DE10212438C1

DE10212438C1 - Zwangsgekühlte Hochstromzuführung

Info

Publication number: DE10212438C1
Application number: DE10212438A
Authority: DE
Inventors: Guenter Friesinger; Reinhard Heller
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2022-03-22

Abstract

Die Stromzuführung als Bindeglied zwischen supraleitender Baugruppe und stromversorgendem Netz besteht aus dem zentralen elektrischen Leiter, im Verlaufe dessen Länge der Übergang vom elektrisch normalleitenden auf das supraleitende Material eintritt und umgekehrt. Um dies in betrieblich erträglichen Grenzen einzurichten, ist zwischen warmem und kaltem Ende um den zentralen Leiter ein forciert betriebener Wärmetauscher eingebaut. Der Wärmetauscher besteht aus Kammern, die durch Trennwände voneinander getrennt sind. In jeder Kammer sind perforierte Ronden aus die Wärme gut leitendem Material um den zentralen Leiter gestapelt und gut wärmeleitend mit diesem verbunden. Die Trennwände haben je einen Durchtrittsbereich, durch den das Kühlmittel strömen muss. Auch folgen die Kammertrennwände so aufeinander, dass diese aufeinander folgenden Durchtrittsbereiche um 100 DEG gegeneinander verdreht sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine zwangsgekühlte Hochstromzuführung als Zwischenstück zwischen einer supraleitenden Apparatur und einer normalleitenden Zuleitung vom elektrischen Netz.

Supraleitende Apparaturen, in der Hochstromtechnik Spulen mit Supraleiterwicklung, Magnete, müssen bei tiefen Betriebstempe raturen betrieben werden, um den Supraleitereffekt wirksam werden zu lassen können. Hierbei besteht die generelle Proble matik, dass ein elektrisch leitender Übergangsbereich von Zim mertemperatur zum Volumen mit der Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur Tc des Supraleiters befindlichen Spule geschaffen werden muss. Ein solcher Übergangsbereich besteht aus einem Leiterstück aus normalleitendem Material, an dem entlang ein Wärmetauscher angebracht ist. Entlang diesem fällt die Temperatur vom warmen Ende, wo die Netzzuleitung ankop pelt, bis hin zum kalten Ende, wo der Supraleiter, das Kabel aus supraleitenden Drähten, der Wicklung ankoppelt, von Zim mertemperatur bis auf Betriebstemperatur ab. Es muss entlang des Übergangsbereichs Joule'sche Wärme und der Wärmestrom vom Raumtemperaturreservoir der Umgebung des warmen Endes vom Lei terstück derart abgeführt werden, dass kein Wärmestrom in das Supraleiterkabel hinein stattfindet.

Der Wärmetauscher der Hochstromzuführung besteht in häufig be nutzten Bauprinzipien aus einem Stapel gut wärmeleitender, perforierter Scheiben um einen zylindrischen Leiter. Die Scheiben des Stapels haben einen gut die Wärme leitenden Kon takt mit dem Leiter. Durch die Perforationen hindurch wird Kühlmittel, in der supraleitenden Hochstromtechnik meist He lium vom kalten zum warmen Ende geströmt (siehe beispielsweise die DE 41 27 711 A1).

Natürlicherweise erfolgt die Montage der Hochstromzuführung bzw. des Übergangsstücks aufrecht, d. h. das warme Ende steht oben und das kalte unten. Das lässt sich aber bei einem Anla genaufbau mit vielen supraleitenden Spulen zur Magnetfelder zeugung für Fusionsexperimente wie ITER z. B. konstruktiv und aus Gründen der notwendigen Zugänglichkeit nicht immer durch halten. Aus räumlichen Gründen besteht der Zwang solche Über gangsbereiche auch geneigt bis horizontal zu legen.

