Anlage der Supraleitungstechnik mit einer indirekt zu kühlenden supraleitenden Einrichtung und einer Stromzuführungsvorrichtung

Abstract

 Die Anlage (2) der Supraleitungstechnik enthält eine supraleitende Einrichtung wie z.B. eine insbesondere kurzzuschließende Magneteinrichtung (5) in einem Vakuumgehäuse (3), ferner eine die supraleitende Einrichtung (5) indirekt kühlende Kältemaschine (6) sowie eine Stromzuführungsvorrichtung (12), die einen elektrischen Trennschalter (17) in dem Vakuumgehäuse (3) aufweist. Der Trennschalter (17) der Stromzuführungsvorrichtung (12) soll sich erfindungsgemäß im Bereich ihres raumtemperaturseitigen Endes befinden. Damit ist eine Verminderung des Kälteleistungsbedarfs der Kältemaschine verbunden. Als Kältemaschine kommt insbesondere ein Kryokühler in Frage.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage der Supraleitungstechnik mit

a) einer supraleitenden Einrichtung, die sich in einem evakuierbaren Innenraum eines Vakuumgehäuses befindet,

b) eine die supraleitende Einrichtung indirekt kühlende Kältemaschine, die in den Innenraum des Vakuumgehäuses hineinragt und mit ihrem tieftemperaturseitigen Ende gut wärmeleitend mit der supraleitenden Einrichtung verbunden ist,
sowie

c) einer zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur verlaufenden Stromzuführungsvorrichtung, die elektrisch an die supraleitende Einrichtung angeschlossen ist, und einen elektrischen Trennschalter in dem Innenraum des Vakuumgehäuses aufweist.

Eine entsprechende Anlage geht aus der US 5 317 296 A hervor.

[0002] Eine indirekte Kühlung von supraleitenden Einrichtungen erlaubt den Bau verhältnismäßig kleinvolumiger, kältemittelfreier Kryostate ohne Kühlmittelbehälter und macht zudem den Anwender unabhängig vom Nachschub einer Kryoflüssigkeit. Die erforderliche Kälteleistung läßt sich von einer im allgemeinen mehrstufig ausgebildeten Kaltemaschine aufbringen, z.B. von einem Kryokühler, der häufig nach dem sogenannten Gifford-McMahon-Prinzip arbeitet. Bei einem entsprechenden Kryokühler können eine erste Stufe bei ca. 60 K mit typischerweise 30 W und eine zweite Stufe bei 10 K mit 1 W thermischer Leistung belastet werden. Ein besonderes Kältemittelreservoir steht dabei nicht zur Verfügung. Die kalte thermische Masse des Kryostaten wird im wesentlichen von der zu kühlenden supraleitenden Einrichtung gebildet, deren Wärmekapazität nur dann einen Puffer gegen zeitweise erhöhte Wärmeverluste bildet, wenn man eine Verminderung des kritischen Magnetfeldes des verwendeten Supraleitermaterials in Kauf nimmt. Eine solche indirekte Kühlung läßt sich vorteilhaft insbesondere für supraleitende Magneteinrichtungen vorsehen, wie sie insbesondere auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik zur Kernspintomographie (auch als

Nuclear Magnetic Resonance" oder

Magnetic Resonance Imaging" bezeichnet) eingesetzt werden. Eine entsprechende Kühltechnik kann jedoch auch für andere supraleitende Einrichtungen vorgesehen werden.

