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StromzuführunEg sBtung fü- supraleitende Binrichtun;Jen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Stromzuführungsvorrichtung für supraleitende, mit flüssigem
Helium gekühlte Einrichtungen, insbesondere supraleitende Spulen, denen die elektrische
Energie zum Erzeugen und Aufrechterhalten des supraleitenden Betriebszustandes in
einer hierfür erforderlicnen, begrenzten Zeit über mindestens einen Stromzuführungsleiter
zugeleitet wird, der sich im Gasstrom des verdampSten Heliums befindet.
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Wird in supraleitende Einrichtungen, insbesondere supraleitende Spulen
die in flüssiges Helium bei einer Temperatur von etwa 4 K getaucht sind, elektrische
Energie eingespeist, so gehen diese Einrichtungen bei supraleitenden Bedingungen
von ihre normalleitenden Zustand in den supraleitenden Zustand innerhalb einer verhältnismäßig
kurzen Zeitdauer, bei spielsweise zwischen 10 und 30 Minuten, über. Diese supraleitenden
Bedingungen liegen vor, wenn in einem vorbestimmten Bereich die kritische Temperatur,
der kritische Strom und der kritische magnetische Fluß bzw. die kritische Feldstärke
keinen normalleitenden Zustand der supraleitenden Binrichtungen bewirken.
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Zur Einspeisung hoher elektrischer Energien sind Stromzuführungen
für hohe Ströme erforderlich, die mit den supraleitenden Einrichtungen verbunden
sind. Über diese Stromzuführungen wird jedoch den supraleitenden Einrichtungen Wärme
zugeführt.
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Die entsprechenden Wärmemengen können 50 % und mehr'der ge--samten
in diese Einrichtungen eingeleiteten Wärme betragen.
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Es sind deshalb Maßnahmen zur Kühlung der Stromzuführungen
mittels
Heliumgases bekannt. Die Leiter dieser Stromzuführungen für hohe Ströme sind im
allgemeinen aus Kupfer hergestellt, das bekanntlich einen geringen elektrischen
Widerstand hat. Die während eines Stromdurchganges durch diese Stromzuführungsleiter
erzeugte Joule'suche Wärme ist deshalb verhältnismäßig klein, und es wird somit
über diese Stromzuführungsleiter nur eine entsprechend geringe Wärmemenge in das
zur Kühlung der supraleitenden Einrichtungen erforderliche Helium eingeleitet.
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Wenn die Stromeinleitungszeit klein ist, beispielsweise zwischen 10
und 30 Minuten liegt, und wenn die supraleitende Einrichtung beispielsweise zur
Erzeugung hoher magnetischer Felder in beweglichen Vorrichtungen verwendet wird,
braucht der supraleitenden Einrichtung von außen nicht ständig elektrische Energie
zugeführt zu werden. Sie kann ihren supraleitenden Zustand für längere Zeit beibehalten
und deshalb unabhängig von elektrischen Versorgungseinrichtungen betrieben werden.
Da jedoch die supraleitende Einrichtung mit der Stromzuführung fest verbunden ist,
dringt während der verhältnismäßig langen Betriebsdauer eine verhältnismäßig große
Wärmemenge über die Stromzuführung in die supraleitende Einrichtung ein. Diese eingeleitete
Wärme ist deshalb verhältnismäßig groß, weil Kupfer eine hohe thermische Leitfähigkeit
besitzt.
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Es kann somit bei einer Verwendung von Kupfer für die Leiter einer
Stromzuführung zwar das Entstehen der Joule'schen Wärme begrenzt werden; jedoch
dringen während eines längeren Betriebszeitraumes, in dem die supraleitende Einrichtung
unabhängig betrieben wird, große Wärmemengen aufgrund von Wärmeleitung in die supraleitende
Einrichtung ein.
