DE10035859A1

DE10035859A1 - Wechselstrom-Durchführung

Info

Publication number: DE10035859A1
Application number: DE2000135859
Authority: DE
Inventors: Martin Lakner; Willi Paul
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2002-02-07

Abstract

Die Wechselstrom-Durchführung zwischen einer Stromquelle in einer Raumtemperatur-Umgebung und einer Vorrichtung in einer Tieftemperatur-Umgebung, welche Wechselstrom-Durchführung besitzt zwei Zweige mit gekühlten, von der Raumtemperatur-Umgebung zur Tieftemperatur-Umgebung führenden Durchführungsleitern (31). Die Durchführungsleiter (31) werden durch mindestens ein Peltier-Element (33) gekühlt, welches in wärmeleitendem Kontakt zum Durchführungsleiter (31) steht oder welches durch mindestens einen Abschnitt des Durchführungsleiters gebildet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Peltier-Element (33) vorhanden, welches in wärmeleitendem Kontakt zum Durchführungsleiter (31) steht und welches durch eine über der Durchführung abgegriffene Versorgungsenergie gespeist wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Wechselstrom-Durchführung zwischen einer Stromquelle in einer Raumtemperatur-Umgebung und einer Vorrichtung in einer Tieftemperatur- Umgebung. Sie betrifft insbesondere eine Wechselstrom-Durchführung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Stand der Technik

Bei gekühlten Vorrichtungen, die bspw. einen Supraleiter in einem Kryostaten aufweisen, stellt sich das Problem von Wärmeverlusten durch Stromdurchführungen. Zur Reduktion dieser Wärmeverluste werden häufig gasgekühlte Durchführungen eingesetzt. Dies bietet sich besonders bei Vorrichtungen an, bei denen ein Bad mit einem flüssigen Kühlmedium wie Helium vorhanden ist. Alle im kalten Bereich anfallenden Verluste, also thermische Verluste des Kryostaten, Verluste im Supraleiter, Wärmeeintrag über Zuführungen etc. führen dazu, dass ein Teil des Kühlmediums verdampft. Die Wärmekapazität des verdampften, kalten Gases wird verwendet, um die Durchführungen zu kühlen. Im Fall von flüssigem Stickstoff ist jedoch aufgrund der relativ grossen Verdampfungsenthalpie von Stickstoff die anfallende Gasmenge und damit auch die Kühlleistung des Gases relativ gering. Die Zuführung von zusätzlichen kühlenden Gasen oder Flüssigkeiten wäre aber umständlich zu implementieren und daher unwirtschaftlich.

In der Schrift EP-A-0 843 323 wurde kürzlich vorgeschlagen, die Stromdurchführungen einer supraleitenden Gleichstromspule zu kühlen, indem der stromzuführende Durchführungsleiter teilweise aus einem n-dotierten Halbleiter, der stromabführende Durchführungsleiter aus einem p-dotierten Halbleiter gefertigt ist. Der Peltier-Effekt führt dann zu einer Kühlung der spulenseitigen Enden der Stromdurchführungsleiter und einer entsprechenden Erwärmung der stromquellenseitigen Enden der Stromdurchführungsleiter. Eine solche Einrichtung beruht aber darauf, dass der Strom nur in eine Richtung fliesst, und kommt daher für Wechselstrom (AC)-Anwendungen nicht in Frage.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Wechselstromdurchführung zu einer gekühlten Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Nachteile von Durchführungen gemäss dem Stand der Technik überwindet und welche insbesondere auch dann wirkungsvoll funktioniert, wenn bei der Kühlung der Vorrichtung keine grossen Mengen kühlenden Gases anfallen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.

Die Erfindung zeichnet sich im Wesentlichen dadurch aus, dass zur Kühlung des Durchführungsleiters ein Peltier-Element vorhanden ist, welches durch mindestens einen Teil des Durchführungsleiters gebildet wird oder welches in wärmeleitendem Kontakt zu dem Durchführungsleiter steht. Diese Lösung hat den Vorteil, dass zusätzlich zum Peltier-Element lediglich eine Stromversorgung mit unidirektionalem Stromfluss vorhanden sein muss. Sie ist deshalb einfach und kostengünstig und ohne grosse oder angesichts der verwendeten Geometrien schwierig zu realisierende Installationen implementierbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Speisung des Peltierelementes direkt über die Stromversorgung der Vorrichtung. Daraus ergibt sich, dass das Peltierelement auf dem Potential des Durchführungsleiters arbeiten kann und keine elektrischen Isolationsprobleme entstehen. Die thermische Ankoppelung der Elemente an den Durchführungsleiter bereitet daher keine Probleme, auch wenn die Durchführung eine Hochspannungsdurchführung ist. Weiter kann die Energieübertragung von der Stromquelle auf die Speisung des Peltierelementes so ausgelegt sein, dass die Stromversorgung des Peltierelementes im Wesentlichen proportional zum Strom im Durchführungsleiter und also zum Laststrom der Vorrichtung ist. Es ist dann keine separate Regelung der Peltierelemente nötig, da sich die Kühlleistung automatisch der momentanen Leistung der gekühlten Vorrichtung anpasst. Man erhält also eine selbstregelnde, aktiv gekühlte Durchführung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird noch die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung, bei dem Peltierelemente durch Abschnitte des Durchführungsleiters gebildet werden,