Eine elektrische Übertragungsleitung zum Führen und Begrenzen des Stromes durch Verwendung mehrerer röhrenförmiger Baukompo nenten aus supraleitendem Material wird in der US 5,859,386 vorgestellt. Die röhrenförmigen Baukomponenten haben eine hohe kritische Temperatur und sind stirnseitig an flexible, elek trisch leitfähige Metall- oder Legierungsverbindungen ange schlossen. Ein kryogenes Fluid fließt durch die erste Röhre innerhalb des Röhrenbereichs. Eine äußere Ringvakuumkammer be steht zwischen einer zweiten, koaxial umgebenden Röhre und dem supraleitenden Röhrenbereich.

Ist der Übergangsbereich aus der vertikalen Lage in eine stark geneigte oder gar horizontale Lage gebracht, verändert sich das Kühlverhalten unerwartet nachteilig, insbesondere bei Be trieb mit keinem oder sehr wenig Strom im Vergleich zum maxi malen Betriebsstrom wird das Kühlverhalten aufgrund der Joule'schen Wärme im Leiter sogar instabil. Bei einem Über gangsstück, das bis 20 kA betrieben werden kann, war der Kühl gasmassenstrom in der horizontalen Lage um 20% höher als in der vertikalen.

Theoretisch gilt unter anderem:
je höher der Druckabfall im Wärmetauscher bei turbulenter Strömung, desto effizienter ist der Wärmeübergang. Eine wich tige Einflussgröße ist die Schichtung der Heliumströmung im Wärmetauscher, da der Unterschied in der Dichte vom kalten He lium am kalten Ende zum warmen Helium am warmen Ende bis zu einem Faktor 13 betragen kann. Es wäre plausibel, dass kaltes Helium vom Eintritt in den Wärmetauscher in den unteren Kreis ausschnitten, bezogen auf den Querschnitt der kreisförmigen Wärmetauscherfläche, ähnlich einer meteorologischen Kaltfront, weit in Richtung warmes Ende vordringt und gleichzeitig be reits erwärmtes Helium in den größeren oberen Kreisausschnit ten bis in die Gegend des kalten Endflansches zurückströmt. Diese Rückströmung transportiert Wärme zum kalten Ende und vermindert damit die Kühlwirkung des kalten Heliums, ja hebt sie vermutlich auf. Diese Annahme wird durch das o. e. stromab hängige Kühlverhalten unterstützt.

Eine solche Schichtenströmung wird durch den geringen Druckab fall - Hinweis für eine laminare Strömung - und durch die of fene Trennwand im Wärmetauscher ermöglicht. Die Trennwände sind aus Festigkeits- und Fertigungsgründen der Hochstromzu führung erforderlich. Sie haben Konturdimensionen wie die Kühlronden und durch die Ringfläche hindurch gleichverteilt auf einem zur Achse konzentrischen Kreis große Löcher. Zwi schen zwei aufeinanderfolgenden Kammerwandronden befindet sich eine solche Anzahl an Kühlronden, die noch stabil gepackt wer den können.

Daraus ergab sich die Aufgabe die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich den Wärmetauscher aus kammerartig geschichteten Kühlronden in einem Hochstromübergangsstück vom normalleiten den Bereich zum supraleitenden Bereich derart aufzubauen, dass sich eine Schichtenströmung des Kühlmittels darin nicht aus bilden kann und das Übergangsstück im horizontalen oder wenig davon abweichenden Einbau bei allen Betriebsströmen zwischen null und maximalem Betriebstrom stabiles und wirksames Kühl verhalten zeigt.

Die Aufgabe wird durch den Aufbau der zwangsgekühlten Hoch stromzuführung gemäß dem Oberbegriff und den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die zwangsgekühlte Hochstromzuführung besteht in ihrem grund sätzlichen Aufbau aus dem netzseitig anzuschließenden warmen Ende, dem kalten Ende, an dem die zu betreibende supraleitende Baugruppe/Apparatur angeschlossen wird/ist, und dem Über gang/Zwischenbereich, über dessen Länge der Temperaturabfall von der Umgebung bis unterhalb der notwendigen Sprungtempera tur T_C stetig, im allgemeinen jedoch nichtlinear erfolgt.

