DE1912840A1

DE1912840A1 - Supraleiterkreis

Info

Publication number: DE1912840A1
Application number: DE19691912840
Authority: DE
Inventors: Jean Sole
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-03-15
Filing date: 1969-03-13
Publication date: 1969-10-02
Also published as: FR1564936A; FR1564935A; CH506199A; BE729059A; US3562684A; JPS509479B1; GB1191446A; ES364847A1; LU58171A1

Description

Patentanwälte

Dfpl.-Ing. R. BoGtz u. 410-14.36lP(14.362H) 13.3.1969

Dip!.-ln_Q. Lcrnprocht

München 22, ötoinsdorfetr. 10

Commissariat ä !'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Supraleiterkreis

Die Erfindung bezieht sich, auf einen Supraleiterkreis, von dem insbesondere eine elektrische Energie in Form eines im Kreis fließenden und quer dazu ein Magnetfeld erzeugenden Stromes aufgenommen und ohne merkliche Verluste auf einen äußeren Kreis übertragen werden kann.

Es ist bekannt, daß die Leiterelemente herkömmlicher Supraleiterspulen üblicherweise durch Drähte, Kabel, Bänder usw. aus einem Material gebildet werden, dessen elektrischer Widerstand unter bestimmten Temperatur- und Magnetfeldstärkebedingungen praktisch zu Null wird. Ganz allgemein werden diese Spulen durch Eintauchen in ein Bad aus verflüssigtem Gas und insbesondere aus flüssigem Helium auf die erforderlichen tiefen Temperaturen gebracht, und zwar wird der elektrische Leiter zusammen mit Isolationen und Halterungen insgesamt in die Kühlflüssigkeit eingetaucht.

Diese Art der Kühlung hat mehrere Nachteile, von denen 410-(B 3082-3)-Nö-r (7)

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als wichtigste folgende zu nennen sindι Primär ist die wirksame Kühlung des Leiters quer über seine Gesamtmasse in Anbetracht der relativ hohen Stromdichten auf diese Weise nicht immer möglich, vor allem nicht, wenn sein Querschnitt bzw. seine Stärke beachtlich ist. Weiter kann bei dieser Art der Kühlung keine gute thermische Stabilität des Leiterelementes erreicht und zufällig erfolgende lokale Übergänge des Leitermaterials vom supraleitenden in den normal leitenden Zustand können nicht immer ausgeschlossen werden. Abgesehen davon können die Mengen an verflüssigtem Gas für die angemessene Kühlung einer Wicklung wegen des relativ großen Raumbedarfs der letzteren recht beträchtlich werden.

Um diese Mängel bis zu einem gewissen Grade zu beseitigen, hat man der Form der jeweiligen Wicklungen angepaßte Spezialkryostaten gebaut, mit denen das unerläßliche Volumen des Tauchbades vermindert werden kann. Xn diesem Falle besteht jedoch die Gefahr, daß bei zu geringen Abständen zwischen Kryostatenwandung und Wicklung elektromagnetische Kopplungen auftreten, die Störungen verursachen können. Außerdem entstehen bei einer raschen Abgabe der in der Wicklung "gespeicherten·¹ Energie durch Öffnung des Supraleiterkreises Induktionsströme in den Kryostatenwänden, die eine unerwünschte, weil zu beträchtlichen Kälteverlusten führende Aufheizung verursachen. Weiter können bei geringem Abstand zwischen Wicklung und Kryostatenwandung eventuell Durchschlage auftreten, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Apparatur besteht. In allen Fällen hat das "kalte Volumen", das gleich demjenigen der Wicklung vermehrt um dasjenige des verflüssigten Gases ist, unvermeidbar eine beträchtliche Abstrahlungsflache, was zu merklichen Kälteverlusten führt, die auch durch die Konvektion des verflüssigten Gases im Kryostaten bedingt werden. Ein letzter Nachteil besteht schließlich in der bedeutenden thermischen Trägheit der herkömmlichen Verfahrensweise,

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d. h. der Tauchbadkühlung, da hier nicht nur das Supraleitermaterial, sondern auch die Isolierungen und weiteren dazugehörenden angefügten Organe.oder Elemente gekühlt werden. .

