DE2748479C2 - Übergangsstück zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Übergangsstück zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter für eine elektrische Maschine mit supraleitenden Wicklungen. Aufgabe eines derartigen Übergangsstücks ist es, die elekrische Verbindung zwische.i einer Stromzuführungsklemme bei Umgebungstemperatur und einem Supraleiter herzustellen, bei der eine möglichst geringe Kühlleistung erforderlich ist, um das Ende des Supraleiters trotz der durch das Ende des Normalleiters angelieferten Wärme auf hinreichend niedriger Temperatur zu halten. Die Kühlleistung ist die elektrische oder mechanische Leistung, die den Kühlorganen wie beispielsweise Heliumverflüssigern zur Verfügung gestellt werden muß, um die supraleitenden Teile auf ihrer Betriebstemperatur zu halten. Nach Durchlaufen der Maschine kann das kryogene Medium vollständig oder teilweise zum Kühlen der Stromzuführungen benutzt werden. Vor allem, wenn dieses kryogene Medium vollständig genutzt wird, unterliegt seine Umlaufmenge den Betriebsbedingungen der Maschine und kann nicht in Abhängigkeit der die Stromzuführungen betreffenden Störungen geändert werden.

Man unterscheidet zwei aufeinanderfolgende Zonen mit einer allmählich anwachsenden Temperatur, nämlich eine kalte Zone, in der der Strom sowohl durch ein supraleitendes Material fließt, als auch bereits normalleitendes Metall, das in gutem elektrischen und thermischen Kontakt mit ersterem steht, wobei die Temperatur hier ausreichend tief ist, um die Supraleitfähigkeit zu gewährleisten, und eine Übergangszone, in der nur noch Normalleitfähigkeit vorliegt und die Temperatur stetig bis zur Umgebungstemperatur anwächst.

Am Übergangsstück besteht ein großes Problem darin, den Querschnitt dvs Normalleiters in der Übergangszone richtig zu wählen. Wenn dieser Querschnitt zu klein ist, wird aufgrund des Joule'schen Effekts eine zu hohe

so Wärme erzeugt, die durch das Kühlmittel abgeleitet werden muß. Ist dieser Querschnitt jedoch zu groß, so wird ein zu großer Wärmeanteil durch den Normalleiter aus der warmen Zone in die kalte Zone übertragen und muß von dort durch das Kühlmittel abgeleitet werden. Um die Summe dieser beiden Wärmemengen möglichst gering zu halten und somit auch die für die Wärmeableitung notwendige Kühlleistung auf einem Minimum zu halten, läßt sich ein optimaler Querschnitt bestimmen, der in etwa proportional zur Länge der Übergangszone ist. Es impfiehlt sich, sich nicht zu weit vom optimalen Verhältnis zwischen dem Querschnitt des Normalleiters und der Länge der Übergangszone zu entfernen. Die Länge des Übergangsstücks kann nicht so klein gewählt werden, wie man es wünschen würde, denn über diesen Längenabschnitt muß die Gesamtwärmemenge auf das Kühlmittel übertragen werden. Um zu vermeiden, daß diese Länge zu groß wird, wurden bei in einen ein flüssiges Kühlmittel enthaltenden Kryostat eingetauchten bekannten Übergangsstücken Kühlrippen verwendet. Das

Problem der Wärmeübertragung zwischen dem Übergangsstück und dem Kühlmittel stellt sich noch schärfer in solchen Fällen, in denen kein flüssiges, sondern nur noch ein gasförmiges Kühlmittel vorliegt, das dann eine geringere Wärmemenge von dem Übergangsstück aufnehmen kann.

