[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Magneteinrichtung mit einem in einem Außengehäuse
angeordneten Spulengehäuse, mit einer in dem Spulengehäuse angeordneten Wicklung aus
supraleitenden Leitern sowie mit mindestens einem Vakuumraum zur thermischen Isolation
der Wicklung. Dabei weist die Wicklung mindestens einen Kühlkanal auf, durch welchen
forciert ein das supraleitende Material der Leiter unterhalb deren Sprungtemperatur
T
c haltendes Kühlmittel zu fuhren ist. Eine entsprechende Magneteinrichtung ist z.B.
der EP-B-0 209 134 zu entnehmen.
[0002] Die zu kühlenden Wicklungen von Magneteinrichtungen z.B. für Anlagen zur Energiespeicherung,
zur Führung von Strahlen geladener Teilchen oder zur Kernspintomographie (NMR) können
insbesondere mit supraleitenden Leitern erstellt werden. Als Supraleitermaterialien
werden hierfür im allgemeinen noch die sogenannten klassischen Legierungen oder Verbindungen
wie z.B. NbTi bzw. Nb
3Sn vorgesehen. Seit Ende 1986 werden für derartige Wicklungen auch die neuen Hoch-T
c-Supraleitermaterialien wie z.B. auf Basis der Stoffsysteme Y-Ba-Cu-O oder Bi-Sr-Ca-Cu-O
eingeplant. Wahrend für die klassischen Supraleitermaterialien eine Helium-Kühltechnik
erforderlich ist, kommt für die neuen Hoch-T
c-Supraleitermaterialien auch eine Stickstoff-Kühltechnik in Frage.
[0003] Zwei Kühltechniken zur Kühlung supraleitender Magnetwicklungen sind gebräuchlich,
nämlich eine sogenannte Badkühlung oder eine sogenannte, auch als forcierte Kühlung
bezeichnete Strömungskühlung (vgl. z.B. "Elektrotechnik und Informationstechnik",
Bd. 109, Heft 6, 1992, Seiten 322 bis 329). Die Strömungskühlung, die bevorzugt für
große Magnetwicklungen vorgesehen wird, zeichnet sich gegenüber einer Badkühlung durch
eine Reihe von Vorteilen aus. Dies sind insbesondere
- ein mechanisch robusterer Wicklungsaufbau,
- eine spannungsfestere Wicklungsisolation,
- eine lageunabhängige Wicklungsgeometrie,
- eine flexiblere Anpassung der Kühlleistung,
- ein verhältnismäßig geringes Volumen des Kühlmittels und
- die Nutzung von überkritischem einphasigen Helium im Falle einer He-Kühlung.
Jedoch sind mit dieser Kühltechnik auch eine Reihe von Problemen verbunden, nämlich
- ein hoher Fertigungs- und Qualitätssicherungsaufwand für eine Vakuumdichtheit der
gesamten Leiterlänge,
- ein ebensolcher Aufwand auch für die benötigten elektrischen Leiterverbindungen,
- eine große Anzahl von Potentialtrennvorrichtungen in den Kühlmittelversorgungsleitungen
zu einzelnen Teilwicklungen und
- keine zusätzliche Nutzungsmöglichkeit der großen Wärmekapazität von flüssigem Helium
(LHe) bei 4,2 K bei einer He-Badkühlung.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Magneteinrichtung der eingangs genannten
Art mit einer Strömungskühlung anzugeben, bei der die vorerwähnten Probleme zumindest
teilweise vermindert sind.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- daß das Spulengehäuse vakuumdicht ausgeführt und zur thermischen Isolation von einem
Vakuumraum umgeben ist,
- daß ein Austritt des Kühlmittels nach der forcierten Führung durch die Wicklung in
einen zwischen der Wicklung und dem Spulengehäuse vorhandenen Kühlmittelbadraum vorgesehen
ist und
- daß eine vakuumdichte Abführung des Kühlmittels aus diesem Kühlmittelbadraum vorgesehen
ist.
[0006] Die Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, die benötigte Vakuumdichtheit
weitestgehend auf das Spulengehäuse zu übertragen. Damit verbunden ist der Vorteil,
daß die in dem Spulengehäuse untergebrachte Magnetwicklung nur eine Kühlmittelströmungsfuhrung
und -verteilung mit einer um mehrere Größenordnung geringeren Dichtheitsanforderung
benötigt. Außerdem ist vorteilhaft nur eine einzige Leitung zur Rückfuhrung des Kühlmittels
aus dem Spulengehäuse erforderlich. Weiterhin ist eine oft erwünschte große Wärmekapazität
von He bei 4,2 K zusätzlich verfügbar.
