 4 angeordnet, die erfindungsgemäße Führungselemente und zugleich Abstandhalter für die Platten
2 , 2 ' bilden . Das Gehäuse 3 bildet eine U-förmige Aufnahme für die Platten 2 , 2 ' und die Drähte 4. Das Gehäuse 3 ist durch einen Deckel 5 verschlossen. Der Deckel 5 ist mit zwei über die Stromzuführung 1 senkrecht zur Zeichenebene durchlaufenden Schweißnähten 6 an dem Gehäuse 3 angeschweißt . Eine mittig liegende Platte 2' ist ebenfalls durch zwei Schweißnähte 7 in ihrer Lage gesichert . Die übrigen Platten 2 werden durch die Drähte 4 , das Gehäuse 3 und den Deckel 5 in ihrer Lage gehalten .
Im Betrieb wird der Strom über die Platten 2, 2 ' , das Gehäuse
3 , den Deckel 5 und die Drähte 4 von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle geleitet und durch die Plattenzwischenräume, in denen die Drähte 4 angeordnet sind, wird ein Kühlmittel, im vorliegenden Fall kaltes Helium, geleitet . Zum Druckausgleich zwischen den einzelnen Zwischenräumen mit den darin angeordneten Drähten 4 weisen die Platten 2 , 2 ' gebohrte Löcher 8 auf, welche die Zwischenräume der Platten 2 , 2 ' verbinden. Die Platten 2, 2" bestehen aus Stahl, während die Drähte 4 teilweise aus Stahl und teilweise aus Kupfer bestehen . Alternativ können hier und bei den weiteren Beispielen andere Materialien oder Materialkombinationen vorgesehen sein, wie dies oben angegeben ist .
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromzuführung 10 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 gleiche Teile bezeichnen . Die Stromzu¬ führung 10 umfasst mehrere Platten 12 , die den Strom wie bei Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene leiten. Die Platten 12 "sind durch gasdichte und durchlaufende Schweißnähte 15 verbunden, die an den außen liegenden Rändern des Plattenstapels ier Platten 12 angeordnet sind. Die Platten 12 werden über iie Schweißnähte 15 zusammengehalten . Außerdem weisen die Platten 12 ein U-förmiges Profil auf, wodurch es möglich ist, Ln den entstehenden Aussparungen jeweils zwischen den Platten Drahtlagen, die aus Drähten 4 bestehen, anzuordnen . Die einzelnen Hohlräume zwischen den Platten sind über gebohrte Löcher 8 verbunden, um einen Druckausgleich zwischen den Hohlräumen, durch die das Kühlmittel senkrecht zur Zeichenebene strömt, zu ermöglichen . An einer Seite des Plattenstapels ist eine Platte 13 angeordnet, die keinen Hohlraum aufweist und lediglich dazu dient, den letzten Hohlraum abzuschließen . In den Hohlräumen kann Kühlmittel in dem durch die rundliche Form der Drähte 4 der Drahtlagen freigelassenen Raum senkrecht zur Zeichenebene strömen, wobei die verbleibenden Kanäle so eng sind, dass nur eine Strömung in Richtung senkrecht zur Zeichenebene von der oberhalb der Zeichenebene liegenden kalten Kontaktstelle zu der unterhalb der Zeichenebene liegenden warmen Kontaktstelle möglich ist . Lokale Konvektionen in andere Richtungen sind durch diese erzwungene Bewegung ausgeschlossen. Die Platten 12, 13 und die Drähte 4 bestehen aus Stahl .
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Führungselemente durch die Wände des Kühlmittelkanals gebildet werden. Eine Stromzuführung 20 ist im Querschnitt dargestellt, wobei die Stromrichtung wie bei Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft . Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 zeichnen wiederum gleiche Teile . Die Stromzuführung 20 umfasst Platten 22, die als Stapel nebeneinander angeordnet sind, wobei sich ihre Oberflächen berühren . Die Oberflächen der Platten 22 weisen auf einer Seite eingearbeitete Längsrillen 24 auf . Die Längsrillen 24 bilden die erfindungsgemäßen Führungselemente, durch die das Kühlmittel zu der gerichteten Bewegung durch die Stromzuführung 20 ( senkrecht zur Zeichenebene) gezwungen wird. Die Rillen werden j eweils durch die nächstliegende Platte 22 begrenzt, wobei an einem Ende des Stapels eine Abschlussplatte 13 vorgesehen ist, die keine Rillen aufweist . Die Platten 13 , 22 bestehen aus Stahl und sind über durchlaufende Schweißnähte 15 verbunden.