Ein anderes Problem entsteht bei der Herstellung eines Übergangsstücks für rotierende Maschinen: Im Rotor derartiger Maschinen entstehen aufgrund der Zentrifugalkraft Druck- und Temperaturunterschiede im Kühlmittel in Abhängigkeit vom Abstand von der Rotorachse. Die Isothermen haben dabei die Tendenz, sich in koaxialen Zylindern anzuordnen, deren Temperatur und Dichte mit zunehmendem Radius vom Rotormittelpunkt aus zunehmen. Jedoch ist es auch unbedingt erforderlich, daß bei einem kurzfristigen Anhalten der supraleitenden Maschine die Kühlung der Stromzuführungen bei einer beliebigen Winkelstellung unter günsti-

gen Bedingungen erfolgt; um die vom warmen Ende zugeführte Wärmemenge abzuleiten. Hierzu müssen die sich aus dem soeben beschriebenen Mechanismus aufgrund Schwerkraft ergebenden Strömungen freier Kon vektion ebenfalls unterdrückt werden. Diese Unterschiede können vor allem dann, wenn das Kühlmittel ein Gas wie Helium ist, erheblich werden. Sie begünstigen die Entstehung von Konvektionsströmen, die die ausreichende Kühlung einzelner Teile der Stromzuführung verhindern. Das Kühlgas kann nämlich dann in bestimmten Bereichen mit einer stark herabgesetzten Geschwindigkeit strömen oder sogar in einer allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung fließen. Hierbei müßte die Stromzuführung radial angeordnet werden, was für den Einbau in eine umlaufende Maschine hinderlich ist.

Aus der CH 4 93 905 ist ein Übergangsstück der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art für nichtrotierende Anordnungen bekannt. Die Stromleitung im Obergangsstück erfolgt über gewellte oder gewendelte iose Leiterbündel, die in einem Rohr verlegt sind und von einem Kühlgas durchströmt werden. Die Bündel sind an beiden Enden aufgefächert und an die Innenwand des hohlen Supraleiters bzw. des hohlen Normalleiters angelötet. Das Kühlgas braucht dabei nicht mit dem Kryokühlmiuel identisch zu sein.

Weiter ist aus der DE-AS 23 32 700 die Anregung zu entnehmen, das flüssige Kryokühlmittel einer elektrodynamischen Maschine selbst durch das Übergangsstück zu leiten und dabei mittels Drosseln so zu entspannen, daß es am Ende des Übergangsstücks im gasförmigen Zustand ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Übergangsstück der aus der CH-PS bekannten Art so zu verbessern, daß sich ein elektrisch und mechanisch stabilerer und kompakterer Aufbau ergibt, wie er für rotierende Maschinen nötig ist. Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch definierte Übergangsstück gelöst.

Merkmale bevorzugter Ausführungsformen dieses Übergangsstücks sind in den Unterar..-.;>rüchen gekennzeichnet.

Anhand der schematischen Fig. 1 bis 4 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fi g. 1 zeigt im Schnitt einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer Kryo-Wicklung, welche erfindungsgemäße Stromzuführungsvorrichtungen aufweist.

F i g. 2 zeigt im vergrößerten Maßstab ein Bestandteil der Maschine gemäß Fig. 1.

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß F i g. 2 entlang der Linie A-A.

F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß F i g. 2 entlang der Linie B-B.

Die Stromzuführung gemäß F i g. 1 dient der Stromversorgung der Erregerwicklung 2 einer Titfsttemperatur-Generatormaschine mit der Achse 5. Diese Erregerwicklung sitzt auf zwei Lagern 3 und umfaßt Wicklungen 4, die aus supraleitenden Mehrdrahtleitern bestehen; die Drähte sind aus Niobium-Zinn NbsSn oder aus Niobium-Titan NbTi und mit einer Kupfermatrize umhüllt. Durch diese Wicklungen 4 fließt ein elektrischer Strom, der durch ortsfeste Leiter 9, über Bürstenkontakte 10 und umlaufende Leiter 12 eingespeist wird und eine Stromstärke von mehreren tausend Ampere erreichen kann. Die Wicklungen 4 werden durch Helium gekühlt, das durch eine axiale Leitung 6 mit einer Temperatur von etwa 4 K und einem Druck von 1 bis 10 Bar geliefert wird. Diesem Kühistrom der Wicklungen wird etwa i g/s Helium entnommen, um damit Rohre S zu kühlen, die den Übergang zwischen dem normalen Leiter 12 und dem supraleitenden Leiter 14 besorgen. Die Strömungsrichtung des Heliums bestimmt die weiter unten angegebenen Richtungen stromaufwärts und stromabwärts, vobei zu verstehen ist, daß die Temperatur in stromabwärts führender Richtung zunimmt.