Bei den insbesondere für die Speicherung und Freigabe einer elektrischen Energie verwendeten Supraleiterkreisen müssen die Windungen der Wicklungen bekanntermaßen gegeneinander Isoliert sein. In diesem Fall kann eine Hülle aus einem nicht supraleitenden Metall, das bei tiefer Temperatur einen von Null verschiedenen Widerstand hat und daher in bezug auf den Supraleiter als Isolator wirkt, nicht mehr vorgesehen werden, denn die zwischen den Windungen vorhandene (und diese kurzschließende) Metallhülle würde bei der Freigabe der gespeicherten Energie wegen ihres geringen elektrischen Widerstandes eine sehr große Zeitkonstante bedingen und damit jede rasche Ladungeabgabe verhindern. Der mithin für diese besondere Anwendung unbedingt erforderliche Einsatz eines Materials, das unabhängig von der Temperatur für die Windungen als elektrischer Isolator wirkt, bringt einen zusätzlichen ungünstigen Faktor hinsichtlich der Kühlung des Supraleiters. Die am häufigsten verwendeten Isoliermaterialien wie Kunststoffe, Glas, gewisse Textilfasern oder Harze sind gleichzeitig schlechte Wärmeleiter, die eine wirksame Kühlung des Supraleitermaterials im Bad aus verflüssigtem Gas durch das Isoliermaterial hindurch nicht gestatten.

Ziel der Erfindung ist daher, ein Supraleiterkreis, bei dem die vorstehend genannten Mängel vermieden werden, indem eine wirksame Kühlung des Supraleitermaterials über die gesamte Masse hinweg mit minimalen Kaiteverlusten für das benutzte Kühlmittel ermöglicht wird. Weiter können gemäß der Erfindung sehr hohe Stromdichten im Supraleiterkreis vorgesehen werden, was eine sehr wirksame Isolierung

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zwischen den Windungen der Wicklungen oder Spulen nötig macht, was wiederum eine angemessene Kühlung des Supraleitermaterials gemäß der bekannten Art durch ein Kühlmittelbad, das von außen an die Isolierung herangebracht wird» wegen der Eigenschaften der für eine solche Isolierung geeigneten bekannten Isoliermaterialien verhindert.

Man kennt nun zwar bereits Leiter für den Energietransport unter Ausnutzung der Supraleitereigenschaften, bei denen die Kühlung durch eine interne Kühlmittelzirkulation - beispielsweise von Helium - erreicht wird. Die Anwendung dieser Kühlungsart bei Vorrichtung zur Energiespeicherung, die mit einem in sich geschlossenen Supraleiterkreis arbeiten, ist jedoch nicht ohne weiteres mö'g- ₁ lieh.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem gelöst durch einen Supraleiterkreis, der gekennzeichnet ist durch zumindest eine Wicklung eines aus Supraleitermaterial bestehenden und außen mit einer elektrisch isolierenden Hülle versehenen Leiterelementes in Form eines durchgehend hohlen Rohres, das als Strömungskanal.für ein in unmittelbarer Nähe zum Supraleitermaterial zirkulierendes Kühlmittel dient und durch ein Mittel zur elektrischen Verbindung der Enden des Leiterelementes über ihre von der isolierenden Hülle befreite äußere Oberfläche, während Ein- und Auslaß für das Kühlmittel zum bzw. vom Leiterelement unabhängig voneinander bestehen bleiben.

Bei einem solchen Supraleiterkreis, bei dem die Enden des Leiterelementes durch Berührung ari der von Isoliermaterial befreiten äußeren Oberfläche elektrisch leitend verbunden sind und so auf demselben elektrischen Potential gehalten werden, wird eine vollständige Trennung des elektrischen Kreises vom Kühlkreis trotz der Ausnutzung ein und desselben Elementes erreicht.

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Vorzugsweise sind die Enden des Kreises an einen unabhängigen Kühlmittelgenerator angeschlossen und ferner bevorzugt durch eine elektrische Verbindung vereinigt, die durch zwei aneinandergefügte oder verlötete bzw. verschweißte zylindrische Halbschalen aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit gebildet wird.

In Anbetracht der gewählten Anordnung bzw. Gestaltung kann das Leiterelement aus Supraleitermaterial ohne weite res außen mit einer elektrisch gut isolierenden Hülle ver sehen sein, deren Dicke den besonderen Betriebsbedingungen angepaßt ist und deren Material neben guten elektrischen Isolationseigenschaften bevorzugt auch sehr gute Wärmeisolationseigenschaften aufweist. In diesem Falle schützt nämlich die isolierende Hülle die äußere Oberfläche des¹ Leiterelementes wirksam gegen eventuelle Kälteverluste, indem ein Wärmeaustausch mit der Umgebung praktisch weitgehend unterbunden wird. Das Supraleitermaterial kann daher vollständiger und gleichmäßiger über die gesamte Länge des Leitereiementes gekühlt werden, dessen Wärmekonstanz merklich erhöht ist.