In Figur 4 sind zwei Schnitte einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromzuführung 30 schematisch dargestellt . In beiden Teilbildern verläuft im Unterschied zu den Figuren 1 bis 3 die Stromrichtung in der Zeichenebene, wobei die kalte Kontaktstelle (nicht dargestellt) in der Zeichenebene oberhalb der beiden in Figur 4 dargestellten Schnitte angeordnet ist und die warme Kontaktstelle am gegenüberliegenden Ende der Stromzuführung 30 in der Zeichenebene unten. Die in zwei Schnitten dargestellte Stromzuführung 30 weist einen mäanderförmigen Kühlmittelkanal 31 auf, wobei Pfeile 32 die Strömungsrichtung des Kühlmittels anzeigen . Der Kühlmittelkanal 31 wird gebildet, indem zwei Platten 33 nebeneinander angeordnet werden, wobei zwischen den Platten als Führungselemente zwei kammartige Führungslagen 34 gegeneinander- liegend eingebaut werden . Die Platten 33 und die Führungslagen 34 sind in einem Gehäuse 35 eingebaut und in dem Gehäuse 35 mit Schweißnähten 36 fixiert . Alternativ ist eine Fixierung mit Befestigungsstiften zwischen den Platten 33 und den Führungslagen 34 möglich . Als weitere Alternative kann der mäanderförmige Kühlmittelkanal 31 in die Platten 33 eingefräst oder durch ein entsprechendes Bearbeitungsverfahren eingearbeitet sein, wobei in diesem Fall die Führungslagen 34 aus entsprechenden Erhebungen der Platten 33 bestehen . Die Platten 33 , die Führungslagen 34 und das Gehäuse 35 bestehen aus Stahl .
In den Figuren 5 und 6 sind Querschnitte einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Figur β ein Detail X der Figur 5 mit weiteren Einzelheiten zeigt . In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, wobei einzelne Teile ggf . nur einfach beschrieben werden . Die in den Figuren 5 und 6 im Querschnitt dargestellte Stromzuführung 40 verläuft wie die in den Figuren 1 bis 3 abgebildeten Stromzuführungen senkrecht zur Zeichenebene, wobei dies auch die Stromrichtung ist . Die Stromzuführung 40 weist in einem konkreten Ausführungsbeispiel eine Länge von 1.8 m senkrecht zur Zeichenebene auf und ist konstant ungefähr 100 mm (b) breit . Die Stromzuführung 40 ist für einen Maximalstrom von 18.2 kA ausgelegt, wobei der optimale Strom ungefähr 11 kA beträgt . Der optimale Strom bezeichnet den Strom, den die Stromzuführung 40 bei minimalem Kühlmittelstrom auf Dauer durchleiten kann, ohne auf Temperaturen, die über der des warmen, auf Raumtemperatur liegenden Endes liegen, aufgewärmt zu werden .
Der Leiter der Stromzuführung 40 besteht im Wesentlichen aus Bronzeplatten 41 , die in zwei nebeneinanderliegenden Stapeln angeordnet sind. Es sind zum Beispiel 27 Platten vorgesehen, die j eweils eine Dicke von 3 mm und einen Abstand von 0.3 mm aufweisen . Die Bronzeplatten 41 werden von einem Gehäuse umgeben, das aus zwei Gehäuseseitewänden 42, einer Gehäusedeckelplatte 43 und einer Gehäusebodenplatte 44 aufgebaut ist . Die Gehäusedeckelplatte 43 und die Gehäusebodenplatte 44 sind j eweils durch Verstärkungsbleche 45 verstärkt, wobei die Ver¬ stärkungsbleche 45 mit Verstärkungsblechschweißnähten 46 an die Gehäusedeckelplatte 43 bzw . an die Gehäusebodenplatte 44 angeschweißt sind. Die Gehäuseseitenwände 42 sind an der Ge- häusedeckelplatte 43 und an der Gehäusebodenplatte 44 mit gasdichten und über die gesamte Länge der Stromzuführung 40 durchlaufenden Schweißnähten 47 angeschweißt . Die Verstärkungsbleche 45 haben die Aufgabe, höhere Drücke, die in dem Innenraum der Stromzuführung 40 in bestimmten Betriebsmoden oder Störfällen entstehen können, aufzunehmen .