Das Helium verläßt die Rohre 8 bei einer in etwa bei Umgebungstemperatur liegenden Temperatur und wird getrennt in einer in F i g. 1 nicht dargestellten äußeren Kammer aufgefangen, die die Rotorwelle umgibt und von der Atmosphäre durch Drehdichtungen bekannter Bauart isoliert ist.

Bei den in F i g. 2 dargestellten Bauteilen der Maschine handelt es sich um ein Rohr 8 aus Fig. 1. Es erstreckt sich von einem kalten Ende, bzw. stromaufwärts liegenden Ende 20, an dem der supraleitende Leiter 14 aus F i g. 1 angeschlossen ist, zu einem »warmen« Ende 22. Eine hier nicht dargestellte Leitung, in der das von den Wicklungen 4 kommende Helium fließt, liefert das Kühlmittel weiter an das Rohr 8. Das Rohr ist aus Kupfer, d. h. aus einem Material guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Das kalte Helium gelangt vom kalten Ende 20 her in dieses Rohr, durchfließt dieses Rohr über seine gesamte Länge bis zum warmen Ende 22, an dem es das Rohr mit einer in der Nähe der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur verläßt.

Der supraleitende Leiter wird mit Hilfe von Zinn in einer Nut 24 angelötet, die in der äußeren Seitenfläche des Rohrs 8 eingeschnitten ist und die sich parallel zur Längsrichtung dieses Rohrs 8 über einen Teil von dessen Länge erstreckt, der hier gemischter Bereich genannt wird, da der elektrische Strom hier gleichzeitig vom Rohr 8 und vom in dieser Nut 24 liegenden supraleitenden Leiter transportiert wird. In diesem gemischten Bereich ist die Dicke der Wandung 30 des Rohrs 8 relativ gp-ß, so daß der Durchgang des elektrischen Stroms in Achsrichtung nur eine geringe durch den Joule'schen Effekt bedingte Wärmemenge freisetzt. Diese Anordnung in Kombination mit Platten, die in ihrer Form denen gleich sind, die weiter unten für den normalen Bereich beschrieben werden, sorgt im gemischten Bereich für eine in etwa gleichförmige Temperatur, die vor allem mit dem Betrieb des angeschlossenen Supraleiters vereinbar ist. Die Länge wird außerdem ausreichend groß gewählt, um ohne störendes Freisetzen von Wärme den Stromübergang in Querrichtung durch die Lötstelle und die Wandung des Rohrs 8 bis zu den im supraleitenden Leiter vorhandenen supraleitenden Drähten trotz der Tatsache zu gestatten, daß gewöhnlich in diesem Leiter Wandungen vorhanden sind, die einen meh; oder weniger hohen spezifischen Widerstand aufweisen.

Der restliche Längenabschnitt des Rohrs 8 bildet den »normalen« Bereich der Stromzuführungsvorrichtung bis zum warmen Ende 22, an dem der Anschlußleiter 12 angeschlossen ist.