Fig. 2 und 3 eine schematische Darstellung von weiteren Ausführungsbeispielen mit metallischen Durchführungsleitern, die im thermischen Kontakt mit Peltierelementen stehen und

Fig. 4 und 5 je eine schematische Darstellung eines direkten und eines induktiven Abgriffs von elektrischer Energie über dem Durchführungsleiter zur Speisung von Peltierelementen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine auf eine Temperatur T₀ gekühlte und bspw. in einem Kryostaten befindliche Vorrichtung 1 dargestellt, bspw. eine supraleitende Spule, ein supraleitendes Material enthaltendes Strombegrenzerelement oder irgend ein anderes gekühltes Gerät. Das Gerät muss mit Wechselstrom versorgt werden. Eine Stromquelle 3 befindet sich in einer Umgebung mit Raumtemperatur T₁. Zwei Zweige 5, 7 einer Stromdurchführung dienen der Zulieferung von elektrischer Energie in der Form von Wechselstrom von der Stromquelle zur Vorrichtung. Jeder Zweig 5, 7 ist dabei in zwei Stränge von Durchführungsleitern 9, 11 bzw. 13, 15 unterteilt, wobei je ein erster Strang 9, 13 einen aus einem n-dotierten Halbleiter gefertigten Abschnitt und ein zweiter Strang 11, 15 einen aus einem p-dotierten Halbleiter gefertigten Abschnitt aufweist. Als Halbleiter-Materialien kommen dotiertes BiTe, tieftemperaturseitig eventuell dotiertes Si oder Ge oder weitere dem Fachmann bekannte dotierte Halbleiter in Frage. In jedem Strang ist - tieftemperaturseitig oder wie im gezeichneten Beispiel raumtemperaturseitig - in Serie mit dem Halbleiter ein Element 17, 19, 21, 23 mit Diodencharakteristik, nämlich eine Diode, angebracht. Die Elemente 17, 21 der ersten Stränge erlauben einen Stromfluss von der Stromquelle zum Gerät und sperren in der Richtung vom Gerät zu der Stromquelle. Die Elemente 19, 23 der zweiten Stränge hingegen erlauben einen Stromfluss vom Gerät zur Stromquelle und sperren in Gegenrichtung. So wird gewährleistet, dass der Strom während der Halbwelle, in der der Strom von der Raumtemperatur-Seite zum gekühlten Gerät fliesst, über den Strang mit dem n- dotierten Halbleiter und während der anderen Halbwelle über den Strang mit dem p- dotierten Halbleiter geführt wird. Der Strom nimmt also in jedem Fall den Weg raumtemperaturseitige, metallische Zuführungsleiter 25 - n-Halbleiter 9 bzw. 13 - tieftemperaturseitiger, metallischer und/oder Supraleitender Zuführungsleiter 27 - Gerät 1 - tieftemperaturseitiger, metallischer und/oder supraleitender Zuführungsleiter 27 - p-Halbleiter 11 bzw. 15 - raumtemperaturseitiger, metallischer Zuführungsleiter 25. Durch den Peltiereffekt wird deshalb den tieftemperaturseitigen Übergängen zwischen der metallischen und/oder supraleitenden Zuführungsleitungen 27 und den Halbleitern Wärme entzogen, während die raumtemperaturseitigen Übergänge zwischen den metallischen Zuführungsleitungen 25 und den Halbleitern aufgewärmt werden. Die mindestens abschnittsweise durch Halbleiter gebildeten Durchführungen dienen deshalb selbst als Peltier-Elemente, ihre Energieversorgung, d. h. Speisung, erfolgt konstruktionsgemäss durch die Stromquelle, der Peltier- Element-Versorgungsstrom ist gleich dem Laststrom und folglich streng proportional zu diesem.