Das Gehäuse ist über die gesamte Länge der Stromzuführung 40 gasdicht, wobei an den Enden der Stromzuführung j eweils Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel vorhanden sind (nicht dargestellt) . Die Gehäuseseitenwände 42, die Gehäusedeckelplatte 43 , die Gehäusebodenplatte 44 und die Verstärkungsbleche 45 bestehen aus Stahl . Zur Verstärkung des Gehäuses ist in dem Gehäuse mittig eine Zwischenplatte 48 angeordnet, die ebenfalls aus Stahl besteht . Die Zwischenplatte 48 ist mit Schweißnähten 49 an den Seitenwänden 42 des Gehäuses befestigt . In einer Variante dieser Stromzuführungseinrichtung (nicht dargestellt) wird die Stahlplatte weggelassen . Ihre Funktion kann durch Verstärkungsbleche 45 übernommen werden, die analog zu den Boden- und Deckelplatten 44 , 43 an den Seitenwänden angeschweißt werden . Ein mittig angeordneter Bolzen
50 dient dazu, die weiter unten beschriebenen Folien zur Führung der Kühlmittelströmung in ihrer Lage zu fixieren .
Insbesondere zur Verminderung von Leerlaufverlusten der Stromzuführungseinrichtung sind in die Bronzeplatten 41 drahtförmige Supraleiter 51 eingelegt und verlötet, die sich von der kalten Kontaktstelle der Stromzuführung 40 her etwa über zwei Drittel der Gesamtlänge erstrecken. Da der in Figur 5 dargestellte Querschnitt der Stromzuführung 40 ein Querschnitt ist, welcher der Mitte der Stromzuführung 40 entspricht, sind in dem Querschnitt in Figur 5 die Supraleiter
51 sichtbar . Die Supraleiterdrähte bestehen aus Nb3Sn. Die Länge der Supraleiter 51 ist auf etwa zwei Drittel der Ge- samtlänge der Stromzuführung 40 begrenzt, da nur in der Nähe des kalten Endes der Stromzuführung 40 die Temperatur zur Supraleitung unterschritten werden kann . Am warmen Ende der Stromzuführung 40 ist die Temperatur für die Supraleitung zu hoch . Aus diesem Grund wird in der Nähe des warmen Endes der Stromzuführung 40 der komplette Querschnitt der Bronzeplatten 41 zur Stromleitung mit Bronze eingesetzt . Daher weisen die Bronzeplatten 41 in der Nähe des warmen Endes keine Aussparungen für die Supraleiter 51 auf . Die Kombination mit Supraleitern kann auch bei den oben beschriebenen Beispielen vorgesehen sein .