[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Magneteinrichtung gehen aus den
abhängigen Ansprüchen hervor.
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug
genommen wird. Dabei sind in deren
- Figur 1
- eine erfindungsgemäß gekühlte Magneteinrichtung im Querschnitt,
- Figur 2
- ein einzelnes Kühlmitteleinspeisungselement dieser Magneteinrichtung in Schrägansicht
und
- Figur 3
- ein Teilausschnitt durch eine Teilwicklung der Magneteinrichtung im Querschnitt
jeweils schematisch veranschaulicht. In den Figuren sind sich entsprechende Teile
mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0009] Supraleitende Magnetwicklungen mit forcierter (Strömungs)-Kühlung sind prinzipiell
bekannt (vgl. z.B. die genannte EP-B). Bei in den Figuren nicht naher ausgeführten
Einzelheiten handelt es sich um gängige Teile.
[0010] Gemaß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sei eine supraleitende Wicklung
3 einer Magneteinrichtung 2 beispielsweise für einen supraleitenden magnetischen Energiespeicher
angenommen. Die Wicklung 3 setzt sich dabei aus mehreren kreisscheibenförmigen, eine
gemeinsame Spulenachse A umschließenden Teilwicklungen 3i (mit 1 ≦ i ≦ n) zusammen.
In der Figur sind nur einige dieser Teilwicklungen angedeutet. Die Teilwicklungen
sind z.B. in Form von sogenannten Doppel-Pancakes mit Supraleitern aufgebaut, die
beispielsweise eines der bekannten klassischen Supraleitermaterialien enthalten und
somit mit LHe zu kühlen sind. Zur Zuführung des entsprechenden Kühlmittels K zu den
einzelnen Teilwicklungen 3i ist ein gemeinsamer Kühlmittelverteilungskanal 5 vorgesehen,
von dem kanalartige Verbindungen 6i zu jeweils mindestens einem Kühlkanal durch die
jeweilige Teilwicklung 3i abgehen. Die Kühlkanäle durch die Teilwicklungen können
dabei in oder an den Supraleitern selbst angeordnet oder durch Zwischenräume zwischen
den Leitern ausgebildet sein. Jede Teilwicklung 3i ist auf einem Teilstuck eines Wickelkerns
7 aufgewickelt, der vorzugsweise aus einem Kunststoff wie z.B. GFK oder CFK besteht.
[0011] Ein entsprechendes Teilstück dieses Wickelkerns 7 ist aus Figur 2 näher ersichtlich
und mit 7i bezeichnet. Es ist vorteilhaft als kapselartiges Kühlmitteleinspeisungselement
gestaltet. Dieses Element 7i wird an einem inneren Leiterüberstieg positioniert, der
bei einer Ausbildung der Teilwicklung 3i als Doppelscheibe einer Pancake-Wicklung
3i beim Übergang von der einen auf die andere Scheibe vorhanden ist. Ferner wird das
Element 7i mit einer Durchtrittsöffnung 5i versehen, die den entsprechenden Teil des
Kühlmittelverteilungskanals 5 bildet. Bei der Montage der Wicklung 3 durch Aneinanderreihung
der einzelnen modulartigen Teilwicklungen 3i mit ihren zugehörigen Wickelkernteilstücken
7i erhält man dann über die zueinander positionierten Durchtrittsöffnungen 5i den
Kühlmittelverteilungskanal 5, aus dem über das jeweilige kapselartige Kühlmitteleinspeisungselement
die Wicklung in parallelen Teilströmen forciert gekühlt werden kann. Bei der Montage
der Wicklung werden die Durchtrittsöffnungen 5i zueinander abgedichtet. Damit kann
vorteilhaft das Kühlmittel K die Wicklung von innen nach außen mit einem vergleichsweise
geringeren Strömungswiderstand in den vorhandenen Kühlstrecken gegenüber einem Leckagestrom
durchströmen.