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Um eine derartige Wärmeeinleitung zu verringern, sind besondere Stromzuführungsvorrichtungen
bekannt, deren Leiter eine große Außenfläche aufweisen, die von vorbeiströmendem
Helium
gas, das im allgemeinen durch Verdampfen des für die supraleitenden
Einrichtungen erforderlichen flüssigen Heliums gewonnen wird, auf Tieftemperatur
gekühlt wird. Jedoch dringt auch bei einer derartigen Vorrichtung Wärme nicht nur
über die Stromzuführungsleiter während der Stromleitung ein, sondern auch wenn kein
Strom fließt. Die erforderliche Verdampfungsrate an flüssigem Helium ist deshalb
beträchtlich.
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Zur Reduzierung dieser Verdampfungsrate ist eine weitere Vorrichtung
bekannt, deren Stromzuführungsleiter nur während der Zeit der Stromzuführung mit
den supraleitenden Einrichtungen verbunden sind, und die von diesen Einrichtungen
wieder getrennt werden können, wenn die Energieeinspeisung beendet ist. Die Wärmeleitung
einer derartigen Vorrichtung ist verhältnismäßig gering. Der Mechanismus zum Verbinden
und Trennen der Stromzuführungsleiter ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und
erfordert einen aufwendigen Fernbedienungsteil.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, -die bekannten Stromzuführungsvorrichtungen
zu-verbessern. Insbesondere soll für die Leiter der Stromzuführungsvorrichtungen
ein Material gewählt werden können, das einen verhältnismäßig geringen elektrischen
Widerstand aufweist und dessen thermische Leitfähigkeit besonders klein ist. Diese
Aufgabe wird für eine Stromzuführungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß zumindest ein Teil des Stromzuführungsleiters aus einem Material mit
geringerer thermischer Leistungsfähigkeit als Kupfer besteht, und daß für den Stromzuführungsleiter
in der Zeit der Einspeisung der elektrischen Energie eine zusätzliche Kühlung vorgesehen
ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bei Verwendung dieser Materialien für zumindest einen Teil des Stromzuführungsleiters
die Verdampfungsmenge an flüssigem Helium der supraleitenden Einrichtung durch ein
zusätzliches Abführen der erzeugten Wärme,
die durch den Joule-Effekt
hervorgerufen wird, stark verringert wird. Darüber hinaus ist während der Betriebszeit,
in der in die supraleitende Einrichtung von außen kein Strom eingespeist wird, die
in das flüssige Helium über die Stromzuführungsvorrichtung eingeleitete Wärmemenge
verhältnismäßig gering.
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Für ein reines Material bleibt das Produkt aus spezifischem elektrischen
Widerstand und Wärmeleitfähigkeit annähernd konstant. Auch bei Legierungen ist ein
ähnliches Verhalten festgestellt worden. Somit hat ein Material mit kleinerer thermischer
Leitfähigkeit als vergleichsweise Kupfer einen entsprechend größeren spezifischen
elektrischen Widerstand.
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Die mit einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes
verbundene Zunahme der Wärmeleitung über die Stromzuführungsvorrichtung gemäß der
Erfindung ist jedoch wesentlich kleiner als die damit verbundene Abnahme der Wärmeleitung
aufgrund der Verkleinerung der thermischen Leitfähigkeit.
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Als Materialien für die StrozzuSührungsleiter der Stromzuführungsvorrichtung
können deshalb vorteilhaft Messing oder rostfreier Stahl verwendet werden.
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Die Stromzuführungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist besonders für
ein Fahrzeug geeignet, das mit einer supraleitenden Einrichtung, insbesondere einer
oder mehreren supraleitenden Spulen, versehen ist und sich in einem Versorgungsstand
befindet, wenn die Stromzuführungsleiter für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne,
die klein im Vergleich zur Fahrzeit des Fahrzeugs ist, Strom führen sollen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromzuführungsvorrichtung gemäß der Erfindung
schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2- zeigt in einem Diagramm die Temperaturverteilung
längs dieser Stromzuführungsvorrichtung nach Fig. 1.
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In Fig. 1 sind in einem Längsschnitt die wesentlichen Teile einer
Stromzuführungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Stromzuführung
ist zur Einspeisung großer elektrischer Energie in supraleitende Einrichtungen geeignet.
Diese supraleitenden Einrichtungen können beispielsweise Magnetspulen sein, die
in einem Fahrzeug angeordnet sind.