Ein zweites Ausführungsbeispiel, welches in der Fig. 2 dargestellt ist, sieht vor, dass die Stromdurchführung aus einem beliebigen Leitermaterial, also bspw. aus Kupfer oder Messing oder aus einem anderen Metall, einer Kombination von Metallen und/oder eventuell Halbleitern gefertigt ist. In der Fig. 2, wie auch in der Fig. 3, ist nur ein einziger Zweig 31 der Durchführung dargestellt. Der Durchführungsleiter 31 steht in thermischem Kontakt zu einem oder mehreren Peltier-Elemente 33, welche in der Reihenfolge n-Halbleiter 33a - Metall 33b - p- Halbleiter 33c von einem Versorgungsstrom durchströmt werden. Die Kontakte zwischen den Halbleitern 33a, 33c und dem Metall 33b werden dadurch gekühlt. Der thermische Kontakt der Peltierelemente 33 mit dem Durchführungsleiter 31 wird durch einen wärmeleitenden Kontaktkörper 35 oder einen Kontaktfilm, oder eventuell auch nur eine Kontaktfläche gebildet. Der Kontaktkörper 35, der Kontaktfilm oder die Kontaktfläche sind natürlich am gekühlten Ende des Peltierelementes, also im gezeichneten Beispiel am Metall 33b angeordnet. Die Peltierelemente 33 werden durch Gleichstrom-Speisungsmittel 37 mit elektrischer Energie versorgt. Im gezeichneten Beispiel sind insgesamt drei Peltierelemente 33 vorhanden, welche in Serie miteinander geschaltet sind. Es können aber ebensogut nur ein einziges oder eine beliebige Anzahl von Peltierelementen vorgesehen sein, auch können die Peltierelemente teilweise oder vollständig parallel geschaltet sein, je nach der Kombination von verfügbarer Speisespannung und elektrischem Widerstand der Elemente.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sieht ebenfalls einen Stromdurchführungsleiter aus einem beliebigen Leitermaterial vor. Ein Peltierelement weist nun einen entlang des Durchführungsleiters 41 verlaufenden und mit dieser über einen Kontaktkörper 45, einen Kontaktfilm oder eine Kontaktfläche in thermischem Kontakt stehenden Abschnitt 47 aus n-Halbleitern, einem tieftemperaturseitig verlaufenden metallischen Abschnitt 49 und einen Abschnitt 51 aus p-Halbleitern auf. Der Abschnitt aus p- Halbleitern steht ebenfalls in thermischem Kontakt zum Durchführungsleiter 41. Die Abschnitte 47, 51 bestehen dabei aus einer Folge von verschiedenen, also bspw. verschieden stark dotierten Materialien oder einem Material mit einem Konzentrationsgradienten, so dass ein Kühleffekt über verschiedene Bereiche der Abschnitte 47, 51 besteht.

Die Speisung der Peltierelmente der Fig. 2 und 3 kann über eine externe Stromversorgung geschehen, die bspw. als gewöhnliche, von Hand regulierbare und/oder mit Steuermitteln steuerbaren Gleichstromquelle ausgebildet ist. Die Speisung der Peltierelemente kann aber auch so geschehen, dass die Energieversorgung der Speisungsmittel von der Stromquelle 3 besorgt wird, dass also Energie-Übertragungsmittel zum Übertragen von Energie von der Stromquelle auf die Speisungsmittel der Peltier-Elemente vorhanden sind. Anhand der Fig. 4 und 5 wird nun noch dargestellt, wie das geschehen kann.

Die Speisungsmittel gemäss Fig. 4 bestehen aus einem direkten Abgriff der über dem Durchführungsleiter 61 abfallenden Spannung. Diese Spannung wird durch einen Gleichrichter 63 gleichgerichtet und gemäss Fig. 2 oder 3 an ein oder mehrere Peltierelemente angelegt.

Wie das in der Fig. 5 dargestellt ist, können die Speisungsmittel die Versorgungsenergie auch induktiv abgreifen. Dazu weist bspw. die Zuführungsleitung 73 zu dem Durchführungsleiter 71 oder eventuell der Durchführungsleiter 71 selbst oder ein tieftemperaturseitig verlaufender Abschnitt 75 der Durchführung einen Abschnitt in Form einer Schlaufe 77 oder einer Spule auf. Eine weitere, in der Nähe der Schlaufe 77 angebrachte Spule 81 dient als Abgreifmittel. Die durch Induktion über der Wicklung anfallende Spannung wird durch einen Gleichrichter 83 gleichgerichtet und gemäss Fig. 2 oder 3 an ein oder mehrere Peltierelemente angelegt.