Zwischen den Bronzeplatten 41 befinden sich Kühlmittelkanäle 52 (sieh Fig. 6) , durch die das Kühlmittel , in diesem Fall Helium, geleitet wird. Das Helium wird am kalten Ende der Stromzuführung 40 eingespeist und durchläuft dann die Kühlmittelkanäle 52 , wo es sich aufgrund des Kontaktes mit den Bronzeplatten 41 j e nach Betriebsart erwärmt, und wird am warmen Ende der Stromzuführung 40 wieder aus der Stromzuführung 40 herausgeleitet . Beim Betrieb mit elektrischem Strom ist der Kühlmittelstrom so hoch, dass der supraleitende Teil der Stromzuführungseinrichtung unterhalb der Betriebstemperatur des Supraleiters , beispielsweise unterhalb von 15 K bleibt . In diesem Bereich wird von den Leiterplatten keine Wärme auf das Helium übertragen . Erst der Übergangsbereich zwischen dem supraleitenden und dem normal leitenden Zustand des Leiters in der Stromzuführungseinrichtung entspricht daher dem kalten Ende einer herkömmlichen Stromzuführungseinrichtung ohne Supraleiter, d . h . die Erwärmung des Kühlmittels beginnt erst an dieser Stelle . Der supraleitende Teil der Stromzuführungseinrichtung kann in diesem Betriebszustand auch als Verlängerung beispielsweise des Tieftemperaturleiters eines Supraleitermagneten betrachtet werden, der an eine gewöhnliche, normal leitende Stromzuführungseinrichtung ange- schlössen ist , wobei hier die Übergangsstelle zwischen supraleitendem und normal leitendem Bereich dem kalten Kontakt entspricht . Im Leerlaufbetrieb (ohne elektrischen Strom) wird der Kühlmittelstrom soweit reduziert, dass sich der Leiter der Stromzuführungseinrichtung über die gesamte Länge, also auch über den supraleitenden Teil, durch Wärmeleitung vom warmen Kontakt her aufwärmen kann . In diesen Betriebszustand wird folglich dem Kühlmittel über die gesamte Länge Wärme zugeführt .
In den Kühlmittelkanälen 52 sind als Führungselemente und Abstandshalter dünne Stahldrähte 53 angeordnet, die zwischen die Bronzeplatten 41 eingelegt sind. Außerdem sind in den Zwischenräumen zwischen den Bronzeplatten 41 Folien 54 angeordnet, die ebenfalls aus Stahl bestehen . Die Folien 54 sind zwischen den Stahldrähten 53 eingeklemmt, wobei in j edem Zwischenraum zwischen zwei Bronzeplatten 41 an einer Stelle j eweils zwei aufeinander liegende Stahldrähte 53 angeordnet sind, um zwischen den beiden Stahldrähten 53 eine der Folien 54 aufzunehmen . Zusätzlich werden die Folien 54 durch den Bolzen 50 gehaltert . Die Drähte und Folien dienen gleichzeitig als Abstandhalter zwischen den Platten . Die Folien können j edoch auch durch andere Elemente, die Drahtstücke, kleine Blech- oder Folienstücke, in die Folie eingeprägte Strukturen, wie z . B . Noppen, Sicken, Rillen oder dgl . auf dem vorgesehenen Abstand zu der Oberfläche des Leiters gehalten werden . Beim Einsatz von Strukturen wie z . B . Sicken, Rillen oder Wellen in Querrichtung wird durch die Bereitstellung von Löchern oder Unterbrechungen dafür gesorgt, dass der Kühlmittelstrom im j eweiligen Kühlmittelkanal nicht unterbrochen wird . Bei der Verwendung derartiger Elemente in Längsrichtung wird ebenfalls durch die Bereitstellung von Löchern oder anderweitigen Unterbrechungen für einen Druckausgleich innerhalb der Breite des Kühlmittelkanals gesorgt . Die Folien 54 erstrecken sich vom kalten Ende der Stromzuführung 40 in Richtung des warmen Endes der Stromzuführung 40 etwas über die Länge der Supraleiterdrähte 51 hinaus zu warmen Ende hin, wodurch der Querschnitt der Strömungskanäle 52 im supraleitenden Bereich der Stromzuführung 40 geringer ist als in der Nähe des warmen Endes . Dadurch wird der hydraulische Querschnitt der Strömungskanäle 52 so angepasst, dass im kalten Bereich sowohl natürliche Konvektion vermieden als auch eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit für einen guten Wärmeübergang insbesondere im Übergangsbereich zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Teil der Stromzuführungseinrichtung erreicht wird . Im normalleitenden, d . h . warmen Teil der Stromzuführungseinrichtung werden die Folien weggelassen . In diesem Bereich werden nur Abstandshalter zwischen die Folien gesetzt, da das wärmere Kühlmittel in diesen Bereich eine niedrigere Dichte und dadurch eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist .
In einer besonders vorteilhaften Variante wird im Übergangsbereich zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Teil der Stromzuführungseinrichtung eine dickere, beispielsweise ungefähr doppelt so dicke Folie mit einer Länge von z . B . 100 mm eingesetzt, um so in diesem kritischen Übergangsbereich die Kühlmittelkanäle entsprechend zu verengen und damit die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen und den Wärmeübergang zu verbessern . Anschließend an diese dickere Folie kann auf eine Länge von etwa 50 mm eine dünnere Folie in Richtung zum warmen Ende hin angeordnet sein . Auf diese Weise werden die Kühlmittelkanäle besonders einfach für optimale Strömungs- und Wärmeübergangsverhältnisse angepasst . Durch die relativ geringe Länge der dicken Folie im Übergangsbereich und der dünneren Folie im warmen Teil der Stromzuführungseinrichtung kann der Druckabfall über den gesamten Kühl- mittelkanal niedrig gehalten werden . Die Kühlmittelkanäle weisen am kalten Ende einen Querschnitt von z . B . 0.1 mm auf, der sich im Übergangsbereich auf 0.05 mm verengt und anschließend auf der warmen Seite auf 0.1 mm bis hin zu 0.3 mm an der warmen Kontaktstelle der Stromzuführung erweitert . Weiterhin sind in den Bronzeplatten 41 Durchtrittsöffnungen 55 angeordnet, welche die Strömungskanäle 52 miteinander verbinden und so einen Druckausgleich zwischen den einzelnen Strömungskanälen 52 gewährleisten . Außerdem sind in der mittig angeordneten Zwischenplatte 48 in vorbestimmten Abständen, z . B . 10 cm entlang der Länge der Stromzuführung 40 Querrillen 56 angeordnet, die einen Druckausgleich über die Breite b der Stromzuführung 40 ermöglichen .
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Strorαzufüh- rungseinrichtung werden die Stahlplatte 48 weggelassen und die Seitenwände 42 des Gehäuses und die Deckel- und Bodenplatten 43 , 44 durch Verstärkungsbleche 45 verstärkt . In diesem Fall wird der Druckausgleich über die Breite b der Stromzuführungseinrichtung vorteilhafterweise durch Unterbrechungen in den Drähten 53 oder durch die Verwendung von nur kurzen Abstandshaltern zwischen den Folien und Leiteroberflächen gewährleistet . Alternativ kann eine Aneinanderreihung von kürzeren Folienstücken in der Längsrichtung der Stromzuführungseinrichtung mit Spalten zwischen den Folienstücken oder das Einarbeiten von Querrillen in die Leiterplatten 41 vorgesehen sein . Im ersten Fall wird jedes Folienstück separat, insbesondere in Längsrichtung, z . B . mit Bolzen 50 , fixiert .
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiele und das beschriebene Verfahren beschränkt, sondern umfasst auch Abwandlungen, soweit diese von den Ansprüchen umfasst sind.

Claims

PATENTJiNSPRUCHE
1. Stromzuführungseinrichtung ( 1, 10, 20, 30 , 40 ) für einen Tieftemperaturleiter, insbesondere für einen Supraleitermagneten, die umfasst :
- mindestens einen elektrischen Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41, 51 ) , der eine warme und eine mit dem Tieftemperaturleiter verbundene kalte Kontaktstelle aufweist, und
- mindestens einen Kühlmittelkanal zur Führung eines Kühlmittels , der zumindest an einer Seite durch den Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33, 41, 51 ) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal mindestens ein Führungselement (4 , 24 , 34 , 53, 54 ) aufweist , das eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von der kalten Kontaktstelle zur warmen Kontaktstelle erzwingt .
2. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente zumindest teilweise durch Erhebungen und/oder Vertiefungen (24 , 34 ) auf der Oberfläche des Leiters (12 , 22 , 33) gebildet werden .
3. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen Längsrillen (24 ) im wesentlichen in Richtung des elektrischen Stromflusses auf der Oberfläche des Leiters (22 ) umfassen .
4. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Längsrillen (24 ) auf der Oberfläche des Leiters (22 ) Querrillen ausgebildet sind, die eine Verbindung zwischen den Längsrillen (24 ) bilden . 5. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen als mäanderförmige Rillen auf der Oberfläche des Leiters (33) ausgebildet sind.
β . Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des Kühlmittelkanals über die Länge der Stromzuführungseinrichtung veränderlich ist .
7. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des Kühlmittelkanals in Richtung zu der warmen Kontaktstelle zunimmt .
8. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente ( 4 , 34 , 53 , 54 ) in dem Kühlmittelkanal angeordnet sind .
9. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungs- elerαente (4 , 34 , 53 , 54 ) zumindest teilweise durch Drähte ( 4 , 53 ) und/oder Folien ( 34 , 54 ) gebildet sind.
10. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41 ) und/oder die Führungselemente ( 4 , 24 , 34 , 53, 54) zumindest teilweise aus Kupfer, Stahl, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Bronze, Messing und/oder einer anderen Kupferlegierung bestehen .
11. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33, 41) zumindest eine Platte (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41) umfasst .
12. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41 ) mehrere, nebeneinander angeordnete Platten (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33, 41 ) umfasst und der Kühlmittelkanal zwischen den Platten (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41 ) gebildet ist .
13. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (4 , 24 , 34 , 53 , 54 ) zwischen den Platten (2 , 2 ! , 12 , 13, 33, 41 ) angeordnet sind.
14. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (2 , 2 ' , 12 , 22 , 33,
41 ) Durchtrittsöffnungen aufweisen, so dass Kühlmittel von einem Plattenzwischenraum in einen anderen Plattenzwischenraum der gestapelten Platten (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33, 41 ) strömen kann .
15. Stromzuführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 , gekennzeichnet durch ein Gehäuse, in dem die Platten (2 , 2 ' , 33 , 41 ) angeordnet sind, wobei das Gehäuse gasdicht ist und eine Kühlmittelzuleitung und eine Kühlmittelableitung aufweist, die mit dem Kühlmittelkanal zur Zu- und Ableitung des Kühlmittels verbunden sind.
16. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter zumindest teilweise aus einem Supraleiter ( 51 ) besteht . 17. Stromzuführungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter Supraleiterdrähte (51 ) und/oder Supraleiterbänder aufweist .
18. Stromzuführungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet, dass am wärmeren Ende des Supraleiters (51) und/oder am Übergangsbereich zwischen ' supraleitendem und normal leitendem Teil des Leiters ( 51 ) der Kühlmittelkanal durch die Führungselemente ( 4 , 24 , 34 , 53 , 54 ) lokal eingeengt ist .
19. Stromzuführungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Leiter
(2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41 , 51) und/oder dem Gehäuse ( 3 , 5, 35 , 42 , 43 , 44 ) mindestens ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur angeordnet ist .
20. Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführungseinrichtung (1 , 10 , 20 , 30 , 40 ) für einen Tieftemperaturleiter, insbesondere für einen Supraleitermagneten, mit mindestens einem elektrischen Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13, .22 , 33 , 41 , 51) , der eine warme und eine mit dem Tieftemperaturleiter verbundene kalte Kontaktstelle aufweist, mit den Schritten :
- Führung eines Kühlmittels durch einen Kühlmittelkanal , der zumindest an einer Seite durch den Leiter (2 , 2 ' , 12 , 13 , 22 , 33 , 41 , 51 ) begrenzt wird, und
- Kühlung des Leiters (2, 2 ' , 12, 13, 22, 33, 41, '5I) mit dem Kühlmittel , dadurch gekennzeichnet dass
- bei der Führung des Kühlmittels eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle durch Führungselemente ( 4 , 24 , 34 , 53, 54 ) erzwungen wird. 21. Verfahren nach Anspruch 20 , dadurch gekennzeichnet, dass mit den Führungselementen ( 4 , 24 , 34 , 53 , 54 ) entlang der Länge des Kühlmittelkanals der Betrag der Geschwindigkeit des Kühlmittels lokal eingestellt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Leiters (2 , 2 ' , 12 , 13, 22 , 33 , 41, 51) und/oder eines Gehäuses (3 , 5 , 35, 42 , 43 , 44 ) mit mindestens einem Temperatursensor erfasst wird und die gerichtete Konvektion in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur gesteuert wird.
23. Verwendung einer Stromzuführungseinrichtung ( 1, 10, 20, 30, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Zuführung von Strom zu einem Tieftemperaturleiter.
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