Vorzugsweise wird die Zirkulation des Kühlmittels im Inneren des Leiterelementes durch Zwangsumlauf erreicht, wobei das Kühlmittel von einem mit den Enden des Elementes verbundenen Kälte- bzw. Kühlmittelgenerator herkommt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind unmittelbar erkennbar; Die in direktem Kontakt oder benachbart zu dem zu kühlenden Supraleitermaterial strömende Kühlmittelmenge kann - insbesondere -bei Zwangsumlauf - beträchtlich sein. Die Wirkung wird dabei noch gesteigert, wenn als Kühlmittel flüssiges Helium verwendet wird, bei welchem bei Temperaturen unter etwa 2,2 °K Suprafluidität auftritt. Insbesondere mit Helium von 1,85 °K, bei dem die Dichten des normalen und suprafluiden Anteils gleich sind, können opti-

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male Kühlbedingungen erreicht werden· Weiter kann man auch nicht nur auf den Kühlmitteldurchsatz, sondern auch auf Druck und Temperatur Einfluß nehmen, insbesondere zur Erzielung einer genauen Regelung der Temperatur des Supraleitermaterials. Im übrigen ist es gemäß der Erfindung möglich, die Tieftemperatureinstellung beim Supraleiter momentan zu beschleunigen oder zu verzögern, wie auch einen permanenten Betrieb mit geringer Leistung einzustellen oder die Geschwindigkeit des Wiederanstiegs der Temperatur zu modifizieren. .

Bin weiterer Vorteil besteht darin, daß das Leiterele-. ment aus Supraleitermaterial so unter den bestmöglichen Be dingungen eingesetzt werden kann, da alle Windungen der Wicklung einzeln über ihre gesamte Masse und unabhängig von ihrer Lage innerhalb der Wicklung stets untereinander gleich gekühlt werden. Im übrigen sind die eventuellen Zubehörteile (wie Halterungen, Unterbrecher usw.), die auf die gleiche Temperatur wie der Supraleiter gekühlt werden müssen, weitgehend vermindert, da sich die Kühlung im wesentlichen auf den direkt genutzten Teil des Leiterelementes, d. h. das Supraleitermaterial unter der äußeren Iso- ^ lierhülle beschränkt. Die notwendige Kühlmittelmenge kann außerdem minimal sein, da das zu kühlende Volumen selbst möglichst begrenzt ist} daraus ergibt sich insgesamt eine wesentliche Einsparung an Kühlmittel.

Schließlich können die Leiterelemente oder allgemeiner die damit gebildeten Wicklungen beim erfindungsgemäßen Supraleiterkreis leicht in einem gegebenenfalls evakuierten Gehäuse untergebracht sein, dessen Wände von. den Wicklungen relativ weit entfernt sind, ohne daß dadurch der Kühlmittelverbrauch erhöht ist. Die kalte, vom Wärmeaustausch durch Strahlung betroffene Oberfläche wird nämlicb. unmittelbar durch die mit elektrisch und thermisch isolierendem Ma-

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terial bedeckte Oberfläche der Wicklungen gebildet und nicht durch die sehr viel größere Oberfläche der Gehäusewände.

Vorzugsweise kann man das gleiche Kühlmittel zur Kühlung der zweckmäßig zwischen den Spulen und Wänden zur noch weiteren Verminderung des von außen herkommenden Wärmeflusses angeordneten thermischen Abschirmungen verwenden· Auf alle Fälle werden gemäß der Erfindung die üblicherweise durch die Konvektion des Kühlmittels zwischen den kälteren und wärmeren Teilen der Anordnung bedingten Kälteverluste vollständig vermieden.

Die Leiterelemente aus Supraleitermaterial zur Bildung der jeweiligen Supraleiterkreise können selbstverständlich in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden.

Gemäß einer ersten Variante wird das Element durch ein Rohr aus Supraleitermaterial gebildet, das außen durch eine elektrisch und thermisch isolierend wirkende Hülle abgedeckt ist und dessen Innenseite mit einer zylindrischen Auskleidung bzw. Hülle aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Berührung steht, die einen für die Kühlmittelzirkulation vorgesehenen axialen Kanal umgrenzt. Diese Innenauskleidung verbessert insbesondere die thermische Stabilität des Elementes; das durch den axialen Kanal zirkulierende Kühlmittel ist so ständig mit dem gut leitenden Material in Kontakt, das die Kältemengen gleichmäßig an das Supralei-termaterial weitergibt bzw. verteilt und die Abführung von Wärme im Falle von zufälligen lokalen Übergängen des Supraleiters (in den normal leitenden Zustand) in der metallischen Innenauskleidung erleichtert. Ein weiterer Vorteil rührt bei dieser Ausführungsform im übrigen daher, daß durch die Rohrform des Supraleitermaterials eine gleichmäßige Verteilung in einem Bereich erreicht wird, wo die vom