Die Speisungsmittel gemäss den Fig. 4 und 5 haben die Eigenschaft, dass der von Ihnen zur Speisung der Peltierelemente ausgehende Strom im Wesentlichen proportional ist zum Strom, der die Durchführung durchströmt. Einzig Effekte, die durch unterschiedliche Erwärmungen der unterschiedlichen Materialien zustande kommen, oder Nichtlinearitäten der Gleichrichter können kleinere Abweichungen von dieser Proportionalität bewirken.

Es sei noch erwähnt, dass die vorstehend beschriebenen Durchführungen natürlich keineswegs die einzigen Ausführungsformen der Erfindung sind, sondern noch in mehrfacher Hinsicht geändert werden können. Die Speisespannung für die Peltier- Elemente kann bspw. auch direkt an der Spannungsquelle und parallel zur gekühlten Vorrichtung abgegriffen und gleichgerichtet werden. Weiter sind natürlich auch Kombinationen der vorstehend beschriebenen Anordnungen möglich.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

3

Stromquelle
5, 7, Zweige der Stromdurchführung

9

,

11

,

13

,

15

Stränge von Durchführungsleitern

17

,

19

,

21

,

23

Elemente (Dioden)

25

metallische Zuführungsleiter

27

tieftemperaturseitige Zuführungsleiter

31

Durchführungsleiter

33

Peltier-Elemente

33

a n-Halbleiter

33

b Metall

33

c p-Halbleiter

35

Kontaktkörper

37

Gleichstrom-Speisungsmittel

41

Durchführungsleiter

45

Kontaktkörper

47

Abschnitt aus n-Halbleitern

49

metallischer Abschnitt

51

Abschnitt aus p-Halbleitern

61

Durchführungsleiter

63

Gleichrichter

71

Durchführungsleiter

73

Zuführungsleiter

75

tieftemperaturseitig verlaufender Abschnitt

77

Schlaufe

81

Spule

83

Gleichrichter

Claims

1. Wechselstrom-Durchführung zwischen einer Stromquelle (3) in einer Raumtemperatur-Umgebung und Vorrichtung (1) in einer Tieftemperatur- Umgebung, welche Wechselstrom-Durchführung zwei Zweige (5, 7) mit gekühlten, von der Raumtemperatur-Umgebung zur Tieftemperatur-Umgebung führenden Durchführungsleitern (9, 11, 13, 15, 31, 41, 51, 61, 71) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Peltier-Element enthält.

2. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Peltierelement durch mindestens einen Abschnitt eines Durchführungsleiters (9, 11, 13, 15) gebildet wird.

3. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zweig (S. 7) in zwei parallel geschaltete Stränge (9, 11, 13, 15) aufgeteilt ist, wobei der erste Strang (9, 13) einen aus einem n-dotierten Halbleiter gefertigten Abschnitt und der zweite Strang (11, 15) aus einem p-dotierten Halbleiter gefertigten Abschnitt aufweist, und der erste Strang weiter über ein in Serie mit dem Halbleiter-Abschnitt geschaltetes Element (17, 21) mit Diodencharakteristik verfügt, das einen Stromfluss von der Stromquelle (3) zu der Vorrichtung (1) erlaubt, und dass der zweite Strang weiter über ein in Serie mit dem Halbleiter geschaltetes Element (19, 23) mit Diodencharakteristik verfügt, das einen Stromfluss von der Vorrichtung (1) zur Stromquelle (3) erlaubt

4. Wechselstromdurchführung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Peltierelement mit Speisungsmitteln, welches Peltierelement in wärmeleitendem Kontakt zu einem Durchführungsleiter (31, 41, 51, 61, 71) steht.

5. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Energie- Übertragungsmittel zum Übertragen von Energie von der Stromquelle (3) auf die Speisungsmittel des Peltier-Elementes.

6. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungsmittel über Mittel zum Abgreifen von Versorgungsenergie über der Durchführung sowie über ein Gleichricht-Mittel verfügen.

7. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Abgreifen der Versorgungsenergie eine direkte Kontaktierung der Stromleitung auf der Raumtemperatur-Seite und auf der Tieftemperatur- Seite eines Durchführungsleiters zum Abgreifen der über dem Durchführungsleiter abfallenden Spannung aufweisen.

8. Wechselstrom-Durchführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung mindestens eine Schlaufe (77) aufweist und dass die Mittel zum Abgreifen der Versorgungsenergie eine Spule (81) besitzen, die so positioniert ist, dass bei einem Wechselstromfluss durch die Wechselstrom-Durchführung über der Spule (81) eine Spannung induziert wird.