-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
supraleitenden Schalter.
-
Aus der Zeitschrift IEEE Transactions on Magnetics,
Vol. 27 Nº 2, März 1991, Seiten 2333 bis 2336, ist ein
Zweiweg-Gleichrichter mit einer Primärwicklung und zwei
Sekundärwicklungen bekannt, die parallel angeordnet und in
einander entgegengesetztem Sinn gewickelt sind. Die Sekun
därwicklungen sind an eine supraleitende Spule
angeschlossen, um sie zu laden. Die Sekundärwicklungen bestehen je aus
1610 parallel miteinander verbundenen supraleitenden
Drähten, die in 230 Bändern zu je 7 Drähten zusammengefaßt sind.
-
Die Bänder sind in Zehnergruppen zusammengefaßt, so
daß es 23 parallelgeschaltete Gruppen von 7 10
parallelgeschalteten Drähten gibt, die so einen einzigen Supraleiter
bilden.
-
Für eine der Sekundärwicklungen ist dieser
Supraleiter auf die äußere Oberfläche eines Zylinders spiralförmig
über den 11/23-ten Teil des Umfangs aufgewickelt und für die
andere Sekundärwicklung in umgekehrter Richtung ist der
Leiter über den 12/23-ten Teil des Umfangs auf die innere
Oberfläche des Zylinders aufgewickelt, in dem sich die
Primärwicklung befindet.
-
Jede der Sekundärwicklungen ist mit zwei
Heizelementen über eine geringe Breite von 5 mm des diese Wicklung
bildenden Leiters versehen, und zwar ein Element auf jeder
Seite des Leiters. Ein Heizelement besteht aus einer
Vielzahl von Windungen aus einem Manganindraht.
-
Diese Heizelemente haben die Aufgabe, den Übergang in
den normalleitenden Zustand abwechselnd in den beiden
Supraleitern zu bewirken, die die beiden die zu ladende
supraleitende Spule speisenden Sekundärwicklungen bilden.
-
So ergibt sich beispielsweise ein supraleitender
Schalter. Eine solche Anordnung hat jedoch Nachteile:
-
- Da die Heizelemente um den Supraleiter herum
anzuordnen sind, verkompliziert die Struktur des Schalters.
-
- Da die Heizelemente und der Supraleiter nicht auf
gleichem elektrischem Potential liegen, ist eine gute
elektrische Isolierung zwischen diesen Organen erforderlich.
-
- Die Notwendigkeit einer guten thermischen
Isolierung zwischen dem "Schalter" und dein Helium verlängert die
Erholungszeit und verringert damit im obigen Fall eines
Gleichrichters, über den eine supraleitende Spule geladen
werden soll, die mögliche Betriebsfrequenz des
Gleichrichters. So beträgt in diesem Fall diese Frequenz nur 0,5 Hz.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese
Nachteile zu beheben.
-
Aus der Druckschrift JP-A-62-214 680 ist ein
supraleitender Schalter bekannt, der aus einem Stück Kabel
besteht, das eine zentrale, widerstandsbehaftete Ader und um
diese herum mehrere, gegenüber der zentralen Ader durch
einen elektrischen Isolierstoff getrennte, supraleitende
Adern enthält, wobei das Ganze nach außen hin isoliert ist.
Die zentrale Ader bildet ein Heizelement.