[0003] Fur eine Stromeinspeisung in eine supraleitende Einrichtung mit ihren tiefgekühlten Supraleitern werden Stromzuführungsvorrichtungen benötigt, über die ein elektrischer Strom diesen Leitern von einer auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise auf Raumtemperatur, befindlichen Stromversorgungseinheit zugeführt wird. Die Stromzuführungsvorrichtung weist deshalb elektrische Leiterteile, die zwischen einem Raumtemperatur-Bereich und den von der Kältemaschine auf einer Tieftemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials gehaltenen Supraleitern der supraleitenden Einrichtung verlaufen. Über diese auch thermisch gut leitenden Leiterteile der Stromzuführungsvorrichtung ist eine erhebliche Wärmeeinleitung in den Tieftemperaturbereich möglich. Die entsprechenden Warmelecks machen einen wesentlichen Anteil der von der Kaltemaschine aufzubringenden Kalteleistung erforderlich. So belasten z.B. herkömmliche Stromzuführungsvorrichtungen mit optimierten metallischen Leitern für einen Arbeitsstrom von 200 A, wie er typisch für Magneteinrichtungen der Kernspintomographie ist, allein durch Warmeeinleitung ohne die noch hinzukommenden Joule'schen Verluste die erste Stufe eines bekannten zweistufigen Kryokühlers mit ca. 8 W, während die zweite Stufe noch mit 0,9 W belastet wird. Das Warmeleck dieser zweiten Stufe kann noch um eine Größenordnung gesenkt werden, wenn in an sich bekannter Weise z.B. gemäß der eingangs genannten US-A-Schrift die Stromzuführungsvorrichtung mindestens zwei Leitungsabschnitte besitzt, wobei der tieftemperaturseitige Abschnitt Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer hohen Sprungtemperatur, sogenanntes HTS-Material aufweist.

[0004] Da eine entsprechende Stromzuführungsvorrichtung während der Abkühlphase einer supraleitenden Einrichtung nicht erforderlich ist, kann ein elektrischer Trennschalter vorgesehen werden, der im geöffneten Zustand eine Wärmeeinleitung in den Tieftemperaturbereich während der entsprechenden Abkühlphase zu vermindern gestattet. Ein derartiger Trennschalter ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine supraleitende Magneteinrichtung im Betriebsfalle mittels eines Dauerstromschalters kurzgeschlossen werden kann. Dann läßt sich nämlich auch die Wärmeeinleitung über die Stromzuführungsvorrichtung während dieser Betriebsphase entsprechend vermindern.

[0005] Bei der aus der eingangs genannten US-A-Schrift zu entnehmenden Stromzuführungsvorrichtung liegt der Trennschalter im evakuierten Innenraum des Vakuumgehäuses eines Kryostaten zwischen einem raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt und einem tieftemperaturseitigen Leitungsabschnitt auf einem Zwischentemperaturniveau, das von der ersten Kältestufe einer Kältemaschine auf etwa 60 K gehalten wird. Damit werden auch im geöffneten Zustand des Trennschalters noch erhebliche Wärmemengen über den raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt der Stromzuführungsvorrichtung in den Innenraum des Vakuumgehäuses eingeleitet, so daß eine entsprechende Kälteleistung zur Abführung dieser Wärmemengen erforderlich ist.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Anlage der Supraleitungstechnik mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die Wärmeeinleitung in den Innenraum des Vakuumgehäuses weiter vermindert ist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Trennschalter der Stromzuführungsvorrichtung im Bereich ihres raumtemperaturseitigen Endes befindet.

[0008] Mit dieser Ausgestaltung der Stromzuführung der erfindungsgemäßen Anlage der Supraleitungstechnik ergeben sich die folgenden Vorteile:

• Der Trennschalter muß weder elektrisch noch thermisch optimiert sein: Bei einer richtig dimensionierten Stromzuführungsvorrichtung muß praktisch keine Wärmeleistung über den Schaltkontakt transportiert werden; ohmsche Verluste an den Kontaktwiderständen fallen bei Raumtemperatur an und belasten damit die Kältemaschine praktisch nicht.
• Der Schaltvorgang kann im Warmen stattfinden. Der Schaltkontakt ist deshalb einfacher, zuverlässiger und verschleißärmer zu realisieren als ein auf einem Zwischentemneraturniveau von beispielsweise 60 K befindlicher Schaltkontakt.
• Es können herkömmliche, kommerziell vertriebene Trennschalter zum Einsatz kommen.
• Der abgetrennte Leitungsabschnitt der Stromzuführungsvorrichtung wird kalt im Gegensatz zu der bekannten Ausführungsform. Dadurch ergibt sich beim Einschalten des Trennschalters ein kleinerer
  
  Wärmeschock" auf die Kältemaschine und das Kryosystem, wodurch bei verhältnismäßig knappen Kühlmittelreserven die supraleitende Einrichtung thermisch weniger belastet wird.
• Der Schaltmechanismus des Trennschalters erfordert keine besondere, sich in den kalten Bereich erstreckende Mechanik, die im geschlossenen Zustand des Schalters dauerhaft unter Last steht. Das damit verbundene Wärmeleck ist deshalb entsprechend verringert.