[0012] Wie ferner aus Figur 2 zu entnehmen ist, kann ein Supraleiter 10 vorgesehen sein,
der zwei Kühlkanäle 11a und 11b aufweist, die mittels des Kühlmitteleinspeisungselementes
7i mit dem Kühlmittelverteilungskanal 5 über die aus der Figur nicht ersichtlichen
kanalartigen Verbindungen (6i) verbunden sind. Die Strömungsrichtungen des Kühlmittels
K sind durch gepfeilte Linien angedeutet. Der Leiter 10 enthält einen zwischen den
Kühlkanälen 11a und 11b verlaufenden supraleitenden Leiterkern 12 und ist gegenüber
in der Teilwicklung benachbarten Leiterteilen mittels einer Leiterbandage 13 beabstandet,
eventuell auch isoliert. Diese Bandage soll in erster Linie aufblähende Magnetkräfte
aufnehmen, so daß sie bei besonders großen Kräften aus Metall bestehen kann. Gegebenenfalls
wird sie auch aus einem isolierenden Material wie z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff
hergestellt.
[0013] Nachdem das Kühlmittel K die einzelnen Teilwicklungen 3i forciert in radialer Richtung
von innen nach außen durchströmt hat, tritt es gemäß der Darstellung der Figur 1 aus
der Wicklung 3 als Kühlmittel K' an Kanalöffnungen 14j in einen Kühlmittelbadraum
15 aus. Die Austrittsöffnungen 14j befinden sich zweckmäßig an den radial außen liegenden
elektrischen Anschlüssen der Wicklung 3 und den elektrischen Kontaktstellen zwischen
ihren benachbarten Teilwicklungen 3i. Der das Kühlmittel K' aufnehmende Badraum 15
ist durch die zwischen den Außenseiten der Wicklung 3 und der Innenwand eines hochvakuumdichten,
die Wicklung aufnehmenden Spulengehäuses 16 vorhandenen Zwischenräumen gebildet. Das
diesen Badraum 15 ausfüllende Kühlmittel K' überflutet somit zumindest großenteils
die Wicklung 3 von außen. Damit wird vorteilhaft eine zusätzliche Kühlleistung, insbesondere
für strömungstechnisch ungleichmäßig versorgte Wicklungsteile, von den Außenseiten
der Wicklung her erbracht.
[0014] Wie ferner aus Figur 1 hervorgeht, sind zur Einspeisung des Kühlmittels K in den
Kühlmittelverteilungskanal 5 eine hochvakummdichte Durchführung 17a durch die Wand
des Spulengehäuses 16 und zur Abfuhrung des Kühlmittels K' vorteilhaft nur eine einzige
weitere hochvakuumdichte Durchfuhrung 17b erforderlich. Zur Potentialtrennung sind
in der entsprechenden Kühlmittelzuführungsleitung 18a und Kühlmittelabführungsleitung
18b jeweils ein Potentialtrenner 19a bzw. 19b vorzusehen. Der elektrische Anschluß
der Wicklung 3 zur Führung eines Stromes I erfolgt davon getrennt über entsprechende
Anschlußleitungen 20a und 20b, die isoliert und hochvakuumdicht an Durchführungen
21a bzw. 21b durch die Wand des Spulengehäuses 16 zu führen sind.
[0015] Das Spulengehäuse ist zur thermischen Isolation in einem Hochvakuumraum 22 angeordnet.
Dieser Vakuumraum befindet sich innerhalb eines in der Figur nicht dargestellten Außengehäuses,
das im allgemeinen auf Raumtemperatur liegt. Zwischen diesem Außengehäuse und dem
Spulengehäuse können noch weitere thermischen Isolationsmittel wie z.B. gekühlte Strahlungsschilde,
gekühlte Zwischenräume oder weitere Vakuumräume vorgesehen sein.
[0016] Figur 3 zeigt einen Ausschnitt durch eine als Doppel-Pancake gestaltete Teilwicklung
3i im Bereich ihres Wickelkernteilstücks bzw. Kühlmitteleinspeisungselementes 7i.
In dieser Figur sind die von dem Kühlmittelverteilungskanal 5 an dem Kühlmittelseinspeisungselement
7 in einen einzigen Supraleiter 10 einer ersten, inneren Wicklungslage zu dessen beiden
Kühlkanälen 11a und 11b fuhrenden Verbindungskanäle 6a und 6b ersichtlich. Dieser
Leiter 10 bildet z.B. den inneren Leiterüberstieg der Doppelscheibe einer Pancake-Wicklung.
Ab der zweiten Wicklungslage ist die Teilwicklung 3i durch die zwei nebeneinanderliegenden
Supraleiter der Doppelscheibe aufgebaut. Zwischen benachbarten Teilwicklungen ist
eine für das Kühlmittel K' des Kühlmittelbadraumes 15 transparente scheibenförmige
Isolation 23 vorgesehen. Gegenüber diesem Kühlmittel K' ist das Kühlmittel K in dem
Kühlmittelverteilungskanal 5 abgedichtet.