Das warme Ende besteht völlig aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material, wie Silber, Kupfer, auch Messing, ersteres ist teuer, letzteres in der elektrischen Leitfähigkeit eventu ell schon problematisch. Das kalte Ende besteht üblicherweise aus dem am warmen Ende benutzten normalleitenden Material und dient dort als Matrix für eingepresste Supraleiterfäden in Bündeln oder faserweise. Dieser Aufbau: Supraleiter in Normal leitermatrix ragt in den Zwischenbereich, so dass dort eine Übergangszone vorgegebener Länge besteht, an die sich nahtlos vollends die reine normalleitende Zone anschließt. Die Länge dieser Matrixzone im Zwischenbereich ist Auslegungssache. Der Stromübergang muss im Zwischenbereich stattfindet und nicht erst am kalten Ende, um die Entwicklung Joule'scher Wärme von dort fernzuhalten. Betriebsgrenzfälle, die in die Ausle gung/Dimensionierung einzubeziehen sind, sind der Leerlauf, I = 0 A und I = Imax. Im Leerlauf wird in der Hochstromdurchfüh rung zwar keine Joule'sche Wärme mehr erzeugt, es gibt nur noch Wärmeleitung von der Umgebung Richtung kaltes Ende hin. Der Kühlgasgegenstrom ist dann zwar reduziert, muss aber noch so stark sein, dass der Wärmefinger höchstens tolerabel weit Richtung kaltes Ende hin besteht.

Der Bereich zwischen kaltem und warmem Ende ist kühltechnisch als Wärmetauscher ausgebaut. In seinem Bereich soll aber auch die Leitung des elektrischen Stromes von normalleitend auf supraleitend in der Zuleitung übergehen, bzw. umgekehrt in der Rückleitung. Der Wärmetauscher besteht aus dem zentrischen elektrischen Leiter und den an ihm entlang stapelartig ange ordneten, oberflächenvergrößernden Mitteln, die einzeln perfo rierte Kühlronden aus gut wärmeleitendem Material sind, die den elektrischen Leiter an seiner Mantelfläche sehr gut wärme leitend berühren, so dass durch die Perforationen (Oberflä chenvergrößerung) strömende Kühlmittel die Wärme gut aufnehmen kann.

Die perforierten Kühlronden sind nicht über die gesamte Länge des Wärmetauscherbereichs unmittelbar aufeinander gestapelt. Vielmehr sind Kammern aus solchen Stapeln gebildet, die bei zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Kammern durch eine Trennwand von einander separiert sind. Die perforierten Kühl ronden in den jeweiligen Kammern der Hochstromzuführung sind nicht aneinander gepresst, sondern liegen, durch Stapelung und gut wärmeleitende Verbindung mit dem zentralen Leiter bedingt, durchaus berührend im Berührbereich am zentralen Leiter, nahe, durch eingeprägte Sicken allenfalls stellenweise aneinander. Die Kühlronden haben nur Kühlfunktion und sind funktionell nur Wärmetauscherbestandteil, sie dürfen und sollen auch nicht an der Leitung des elektrischen Stromes beteiligte sein.

Die Trennwände haben in ihrer Ringfläche einen Sektor < 180° mit mindestens einem Durchbruch, durch den und nur durch den das Kühlmittel hindurchströmt. Die lichte Fläche dieses Durch bruchsektors ist sehr viel größer als der gesamte lichte Quer schnitt der Perforationen einer Kühlronde. Der Strömungswider stand des Durchbruchsektors soll sehr viel kleiner sein als der durch die Ronden einer Kammer hindurch, d. h. der Strö mungswiderstand der Trennwände in der Hochstromdurchführung soll gegenüber dem Strömungswiderstand der aufeinanderfolgen den Kammern unerheblich sein. Weiter sitzen die Trennwände so, dass sie entlang der Hochstromzuführung ihre aufeinanderfol gende Lage zueinander um 180° ändern. Damit wird im Strömungs verlauf des Kühlmittels ein Strömungsmäander erzwungen. Der Winkel des Durchbruchsektors, von der Längsachse der Hoch stromdurchführung aus gesehen, ist sicher kleiner, um diesen Strömungsmäander zu erzwingen, und wird auch so klein als mög lich gemacht.