[0009] Besonders vorteilhaft ist es, wenn als supraleitende Einrichtung eine Magneteinrichtung vorgesehen ist, welche insbesondere im supraleitenden Betriebszustand kurzgeschlossen ist. Dann läßt sich auch in diesem Betriebszustand eine Wärmezufuhr in den Tieftemperaturbereich weitgehend unterbinden.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

[0011] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage der Supraleitungstechnik veranschaulicht ist.

[0012] Die in der Figur im Schnitt angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete, erfindungsgemäße Anlage der Supraleitungstechnik enthält ein Vakuumgehäuse- oder Gefäß 3, in dessen evakuiertem Innenraum 4 sich eine zu kühlende supraleitende Einrichtung 5 befindet. Prinzipiell kann als supraleitende Einrichtung jede Apparatur der Supraleitungstechnik vorgesehen sein, die zu kühlendes supraleitendes Material aufweist. Bei ihrem supraleitenden Material kann es sich um sogenanntes

klassisches" (metallisches) Supraleitermaterial mit Sprungtemperaturen unter 20 K oder um oxidkeramisches Supraleitermaterial mit vergleichsweise höheren Sprungtemperaturen, beispielsweise über 77 K, handeln. Beispiele entsprechender supraleitender Einrichtungen sind elektrische oder magnetische Apparaturen oder Einrichtungen zu einer Kurzschlußstrombegrenzung, zu einem Stromtransport oder zu einer Spannungstransformation. Bei einer entsprechenden Magneteinrichtung kann es sich insbesondere um mindestens eine supraleitende Spule einer Diagnostikanlage zur Kernspintomographie handeln. Eine derartige Magneteinrichtung ist nachfolgend für das Ausführungsbeispiel zugrundegelegt. Die Magneteinrichtung 5 kann vorzugsweise im supraleitenden Betriebszustand in an sich bekannter Weise mittels eines Dauerstromschalters (vgl. z.B. DE 27 07 589 C) kurzgeschlossen sein.

[0013] Die Magneteinrichtung 5 wird indirekt von einer Kältemaschine 6 gekühlt. Bei dieser Kühlungsart erfolgt im Gegensatz zu einer Badkühlung oder einer forcierten Kühlung kein direkter Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmittel und den supraleitenden Teilen der Magneteinrichtung. Die gezeigte Kältemaschine 6 kann mehrere Kaltestufen, beispielsweise zwei Kältestufen 7 und 8 aufweisen. Vorteilhaft handelt es sich bei der Kältemaschine 6 um einen sogenannten Kryokühler vom Gifford-McMahon-Typ. Ebenso sind auch andere, ein- oder mehrstufige Kältemaschinentypen einsetzbar. Die Kältemaschine 6 setzt sich aus einem in einem Raumtemperaturbereich RT befindlichen, somit raumtemperaturseitigen Maschinenabschnitt 6a und einem die beiden Kältestufen 7 und 8 umfassenden, sich bis in einem Tieftemperaturbereich TT erstreckenden, somit tieftemperaturseitigen Maschinenabschnitt 6b zusammen. Der tieftemperaturseitige Abschnitt 6b ragt dabei vakuumdicht durch eine Öffnung 10 des Vakuumgehäuses 3 in dessen auf einen Restdruck p eines Isoliervakuums evakuierten Innenraum 4 hinein. An dem tieftemperaturseitigen Ende der zweiten Kältestufe 8 ist der Abschnitt 6b thermisch an die zu kühlende Magneteinrichtung 5 angekoppelt.

[0014] Die Anlage 2 umfaßt ferner eine erfindungsgemäß gestaltete, allgemein mit 12 bezeichnete Stromzuführungsvorrichtung. Nicht näher ausgeführte Teile dieser Vorrichtung sind an sich bekannt, so daß auf ihre Darstellung verzichtet werden kann. Die Vorrichtung 12 weist im evakuierten Innenraum 4 des Vakuumgehäuses 3 vorteilhaft einen raumtemperaturseitigen Leitungsabschnitt 12a und einen tieftemperaturseitigen Leitungsabschnitt 12b auf. Selbstverständlich kann noch eine Unterteilung der Stromzuführung in weitere Leitungsabschnitte vorgesehen sein. Ein Verbindungsglied zur elektrischen Verbindung dieser beiden Leitungsabschnitte kann vorteilhaft thermisch an die beispielsweise auf etwa 60 K befindliche erste Kältestufe 7 der Kältemaschine 6 angekoppelt sein. Zu einer galvanischen Trennung dieses Verbindungsgliedes 13 gegenüber dem elektrischen Potential der Kältestufe 7 ist zwischen diesen Teile eine elektrische Isolation 14 vorgesehen, welche einen Wärmeaustausch zumindest weitgehend zuläßt.