-
Die Lösung des gestellten technischen Problems
besteht erfindungsgemäß in einem supraleitender Schalter,
bestehend aus einem Kabelstück, das eine zentrale,
nichtsupraleitende Ader mit Widerstandseigenschaften sowie um
diese herumgewunden mehrere supraleitende Adern oder
Supraleiter aufweist, die gegenüber der zentralen Ader durch eine
elektrische Isolierung getrennt sind, während das Ganze nach
außen, d.h. gegen das Kühlmittel, durch eine Wärmeisolierung
isoliert ist, wobei an jedem Ende des Kabelstücks die
zentrale Ader elektrisch mit den supraleitenden Adern oder den
Supraleitern verbunden ist und ein Teil der Länge der
zentralen Ader mit Widerstandseigenschaften aus dem Kabel an
einer Stelle entlang des Kabelstücks hervorsteht und an eine
Steuervorrichtung außerhalb des Tiefsttemperaturmilieus
gekoppelt ist, wobei die Steuervorrichtung aus einem Mittel
besteht, um einen elektrischen Strom in den von der
zentralen Ader mit Widerstandseigenschaften und den an den
Enden angeschlossenen supraleitenden Adern oder Supraleitern
gebildeten Schaltkreis einzuspeisen.
-
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Teil
der Länge der zentralen Ader mit Widerstandseigenschaften,
der aus dem Kabel hervorsteht, aufgeschnitten und bildet so
zwei Enden, die an die Steuervorrichtung angeschlossen sind,
welche einen Kondensator in Reihe mit einem
Entladungsschalter enthält, während eine Spannungsquelle an die Klemmen des
Kondensators über einen Ladewiderstand und einen
Ladeschalter angeschlossen ist.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Ladeschaltung
für eine supraleitende Spule mit einer
Wechselspannungsquelle bei Umgebungstemperatur, die an eine
Zweiweg-Gleichrichterschaltung zur Speisung der supraleitenden Spule
angeschlossen ist, wobei die Gleichrichterschaltung und die
Spule in einem Kühlmittel liegen und die
Gleichrichterschaltung einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer
aus zwei Teilen bestehenden Sekundärwicklung enthält, wobei
jeder dieser Teile parallel an die Spule angeschlossen ist
und abwechselnd diese Spule über ein Steuermittel speist,
das während jeder zweiten Halbwelle den Übergang der
Verbindung des betreffenden Teils der Sekundärwicklung mit der
Spule aus dem supraleitenden in den normalleitenden Zustand
bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel einen
supraleitenden Schalter wie oben definiert enthält.
-
Die Figuren 1 bis 3 zeigen im Schnitt drei Beispiele
von Kabeln, die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
supraleitenden Schalters verwendet werden können.
-
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen supraleitenden
Schalter.
-
Figur 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild, das
symbolisch einen erfindungsgemäßen supraleitenden Schalter
in einer supraleitenden Leitung darstellt, und zeigt weiter
eine besondere Steuervorrichtung.
-
Figur 6 ist ein ähnliches elektrisches Schaltbild wie
Figur 5 mit einer anderen Anordnung für die
Steuervorrichtung.
-
Figur 7 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine
Ladeschaltung für eine Spule mit gemäß Figur 5 gesteuerten
supraleitenden Schaltern darstellt.
-
In Figur 1 sieht man im Querschnitt ein Kabel, wie es
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen supraleitenden
Schalters, der in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt ist,
verwendet werden kann.
-
Das dargestellte Kabel enthält sechs supraleitende
Adern 1, die je aus in eine Matrix aus Kupfernickel (CuNi)
eingebetteten Niob-Titan-Drähten (NiTi) gebildet werden.
Diese Adern 1 sind um eine nicht supraleitende, zentrale
Ader 2 mit Widerstandseigenschaft herumgewunden.
-
Die zentrale Ader 2 kann entweder aus CuNi oder aus
CuNi mit Kupferdrähten (Cu) gebildet sein. Sie ist gegen die
sechs supraleitenden Adern 1 durch eine elektrische
Isoherung 3 getrennt. Diese Isolierung 3 ist vorzugsweise ein
guter Wärmeleiter, um die in der zentralen Ader 2 gebildete
Wärme durch Joule-Effekt rasch in die supraleitenden Adern 1
diffundieren zu lassen. Ein diesen Bedingungen gut
entsprechendes Material mit elektrischer Isolierwirkung und guter
thermischer Leitfähigkeit ist Aluminiumnitrid oder ein
beliebiges analoges Material.