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durchfließenden Strom erzeugte magnetische Induktion minimal ist und merklich unter derjenigen liegt, die zu beachten wäre, wenn das Material in ^Min sich konzentrierter". Form, wie als Draht oder Kabel vorliegen würde. Andererseits befindet sich die metallische Innenauskleidung durchgehend in einem Bereich, der allein der durch das Supraleiterrohr hindurchtretenden Magnetdurchdringungsinduktion unterworfen ist; bekanntermaßen ist die magnetische Induktion bei dem längs des Supraleiterrohres fließenden Strom nach der Maxwell-Ampere¹ sehen Gleichung im Inneren dieses Rohres theoretisch gleich Null. Eine geringe, Durchdringung genannte magnetische Induktion bleibt jedoch infolge der Induktionswirkung benachbarter Ströme in dünnen Schichten, deren elektrischer Widerstand nicht streng gleich Null ist, bestehen. Diese Durchdringungsinduktion ist selbst sehr schwach und begrenzt ebenso den Magnetwiderstand dieser Auskleidung, die mithin ebenfalls unter optimalen Bedingungen verwendet wird.

Gemäß einer anderen AusführungsVariante wird das Leiterelement durch ein außen mit einem elektrisch und thermisch isolierend wirkenden Material bedecktes Supraleitermaterialrohr gebildet, das einen Kern aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit umschließt, der mit einer Reihe von parallelen Bohrungen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen ist. In diesem Falle erhält man eine vergrößerte Berührungsfläche zwischen dem Kühlmittel und dem guten Wärmeleiter, der selbst wiederum vom supraleitenden Material umgeben wird. Ferner ermöglichen diese Bohrungen veränderliche Strömungen bzw. Strömungsbedingungen und insbesondere eine Strömung in entgegengesetzter Richtung in benachbarten Bohrungen.

Selbstverständlich können die für die Bildung des Supra-■»leiterkreises verwendeten Leiterelemente unabhängig von der

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Ausführungeart nach bekannten Verfahren hergestellt werden, wie insbesondere durch gemeinsames Recken oder Ziehen oder durch" aufeinanderfolgende Abscheidung von Material auf einem rohrförmigen Ausgangselement durch Aufdampfen im Vakuum, Kathodenzerstäubung, Aufspritzen mit einem Plasmabrenner oder auch auf elektrolytischem oder chemischem Vege oder auch durch ein kombiniertes Verfahren·

Die Supraleitermaterialien können durch Legierungen auf der Basis von Niob und Titan, oder Niob und Zirkonium gebildet werden oder durch unter metallische Verbindungen, wie Nb,,Sn oder ganz allgemein durch jedes andere Material mit' brauchbaren Supraleitereigenschaften, das sich für die Herstellung in der gewünschten Form insbesondere nach den angegebenen Verfahren eignet.

Die das Supraleitermaterial nach außen hin umgebende bzw. umschließende elektrisch und thermisch isolierende Hülle kann durch jedes entsprechend bekannte Material gebildet werden, das bei der tiefen Temperatur, oder im Verlaufe fortgesetzter Temperaturwechselbeanspruchung keine Schädigung erfährt und nach irgendeiner Verfahrensweise ähnlich· derjenigen zur Erzeugung der Isolierung herkömmlicher elektrischer Leiter aufgebracht werden kann.

Schließlich ist es selbstverständlich, daß der Querschnitt des rohrförmigen ,Leiterelementes aus Supraleitermaterial sowohl innen als auch außen sowie insgesamt nicht nur kreisförmig, sondern beliebig gestaltet sein kann.

Nachfolgend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand von nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Supraleiterkreis, der

insbesondere der Speicherung und Wiederfreigabe

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einer elektrischen Energie an einen äußeren Kreis über direkte elektrische Verbindungen angepaßt ist;

Fig. 2, 3 und 4 die Ausführung dee außen isolierten Leiterelementes, wie ea insbesondere für die Herstellung des Supraleiterkreises gemäß Fig. 1 verwendet werden kann; * -

Fig. 5 und 6 im vergrößerten Maßstab die elektrische " Verbindung der Enden des Supraleiterkreises ge

mäß Fig. 1 und von zwei beliebigen Leitungsab schnitten und

Fig. 7 ein Prinzipschaltbild für einen anderen Supraleiterkreis, bei dem Zuführung und Abgabe einer elektrischen Energie ohne eine direkte Verbindung mit einem äußeren Kreis erreicht wird.

Fig. 1 zeigt einen Supraleiterkreis mit einer Wicklung oder Spule 10 aus einem Leiter 11 in Form eines mit einer äußeren elektrisch!isolierenden Hülle versehenen Rohres aus Supraleitermaterial, das gegebenenfalls innen mit einer rohrförmigen Auskleidung oder einem Vollkern (mit Bohrungen) aus einem Metall mit guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit versehen ist, dar einen oder mehrere Kanäle für die Zirkulation des Mittels zur Kühlung des Supraleiterrphres umgrenzt.