[0017] Gemäß dem anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen,
daß das Kühlmittel K dem Supraleiter 10 der Wicklung 3 über einen besonderen Kühlmittelverteilungskanal
5 und die voran angeordnete Kühlmittelzuführungsleitung 18a getrennt von dem mindestens
einen elektrischen Anschlußleiter 20a oder 20b zugeführt wird. Gegebenenfalls kann
jedoch die Kühlmittelzuführung auch über einen als Hohlleiter gestalteten elektrischen
Anschlußleiter erfolgen. Dabei ist es möglich, auf einen besonderen Kühlmittelverteilungskanal
zu verzichten.
[0018] Darüber hinaus sind auch Ausführungsformen von Magneteinrichtungen möglich, bei denen
in den Leitungen zur Zu- und Abführung des Kühlmittels K bzw. K' die elektrischen
Anschlußleitungen der Wicklung 3 verlegt sind.
[0019] Ferner läßt sich auch vorsehen, daß das Kühlmittel K erst größere Teile der Wicklung
3 oder die gesamte Wicklung forciert durchströmt, bis es in den Kühlmittelbadraum
15 gelangt. Eine derartige Kühlmittelführung bietet sich insbesondere bei nicht in
diskrete Teilwicklungen unterteilte Wicklungen an. Auch in diesem Falle ist ein besonderer
Kühlmittelverteilungskanal nicht erforderlich.
[0020] Selbstverständlich ist für die Magneteinrichtung nach der Erfindung auch eine Verwendung
von Supraleitern mit Hoch-T
c-Supraleitermaterial, für das gegebenenfalls eine LN
2- oder LHe-Kühltechnik vorgesehen wird, möglich.
1. Magneteinrichtung
- mit einem in einem Außengehäuse angeordneten Spulengehäuse,
- mit einer in dem Spulengehäuse angeordneten Wicklung aus supraleitenden Leitern,
wobei die Wicklung mindestens einer Kühlkanal aufweist, durch welchen forciert ein
das supraleitende Material der Leiter unterhalb deren Sprungtemperatur Tc haltendes Kühlmittel zu führen ist,
und
- mit mindestens einem Vakuumraum zur thermischen Isolation der Wicklung,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Spulengehäuse (16) vakuumdicht ausgeführt und zur thermischen Isolation
von dem Vakuumraum (22) umgeben ist,
- daß ein Austritt (14j) des Kühlmittels (K') nach der forcierten Fuhrung durch die
Wicklung (3) in einen zwischen der Wicklung (3) und dem Spulengehäuse (16) vorhandenen
Kühlmittelbadraum (15) vorgesehen ist
und
- daß eine vakuumdichte Abführung des Kühlmittels (K') aus diesem Kühlmittelbadraum
(15) vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (3) in mehrere Teilwicklungen (3i) unterteilt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilwicklung (3i) als Doppel-Pancake-Wicklung aufgebaut ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt (14j) des Kühlmittels (K') in den Kühlmittelbadraum (15) nach der
forcierten Fuhrung des Kühlmittels (K) durch jeweils mindestens eine Teilwicklung
(3i) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des Kühlmittels (K) zu den einzelnen Teilwicklungen (3i) ein gemeinsamer
Verteilungskanal (5) mit Verbindungen (6a, 6b; 6i) zu dem jeweils mindestens einen
Kühlkanal (11a, 11b) jeder Teilwicklung (3i) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilwicklung (3i) ein Kühlmitteleinspeisungselement (7i) zugeordnet ist,
das den entsprechenden Teil des Verteilungskanals (5) und die Verbindung (6a, 6b;
6i) zu dem mindestens einen Kühlkanal (11a, 11b) der Teilwicklung (3i) bildet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitteleinspeisungselemente (7i) unter Ausbildung des Verteilungskanals
(5) aneinanderfügbar sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitteleinspeisungselemente (7i) Wickelkerne der jeweiligen Teilwicklung
(3i) sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wand des Spulengehäuses (16)) elektrische Anschlußleitungen (20a, 20b)
der Wicklung (3) und davon getrennt Leitungen (18a, 18b) zur Zu- und Abführung des
Kühlmittels (K bzw. K') vakuumdicht hindurchgeführt sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Anschlußleitungen der Wicklung innerhalb von Leitungen zur Zu- und
Abführung des Kühlmittels angeordnet sind.