-
Das Isoliermaterial 3 besteht beispielsweise aus
einem mit Aluminiumnitrid vermischten Harz. Das ganze Kabel
wird durch eine Wärmeisolierung 4 isoliert. Im Betrieb liegt
der Teil der Länge eines solchen Kabels, der als
supraleitender Schalter verwendet wird, in einem Kühlmittel wie z.B.
flüssigem Helium bei einer Temperatur von 4,2 K. Diese
Wärmeisolierung 4 muß ausreichen, um die Leistung zu
begrenzen, die zur Erwärmung der supraleitenden Adern durch die in
der zentralen Ader 2 freigesetzte Leistung erforderlich ist,
aber sie muß auch möglichst minimiert werden, um die
Wiederherstellung des supraleitenden Zustands (durch Abkühlung
der supraleitenden Adern) in Zeiträumen zu ermöglichen, die
mit dem Betrieb bei hohen Frequenzen wie z.B. 50 Hz
kompatibel sind.
-
Im Fall des Betriebs bei niedrigeren Frequenzen kann
diese Isolierung 4 stärker sein.
-
Figur 2 zeigt ein anderes Beispiel eines zur Bildung
eines supraleitenden Schalters verwendbaren Kabels. Hier
besteht das Kabel aus sechs Supraleitern 5, die um eine
nicht-supraleitende zentrale Ader 2 mit
Widerstandseigenschaften herumgewunden sind und gegenüber dieser durch eine
elektrische Isolierung getrennt sind, wobei das Ganze durch
eine thermische Isolierung 4 isoliert ist. Ein Beispiel
eines Supraleiters wie z.B. 5 findet sich in dem
Patentdokument FR-A-2 674 671.
-
Figur 3 zeigt noch ein anderes Beispiel eines zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen supraleitenden Schalters
verwendbaren Kabels.
-
Das Kabel besteht wie in Figur 2 aus sechs
Supraleitern 6, die um eine zentrale, nicht-supraleitende Ader 2 mit
Widerstandseigenschaften herumgewunden sind und von dieser
durch eine elektrische Isolierung 3 getrennt sind, wobei das
Ganze durch eine Wärmeisolierung 4 isoliert ist.
-
In dieser Figur besitzen die verschiedenen
Komponenten der Supraleiter 6, nämlich die supraleitenden Adern 7
und eine zentrale Ader 8, einen kreisförmigen Querschnitt.
-
Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen supraleitenden
Schalter.
-
Ein solcher Schalter besteht aus einem Stück eines
Kabels 30, wie oben anhand der Figuren 1, 2 oder 3
beschrieben.
-
An jedem Ende 31, 32 des Kabels sind die
supraleitenden Adern 1 (im Fall des Kabels gemäß Figur 1) oder die
Supraleiter 5 oder 6 (im Fall des Kabels der Figuren 2 oder
3) parallel an die zentrale Ader 2 mit
Widerstandseigenschaften angeschlossen.
-
Dieser Anschluß kann beispielsweise durch eine
Verschweißung 10 oder 11 erfolgen.
-
Außerdem ist in einem Punkt der Länge des Kabelstücks
die zentrale Ader 2 mit Widerstandeigenschaften von den
supraleitenden Adern 1 oder den Supraleitern 5 oder 6 gelöst
und tritt aus dem Kabel 30 heraus. Nach dem Durchgang durch
das Kühlmittel bei 4,2 K, in dem sich das Kabel befindet,
ist diese zentrale Ader an eine Steuervorrichtung 12
angeschlossen, die sich bei Umgebungstemperatur von etwa 300 K
befindet. Die Aufgabe dieser Steuervorrichtung ist es, einen
elektrischen Strom in den von der zentralen Ader 2 mit
Widerstandseigenschaften und den dazu parallelgeschalteten
supraleitenden Adern 1 (oder den Supraleitern 5 oder 6)
gebildeten Schaltkreis einzuspeisen.