[0015] Der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt 12a der Stromzuführungsvorrichtung 12 kann im Falle, daß die Magneteinrichtung klassisches Supraleitermaterial besitzt, das auf einer Temperatur unterhalb von 20 K zu halten ist, vorteilhaft Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial aufweisen, dessen Sprungtemperatur insbesondere bei mindestens 77 K oder hoher liegt. Entsprechende HTS-Materialien sind beispielsweise spezielle Bi- oder Y-Cuprate.

[0016] Der raumtemperaturseitige Leitungsabschnitt 12a der Stromzuführungsvorrichtung 12, der zweckmäßig hinsichtlich der thermischen Verluste in an sich bekannter Weise optimiert ist, ist durch eine Öffnung 15 eines Strahlungsschildes 16 hindurchgeführt, der thermisch mit der ersten Kältestufe 7 der Kältemaschine 6 verbunden ist. Dieser Leitungsabschnitt endet im Raum zwischen dem Strahlungsschild und der auf Raumtemperatur befindlichen Wand des Vakuumgehäuses 3 in einem ersten Kontaktstück 17a eines Trennschalters 17. Bei dem in der Figur im geöffneten Zustand gezeigten Trennschalter kann es sich um eine gebräuchliche Ausführungsform eines Schalters handeln. Der Schalter kann beispielsweise flache Kontaktstükke aufweisen, die z.B. unter Anwendung einer Federkraft aneinanderfügbar sind und von denen ein Kontaktstück ortsfest und das andere Kontaktstück beweglich ausgebildet ist. Vorteilhaft kann dabei das bewegliche Kontaktstück auf der immer wärmeren, nach außen führenden Seite der Stromzuführungsvorrichtung angeordnet sein. Dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Trennschalter 17 mit Steckkontakten zugrundegelegt. Sein erstes Kontaktstück 17a ist deshalb als Kontaktstift gestaltet, auf den zum Schließen des Trennschalters ein zweites Kontaktstück 17b in Form einer Kontaktbuchse oder eines Kontaktschuhs aufgesteckt wird. Beispielsweise ist das erste Kontaktstück ortsfest und isoliert über eine Halterung 18 an der Wand des Vakuumgehäuses 3 befestigt, wobei es sich innerhalb des Vakuumgehäuses befinden kann. Das zweite Kontaktstück 17b ist dann beweglich ausgeführt, wobei die Bewegungsrichtungen durch einen Doppelpfeil b angedeutet sind. Das zweite Kontaktstück erstreckt sich durch eine Öffnung 19 des Vakuumgehäuses 3. Zur Abdichtung des Vakuumgehäuses an dieser Öffnung ist ein Dehnungsbalg 20 vorgesehen, der an seinem der Öffnung 19 gegenüberliegenden Ende mit einem Deckelteil 21 abgeschlossen ist. Durch diesen Deckelteil ist ein mit dem zweiten Kontaktstück 17b verbundener Anschlußteil 12c der Stromzuführungsvorrichtung hindurchgeführt. Zur galvanischen Trennung des zweiten Kontaktstückes und des Anschlußteils gegenüber dem Potential des Vakuumgehäuses ist beispielsweise der Deckelteil 21 oder der Balg 20 zumindest teilweise isolierend ausgeführt. Mit dem Anschlußteil 12c ist eine in der Figur nicht näher ausgeführte externe Stromversorgungseinrichtung verbunden.

[0017] Das Öffnen des Trennschalters 17 findet zwangsläufig im warmen Zustand statt. Bei seinem Schließen kann gegebenenfalls sein kälteres, mit dem Leitungsabschnitt 12a verbundenes Kontaktstück 17a mittels einer besonderen Heizvorrichtung erwärmt werden, um so bereits vor der Berührung mit dem wärmeren Kontaktstück 17b auf dessen Temperaturniveau zumindest annähernd angehoben zu werden.