Wie Fig. 2 zeigt, kann dieser Leiter 11 durch ein Rohr aus einem geeigneten Supraleitermaterial gebildet werden, das innen mit einem zweiten Rohr 2 aus einem Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, wie insbesondere Kupfer ausgekleidet ist. Dieses Rohr 2 umschließt einen axialen Kanal 3 für die Zirkulation des Kühlmittels, wie insbesondere -von fi

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Helium, durch die das Rohr 1 unter seine kritische oder Sprungtemperatur gebracht wird, unterhalb derer Supraleitung auftritt. Der Leiter 11 besitzt im übrigen eine äußere Schicht h aus einem elektrisch und thermisch isolierend wirkenden Material, die das Rohr 1 umgibt und gegenüber der äußeren Atmosphäre abschirmt·

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung ähnelt der in Fig. 2 gezeigten mit den koaxialen Rohren bzw. rohrförmigen Schichten 1, 2 und k. Bei dieser Variante ist jedoch das Supraleiterrohr 1 mit einer Schicht 5 aus einem gut leitenden Material bedeckt, dessen Material mit dem des Rohres 2 identisch sein kann. Diese Schicht 5 dient insbesondere zur Erleichterung eventueller elektrischer Verbindungen zwischen verschiedenen Abschnitten des Leiters durch Schweißen oder Löten oder jedes andere bekannte Verfahren, an Stellen, die nicht mit Xsoliermittel bedeckt sind, wie welter unten in Verbindung mit Fig. 6 noch genauer ausgeführt wird. Selbstverständlich können ebenso andere Ausführungsvarianten vorgesehen werden, die sich unmittelbar aus den vorstehenden Angaben ergeben und bei denen das Leiterelement bzw. der Leiter 11 durch eine Reihe von alternierenden Schichten aus Supraleitermaterial und aus einem Metall mit guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit gebildet wird, wobei das ganee dann von einer äußeren isolierenden Schutzschicht umschlossen wird.

Bei der in Fig. k gezeigten Variante enthält das mit einer isolierenden Hülle h versehene Supraleiterrohr innen einen Vollkern 6 aus einem Metall mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Dieser Kern ist mit einer Reihe von untereinander parallelen Bohrungen 7 für die Zirkulation des Mittels zur Kühlung des Supraleiterrohres versehen. Diese Bohrungen 7 können gegebenenfalls in wechselnder Richtung durchströmt werden.

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Der gemäß irgendeiner der vorstehenden Varianten ausgeführte Leiter 11 ist auf einen isolierenden Spulenkörper

12 aus glasfaserverstärktem Kunstharz aufgewickelt und endet mit seinem einen Ende 13 in einem Teil 14 zur Verbindung mit einem anderen Leiter 15 gleicher Struktur, der mit dem einen Anschluß des Supraleiterunterbrechers i6 verbunden ist. Das Verbindungsteil 14 wird vorzugsweise durch eine metallische Klemmschelle gebildet, die insbesondere aus Kupfer besteht und gegebenenfalls mit Indium auf das Ende

13 des Leiters in einem von Isoliermaterial befreiten Abschnitt aufgelötet oder auch durch einen Beschlag aus rostfreiem Stahl zur Verriegelung der Schelle mechanisch verstärkt ist. An diesem Verbindungsteil 14 ist ein Anschlußdraht oder -kabel angelötet (angebracht vor dem Zusammenbau). Der Supraleiterunterbrecher 16 besitzt eine äußere elektrische Wicklung 18, mit welcher der Unterbrecher in bekannter Weise auf elektrischem Wege geöffnet oder geschlossen werden kann, indem ein Übergang seines supraleitenden Materials in den normal leitenden Zustand oder umgekehrt vom normal leitenden in den supraleitenden Zustand herbeigeführt wird. Dieser Unterbrecher ist wie der Leiter 11 aus einem supraleitenden rohrförmigen Element (oder einer solchen Schicht) hergestellt, in dem das Kühlmittel zirkulieren kann.

Mit dieser Anordnung und bei einem gegebenen Strom, der in der Supraleiterschicht längs von Strombahnen parallel zur Achse des durch die Schicht gebildeten Zylinders fließt, ist die zum Radius der Schicht umgekehrt proportionale Induktion nun viel schwächer als bei einer Konzentrierung der gleichen Materialmenge längs der Achse in Form eines Drahtes oder Kabels. Es ist daher möglich, viel höhere Ströme durch die Supraleiterschicht des Unterbrechers zu leiten, da die kritische Stromdichte um so höher ist, je geringer die magnetische Induktion 1st.

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Die Kühlung des Supraleiters erfolgt an einer Schicht mit großer Oberfläche und geringer Dicke, wodurch die Kühlung Besonders intensiv wird· Weiter bildet das äußere isolierende Rohr bzw. die Hülle dank ihrer thermischen Trägheit ein weiteres wärmestabilisierendes Element. Schließlich werden bei einem Unterbrecher dieses Typs alle Punkte der supraleitenden Schicht gleichzeitig einer magnetischen Induktion von gleichem Wert ausgesetzt, so daß das Material ständig unter den gleichen Bedingungen arbeitet. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, durch Ausbildung des maximalen normalen elektrischen Widerstandes mit einer gleichmäßigen Verteilung des elektrischen Feldes längs der Schicht während des Überganges schnelle einheitliche und vollständige Übergänge beim Unterbrecher herbeizuführen, ohne daß Durchschläge oder Beschädigungen beim Umschalten bei hohen elektrischen Energien zu befürchten sind.

Über seinen zweiten Anschluß ist der Unterbrecher 16 mit einem Leiter 19 von gleicher allgemeiner Struktur wie das Element 11 verbunden, der zusammen mit dem zweiten Ende 21 des Leiters 11 durch ein zweites Verbindungsorgan 20 hindurchgeführt ist_e Dieses Verbindungsorgan oder -mittel 20 wird -vorzugsweise durch zwei (halbzylindrische) Halbschalen 20 a und 20 b aus einem Metall mit sehr geringem elektrischen Widerstand, wie insbesondere Kupfer gebildet, die eventuell durch eine äußere Armierung verstärkt sind. Innerhalb dieser Halbschalen werden die Leiter 19 und 21 mit ihrer an dieser Stelle von der isolierenden Hülle befreiten äußeren Oberfläche eng gegeneinander gepreßt. Weiter ist an der einen Halbschale des Verbindungsorgans ein vor dem Zusammenbau angelöteter Draht oder ein solches Kabel 22 ähnlich dem Draht oder Kabel 17 angebracht, der bzw. das eine elektrische Verbindung des mit dem Leiter 11 gebildeten Kreises mit einem (nicht gezeigten) äußeren Kreis ermöglicht. Die beiden Leiter 19 und 21 sind hinter dem Ver-

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bindungsorgan 20 mit Abschlußstücken 23 und Zk versehen, die eine mechanische Verbindung mit einer autonomen Pumpanlage für die erforderliche Kühlmittelzirkulation gestatten. · .

Das gesamte Verbindungsorgan 20 ist schließlich außen mit einer geeigneten Schicht 20 c (Fig. 5) aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material analog zu demjenigen der äußeren Hülle h des Leiters 11 oder verschieden davon versehen, so daß die Kontinuität der Isolierung gewahrt bleibt, und zwar unter Vermeidung von Kälteverlusten, die auftreten würden, wenn das metallische Verbindungsorgan nicht mit einer solchen isolierenden Schicht versehen wäre·

Im übrigen kann es unabhängig von der gewählten Ausführungsart des Leiters 11 zur Bildung der Spule 10 insbesondere, wenn die Gesamtlänge des Leiters relativ groß ist, notwendig sein, mehrere Zwischenverbindungen im Supraleiterkreis vorzusehen. Dazu können, wie Fig. 6 zeigt, die Enden 25 und 26 zweier benachbarter Supraleiterabschnitte an ihrer Berührungsstelle durch eine Schweiß- oder Lötverbindung insbesondere unter Verwendung von Indium verbunden und dann mit einer gemeinsamen Muffe 28 aus gut leitendem Metall gemäß den bereits erwähnten Anordnungen umgeben werden. Durch die Schweiß- oder Lötverbindung 27 wird die Kontinuität des Kühlkreises sichergestellt_r während die Muffe 28 die Kontinuität des elektrischen Kreises gewährleistet. Elektrisch ist der durch den Laiter 11 und den Unterbrecher 16 gebildete Kreis in sifeh geschlossen. Die Verbindungsorgane bzw» Anschlüsse 14 und 20 bedeuten keine Störung für diesen Kreis, der Über die Laitungen 1? und 22 mit einem äußeren Kreis verbunden werden kann, so daß eine elektrische Energie in Form eines bestimmten Stro« mes auf die Spule 10 aufgegeben oder von dieser visdss* zu-

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rückerhalten werden kann. Das Verfahren dazu ist bekannt und besteht in einem Öffnen oder Schließen des Unterbrechers 16 auf elektrischem Wege durch entsprechende Herbei» führung von Übergängen im Leitungstyp beim Supraleitermaterial des Unterbrechers, während der äußere Kreis im Nebenschluß mit der Spule 1O über die Anschlüsse 14 und 20 und die Leitungen 17 und 22 verbunden ist. Wenn der Unterbrecher 16 geschlossen ist, bedeuten diese Verbindungsorgane aus nicht supraleitendem Metall nur einen geringfügigen Widerstand im Supraleiterkreis.