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Die Stromzuführungsvorrichtung enthält ein Tieftemperaturgefäß 1,
dessen oberer Teil in der Figur nur angedeutet ist und das beispielsweise aus rostfreiem
Stahl besteht. Dieses Material besitzt nämlich eine geringe thermische Leitfähigkeit
und ist dennoch bei Tieftemperatur nicht spröde. Das Tieftemperaturgefäß ist teilweise
mit flüssigem Helium mit einer Temperatur von etwa 4 K gefüllt. In dem mit 2 bezeichneten
flüssigen Helium befindet sich mindestens eine in der Figur nicht ausgeführte supraleitende
Spule. Diese Spule kann beispielsweise aus einer Vielzahl von dünnen Drähten aus
Niob-Titan, die mit Kupfer überzogen sind, hergestellt sein. Der supraleitenden
Spule wird über einen oder mehrere Stromzuführungsleiter 3, die für hohe Ströme
ausgelegt sind, die elektrische Energie zugeführt. Am oberen Ende des Tieftemperaturgefäßes
1 sind diese Stromzuführungsleiter 3 mit einem elektrischen Anschlußteil 4 verbunden,
an das eine in der Figur nicht dargestellte äußere Stromversorgungseinheit für die
Spule angeschlossen ist. Die Stromzuführungsleiter 3 erstrecken sich vom Innenraum
des Tieftemperaturgefäßes 1 zu dessen Außenraum auf Raumtemperatur. Somit kann vom
Außenraum des Tieftemperaturgefäßes 1 Wärme in dessen Innenraum über diese Stromzuführungsleiter
2 gelangen. Darüber hinaus wird aufgrund des ohmschen Widerstandes der Stromzuführungsleiter
) eine Joule'sche Wärme während der Zeit erzeugt, in der hohe elektrische Ströme
durch diese Stromzuführungsleiter 3 zu der Spule fließen. Es werden somit entsprechende
Wärmemengen in das Tieftemperaturgefäß 1 eingeleitet. Um diese Wärmemengen zu vermindern,
bestehen die Stromzuführungsleiter
3 aus mehreren einzelnen und
parallel zueinander angeordneten Rohren, die an ihren unteren Tieftemperaturenden
11 miteinander verbunden sind. Im ausführungsbeispiel der Figur sind nur zwei Rohre
12 und 13 veranschaulicht; es kann jedoch auch eine größere Zahl von parallelen
Rohren vorgesehen werden. Für die mit 3a bezeichneten Außenflächen dieser Rohre
12 und 13 können zweckmäßig besondere Maßnahmen zur Vergrößerung ihrer Oberflächen
vorgesehen sein. Sie können vorzugsweise struktumert sein, oder es kann ihre Oberflächenrauhigkeit
erhöht sein. Insbesondere können die Außenflächen 3a mit flossenartigen Ansätzen
versehen sein, die als Kühlrippen dienen.
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Am oberen, mit dem elektrischen AnschluEteil 4 verbundenen Ende 14
der Rohre 12 und 13 ist seitlich ein Linlaß b bzw. ein Auslaß c für flüssigen Stickstoff
vorgesehen. Der flüssige Stickstoff kann somit am Einlaß 3b in den Innenraum 15
des Rohres 12 eingeleitet werden, durchströmt dieses bis zu dessen Tieftemperaturende
11, wo er in das Rohr 13 übergeleitet wird. Von dort aus steigt er im Lnnenrau,
16 des Rohres 13 wieder auf und wird an dem Auslaß 3c herausgeleitet.
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Die als Stromzuführungsleiter 2 dienenden Rohre 12 und 13 sind innerhalb
eines ührungszylinders j angeordnet, der an seinem unteren Ende mit einer ringförmigen
Öffnung 17 versehen ist. Durch diese Öffnung 17 kann Heliumgas auf Tieftemperatur,
das durch Verdampfen des flüssigen Heliums 2 tm Tieftemperaturgefäß 1 entsteht,
in den Innenraum des Bührungszylinders 5 gelangen, wo es zwischen dessen Innenwand
und den Außenseiten 3a der Rohre 12 und 13 entlang geführt wird. Das obere Endstück
18 des Führungszylinders 5 ragt etwas aus dem Tieftemperaturgefäß 1 heraus.