-
Der Durchgang dieses Stroms durch die zentrale Ader 2
mit Widerstandseigenschaften führt zu einer Erwärmung dieser
Ader durch Joule-Effekt über die gauze Länge des Kabelstücks
30. Die so freigesetzte Wärme diffuiidiert dann in die
supraleitenden Adern 1 (oder die Supralelter 5 oder 6) und bringt
diese in den normalen Leitzustand, wenn die kritische
Temperatur von 10 bis 11 K erreicht ist.
-
Figur 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild mit dem
Schalter aus Figur 4, der in eine Leitung 13 eingefügt ist,
wobei eine konkrete Steuervorrichtung 12 gezeigt ist.
-
Der Schalter wird durch eine Parallelschaltung der
supraleitenden Adern 1 (oder der Supraleiter 5, 6), die
durch einen einzigen Draht dargestellt sind, und die
zentrale Ader 2 mit Widerstandseigenschaften gebildet, die
symbolisch durch einen Draht mit eiiiem Widerstand R
dargestellt ist.
-
Die zentrale Ader 2 ist aufgeschnitten und die Enden
14 und 15 sind an die Steuervorrichtung 12 angeschlossen,
die sich bei Umgebungstemperatur von 300 K befindet. Diese
Vorrichtung enthält einen Kondensator 16 in Reihe mit einem
Entladungsschalter 17. An den Klemmen des Kondensators 16
liegt eine Spannungsquelle 18 in Reihe mit einem
Ladewiderstand 19 und einem Ladeschalter 20.
-
Nun wird der Betrieb dieser Schaltung beschrieben. In
der ersten Betriebsphase wird der Kondensator 16 durch
Schließen des Schalters 20 geladen, während der Schalter 17
offen ist. Der Kondensator wird also über den Ladewiderstand
19 bis auf die Ladespannung der Quelle 18 aufgeladen und
speichert so Energie. Der Schalter 20 wird dann geöffnet und
die Schaltung befindet sich in einer Wartephase. Falls der
Schaltvorgang oder das Schließen des "Schalters" gesteuert
wird, wird der Schalter 17 geschlossen und der Kondensator
16 entlädt sich in den Schaltkreis, der von der zentralen
Ader 2 mit Widerstandseigenschaften und den supraleitenden
Adern 1 (oder den Supraleitern 5 oder 6) gebildet wird. Der
Strom durch die zentrale Ader 2 mit
Widerstandseigenschaften, die als Widerstand R betrachtet werden kann, erzeugt
Wärme durch Joule-Effekt, die in die supraleitenden Adern 1
(oder 5 oder 6) eindringt und deren Übergang in den
normalen, nicht-supraleitenden Zustand hervorruft.
-
Die Schalter 17 und 20 können natürlich gesteuerte
Thyristorschalter oder Transistorschalter sein, die einen
Betrieb der Vorrichtung mit der gewünschten Frequenz
ermöglichen.
-
Der supraleitende Zustand der Adern 1 (oder 5 oder 6)
ergibt sich wieder ganz von selbst durch Abkühlung dieser
Adern in dem Kühlmittel bei 4,2 K, in dem sich der
Schaltkreis befindet, sobald der Entladestrom des Kondensators 17
abgeklungen ist.
-
Figur 6 zeigt eine andere Steuervorrichtung 12, die
über eine geeignete Steuerung 21 der Primärwicklung eines
Transformator 22 einen Spannungsimpuls an den Klemmen der
Sekundärwicklung dieses Transformators 22 erzeugt, die an
die Enden 14 und 15 angeschlossen sind.
-
Schließlich zeigt Figur 7 eine Anwendung der
Schaltvorrichtung auf eine Ladeschaltung für eine supraleitende
Spule 23.