Die Mäanderform der Strömung gewinnt ihre maximale Kühlwir kung, wenn die Hochstromzuführung so horizontal oder nahezu horizontal eingebaut wird, dass die Strömung vertikal mäan dert, also der jeweilige Durchbruchsektor, von einem außenste henden Betrachter her gesehen, entweder oben oder unten sitzt.

In den Unteransprüchen 2 bis 3 werden vorteilhafte Ausgestal tungen der zwangsgekühlten Hochstromzuführung beschrieben. Die Anzahl der Kühlronden in einer Kammer des Wärmetauscher um den Leiter der Hochstromzuführung ist maximal so groß, dass der zunächst lose gestapelte Kühlrondensatz der Kammer bei der Herstellung der gut wärmeleitenden Verbindung mit dem zentra len Leiter nicht durch das Eigengewicht gequetscht wird. Die Anzahl wird durch diese Forderung unter Berücksichtigung des rechnerisch ermittelten Kühlleistungsbereichs gewonnen.

Zumindest die Trennwände sind aufgrund ihrer Konstruktion für ein umgebendes Außenrohr einer Isolationsvakuumeinrichtung für die Hochstromzuführung gleichzeitig eine mechanische Abstüt zung, sie ragen radial über die Kühlronden und ein sie umge bendes und abdichtendes Kammerrohr hinaus, d. h. in der Dimen sionierung der Kammerlänge wird auch die Außenrohrlänge mit berücksichtigt, und zwar insofern als das Außenrohr kammerab schnittsartig soviel Eigenstabilität aufbringen muss, dass durch den Umgebungsdruck keine Einbeulung auftreten kann (An sprüche 2 und 3).

An den beiden Enden des Hochstromdurchführung/des Wärmetau schers ist diese Isolationsvakuumeinrichtung dann eine Vakuum anlage angeschlossen, um den vorgegebenen Vakuumzustand auf recht zu erhalten. Die beiden Enden des Wärmetauschers dagegen sind an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen

Der Vorteil der so gebauten Stromzuführung zeigt sich im plan mäßigen, stationären Betrieb. Sie kann von der vertikalen Po sition, warmes Ende oben, kaltes unten, bis in die horizontale Lage, beide Enden auf gleicher Höhe, montiert werden und zeigt bei allen Betriebströmen von null bis maximal vorgesehen steu erbares und stabiles Kühlverhalten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung eines Ausführungsbei spiels zur Kopplung einer supraleitenden Demonstrationsspule näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Fig. 1 bis 2 und zeigt:

Fig. 1 die Hochstromzuführung im Schnitt,

Fig. 2 die Trennwand,

Die im folgenden beschriebene typische Hochstromzuführung ist für den Anschluss und Test einer supraleitenden Toroidalfeld spule gebaut. Sie wurde für 30 kA und 80 kA Maximalstrom kon zipiert. In der Zeichnung wird nur die 30 kA-Version vorge stellt. Wegen der großen Länge der Stromzuführung wird in Fig. 1 nur der kalte (links im Bild) und warme (rechts im Bild) Endbereich dargestellt. Die Struktur des Wärmetauschers wird stellvertretend durch eine vollständige Kammer X hervorgeho ben.

Das zwangsgekühlte Hochstromübergangsstück gemäß Fig. 1 be steht aus dem Zwischenstück 1, dem zentralen Leiter, aus nor malleitendem Material hier Kupfer. Konzentrisch dazu sind die Kühlronden 2 kammerweise entlang des Mantels 3 des Leiters 1 gestapelt und dort verankernd verlötet, dabei sind sie kammer weise um maximal 10 mm zusammengesessen. Die Berührfläche der Kühlronden 2 mit dem Mantel 3 des Leiters 1 ist unmittelbar und für den guten Wärmeübergang hartgelötet.

