EP0013399A1 - Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung - Google Patents

Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung Download PDF

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EP0013399A1
EP0013399A1 EP79105292A EP79105292A EP0013399A1 EP 0013399 A1 EP0013399 A1 EP 0013399A1 EP 79105292 A EP79105292 A EP 79105292A EP 79105292 A EP79105292 A EP 79105292A EP 0013399 A1 EP0013399 A1 EP 0013399A1
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winding
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superconducting
cooling
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    • H01F6/04—Cooling
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/88—Inductor

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for cooling a magnetic coil winding, which by means of a forced flow of a coolant which is fed into the winding at at least one coolant connection point and which has coolant derived again from at least one further coolant connection point, contains conductors made of superconducting material which are subdivided into conductor areas , whose operating points determined by the current density I, field strength H and temperature T differ from the closest jump point of the superconducting material, determined by the critical current density I c , critical field strength H and critical temperature T, of the superconducting material from the superconducting to the normal conducting state are far away.
  • Magnetic windings with superconductors can advantageously be used to generate strong magnetic fields with a large spatial extent.
  • the conductor materials used for this are e.g. Niobium-zirconium or niobium-titanium alloys as well as niobium-tin compounds are possible.
  • Conductors made of these superconductor materials are generally stabilized with normally conductive material, for example embedded in a matrix made of this material. This measure is intended to prevent destruction of the superconductors in the event of an uncontrolled transition of its parts consisting of the superconductor material from the superconducting to the normally conducting state.
  • the amount of liquid coolant required for cooling the winding can be considerably reduced compared to a magnet of approximately the same size with coolant bath cooling will. This is particularly advantageous in the case of a transition of the winding from the superconducting to the normally conducting state, because then only relatively little liquid coolant can evaporate.
  • magnetic windings with waveguides can be oriented anywhere in the room. Changes in position during operation are then also possible.
  • the operating values for the conductors of such a magnetic coil winding differ during undisturbed operation within the winding. This means that the winding has conductor areas whose operating values are more critical with respect to the superconducting properties of the conductor material than the values of neighboring conductor areas.
  • the operating point of such a critical conductor area which is determined by the operating values, is thus closer to the closest jump point, determined by the critical values of the superconducting material of the conductor, from the superconducting to the normally conducting state than the working points of other conductor areas.
  • This jump point is mainly determined by the critical current density I c , the critical field strength H or the critical magnetic induction B and the critical temperature T of the conductor material and lies on a three-dimensional surface in the IHT space, which the combinations of IHT, in which the superconducting state is present, separates from those with only normal conduction (Proc. IEE, IEE Reviews, Vol. 119, No. 8R, Aug. 1972, page 1007).
  • the operating values of this conductor area are closer to the jump point to be assigned than in the adjacent conductor areas if the temperature and current density ratios in the conductor areas compared with one another are at least approximately the same.
  • the invention is thus based on the knowledge that the known arrangements for forced cooling of superconducting magnet windings still support a spread of the normally conductive zone through the coolant.
  • the object of the present invention is therefore to create an arrangement for cooling a superconducting magnet winding in which this risk does not exist.
  • a discharge of the coolant from the winding is to be understood to mean that the coolant is removed in the vicinity of this most critical point of the winding and is not used for any further cooling of conductors in the winding.
  • the coolant can then be fed directly to a coolant supply unit.
  • the position and number of the coolant connection points of the winding are generally specified for design-related reasons.
  • the coolant is advantageously diverted to a coolant connection point provided on the inside of the winding, since in generally there are the conductor areas with the highest magnetic field strength H or magnetic induction B.
  • the coil winding 2 which is only indicated in the figure and is disc-shaped in cross section, has an approximately D-shaped shape.
  • a large number of such coils can be combined to form a toroidal magnet system, as is provided, for example, for Tokamak fusion reactors (cf. for example "Rev. Mod.Phys.”, Vol. 47, No. 1, January 1975, pages 15 to 21 ).
  • the coil is made of a superconducting hollow conductor 3 wound, the superconducting material, for example niobium titanium or Nb 3 Sn, is stabilized with normal conducting material.
  • Corresponding conductors are known, for example, from German Offenlegungsschriften 26 26 914 and 26 02 735.
  • the required electrical and thermal insulation devices of the coil are not shown, and only three turns 5 to 7 of a single winding layer made of the superconducting waveguide 3 are exaggeratedly large.
  • the coil can also be constructed from several such winding layers. It is also protected against irreversible damage in the event of normal conductance.
  • a corresponding non-executed in the figure 'measure is to decouple the field energy into an out-of winding ohmic resistor in which the energy is consumed (see FIG. "Cryogenics", June 1964, pages 153 to 165).
  • a forced flow of a coolant A for example liquid helium, is provided, which for this purpose is pumped through at least one cavity 9 inside the superconducting waveguide 3.
  • the conductors running on the inside 11 are generally exposed to greater magnetic field strengths than the conductors on the outside 12 of the winding. Assuming that the heat input from the outside onto the coil winding 2 and the current density at each point of the coil in the waveguide 3 are approximately the same, they have on the inside of the winding 2 ordered conductors 5 operating values of their superconducting material that come closest to the jump point of the superconducting material determined from the three critical sizes mentioned.
  • a corresponding conductor area is delimited by a dashed line and designated by 14, it being additionally taken into account that this conductor area also includes, in particular, locations 16 and 17 of the magnetic winding, which have a particularly small radius of curvature in the case of the D-shaped shape of the winding .
  • the conductors 5 of the coil 2 are most likely to quench in this region 14. According to the invention it is therefore provided that the coolant flowing through the conductor 5 is led out of the coil winding in this area 14, ie that further cooling of the winding conductors with this coolant is then no longer provided.
  • the conductor 3 has been wound from the inside to the outside around a central, D-shaped winding core 19 and "the coolant A is used to operate the finished coil, as indicated by an arrow 21 is fed into the winding at the outer end 22.
  • the coolant After the coolant has flowed through the waveguide from the outside in, it is, as also indicated by an arrow 23, at an exit point 24 on the straight part of the inside of the coil 2. In this way, it can be prevented that a quench forming in area 14 of the winding is transferred to adjacent areas of the winding by the heating coolant.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur forcierten Kühlung einer Magnetspulenwicklung mit Kühlmittelanschlußstellen zur Einspeisung und Ausleitung eines Kühlmittels in die bzw. aus der Wicklung, deren supraleitende Leiter durch Stromdichte I, Feldstärke H und Temperatur T festgelegte Arbeitspunkte haben, die von dem jeweils nächstliegenden Sprungpunkt des supraleitenden Materials verschieden weit entfernt sind. Bei diesen bekannten Kühlanordnungen wird jedoch eine Ausbreitung einer von einem kritischen Leiterbereich ausgehenden normalleitenden Zone durch das Kühlmittel noch unterstützt, da bisher das Kühlmittel immer an diesem kritischen Leiterbereich in die Wicklung eingespeist wurde. Die Erfindung sieht deshalb vor, daß en der Kühlmittelanschlußstelle (24) mit der geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich (14) der Wicklung (2), dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels (A) aus der Wicklung (2) vorgesehen ist. Die Supraleister können insbesondere als Hohlleiter gestaltet sein. Derartige Kühlanordnungen können insbesondere für supraleitende Großmagnete mit beispielsweise D-förmiger Gestalt vorgesehen werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung einer Magnetspulenwicklung, die mittels einer forcierten Strömung eines an mindestens einer Kühlmittelanschlußstelle in die Wicklung eingespeisten und an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschlußstelle aus der Wicklung wieder abgeleiteten Kühlmittels gekühlte Leiter aus supraleitendem Material enthält, die in Leiterbereiche unterteilt sind, deren durch die Stromdichte I, Feldstärke H und Temperatur T festgelegten Arbeitspunkte von dem in einem I-H-T-Raum jeweils nächstliegenden, durch die kritische Stromdichte Ic, kritische Feldstärke H und kritische Temperatur T festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verschieden weit entfernt sind.
  • Zur Erzeugung starker Magnetfelder mit großer räumlicher Ausdehnung können vorteilhaft Magnetwicklungen mit Supraleitern ververwendet werden. Als Leitermaterialien kommen hierfür z.B. Niob-Zirkon- oder Niob-Titan-Legierungen sowie Niob-ZinnVerbindungen in Frage. Leiter aus diesen Supraleitermaterialien sind im allgemeinen mit normalleitendem Material stabilisiert, beispielsweise in eine Matrix aus diesem Material eingebettet. Mit dieser Maßnahme soll eine Zerstörung der Supraleiter im Falle eines unkontrollierten Übergangs seiner aus dem Supraleitermaterial bestehenden Teile vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verhindert werden.
  • Zur Kühlung von supraleitenden Großmagneten wird vielfach eine sogenannte "forcierte" Kühlung vorgesehen (vgl. CERN-Report 68-17, Nuclear Physics Division, Genf, 13. Mai 1968). Bei dieser Kühltechnik wird ständig ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, durch diskrete Kühlkanäle hindurchgepumpt, die in der Wicklung ausgebildet sind. Als Kühlkanäle können insbesondere entsprechende Hohlräume in den supraleitenden Leitern selbst vorgesehen sein. Solche Leiter werden deshalb allgemein als Hohlleiter bezeichnet. Bei dieser Kühltechnik kann ein zur Kühlung der Wicklung der Magnetspule erforderlicher Heliumbad-Kryostat entfallen und durch eine einfache, die Wicklung umschließende Vakuumkammer ersetzt werden, die lediglich zur thermischen Isolation der Wicklung nach außen dient. Ferner kann bei einer Magnetwicklung mit Hohlleitern oder entsprechenden, zwischen benachbarten Leitern geführten Kühlkanälen die zur Kühlung der Wicklung erforderliche Menge an flüssigem Kühlmittel gegenüber einem etwa gleich großen Magneten mit Kühlmittelbadkühlung erheblich verringert werden. Dies ist insbesondere im Falle eines Übergangs der Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand von Vorteil, weil dann nur verhältnismäßig wenig flüssiges Kühlmittel verdampfen kann. Außerdem können Magnetwicklungen mit Hohlleitern im Gegensatz zu den meisten Wicklungen mit Badkühlung beliebig im Raum orientiert werden. Auch Lageänderungen während des Betriebs sind dann möglich.
  • Die Betriebswerte für die Leiter einer solchen Magnetspulenwicklung sind während eines ungestörten Betriebs innerhalb der Wicklung verschieden. Dies bedeutet, daß die Wicklung Leiterbereiche hat, deren Betriebswerte in Bezug auf die supraleitenden Eigenschaften des Leitermaterials kritischer sind als die Werte benachbarter Leiterbereiche. Der durch die Betriebswerte festgelegte Arbeitspunkt eines solchen kritischen Leiterbereichs liegt somit näher bei dem nächstgelegenen, durch die kritischen Werte des supraleitenden Materials der Leiter festgelegten Sprungpunkt vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand als vergleichsweise die Arbeitspunkte anderer Leiterbereiche. Dieser Sprungpunkt ist hauptsächlich durch die kritische Stromdichte Ic, die kritische Feldstärke H bzw. die kritische magnetische Induktion B und die kritische Temperatur T des Leitermaterials festgelegt und liegt auf einer dreidimensionalen Fläche im I-H-T-Raum, welche die Kombinationen von I-H-T, bei denen der supraleitende Zustand vorhanden ist, von denjenigen trennt, bei denen nur Normalleitung herrscht (Proc. IEE, IEE Reviews, Vol. 119, No. 8R, Aug. 1972, Seite 1007). Befindet sich also beispielsweise ein Leiterbereich in einer Zone besonders hoher magnetischer Feldstärke, die größer als die Feldstärke in benachbarten Leiterbereichen ist, so liegen die Betriebswerte dieses Leiterbereichs näher bei dem zuzuordnenden Sprungpunkt als in den benachbarten Leiterbereichen, falls die Temperatur- und Stromdichteverhältnisse in den miteinander verglichenen Leiterbereichen zumindest annähernd gleich sind.
  • Ein unbeabsichtigter Übergang einer supraleitenden Magnetwicklung in den normalleitenden Zustand, der auch als "Quench" bezeichnet wird, geht vielfach von einem solchen kritischen Leiterbereich der Wicklung aus, der besonders extremen Bedingungen ausgesetzt ist, zum Beispiel besonders hoher magnetischer Feldstärke oder besonders großer Wärmeeinwirkung. Um zu verhindern, daß durch Wärmeleitung sich die normalleitende Zone im Falle eines solchen Quenches verhältnismäßig sch-nell«Uber die ganze Spule ausbreiten kann und somit entsprechend viel Energie aus dem Magneten ausgekoppelt werden muß, ist man im allgemeinen bestrebt, eine besonders gute Kühlung dieser kritischen Bereiche zu erhalten. Dies wurde bisher dadurch zu gewährleisten versucht, daß man zumindest in der Nähe dieser kritischen Bereiche das Kühlmittel in den Magneten einleitete, da es dann noch am kältesten ist und somit die meiste Wärme abführen kann. Wird jedoch die Wicklung an diesem kritischen Leiterbereich normalleitend, z.B. wegen der dort herrschenden besonders hohen Feldstärke, so wird die durch den fließenden elektrischen Strom entstehende erhöhte Temperatur nicht nur aufgrund von Wärmeleitung längs und quer zum Leiter an benachbarte Leiterbereiche weitergegeben, sondern auch durch das aufgeheizte Kühlmittel in diese Leiterbereiche transportiert.
  • Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß die bekannten Anordnungen zur forcierten Kühlung von supraleitenden Magnetwicklungen eine Ausbreitung der normalleitenden Zone durch das Kühlmittel noch unterstützen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetwicklung zu schaffen, bei der diese Gefahr nicht besteht.
  • Diese Aufgabe wird für eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Kühlmittelanschlußstelle mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich der Wicklung, dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im I-H-T-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels aus der Wicklung vorgesehen ist.
  • Unter einer Ausleitung des Kühlmittels aus der Wicklung ist dabei zu verstehen, daß das Kühlmittel in der Nähe dieser kritischsten Stelle der Wicklung entnommen wird und zu keiner weiteren Kühlung von Leitern der Wicklung dient. Beispielsweise kann das Kühlmittel dann direkt einer Kühlmittelversorgungseinheit zugeleitet werden. Die Lage und Anzahl der Kühlmittelanschlußstellen der Wicklung sind dabei im allgemeinen aus konstruktionsbedingten Gründen vorgegeben.
  • Bei dieser Kühlanordnung ist gewährleistet, daß das Kühlmittel zu der Stelle hinströmen muß, die erfahrungsgemäß zuerst vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, und von dieser Stelle aus höchstens nur noch einen verhältnismäßig kleinen Weg durch die Wicklung nimmt, bevor es aus dieser ausgeleitet wird. Auf diese Weise wird eine Weiterleitung der an dieser kritischen Stelle auf das Kühlmittel übertragene Wärme an benachbarte Wicklungsteile weitgehend vermieden. Diese Vorteile dieser Maßnahmen liegen somit darin, daß sich ein Quench infolgedessen wesentlich langsamer oder überhaupt nicht weiter in der Wicklung ausbreitet.
  • Bei einer scheibenförmigen Magnetspulenwicklung mit beispielsweise D-förmiger Gestalt, deren Leiter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen zumindest annähernd gleiche Stromdichte I und etwa gleiche Temperatur T haben, wird vorteilhaft eine Ausleitung des Kühlmittels an einer an der Innenseite der Wicklung vorgesehenen Kühlmittelanschlußstelle vorgenommen, da im allgemeinen dort die Leiterbereiche mit der höchsten Magnetfeldstärke H bzw. magnetischen Induktion B liegen.
  • Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur eine Magnetspulenwicklung mit einer Anordnung zur Kühlung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
  • Die in der Figur nur angedeutete, im Querschnitt scheibenförmige Spulenwicklung 2 hat eine etwa D-förmige Gestalt. Eine Vielzahl solcher Spulen können zu einem toroidalen Magnetsystem vereinigt werden, wie es beispielsweise für Tokamak-Fusionsreaktoren vorgesehen ist (vgl. zum Beispiel "Rev. Mod.Phys.",Vol. 47, Nr. 1, Januar 1975, Seiten 15 bis 21). Die Spule ist aus einem supraleitenden Hohlleiter 3 gewickelt, dessen supraleitendes Material, beispielsweise Niob-Titan oder Nb3Sn, mit normalleitendem Material stabilisiert ist. Entsprechende Leiter sind zum Beispiel aus den deutschen Offenlegungsschriften 26 26 914 und 26 02 735 bekannt. In der Figur ist der Übersichtlichkeit wegen auf eine Darstellung der erforderlichen elektrischen und thermischen Isolationseinrichtungen der Spule verzichtet und sind nur drei Windungen 5 bis 7 einer einzigen Wicklungslage aus dem supraleitenden Hohlleiter 3 übertrieben groß veranschaulicht. Die Spule kann auch aus mehreren solcher Wicklungslagen aufgebaut sein. Sie ist ferner gegen eine irreversible Schädigung im Falle eines Normalleitend-Werdens geschützt. Eine entsprechende, in der Figur nicht ausgeführte'Maßnahme besteht darin, die Feldenergie in einen außerhalb der Wicklung liegenden ohmschen Widerstand auszukoppeln, in dem dann die Energie verbraucht wird (vgl."Cryogenics",Juni 1964, Seiten 153 bis 165).
  • Zur Kühlung der Spulenwicklung 2 ist eine forcierte Strömung eines Kühlmittels A, beispielsweise flüssigen Heliums, vorgesehen, das hierzu durch mindestens einen Hohlraum 9 im Inneren des supraleitenden Hohlleiters 3 gepumpt wird.
  • Im Betriebszustand sind bei solchen Spulenwicklungen im allgemeinen die an der Innenseite 11 verlaufenden Leiter größeren Magnetfeldstärken ausgesetzt als die Leiter auf der Außenseite 12 der Wicklung. Unter der Annahme, daß die Wärmeeinleitung von außen auf die Spulenwicklung 2 und die Stromdichte an jeder Stelle der Spule in dem Hohlleiter 3 annähernd gleich sind, haben die an der Innenseiten der Wicklung 2 angeordneten Leiter 5 Betriebswerte ihres supraleitenden Materials, die dem aus den drei genannten kritischen Größen festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials am nächsten kommen. In der Figur ist ein entsprechender Leiterbereich durch eine gestrichelte Linie begrenzt und mit 14 bezeichnet, wobei zusätzlich berücksichtigt ist, daß dieser Leiterbereich insbesondere auch die Stellen 16 und 17 der Magnetwicklung umfaßt, die bei der D-förmigen Gestalt der Wicklung einen besonders kleinen Krümmungsradius haben. Erfindungsgemäß neigen die Leiter 5 der Spule 2 in diesem Bereich 14 am ehesten zum Quenchen. Gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß in diesem Bereich 14 das durch den Leiter 5 fließende