[0018] Selbstverständlich sind statt des in der Figur gezeigten Trennschalters 17 auch andere bekannte Ausführungsformen von Schaltern einsetzbar. Dies ist insbesondere dadurch ermöglicht, daß eine elektrische Trennung der Stromleitungen praktisch bei Raumtemperatur erfolgt, also oberhalb der sich durch die kälteren Bereiche des Vakuumraumes 4 erstreckenden Leitungsabschnitte der Stromzuführung. Dadurch läßt sich nicht nur die Abkühlzeit verkürzen; sondern es läßt sich auch der Betriebsstrom der supraleitenden Einrichtung aufgrund einer niedrigeren Endtemperatur erhöhen bzw. eine höhere Sicherheitsmarge erreichen. Dies ist im Hinblick auf eine im Laufe einer längeren Betriebszeit einer Kältemaschine nachlassende Kälteleistung ein besonders wichtiger Punkt. Darüber hinaus kann bei Systemen mit zwei Kältemaschinen im Reparaturfall ein Gerät abgeschaltet und ausgebaut werden, ohne daß der Betrieb unterbrochen werden muß.

Ansprüche

1. Anlage der Supraleitungstechnik mit

a) einer supraleitenden Einrichtung, die sich in einem evakuierbaren Innenraum eines Vakuumgehäuses befindet,

b) eine die supraleitende Einrichtung indirekt kühlende Kältemaschine, die in den Innenraum des Vakuumgehäuses hineinragt und mit ihrem tieftemperaturseitigen Ende gut wärmeleitend mit der surpaleitenden Einrichtung verbunden ist,
sowie

c) einer zwischen Raumtemperatur und Tieftemperatur verlaufenden Stromzuführungsvorrichtung, die elektrisch an die supraleitende Einrichtung angeschlossen ist, und einen elektrischen Trennschalter in dem Innenraum des Vakuumgehäuses aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß sich der Trennschalter (17) der Stromzuführungsvorrichtung (12) im Bereich ihres raumtemperaturseitigen Endes befindet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Einrichtung zu einer Magnetfelderzeugung oder zu einer Kurzschlußstrombegrenzung oder zu einer Spannungstransformation oder zu einer Stromübertragung vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Einrichtung eine Magneteinrichtung ist, die im supraleitenden Betriebszustand kurzgeschlossen ist.

4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre supraleitende Magneteinrichtung (5) Teil eines Gerätesystems zur Kernspintomographie ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter (17) zwei Kontaktstücke (17a, 17b) aufweist, die über jeweilige Haltevorrichtungen (18 bzw. 20) von dem Vakuumgehäuse (3) gehalten sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Kontaktstücke (17b) des Trennschalters (17) beweglich ausgeführt ist und die zugeordnete Haltevorrichtung als Dehnungsbalg (20) gestaltet ist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das tieftemperaturseitige Kontaktstück (17) mit einer Heizvorrichtung versehen ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter als Steckvorrichtung gestaltet ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungsvorrichtung (12) in dem Innenraum (4) des Vakuumgehäuses (3) mindestens zwei Leitungsabschnitte (12a, 12b) besitzt, von denen der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt (12b) an die Magneteinrichtung (5) angeschlossen ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Verbindungsglied (13) zwischen den beiden Leitungsabschnitten (12a, 12b) der Stromzuführungsvorrichtung (12) von der Kältemaschine (6) auf einem Zwischentemperaturniveau zwischen Raumtemperatur (RT) und Tieftemperatur (TT) gehalten ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsglied (13) thermisch an eine Kältestufe (7) der Kältemaschine (6) angekoppelt ist, die sich auf dem Zwischentemperaturniveau befindet.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der tieftemperaturseitige Leitungsabschnitt (12b) der Stromzuführungsvorrichtung (12) Teile aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur von mindestens 77 K enthält.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine mehrstufig gestaltet ist, wobei eine der Kältestufen (7) thermisch mit einem Strahlungsschild (16) verbunden ist, der sich im Innenraum (4) des Vakuumgehäuses (3) zwischen einer raumtemperaturseitigen Vakuumgehäusewand und der Magneteinrichtung (5) befindet.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine (3) ein Kryokühler vom Gifford-McMahon-Typ ist.

Zeichnung