Anordnung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetspulenwicklung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur forcierten Kühlung einer Magnetspulenwicklung mit Kühlmittelanschlußstellen zur Einspeisung und Ausleitung eines Kühlmittels in die bzw. aus derwicklung, 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 an 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 (Einzige Figur).

Beschreibung

[0001] 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 I_c, kritische Feldstärke H und kritische Temperatur T festgelegten Sprungpunkt des supraleitenden Materials vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand verschieden weit entfernt sind.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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 I_c, 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0012] 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.

[0013] 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).

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

Ansprüche

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 I_c, kritische Feldstärke H_c 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).

Zeichnung