Kühlmittel aus der Spulenwicklung herausgeführt wird, d.h.,daß eine weitere Kühlung von Leitern der Wicklung mit diesem Kühlmittel dann nicht mehr vorgesehen ist. Um eine entsprechende Kühlmittelströmung zu gewährleisten, ist zur Herstellung der Spulenwicklung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Leiter 3 um einen zentralen, D-förmigen Wickelkern 19 von innen nach außen gewickelt worden und " wird zum Betrieb der fertig erstellten Spule das Kühlmittel A, wie durch einen Pfeil 21 dargestellt ist, an dem außenliegenden Ende 22 der Wicklung in diese eingespeist. Nachdem das Kühlmittel den Hohlleiter von außen nach innen durchströmt hat, wird es, wie durch einen Pfeil 23 ebenfalls angedeutet ist, an einer Austrittsstelle 24 am geraden Teil der Innenseite der Spule 2 wieder ausgeleitet. Es läßt sich auf diese Weise verhindern, daß ein sich im Bereich 14 der Wicklung ausbildender Quench durch das sich dabei erwärmende Kühlmittel in benachbarte Bereiche der Wicklung übertragen wird.
  • Im Ausführungsbeispiel nach der Figur wurde angenommen, daß die forcierte Kühlung der Leiter durch Strömungen eines Kühlmittels durch Hohlräume in diesen Leitern erfolgt. Es kann jedoch ebensogut eine entsprechende Strömung auf der Außenseite der Leiter, beispielsweise durch entsprechende Längskanäle an den Leitern oder in Isolationsteilen zwischen benachbarten Leitern, vorgesehen werden.

Claims (4)

1. Anordnung zur Kühlung einer Magnetspulenwicklung. welche mittels einer forcierten Strömung eines an mindestens einer Kühlmitts nschlußstelle in die Wicklung eingespeisten und an mindestens einer weiteren Kühlmittelanschlußstelle aus der-Wicklung wieder abgeleiteten Kühlmittels gekühlte Leiter aus supraleitendem Material enthält, die in Leiterbereiche unterteilt sind, deren durch die Stromdichte I, Feldstärke H und Temperatur T festgelegten Arbeitspunkte von dem in einem I-H-T-Raum jeweils nächstliegenden, durch die kritische Stromdichte Ic, kritische Feldstärke Hc und kritische Temperatur T festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verschieden weit entfernt sind, dadurch gekennzeichnet , daß an der Kühlmittelanschlußstelle (24) mit der vergleichsweise geringsten Entfernung zu dem Leiterbereich (14) der Wicklung (2), dessen Arbeitspunkt einem Sprungpunkt des supraleitenden Materials im I-H-T-Raum vergleichsweise am nächsten liegt, eine Ausleitung des Kühlmittels (A) aus der Wicklung (2) vorgesehen ist.
2. Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einleitung des Kühlmittels (A) an einer Kühlmittelanschlußstelle, die einem Leiterbereich am nächsten liegt, dessen Arbeitspunkt von dem Sprungpunkt des supraleitenden Materials weiter entfernt ist als der Arbeitspunkt jedes der übrigen Leiterbereiche der Wicklung (2).
3. Anordnung zur Kühlung einer scheibenförmigen Magnetspulenwicklung nach Anspruch 1 oder 2, deren Leiter im ungestörten Betriebszustand in allen Leiterbereichen eine zumindest annähernd gleiche Stromdichte I und gleiche Temperatur T haben, gekennzeichnet durch eine Ausleitung des Kühlmittels (A) an einer an der Innenseite (11) der Wicklung (2) vorgesehenen Kühlmittelanschlußstelle (24).
4. Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch supraleitende Hohlleiter (3).
EP79105292A 1979-01-15 1979-12-20 Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung Ceased EP0013399A1 (de)

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