-
Die direkte Ladung einer supraleitenden Spule mit
erheblichen Strömen erzeugt Tiefstternperatur-Wärmeverluste,
die bei sehr hohen Strömen durch die Stromzuführungen große
Werte annehmen können. Die Aufgabe der Stromzuführungen ist
es, den Strom von der Quelle, die bei Umgebungstemperatur
von etwa 300 K liegt, zur supraleitenden Spule zu bringen,
die bei der Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2 K
liegt. Die Verwendung einer Ladeschaltung für die Spule
erlaubt eine deutliche Verringerung dieser Verluste.
-
Diese Spulenladeschaltung enthält eine
Wechselspannungsquelle 24 bei Umgebungstemperatur von etwa 300 K, die
an eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung mit einem
Transformator angeschlossen ist. Die Primärwicklung 25 des
Transformators hat sehr viele Windungen N&sub1;, während die
Sekundärwicklung aus zwei Teilen 26 und 26A besteht, deren Anzahl von
Windungen N2 deutlich geringer als die der Primärwicklung
ist. Jede Sekundärwicklung 26 und 26A ist parallel an die
Spule 23 über ein Steuermittel angeschlossen, das aus einem
Schalter und seiner Steuervorrichtung wie in Figur 5 besteht
und bei jeder zweiten Halbwelle den Übergang der
supraleitenden Adern 1 (oder der Supraleiter 5 und 6) in den
normalleitenden Zustand bewirkt. In der Figur wurden die
Steuermittel auf Seiten der Sekundärwicklung 26A mit dem
zusätzlichen Buchstaben A bezeichnet.
-
Natürlich speist in der einen der beiden Halbwellen
die Wicklung 26 die Spule 23, wobei der entsprechende
"Schalter" geschlossen ist, während der "Schalter" mit dem
Bezugsbuchstaben A offen ist, und während der anderen
Halbwelle speist die Wicklung 26A die Spule 23, da der
entsprechende "Schalter" geschlossen und der Schalter ohne den
Buchstaben A offen ist.
-
Die Schalter 17, 20, 17A und 20A sind gesteuerte
elektronische Schalter, beispielsweise Thyristoren.
-
Da das Verhältnis der Windungszahlen N&sub1;/N&sub2; hoch ist,
ist der Primärstrom in der Wicklung 25 sehr viel kleiner als
der in den Sekundärwicklungen 26 und 26A. Letzterer ist
gleich dem Ladestrom der Spule 23.
-
Da die Stromzuführungen von außen, die das
Tiefstternperaturmilieu bei 4,2 K durchlaufen, wesentlich kleinere
Ströme als den Ladestrorn führen, sind die in diesen
Stromzuführungen gebildeten Verluste deutlich verringert.
-
Bei jeder Halbwelle wird die Spule entweder durch die
Wicklung 26 oder die Wicklung 26A gespeist, und der Strom in
der Spule nimmt um einen bestimmten Wert zu. Bei jeder
Halbwelle wird nämlich eine gewisse Energiemenge von der
Primärquelle zur Spule 23 übertragen.
-
Sobald die Spule 23 geladen ist, wird ein
supraleitender Schalter 27 geschlossen und schließt die beiden Enden
der Spule 23 kurz, die so eine gewisse Energiemenge
speichert.
-
Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht einen Betrieb bei 50 Hz und ist damit besonders
interessant im Fall einer Anwendung auf eine Ladeschaltung
für eine Spule.
-
Hierzu muß ein Schalter, wie er in Figur 5 mit seiner
Steuerung gezeigt ist, eine Öffnungszeit (Übergang der Adern
1 oder der Leiter 5 oder 6 aus dem supraleitenden in den
normalleitenden Zustand) in der Größenordnung von 1 rns
haben, und eine Schließzeit (Wiedergewinnung des
supraleitenden Zustands) von 2 bis 3 ms.
-
Die nachstehende Tabelle zeigt einige Beispiele von
Kabeln des in Figur 1 gezeigten Typs mit einer
Brennlackisolierung der zentralen Ader und folgenden Merkmalen: