Dauerstromschalter zum Kurzschliessen mindestens einer supraleitenden Magnetwicklung

Abstract

 Der Dauerstromschalter zum Kurzschließen mindestens einer supraleitenden Magnetwicklung enthält mindestens zwei Kontaktstücke, die jeweils mehrere, parallel untereinander angeordnete und mit einem Trägerelement verbundene, supraleitende, von einem kryogenen Kühlmittel gekühlte Leiterstücke aufweisen, und eine Betätigungsvorrichtung zum Aneinanderfügen der supraleitenden Leiterstücke mit einer vorbestimmten Kontaktkraft. Um Kontaktwiderstände, ' wie sie für supraleitende Großmagnete gefordert werden, zu gewährleisten, sieht die Erfindung vor, daß die supraleitenden Leiterstücke (5, 6) an den einander zugewandten Oberflächen der Kontaktstücke (2, 3) in zumindest weitgehend parallelen Ebenen liegend so angeordnet sind, daß die Leiterstücke (5) des ersten Kontaktstückes (2) die Leiterstücke (6) des weiteren Kontaktstückes (3) kreuzen, und daß ferner die Leiterstücke (5) des ersten Kontaktstückes (2) fest an der Oberfläche des entsprechenden Trägerelementes (4) angebracht sind, während jedes Leiterstück (6) des weiteren Kontaktstückes (3) zumindest über jedem Kreuzungspunkt (7) mit den Leiterstücken (5) des ersten Kontaktstückes (2) mittels einer federnden Abstützungseinrichtung (9) an dem zugehörigen Trägerelement (8) gehalten ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Dauerstromschalter zum Kurzschließen mindestens einer supraleitenden Magnetwicklung mit mindestens zwei Kontaktstücken, die jeweils mehrere, parallel untereinander angeordnete und mit einem Trägerelement verbundene, supraleitende, von einem kryogenen Kühlmittel gekühlte Leiterstücke aufweisen, und mit einer Betätigungsvorrichtung zum Aneinanderfügen der supraleitenden Leiterstücke mit einer vorbestimmten Kontaktkraft. Ein entsprechender Dauerstromschalter ist aus der DE-OS 25 21 328 bekannt.

[0002] Wenn das magnetische Feld einer supraleitenden Magnetwicklung, insbesondere einer Hochfeldmagnetspule, einmal aufgebaut ist, braucht zur Aufrechterhaltung des Feldes der Spule von außen praktisch keine weitere elektrische Energie mehr zugefuhrt zu werden. Dann ist lediglich der Energiebedarf der zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes der Wiaklung benötigten Kälteeinrichtungen noch zu decken. Zur Speicherung der in die Magnetwicklung eingespeisten elektrischen Energie kann man deshalb die Magnetwicklung an ihren Enden mittels eines möglichst widerstandsarmen Dauerstromschalters kurzschließen. Der Strom fließt dann fast ungedämpft in dem so ausgebildeten, kurzgeschlossenen Stromkreis, und die zur Erregung der Magnetwicklung erforderliche Stromversorgung kann somit unterbrochen werden.

[0003] Der bekannte Dauerstromschalter enthält zwei Kontaktstücke, die jeweils ein Trägerelement aus normalleitendem Material als Matrix aufweisen, in der untereinander parallel angeordnete supraleitende Leiterstücke eingebettet sind. Eine zum öffnen und Schließen des Schalters erforderliche mechanische Betätigungsvorrichtung ist so gestaltet, daß jeweils die supraleitenden Leiterstücke der beiden Kontaktstücke sowie ihre normalleitenden Teile aneinandergefügt werden können. Die Kontaktflächen werden dabei indirekt von einem kryogenen Kühlmittel auf der Betriebstemperatur der supraleitenden Leiterstücke gehalten, da sie in einer Vakuumkammer angeordnet sind, um so Verunreinigungen der Oberflächen ausschließen zu können.

[0004] Bei diesem Dauerstromschalter ist die Oberfläche des einen Kontaktstückes gekrümmt gestaltet, während das andere Kontaktstück z.B. eine ebene oder eine konkav geformte Oberfläche aufweisen kann. Um einen geringen Übergangswiderstand zwischen den supraleitenden Leiterstücken der beiden Kontaktstücke zu gewährleisten, ist neben einer exakten Führung der Kontaktstücke auch eine verhältnismäßig hohe Kontaktkraft erforderlich. Dennoch kann dabei nicht gewährleistet werden, daß alle entsprechenden supraleitenden Leiterstücke der beiden Kontaktstücke mit etwa gleicher Kontaktkraft aneinandergefügt werden und somit annähernd gleiche Übergangswiderstände hervorrufen. Vielmehr ist davon auszugehen, daß einzelne supraleitende Leiterstücke nur mit verhältnismäßig geringer Kontaktkraft aneinanderliegen und somit zu entsprechend hohen Übergangswiderständen führen. Bei dem bekannten Dauerstromschalter lassen sich somit reproduzierbare Widerstände in der Größenordnung von 10^-9 Ω oder noch weniger nicht ohne weiteres gewährleisten. Derartige Widerstände werden insbesondere für supraleitende Großmagnete, wie sie z.B. für Einrichtungen zur Kernfusion oder zur Kernspintomographie vorzusehen sind, gefordert.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den bekannten Daueratromachalter dahingehend zu verbessern, daß mit ihm auf einfache Weise Kontaktwiderstände in der genannten Größenordnung zu erhalten sind.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß die supraleitenden Leiterstücke an den einander zugewandten Oberflächen der Kontaktstücke in zumindest weitgehend parallelen Ebenen liegend so angeordnet sind, daß die Leiterstücke des ersten Kontaktstückes die Leiterstücke des weiteren Kontaktstückes kreuzen, und daß ferner die Leiterstücke des ersten Kontaktstückes fest an der Oberfläche des entsprechenden Trägerelementes angebracht sind, während jedes Leiterstück des weiteren Kontaktstückes zumindest über jedem Kreuzungspunkt mit den Leiterstücken des ersten Kontaktstückes mittels einer federnden Abstützungseinrichtung an dem. zugehörigen Trägerelement gehalten ist.

[0007] Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Dauerstromschalters wird aufgrund einer Vielzahl definierter, kleiner Kontaktflächen mit jeweils annähernd gleicher Flächenpressung vorteilhaft erreicht, daß mit verhältnismäBig geringer Gesamtkraft die für gute Kontakte notwendige Flächenpressung ohne weiteres aufzubringen ist. Dabei hat die Parallelschaltung vieler Kontaktpunkte einerseits einen günstigen Einfluß auf den Gesamtwiderstand des Schalters, andererseits kann ohne weiteres eine Anpassung an die geforderte Stromtragfähigkeit des gesamten Leiters durch eine entsprechende Anzahl der Kontaktpunkte vorgenommen werden.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen des Dauerstromachalters nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

[0009] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 und 2 jeweils ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dauerstromschalters schematisch veranschaulicht sind.

[0010] Der in Figur 1 in einem Querschnitt angedeutete Dauerstromschalter enthält zwei Kontaktatücke 2 und z, die mittels einer in der Figur nicht näher ausgeführten Betätigungsvorrichtung relativ zueinander beweglich bzw. aneinanderzufügen sind. Beispielsweise ist das erste Kontaktstück 2 ortsfest angeordnet, während das weitere, beweglich gestaltete Kontaktstück 3 mittels der Betätigungsvorrichtung mit einer durch einen Pfeil dargestellten Betätigungskraft F gegen das ortsfeste Kontaktstück 2 gepreßt werden kann.

[0011] Die beiden Kontaktstücke 2 und 3 sind jeweils mit den Enden der Leiter mindestens einer in der Figur nicht dargestellten supraleitenden Magnetwicklung elektrisch leitend verbunden oder stellen unmittelbar die Leiterenden dieser Wicklung dar. Bei den Magnetwicklungen kann es sich beispielsweise um die wicklungen eines Magnetsystems zur Erzeugung des magnetischen Grundfeldes einer Anlage zur KernspinTomographie oder um die Wicklung eines Magneten einer Kernfusionsanlage handeln.

[0012] Das beispielsweise ortsfeste Kontaktatück 2 enthält eine ebene Kontaktplatt 4, auf deren dem beweglichen Kontaktatück 3 zugewandten Oberfläche eines Vielzahl von untereinander parallel ausgerichteten, supraleitenden Leiterstücken 5 mechanisch fest angeordnet sind. Beispielsweise sind mindestens fünf supraleitende Leiterstücke 5 auf der für sie als Trägerelement dienenden Kontaktplatte 4 aufgelötet. Die Kontaktplatte 4 besteht vorteilhaft aus einem elektrisch gut leitenden, bei der Betriebstemperatur der supraleitenden Leiterstücke 5 normalleitenden Material wie z.B. aus Kupfer oder Aluminium. Bei den supraleitenden Leiterstücken, die z.B. runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, kann es sich insbesondere um sogenannte Hochstromsupraleiter handeln. Diese Leiterstücke können sowohl unstabilisiert wie auch mit normalleitendem Material stabilisiert sein, wobei vorzugsweise aupraleitende Leiterteile dieser Leiterstücke zumindest an der dem beweglichen Kontaktstück 3 zugewandten Oberflächenseite zu liegen kommen.

[0013] Auch das bewegliche Kontaktstück 3 enthält in entsprechender Weise eine Vielzahl von einzelnen, untereinander parallel ausgerichteten supraleitenden Leiterstücken 6. Diese Leiterstücke sind bezüglich der Leiterstücke 5 des ortsfesten Kontaktstückes 2 quer verlaufend angeordnet, so daß sich beim Aneinanderfügen der Leiterstücke 5 und 6 der beiden Kontaktstücke 2 und 3 eine Vielzahl von Kreuzunga- bzw. Kontaktpunkten 7 ergeben. Gemäß der Erfindung sollen dabei die Leiterstücke 6 an einer beweglichen, mit der Betätigungsvorrichtung verbundenen Kontaktplatte 8 nicht entsprechend den Leiterstücken 5 starr befestigt sein; vielmehr ist eine federnde Abstützung der Leiterstücke 6 gegenüber ihrer als Trägerelement dienenden Kontaktplatte 8 vorgesehen. Hierzu ist jedes Leiterstück 6 in den Bereichen seiner Kreuzungspunkte 7 mit jedem Leiterstück 5 des ortsfesten Kontaktstückes 2 über eine entsprechende Abstützungseinrichtung 9, die zugleich zur Führung und Halterung der Leiterstücke 6 dient, an der beweglichen Kontaktplatte 8 befestigt. Diese Vorrichtung 9 enthält eine durch eine entsprechende Bohrung 10 in der Kontaktplatte 8 hindurchragende Führungsstange 11, die an ihrem einen Ende an dem entsprechenden Supraleiterstück 6 über ein beispielsweise scheibenförmiges Verbindungselement 12 befestigt ist und die durch einen Anschlag 13 an ihrem gegenüberliegenden Ende gegen ein Herausrutschen aus der Bohrung 10 gesichert ist. Zwischen der Kontaktplatte 8 und dem an dem jeweiligen Supraleiterstück 6 befestigten Verbindungselement 12 ist eine die jeweilige Führungsstange 11 umschließende Feder 14 mit vorbestimmter Federkraft eingespannt.

[0014] Fügt man nun bei einem Schließen des Dauerstronschalters nach der Erfindung die Kontaktstücke 2 und 3 mit der vorbestimmten Betätigungskraft F aneinander, so wird an den einzelnen Kreuzungspunkten 7 jedes der Supraleiterstücke 5 mit den Supraleiterstücken 6 jeweils eine vorbestimmte Kontaktkraft K erzeugt, die aufgrund der von den einzelnen Federn 14 hervorgerufenen Druckkräfte für jeden Kontaktpunkt 7 zwischen den Supraleiterstücken 5 und 6 zumindest weitgehend gleich groß ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Übergangswiderstand an jedem Kontaktpunkt entsprechend gleich klein ist. Es ist so möglich, mit einer verhältnismäßig geringen Betätigungskraft F die für die Kontakte notwendige hohe Flächenpressung aufzubringen, um so den geforderten niedrigen Übergangswiderstand in der Größenordnung von 10^-9Ω zwischen den Kontakten zu erreichen. Durch die Parallelschaltung vieler Kontaktpunkte läßt sich einerseits ein entsprechend kleiner Gesamtwiderstand des Dauerstromschalters erreichen; außerdem kann man mit der Anzahl der Kontaktpunkte die Stromtragfähigkeit des gesamten Dauerstromschalters festlegen.

[0015] Die supraleitenden Leiterstücke 5 und 6 können unmittelbar in einem ihre Supraleitfähigkeit gewährleistenden kryogenen Medium, das insbesondere das KUhlmedium der angeschlossenen supraleitenden Magnetwicklung ist, angeordnet sein. Gegebenenfalls ist aber auch eine indirekte Kühlung dieser Leiterstücke möglich (vgl. DE-OS 25 21 328).

[0016] Die verhältnismäßig geringe Betätigungskraft F des Dauerstromschalters gestattet nicht nur die in Figur 1 angenommene Betätigung mittels eines Gestänges, sondern es ist auch eine pneumatische oder hydraulische Betätigung möglich. Eine solche Betätigung ist an sich bekannt (DE-PS 23 24 371). Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 als Querschnitt angedeutet. Dabei ist angenommen, daß eines der Kontaktatücke ortsfest ist und dem Kontaktstück 2 mit Supraleiterstücken 5 gemäß Figur 1 entspricht. Eine Vielzahl supraleitender Leiterstücke 16 eines weiteren,mit 17 bezeichneten Kontaktstückes dieses Schalters sind über eine pneumatische bzw. hydraulische Abstützungseinrichtung 18 mit einem ortsfesten, plattenförmigen Trägerelement 19 mechanisch verbunden. Die Abstützungseinrichtung 18 enthält eine dünne, ebene Membrane 20, die z.B. aus Edelstahl besteht und an der die Supraleiterstücke 16 entsprechend der Anordnung nach Figur 1 starr befestigt sind. Diese Membrane 20 ist über einen Federbalg 21 an dem ortsfesten Trägerelement 19 befestigt. Der von diesem Trägerelement 19, dem Federbalg 21 und der die Supraleiterstücke 16 haltenden Membrane 20 vakuumdicht umschlossene Innenraum 22 kann über eine Druckleitung 23 mit Druck beaufschlagt werden, so daß die Supraleiterstücke 16 mit etwa gleicher Kontaktkraft K auf die quer zu ihnen angeordneten Supraleiterstücke 5 des Kontaktstücks 2 gepreßt werden. Als Druckmittel kann hierzu insbesondere gasförmiges oder flüssiges Helium vorgesehen sein. Bei einer derartigen pneumatischen oder hydraulischen Betätigung läßt sich somit vorteilhaft auf Gestänge und entsprechende Durchiführungen, die zu Wärmeeinleitungsverlusten auf die Supraleiterstücke führen, verzichten. Daneben besteht die Möglichkeit, den Schalter auf einfache Weise z.B. in Helium-Atmosphäre oder im Vakuum zu kapseln und so Oxidationen und Langzeitveränderungen des Übergangswiderstandes zu vermeiden.

[0017] Besonders vorteilhaft kann der Dauerstromschalter nach der Erfindung für Magnetwicklungen vorgesehen werden, die mit supraleitenden Leiterseilen aus mehreren supraleitenden Einzelleitern gewickelt werden. Bei diesem Leitertyp können nämlich die supraleitenden Einzelleiter aus dem aufgefächerten Leiterseil unmittelbar die Supraleiterstücke der Kontaktstücke bilden.

[0018] In den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß der Dauerstromschalter nach der Erfindung nur zwei ebene Kontaktstücke mit aneinanderzufügenden Leiterstücken hat, wobei die Leiterstücke auf einer Ebene über jedem Kreuzungs- bzw. Kontaktpunkt abgefedert sind. Der Dauerstromschalter nach der Erfindung kann jedoch ebensogut auch mehr als zwei Ebenen mit Leitungsstücken aufweisen, wobei dann für jede zweite Ebene eine federnde Abstützung der Leiterstücke vorgesehen wird.

Ansprüche

1. Dauerstromschalter zum Kurzschließen mindestens einer supraleitenden Magnetwicklung mit mindestens zwei KontaktstUcken, die jeweils mehrere, parallel untereinander angeordnete und mit einem Trägerelement verbundene, supraleitende, von einem kryogenen Kühlmittel gekühlte Leiterstücke aufweisen, und mit einer Betätigusgsvorrichtung zum Aneinanderfügen der supraleitenden Leiterstücke mit einer vorbestimmten Kontaktkraft, dadurch gekennzeichnet ,

a) daß die supraleitenden Leiterstücke (5; 6, 16) an den einander zugewandten Oberflächen der Kontaktstücke (2; 3, 17) in zumindest weitgehend parallelen Ebenen liegend so angeordnet sind, daß die Leiterstücke (5).des ersten Kontaktstückes (2) die Leiterstücke (6, 16) des weiteren Kontaktstückes (3, 17) kreuzen, und

b) daß ferner die Leiterstücke (5) des ersten Kontaktstückes (2) fest an der Oberfläche des entsprechenden Trägerelementes (4) angebracht sind, während jedes Leiterstück (6, 16) des weiteren Kontaktstückes (2, 17) zumindest über jedem Kreuzungspunkt (7) mit den Leiterstücken (5) des ersten Kontaktstückes (2) mittels einer federnden Abstützungseinrichtung (9; 18) an dem zugehörigen Trägerelement (8, 19) gehalten ist.

2. Dauerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die federnde Abstützugseinrichtung (9) ein mit einem Trägerelement (8) des weiteren Kontaktstückes (3) verbundenes Führungs- und Halterungsgestänge (11 bis 13) und eine zwischen dem zugehörigen Leiterstück (6) und dem Trägerelement (8) eingespannte Feder (14) enthält.

3. Dauerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die federnde Abstützungseinrichtung (18) einen mit dem Trägerelement (19) des weiteren Kontaktstückes (17) verbundenen Federbalg (21) und eine Membrane (20) enthält, an der die Supraleiterstücke (16) befestigt sind, und daß der von dem Trägerelement (19), dem Federbalg (21) und der Membrane (20) eingeschlossene Innenraum (22) mittels eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels unter Druck zu setzen ist.

4. Dauerstromschalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine dünne Membrane (20) aus Edelstahl.

5. Dauerstromschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Druckmittel das Kühlmittel zum Kühlen der supraleitenden Magnetwicklung vorgesehen ist.

6. Dauerstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Supraleiterstücke (5, 6, 16) aus unstabilisiertem supraleitenden Material bestehen.

7. Dauerstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Supraleitungsstücke (5, 6, 16) stabilisierte Ein- oder Vielkernleiter sind.

8. Dauerstromschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Supraleiterstücke (5, 6, 16) zumindest an ihren aneinanderzufügenden Oberflächenteilen supraleitendes Material aufweisen.

9. Dauerstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Kontaktstück (2, 3, 17) mindestens 5 Supraleiterstücke (5, 6, 16) enthält.

10. Dauerstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Supraleiterstücke (5, 6, 16) der Kontaktstücke (2, 3, 17) in einem Vakuumraum angeordnet sind.

Zeichnung