Dieser Wärmetauscheraufbau ist mit ebenfalls gutem Wärmeüber gang kammerbildend in Innenrohre 6 gehüllt, an dessen beiden freien Stirnseiten einmal der Flansch 9 vom kalten Ende 4 (links in Fig. 1) und an der andern Stirn der Flansch 9 vom warmen Ende 5 (rechts in Fig. 1) anpresst. Über diese hinter einander liegenden Innenrohre 6 mit jeweils einer zentrieren den und nach außen abdichtenden Trennwand 7 (Fig. 2) dazwi schen ist konzentrisch das Außenrohr 8 geschoben, an dessen beiden Stirnseiten die beiden Endflansche 9 unter Bildung des ringzylinderförmigen Hohlraums 10, der im Betrieb als Isola tionsvakuum genutzt wird, anpressen. Die aufeinanderfolgenden Trennwände 7 (Fig. 2) sitzen von ihrem Sektorendurchbruch 11 her gesehen, der hier einfach eine Bohrung von 8 mm Durchmes ser ist, gegeneinander um 180° verdreht, so dass bei Kühlmit telströmung ein Strömungsmäander erzwungen wird. Bei horizon taler Lage der Stromzuführung wird dieselbe so gelegt, dass die Mäanderebene vertikal steht. Dadurch wird das Kühlmittel zwangsweise verwirbelt, und es können keine Kühlmittelschich ten mit Eigentemperatur entstehen. Die Konturenmaße der Trenn wand 7 sind in der Fig. 2 eingetragen.

Durch diesen Aufbau bestehen zwei konzentrische, ringförmige, durchgängige Hohlräume 10, 12, der innere 12 für die Kühlung des zentralen Leiters 1, der äußere 10 als Einrichtung eines Isolationsvakuums für die Hochstromzuführung.

An den beiden stirnseitigen Endflanschen 9 sind die Anschluss stutzen 13 für die Einleitung und Ausleitung des durchzuströ menden Kühlmittels, hier Helium. Ebenso ist an jedem der bei den Flansche der Stutzen 14 zum evakuieren des ringzylindri schen Hohlraums 10 vorhanden, um das Isolationsvakuum einzu richten. Die Klemmfläche am warmen Ende 5 für die Netzzulei tung und am kalten Ende 4 für den Supraleiter wird hier nicht weiter erläutert, da das bekannte, je nach Einsatz eventuell konstruktiv angepaßte, lösbare Verbindungstechniken sind.

Bei der Herstellung des Wärmetauschers wird die Hochstromzu führung aufgestellt, die Kammern 12 von unten nach oben mit Kühlronden 2 geschichtet und dann dieselben mit dem zentralen Leiter 1 verlötet. Beim Verlöten werden die Kühlronden 2 durch ein außen angelegtes Hilfskorsett in Position gehalten, so dass die vorgesehene Kammerlänge sicher eingestellt werden kann.

In der 30 kA-Hochstromzuführung haben beispielsweise die Kühl ronden 2 Perforationen des jeweiligen Durchmessers von 1 mm. Die Kühlronden 2 selbst haben bei einem Außendurchmesser von D_außen = 135,7 mm und einem Innendurchmesser von D_innen = 70 mm eine Kreisringfläche von 10614 mm². Bei herstellungsbedingt gegebener Anzahl von 1 mm Löchern ergibt sich eine freie Fläche für den Durchgang des Helium Kühlgases von 1911 mm². Bei der 30 kA Stromzuführung haben die Trennwände 7 ein Durchtrittsloch 11 für den Kühlmassenstrom aus Helium mit der lichten Weite von D = 8 mm und damit eine Durchtrittsfläche von A = 50 mm². Das Verhältnis der lichten Fläche einer Kühlronde 2 mit der Bohrung 11 in der Trennwand 7 ergibt ein Verhältnis von 1911/50 = 38/1 für die 30-kA- Hochstromzuführung.

Frühere, nicht in Kammern unterteilte Hochstromzuführungen für diese Stromstärke, die horizontal betrieben wurden und nur in stabil betrieben werden konnten, hatten zum Vergleich eine freie Kühlrondenfläche von 2664 mm² (1325 Löcher mit D = 1,6 mm) und eine freie Durchtrittsfläche der Zwischenböden von 3770 mm² und somit ein Verhältnis freie Fläche der Kühlronden zu freie Fläche der Trennwände/Zwischenböden von 0,71/1.

Die 30 kA-Hochstromzuführung ist beim Test insgesamt 50 Stun den störungsfrei in horizontaler Einbaulage störungsfrei mit dem vorausberechneten Helium-Kühlgas-Massenstrom betrieben worden.

Bezugszeichenliste

1

zentraler Leiter, Zwischenstück

2

Kühlronde

3

Mantel

4

kaltes Ende, kalter Endbereich

5

warmes Ende, warmer Endbereich

6

Innenrohr/-e

7

Trennwand

8

Außenrohr

9

Endflansch, Flansch

10

Hohlraum, Vakuumkammer

11

Sektorendurchbruch

12

Hohlraum, Kammer

13

Anschlussstutzen

14

Stutzen

15

Durchbruch

Claims

1. Zwangsgekühlte Hochstromzuführung für den elektrischen An schluss einer supraleitenden Apparatur an eine normallei tende Zuleitung vom/zum Netz, bestehend aus:
einem warmen Endbereich (5) aus elektrisch normal leitendem Material für den netzseitigen, normalleitenden Anschluss,
einem kalten Endbereich (4) aus supraleitendem Material in einer Matrix aus normalleitendem Material für den Anschluss an der supraleitenden Apparatur,
einem den Strom führenden Zwischenstück (1), das vom kalten Ende (4) her einen Übergangsbereich im Leiteraufbau hat, der dem des kalten Endes (4) entspricht, und dann zum warmen Ende (5) hin vollends normalleitend ist, wobei dieses Zwischenstück (1) von einem Wärmetauscher in Form von axial hintereinander geschichteten, gelochten Kühlronden (2) umgeben ist, durch den Kühlmittel geströmt wird,
einer kammerartigen Schichtung der Ronden (2), wobei eine solche Kammer durch eine Trennwand (7) von der anliegenden Kammer getrennt ist und in jeder Trennwand (7) ein Sektor < 180° mit mindestens einem Durchbruch (11) besteht, durch den das Kühlmittel hindurchtreten muss,
einem Abstand zweier axial aufeinanderfolgender Trennwände (7), der höchstens so groß ist, dass die dazwischen liegenden Kühlronden (2) gerade noch eigenstabil gestapelt sind, einer Aufeinanderfolge der Trennwände (7) derart, dass die aufeinanderfolgenden Durchbruchsektoren (11) um 180° zueinander verdreht sitzen.

2. Hochstromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (7) die Kühlronden (2) im Durchmesser soweit überragen, dass sie einerseits die die Kammern (12) umgebenden Innenrohre (6) zentrieren und nach außen hermetisch abdichten und ein das gesamte Zwischenstück (1) umgebendes Außenrohr (8) ebenfalls zentrieren und zur Umgebung hin abstützen sowie für das umgebende Außenrohr (8) einer Isolationsvakuumeinrichtung gleichzeitig eine mechanische Abstützung sind.

3. Hochstromzuführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Trennwand (7) gleich verteilt um den Umfang Durchbrüche (15) im Bereich zwischen Innen- und Außenrohrradius sitzen, die entlang des gesamten Zwischenbereichs der Hochstromzuführung einen durchgängigen, ringförmigen Hohlraum (10) zulassen.