Die Dicke der Wandung 32 des Rohrs 8 wird in diesem Bereich so gewählt, daß möglichst wenig Wärme an bs dem die Grenze zwischen dem gemischten und normalen Bereich bildenden Niveau 26 zugeführt wird. Diese Wärmezufuhr ergibt sich aus zwei Ursachen: Die eine ist die Wärmeleitung vom warmen Ende 22 bis zum genannten Niveau 26. Die andere ist die Wärmefreisetzung aufgrund des Joule'schen Effekts unter der Wirkung

des elekrischen Stroms. Wenn diese Wanddicke zu gering gewählt wird, wird die sich ims dem |oule'schen Effekt ergebende Wärmemenge zu gruli Wird die Wanddicke zu groß gewählt, so wird die aufgrund von Wärmeleitung vom warmen Rnde 22 kommende Wärmemenge zu groß. Die optimale Dicke hängt bei einer gegebenen Länge für das Rohr 8 von der Kühlleistung und von der elektrischen Stromstärke ab. Vorteilhafterweise ist sie kleiner τ als im gemischten Bereich. Unter dem Gesichtspunkt des Gesamtverbrauchs an Kühlleistung ist es vorteilhaft, die Längen des gemischten und des normalen Bereichs zu vergrößern, jedoch wird man hierbei durch den verfügbaren Raum begrenzt.

Die Kühlung des Rohrs 8 wird durch Platten 28 verbessert, die aus demselben Material bestehen wie das Rohr 8 und die fast den gesamten Innenquerschnitt dieses Rohrs 8 einnehmen; die Platten weisen jeweils eine öffnung

,o 38 auf und besitzen in den beiden Rohrbereichen unterschiedliche Durchmesser gemäß der unterschiedlichen lichten Weite des Rohrs 8. Sie sind senkrecht zur Längsrichtung des Rohrs 8 angeordnet.

Sie schließen zwischen sich eine Reihe von Kammern wie beispielsweise 34 und 36 zu beiden Seiten der Platten 28 ein. Das Helium fließt von Kammer zu Kammer, beispielsweise von einer Kammer 34 zur darauffolgenden stromabwärts liegenden Kammer 36 durch die öffnung 38 in der Platte 28. die die beiden Kammern trennt. Jede Kammer wird von zwei Platten und der Innenwandung des Rohrs 8 begrenzt. Der Abstand zwischen zwei Platten wird ausreichend groß gewählt, damit der Druck innerhalb einer jeden Kammer in etwa gleich ist. wobei jedoch dieser Druck von Kammer zu Kammer beim Durchgang des Heliums durch die öffnung 38 spürbar abnimmt. So werden störende Konvektionsgasströme vermieden. Der Durchmesser der Platten, ihre Anzahl und ihr Abstand voneinander werden so bestimmt, daß sich eine große Kontaktfiache mit dem Helium und eine mittlere tangentiale Heliumströmungsgeschwindigkeit ergibt, die zu einem guten Austauschkoeffizienten und folglich zu einem geringen Temperaturunterschied zwischen dem Helium und den Rohrwandungen führen.

Der Durchmesser der öffnungen 38 in den Platten ist ausreichend klein, um das Vorhandensein von Heliumströmungen in umgekehrter Richtung aufgrund der Wirkung freier Konvektion im Querschnitt jeder öffnung zu vermeiden; daraus ergibt sich eine Abstufung der Heliumtemperatur in den durch die aufeinanderfolgenden Platten begrenzten Kammern.

Die Dicke dieser Platten darf nicht zu groß sein, damit eine große Kontaktfläche mit dem Helium dank einer großen Anzahl von Platten erhalten wird. Die Dicke darf andererseits nicht zu klein sein, da die Wärme durch das Material der Wandung des Rohrs 8 bis in die Nähe des Mittelpunkts jeder Platte transportiert werden muß.

so Die folgenden Abmessungen in Millimetern betreffen eine praktische Ausführungsform:

gemischter Bereich normaler Bereich

y-, Gesamtlänge: 200 bis 500 mm 500 bis 1500 mm

Atißendurchmesserdes Rohrs8: 50 bis 100 mm 50 bis 100 mm

Kir JIl mm

I hie

Die Querschnittsfiäche der Öffnungen 38 wird zwischen 0.5 und 5% der Fläche der Platten 28 gewählt: die ίο Breite der Kammer 34 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten wird zwischen 1 und 10% des Kammerdurchmessers gewählt.

