DE69302055T2

DE69302055T2 - Metallische Stromzuleitung für Kryogenes System

Info

Publication number: DE69302055T2
Application number: DE69302055T
Authority: DE
Inventors: Christian Cottevieille; Peter Herrmann; Thierry Verhaege
Original assignee: GEC Alsthom Electromecanique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2013-07-21
Also published as: FR2694140B1; GR3020042T3; DK0580498T3; EP0580498A1; EP0580498B1; FR2694140A1; ES2085126T3; ATE136350T1; DE69302055D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine metallische Stromzuführung für ein Kryosystem.
Vor Bekanntwerden der Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur wurden die Systeme mit Supraleitern oder Hyperleitern, die bei sehr niedriger Temperatur (beispielsweise 4,2K, der Temperatur des flüssigen Heliums) betrieben wurden, ausschließlich über metallische Stromzuführungen gespeist, die durch die Dämpfe der verdampfenden Kryoflüssigkeit gekühlt wurden. Die daraus resultierende Kühlleistung ist erheblich und kann wegen der Verknüpfung zwischen der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit eines Metalls nicht unter eine gewisse Grenze abgesenkt werden (Gesetz von Wiedemann Franz).
So verbraucht eine Stromzuführung aus Kupfer (beispielsweise OFHC-Kupfer), die zwischen 4,2K und 300K arbeitet und auf 1000 A optimiert ist, eine Kühlleistung von 1W im flüssigen Helium und verwendet die erzeugten Dämpfe für die Kühlung der Zuführung. Die Kühlleistung und die Leistung für die Verflüssigung dieser Dämpfe beträgt 3 kW elektrisch. Außerdem ist diese Technik raumaufwendig, da sie eine erhebliche Leiterlänge verwendet, um einen wirksamen Wärmeaustausch zwischen den Dämpfen des Kryofluids und diesem Leiter zu erhalten.
Mit dem Bekanntwerden der supraleitenden Keramiken mit hoher kritischer Temperatur (z.B. 93K für YBa&sub2;Cu&sub3;O0,9) ergeben sich zukünftige Anwendungsmöglichkeiten bei einer Zwischentemperatur (Z.B. der Temperatur des flüssigen Stick stoffs von 77K). Diese Anwendungen benötigen Stromzuführungen, die zwischen 77K und 300K arbeiten. Außerdem werden für die derzeitigen Systeme mit tiefer kritischer Temperatur gemischte Stromzuführungen in Betracht gezogen, die einen Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur zwischen der sehr tiefen Temperatur (4,2K) und der Zwischentemperatur (77K) enthalten, in Verbindung mit einer metallischen Stromzuführung zwischen der Zwischentemperatur und Umgebungstemperatur (300K), wie dies in dem Patent FR-A-2 678 420 angegeben ist. Diese metallische Stromzuführung, die die Dämpfe der Kryoflüssigkeit verwendet, besitzt die gleichen Nachteile wie die oben dargelegte Stromzuführung zwischen 4,2K und 300K.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stromzuführung für ein Kryosystem anzugeben, die wesentlich kom pakter und einfacher konstruiert ist als die bekannten Stromzuführungen und doch eine gute Energiebilanz aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine metallische Stromzuführung für ein Kryosystem mit einem Leiter, dessen erstes Ende an ein elektrisches Speisekabel in einem ersten Milieu bei Umgebungstemperatur und dessen zweites Ende an eine Last angeschlossen werden soll, die sich in einem zweiten Milieu bei 77K befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter die Form eines metallischen Stabs aufweist, dessen seitliche Oberfläche thermisch isoliert ist und dessen Stirnseiten mit zwei metallischen Wärmetauschern fest verbunden sind, von denen der eine sich im ersten Milieu und der andere sich im zweiten Milieu befindet.
Vorzugsweise besitzt das Metall dieses Stabs einen spezifischen Widerstand bei 300K zwischen 10&supmin;&sup8; und 10&supmin;&sup6; Ωm.
Vorzugsweise ist der Stab aus Messing oder rostfreiem Stahl, aber er kann auch aus Kupfer oder Bronze sein.
Eine solche Stromzuführung erfordert keine innere Kühlung und wird nur durch Wärmeleitung in Höhe seines im flüssigen Stickstoffliegenden Endes gekühlt.
Dadurch ergibt sich ein um mindestens einen Faktor 10 geringerer Raumaufwand im Vergleich zu Stromzuführungen nach dem Stand der Technik, ohne daß die Kühlleistung wesentlich zunehmen würde.
Eine erfindungsgemäße Stromzuführung hat den Vorteil, daß sie in den verschiedensten Situationen montiert werden kann, und zwar in beliebiger Neigung.
Alle diese Vorteile beruhen auf der Tatsache, daß man nicht mehr die Enthalpie der Kühldämpfe zum Kühlen der Stromzuführungen verwendet.
Wenngleich die Stickstoffverluste bezüglich einer Lösung zunehmen, die die Dämpfe der Kryoflüssigkeit verwendet, bleibt diese Zunahme doch in vernünftigen Proportionen angesichts der erheblichen Vorteile, die durch die Erfindung hinsichtlich des Raumbedarfs erreicht werden.
Außerdem kann eine erfindungsgemäße Stromzuführung im Fall einer elektrischen Speisung mit variablen Strömen größere Überströme als eine bekannte Stromzuführung ertragen.
Bezeichnet man mit L die Länge des Stabs, mit S seinen Querschnitt und mit I den von ihm transportierten Strom zwischen 77K und 300K, dann optimiert man das Verhältnis LI/S. Beispielsweise wählt man erfindungsgemäß
- für Messing einen Stab der Art, daß LI/S zwischen 5 10&sup6; und 10&sup7; A/m liegt,
- für rostfreien Stahl einen solchen Stab, daß LI/S zwischen 5 10&sup4; und 10&sup5; A/m liegt.
Andere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden einzigen Figur hervor.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung soll ein Speisekabel 10, das sich in einem Milieu 11 bei Umgebungstemperatur befindet, mit einer Last 14 verbinden, sie sich in einem Milieu 15 bei der Temperatur 77K befindet (I bildet die Stromstärke). Diese Stromzuführung enthält einen massiven Stab aus Messing 1 mit einem Querschnitt S und einer Länge L. Die seitliche Oberfläche 16 des Stabs ist im Vakuum 3 thermisch isoliert, wobei dieses Vakuum das Sicherheitsvakuum eines Kryostaten sein kann, dessen metallische Wände mit 5, 6 und 7 bezeichnet sind. Man kann aber auch eine beliebige andere Wärmeisolierung in Betracht ziehen, beispielsweise geschäumtes Polystyrol.
Die Stirnseiten 12 und 13 des Stabs 1 sind durch Schweißen oder ein anderes geeignetes Verfahren an Wärmetauscher 2 und 8 mit Rippen angeschlossen. Der Stab und die Wärmetauscher können aus einem gemeinsamen Bauteil bestehen. Der Wärmetauscher 2, der an das Speisekabel 10 angeschlossen ist, liegt auf Umgebungstemperatur, während der Wärmetauscher 8, der an die Last 14 angeschlossen ist, in flüssigen Stickstoff 17 eingetaucht ist.
Die elektrische Isolierung der Struktur in Höhe der Wände 5, 6, 7 wird durch Träger 4 aus Teflon, Epoxydharz, Glas, Keramik oder ähnlichem Material gewährleistet.