Bei einer anderen Variante des Supraleiterkreises gemäß der Erfindung, die in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, wird die Aufgabe und Wiederabgabe von elektrischer Energie an der Spule 10 ohne direkte elektrische Verbindungen bzw. Leitungen zwischen dem Supraleiterkreis und den zugeordneten Kreisen für ^wBe- und Entladung" erreicht, wobei insbesondere die in Fig. 1 gezeigten Leitungen 17 und 22 einfach entfallen.

Für diese Art der Energieaufgabe und Wiederabgabe können verschiedene Methoden vorgesehen werden und insbesondere die in der französischen Patentschrift 1 522 300 beschriebene, indem man im Supraleiterkreis einen zweiten vorzugsweise zu dem bereits erwähnten Unterbrecher 16 analogen Supraleiterunterbrecher vorsieht. Von den Anschlüssen dieses Unterbrechers 29 zweigt ein Nebenkreis 30 mit einer Kopplungsspule 31 und einem dritten Unterbrecher 32 ab. Der Kopplungsspule 31 ist eine Sekundärwicklung 33 zur Bildung eines Supraleitertransformators zugeordnet. Unter diesen Bedingungen und mit den in der genannten Patentschrift angegebenen Anordnungen ist es möglich, durch kombiniertes und aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen der Unterbrecher 29 und 32 einen elektrischen Strom in den Supraleiterkreis und insbesondere die Spule 10 zu leiten,

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der im Kreis ohne Energieverlust aufrechterhalten bleibt. Für die spätere Freigabe dieser Energie kann man im übrigen mit der Spule 10 eine äußere Wicklung 3k induktiv koppeln, deren Windungen denjenigen der Supraleiterspule 10 geeignet zugeordnet und vorzugsweise mit dieser zusammengewickelt sind, Dabei kann man insbesondere irgendeine der in der deutschen Patentanmeldung P 15 89 623.8 vom 18. 7. 1967 vorgeschlagenen Konfigurationen anwenden»

In allen diesen Fällen sind die Enden des Supraleiterkreises über ein Verbindungsorgan 20 miteinander verbunden, das nur eine elektrische Verbindung in der bereits angegebenen Weise schafft, während die Enden bezüglich der Zirkulation des Kühlmittels voneinander unabhängig bleiben. Die Länge des Verbindungsorgans 20 soll ausreichend sein, so daß zum einen durch die in Kontakt gebrachten Oberflächen (die beiden Halbschalen und die Leiter 19 und 21 ) kein Strom so hoher Stromdichte fließt, der zu einer lokalen Temperaturerhöhung und damit lokalen Übergängen im Supraleitermaterial führen könnte und damit zum anderen der durch diese Verbindung gebildete elektrische Widerstand so klein ist, daß die Zeitkonstante für die Entladung bzw. Ableitung der in der Spule 10 gespeicherten Energie gegenüber der Zeit, während derer die Energie gespeichert bleiben soll, lang genug ist. Es ist in der Tat zweckmäßig, daß der daraus resultierende Energieverlust durch den Kontaktwiderstand des Verbindungsorgans vernachlässigbar ist; wenn es notwendig ist, können die beiden für die Verbindung der Leiter 19 und 21 sorgenden Halbschalen selbst ebenso wie die anderen Elemente des Kreises mittels alternierenden Schichten aus gut leitendem Metall und Supraleitermaterial gebildet sein, in der Weise, daß der vom Strom im nicht supraleitenden Material zurückgelegte Weg vermindert wird. Darüber hinaus können diese Halbschalen gegebenenfalls mit Indium auf die Leiter 19 und 21 aufge-

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schweißt bzw. aufgelötet sein, wobei diese Schweiß- oder Lötverbindung bei niedrigen Temperaturen ausgeführt werden Rann, daß keine Schädigung der supraleitenden Teile auftritt.

Der durch den Leiter 11, den Unterbrecher 16 und die Verbindungsorgane bzw. Anschlüsse Xk und 20 gebildete Kreis umfaßt dagegen hinsichtlich der Kühlung einen oder mehrere durchgehende Kanäle für die Zirkulation des Kühlmittels, das durch das Anschlußstück 23 in den Kreis eintritt und ihn über das Anschlußstück 2k wieder verläßt.

Unter diesen Bedingungen werden die Enden des Kreises dank dem Verbindungsorgan 20, das die Leiter 19 und 21 über die sich berührenden Oberflächen eng miteinander vereinigt, wobei sie jedoch hinsichtlich der Kühlmittelzirkulation voneinander unabhängig bleiben, dauernd auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten, und zwar unabhängig vom Zustand des Kreises (offen oder geschlossen} vollständig supraleitend oder mit lokalen oder vollständigen Übergängen in den normal leitenden Zustand).