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Der Führungszylinder 5 besteht aus einem Kunststoff, beispielsweise
aus einem adiabatischen Epoxydharzmaterial oder aus geschäumtem Polyurethan oder
geschäumtem Polystyrol.
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Das Kunststoffmaterial kann darüber hinaus zweckmäßig noch mit Glasfasern
verstärkt sein. Über das offene obere Endstück 18 des Zylinders 5 ist ein Hohlzylinder
6 gezogen, dessen Mantel aus rostfreiem Stahl besteht und der mit einem scheibenförmigen
Isolationsteil 7 versehen ist, das das obere Ende des Hohizylinders 6 abschließt.
Durch dieses als Halterung für die Stromzuführungsleiter 5 dienende Isolationsteil
7 sind die Rohre 12 und 13 gasdicht hindurchgeführt. Darüber hinaus ist am oberen
Teil des Hohlzylinders 6 ein Auslaß 6 a für das Heliumgas vorgesehen. Das Heliumgas
kann von dort aus über ein in der Figur nicht dargestelltes Sicherheitsventil zum
Außenraum gelangen, wo es zweckmäßig aufgefangen wird. Dieses Sicherheitsventil
ist erforderlich, um den Druck des Heliumgases in dem Tieftemperaturgefäß 1 unterhalb
eines vorbestimmten Wertes zu halten.
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Bei einer derartigen Ausbildung einer Stromzuführungsvorrichtung gelangt
Heliumgas auf Tieftemperatur über eine große Pläche in guten Kontakt mit den als
Stromzuführungsleiter = dienenden Rohren 12 und 13, sobald es durch die vorgesehenen
Zwischenräume strömt. Dabei nimmt das Heliumgas die Wärme auf, die von den Stromzuführungsleitern
erzeugt wird, und führt diese Wärme über das Sicherheitsventil nach außen ab. Auf
diese Weise werden die Stromzuführungsleiter Z durch ein entsprechendes Erwärmen
des Heliumgases gekühlt.
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Die für eine Auferregung der in der Figur nicht ausgeführten supraleitenden
Spulen in dem Tieftemperaturgefäß 1 benötigte Zeit ist im allgemeintn relativ kurz
und liegt beispielsweise zwischen 10 und 30 Minuten. Dient die- Spüle zur Schwebeführung
eines Fahrzeuges, so kann ferner angenommen werden, daß sich das Pahrzeug-während
dieser Zeit der Auferregung
in einem Versorgungsstand befindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich dann vorteilhaft Messing oder rostfreier
Stahl, die eine geringere thermische Leitfähigkeit als vergleichsweise Kupfer haben,
für zumindest einen Teil der Stromzuführungsleiter verwenden, falls eine zusätzliche
Kühlung dieser Teile mit flüssigem Stickstoff während der Auferregungszeit der Spule
vorgesehen wird. Der Versorgungsstand kann deshalb zweckmäßig mit einem Vorratsgefäß
8 mit flüssigem Stickstoff und mit einer Stickstoffdruckflasche 9 versehen sein,
um während der verhältnismäßig kurzen Zeit der Stromeinspeisung den Stickstoff von
dem Gefäß 8 aus über den Stickstoffeinlaß 3b in den Innenraum 15 des Rohres 12 der
Stromzuführungsvorrichtung einzuleiten. Über den Stickstoffauslaß 3c gelangt dann
der Stickstoff wieder an den Außenraum, wo er aufgefangen werden kann. Im Betrieb
der Spule, bei dem ein supraleitender Zustand in der Spule vorherrscht und der Strom
mittels eines Kurzschlußstromschalters in einen geschlossenen Stromkreis fließt,
erfolgt keine Zusatzkühlung mit Stickstoff.
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Während der Stromeinspeisungszeit, in der eine Stickstoffzusatzkühlung
vorgesehen ist, wird die entstehende Wärme sowohl von dem flüssigen Stickstoff aufgenommen,
der im Inneren der Rohre 12 und 13 in Hin- und Rückrichtung fließt und eine Temperatur
von etwa 77 K hat, als auch von dem Helium, das in der vorbeschriebenen Weise die
Rohre 12 und 13 von außen kühlt. Somit kann auch die Joule'sche Wärme ausreichend
abgeführt werden, obwohl für die Stromzuführungsvorrichtung Messing oder rostfreier
Stahl verwendet wird und diese Materialien einen größeren elektrischen Widerstand
haben als vergleichsweise Kupfer. Während des langen Zeitraumes, in dem im Betriebsfall
die supraleitenden Spulen im supraleitenden Zustand betrieben werden, wird den Spulen
praktisch keine Joule'sche Wärme über die Stromzuführungsteile zugeführt. Da bei
derartigen Stromzuführungsvorrich tungen jedoch die Hauptverluste an flüssigem Helium
auf Grund
der thermischen Wärmeeinleitungen auftreten, können die
genannten Materialien verwendet werden.
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Die mit einer Zusatzeinspeisung von flüssigem Stickstoff verbundene
Erhöhung der Betriebskosten der Stromzuführung ist unwesentlich im Vergleich zu
den Vorteilen bei der Verwendung der genannten Materialien mit geringer thermischer
Leitfähigkeit, da flüssiger Stickstoff verhältnismäßig preisgünstig ist und er auch
nur für kurze Zeit benötigt wird, in der über die Stromzuführungsleiter ein Strom
fließt.
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In Fig. 2 ist in einem Diagramm die Temperaturverteilung längs der
Stromzuführungsvorrichtung nach Fig. 1 gezeigt, die sich einstellt, sobald über
die Stromzuführungsvorrichtung ein Strom fließt und die Zusatzkühlung mit flüssigem
Stickstoff eingesetzt hat. Im Diagramm ist auf der Ordinate die Temperatur T in
willkürlichen Einheiten von der Temperatur 4,2K des flüssigem Heliums (LHe) aus
aufgetragen. Die Entfernungen vom Stickstoffeinlaß 3b bzw. -auslaß 3c der Stromzuführungsvorrichtung
in Richtung auf das Bad. mit flüssigem Helium 2 in dem Tieftemperaturgefäß 1 entsprechen
den Abszissenwerten x.
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Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, daß am Stickstoffeinlaß 3b bzw.
-auslaß 3c etwa die Temperatur 77K des flüssigen Stickstoffs (LN2) herrscht. Von
dort nimmt die Temperatur im oberen Teil der Stromzuführung in Richtung auf die
supraleitende Einrichtung zunächst noch bis zu einem Wert T max auf Grund der Joule'schen
Verluste der Stromzuführungsleiter 2 zu, und ist bis zum Tieftemperaturende 11 der
Rohre 12 und 13 wieder auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffes abgesunken.
Zwischen dieser Stelle auf einer Temperatur von etwa 77 K und dem flüssigen Helium
2 auf einer Temperatur von etwa 4 K fällt die Temperatur dann weiter kontinuierlich
ab.
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Eine wesentliche Kühlung der Stromzuführung kann bereits dadurch erhalten
werden, daß für den elektrischen Anschlußteil 4 eine Zusatzkühlung mit Stickstoff
vorgesehen ist.
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Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn eine derartige Zusatzkühlung
im Inneren der Stromzuführungsleiter 3 vorgenommen wird. Bei dieser Kühlung erhält
man die in Fig. 2 dargestellte günstige Temperaturverteilung. Durch zusätzliche
Kühlmaßnahmen kann dann darüber hinaus in bekannter Weise längs des Anschlußteils
4 ein kontinuierliches Temperaturgefälle von der Temperatur des flüssigen Stickstoffs
an dessem dem Stickstoffeinlaß 3b bzw. -auslaß 3c zugewandten Ende bis zu seinem
auf Raumtemperatur befindlichen äußeren Ende eingestellt werden.
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7 Patentansr)rtiche 2 Figuren