BEISPIEL I

Der Stab 1 ist ein Messingzylinder mit einem Durchmesser von 14,3 mm und einer Länge L gleich 0,1 m. Der Strom 1 beträgt 1000 A. Diese Stromzuführung ist für ein Verhältnis LI/S = 7 10&sup5; A/m optimiert und leitet 41,5 W in den flüssigen Stickstoff ab. Da die Stromzuführung nicht durch die Dämpfe gekühlt wird, eignet sie sich besonders gut für Anlagen, die als "Kühlschrank" arbeiten, d.h. in denen eine Kühlmaschine die aufgefangenen Dämpfe bei 77K verflüssigt. In diesem besonderen Fall beträgt die Leistung für die Verflüssigung 415 W elektrisch.
Eine solche Stromzuführung bringt einen Raumgewinn um einen Faktor 10 im Vergleich zu einem Kupferleiter nach dem Stand der Technik, der die Dämpfe der Kryoflüssigkeit zur Kühlung verwendet, während die Kühlkosten nur um einen Faktor von etwa 1,2 multipliziert werden.

BEISPIEL II

In dieser Stromzuführung ist der Stab 1 ein Zylinder aus rostfreiem Stahl, beispielsweise des Typs 304L. Sein Durchmesser beträgt 39,9 mm und seine Länge 0,1 m. Bei einer Optimierung für 1000 A beträgt das Verhältnis LI/S 8 10&sup4; A/m.
Eine Kühlleistung von 59,8 W wird in den flüssigen Stickstoff abgeführt. Daraus ergibt sich eine Verflüssigungsleistung von 598 W elektrisch.
Es ergibt sich wieder ein Raumgewinn um einen Faktor 10 gegenüber einer Stromzuführung nach dem Stand der Technik und eine Erhöhung der Kühlkosten lediglich um einen Faktor 1,7.

BEISPIEL III

Man stellt für die Stromzuführung einen Stab 1 aus rostfreiem Stahl her, der 1000 A leiten kann und eine Länge von 0,05 m sowie einen Durchmesser von 28,2 mm besitzt. Damit ergeben sich die gleichen Kühlkosten wie für die Stromzuführung nach dem Stand der Technik, jedoch ein Gewinn hinsichtlich des Platzbedarfs um den Faktor 20.

Claims

1. Metallische Stromzuführung für ein Kryosystem mit einem Leiter, dessen erstes Ende an ein elektrisches Speisekabel (10) in einem ersten Milieu (11) bei Umgebungstemperatur und dessen zweites Ende an eine Last (14) angeschlossen werden soll, die sich in einem zweiten Milieu (15) bei 77K befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter die Form eines metallischen Stabs (1) aufweist, dessen seitliche Oberfläche thermisch isoliert ist und dessen Stirnseiten (12, 13) mit zwei metallischen Wärmetauschern (2, 8) fest verbunden sind, von denen der eine sich im ersten Milieu und der andere sich im zweiten Milieu befindet.

2. Metallische Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Stabs einen spezifischen elektrischen Widerstand bei 300K zwischen 10&supmin;&sup8; und 10&supmin;&sup6; Ωm aufweist.

3. Metallische Stromzuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Stabs aus Messing, rostfreiem Stahl, Bronze oder Kupfer ausgewählt wird.

4. Metallische Stromzuführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis LI/S optimiert ist, wobei L die Länge des Stabs, S die Querschnittsfläche des Stabs zwischen 300K und 77K und I die Stärke des Stroms bedeutet, die durch den Stab fließen kann.

5. Metallische Stromzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Messingstab das Verhältnis LI/S zwischen 5 10&sup6; und 10&sup7; A/m liegt.

6. Metallische Stromzuführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Stab aus rostfreien Stahl das Verhältnis LI/S zwischen 5 10&sup4; und 10&sup5; A/m liegt.