Auf jeden Fall kann das Kühlmittel keinerlei Kurzschlüsse erzeugen, die zu elektrischen Durchschlägen zwischen der Spule 10 und der (nicht gezeigten) äußeren Pumpenanlage für die Zirkulation des Kühlmittels, gegebenenfalls im Zwangsumlauf, Anlaß geben könnten, die über die Anschlußstücke 23 und 2k angeschlossen ist. Im Gegenteil ist es bei der anhand von Fig. 1 als Beispiel beschriebenen Ausführungsart sogar möglich, das Verbindungsorgart 20 über die Leitung 22 mit Masse zu verbinden und dann die Anschlußstücke 23 und 2k ohne Gefahr an eine Kühlmittelanlage der erwähnten Art anzuschließen, was eine störungsfreie Arbeitsweise ermöglicht, unabhängig von den zwischen den Verbindungen 14 und 20 während der Freigabe der in der Spule 10 gespeicherten Energie entwickelten Spannungen.

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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die wenigen beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sie umfaßt vielmehr alle möglichen Varianten, Insbesondere kann die gesamte Anordnung außen mit einer genügend dikken Schicht eines geeigneten Isoliermaterials isoliert sein, wobei dann jegliche Konditionierungshülse weggelassen werden kann und die äußere Oberfläche des Isoliermaterials direkt mit der Umgebungsluft in Kontakt steht. Das Kühlmittel wird von einem autonomen Generator geliefert. Außerdem können andere Varianten in Betracht gezogen werden, insbesondere für die Ausführung der Kreise mit Supraleitertransformator und für die Konstruktion unter dem Namen Flußpumpen bekannte Schaltungen, welche die Einführung von Energie in irgendeine SupraJLeiterspule ermöglichen. Schließlich könnte man auch die von der Isolierhülle befreiten bzw. nicht mit Isoliermittel versehenen Enden des Leiters direkt miteinander verschweißen, wobei dann die Anwendung der beiden weiter oben Ibesehriebenen metallischen Halbschälen überflüssig wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Supraleiterkreis, gekennzeichne t durch zumindest eine Wicklung (to) eines aus Supraleitermaterial bestehenden und außen mit einer elektrisch isolierenden Hülle (4) versehenen Leiterelementes (11) in Form eines durchgehend hohlen Rohres (Ό, ^das als Strömungskanal für ein in unmittelbarer Nähe zum Supraleitermaterial zirkulierendes Kühlmittel dient und durch ein Mittel (wie 20 ) zur elektrischen Verbindung der Enden des Leiterelementes über ihre von der isolierenden Hülle befreite äußere Oberfläche, während Ein- und Auslaß für das Kühlmittel zum bzw« vom Leiterelement unabhängig voneinander bestehen bleiben,

2. Supraleiterkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest einen in Reihe zur· Wicklung (1O) liegenden Supraleiterunterbrecher (i6)» dessen Supraleiterkörper für den Durchtritt von Kühlmittel ebenfalls rohrförmig gestaltet ist.

3. Supraleiterkreis nach Anspruch -I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Leiterelement (it) aus Supraleitermaterial außen mit einer elektrisch und thermisch isolierenden Hülle (4) versehen ist und auf* der Innenseite mit einer direkt angrenzenden zylindrischen Auskleidung (2) aus einem Metall mit erhöhtem Wärmeleitungskoeffizienten, die einen für die Kühlmittelzirkulation vorgesehenen axialen Kanal (3) umschließt.

k. Supraleiterkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterelement (11) aus abwechselnden Schichten aus Supraleitermaterial und aus Metall mit erhöhtem Wärmeleitungskoeffizienten besteht.

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5» Supraleiterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Leiterelement durch ein Rohr (1) aus Supraleitermaterial mit einer äußeren elektrischen und thermischen Isolierung (4) gebildet wird, das einen Kern (6) aus einem Metall mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit umschließt, der eine Reihe von parallelen Bohrungen (7) für den Durchtritt von Kühlmittel aufweist.

6. Supraleiterkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine das Supraleitermaterial des Leiterelementes (ii) umschließende Metallhülle (28), welche die Ausführung mechanischer Verbindungen zwischen aneinandergrenzenden Leiterabschnitten (25» 26) ermöglicht.

7« Supraleiterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ' zeichnet j daß dag Mittel zur elektrischen Verbindung der Enden des Leiterelementes durch zwei Halbschalen (20 a, 20 b) aus einem Metall mit geringem elektrischen Widerstand gebildet wird, die zusammengefügt die Leiterenden gegeneinander pressen.

8. Supraleiterkreis nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Halbschalen (20 a, 20 b) gefoilde te elektrische Verbindung mit einer isolierenden Hülle (20 c") bedeckt ist.

9« Supraleiterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur elektrischen Verbindung durch eine Verschweißung bzw. Verlötung des Supraleitermaterials an den von der isolierenden Hülle befreiten Enden des Leiterelementes gebildet wird.

10. Supraleiterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Leiterelementes mit einem unabhängigen Kühlmittelgensrator verbunden sind

909840/1438