Eine der mit der öffnung 38 versehenen Platten 28 des »normalen« Bereichs ist in Fig.4 sichtbar. Eine der Platten 40 mit einer Öffnung 42 des »gemischten« Bereichs ist in F i g. 3 sichtbar.

Die Öffnungen 38 und 42, die an der Peripherie der Platten vorgesehen sind, werden abwechselnd auf der der -15 Achse 5 des Rotors nahen Seite und auf der entgegengesetzten Seite des Rohrs angeordnet, damit das Helium die Kammern 34 in Durchmesserrichtung des Rotors durchlaufen muß.

Das mit Platten 28 versehene Rohr 8 kann durch Aufeinanderstapeln von Kronen und mit Löchern versehenen Scheiben erhalten werden, wobei der Zusammenhalt durch Elektronenschweißen von der Außenfläche des Rohrs oder durch Löten erreicht wird.
Als Material kann Kupfer oder eine Kupferlegierung gewählt werden.

Da die Vorrichtung eine Stromzufuhr und eine Stromabfuhr sowie Zu- und Ableitungen für Helium aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die beiden beschriebenen Stromzufuhr- bzw. -abfuhrleitungen symmetrisch zu beiden Seiten der Rotationsachse der Maschine angeordnet werden, wie es F i g. I zeigt.

Die erfindungsgemäßen Stromzuleitungen werden vorteilhafterweise außerhalb der Zonen mit stark wechselndem Magnetfeld angeordnet d. h. in der Nähe oder jenseits des Lagers 3. Hierdurch wird das Auftreten von Wärme in diesen Zuleitungen durch Foucault'sche Ströme vermieden.
Der Querschnitt des Rohrs 8 kann rund oder rechteckig sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   !. Übergangsstück zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter für eine elektrische Maschine mit supraleitenden Wicklungen, bei dem ein Kühlgas zuerst den Bereich des Übergangsstücks kühlt, der in der Nähe des Supraleiter-Endes liegt, und dann in den Bereich geleitet wird, in dem der Normalleiter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück als Rohr (8) ausgebildet ist, das aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material besteht und an dessen Außenwandung unter gutem elektrischen und thermischen Kontakt der Supraleiter (14) angelötet ist, und zwar entlang einer MaLiellinie des Rohrs (8) zwischen einem kalten Ende (20) und einem zwischen dem kalten Ende (20) und dem warmen

   ro Ende (22) liegenden Zwischenniveau (26), und daß ein Stapel von zueinander distanzierten Platten (28,40) in

   dem Rohr (8) angeordnet ist und Kühlrippen bildet, wobei die Platten (28, 40) in einer zur Rohrachse senkrechten Ebene angeordnet sind und den gesamten Innenquerschnitt dieses Rohrs (8) einnehmen, so daß sich in diesem Rohr (8) zahlreiche flache, jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Platten (28, 40) liegende Kammern (34,36) ergeben, die mit Nachbarkammern über je eine Öffnung (38,42) derart verbunden sind, daß das Kühlgas vom kalten Ende bis zum warmen Ende durch die hintereinanderliegenden Kammern (34,36) strömt.
2. 2. Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Öffnungen (38,42) kleiner als 5% der Fläche der Platten (28,40} ist, in die sie gebohrt sind.
3. 3. Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (38, 42) benachbarter Platten = >8,40} gegeneinander versetzt sind.
4. 4. Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Kammern (34,36) parallel zur Längsrichtung des Rohrs (8) kleiner als Vi₀ des Innendurchmessers des Rohrs (8) ist.
5. 5. Übergangsstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Wandung (30, 32) des Rohrs (8) im kalten Bereich (30) größer als im entgegengesetzten Bereich (32) ist.
6. 6. Übergangsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es außerhalb der Zonen mit starkem wechselnden Magnetfeld in der Nähe eines Lagers (3^V, angeordnet ist, wobei die Längsachse des Rohrs (8) parallel zur Rotationsachse verläuft.