DE1241469B

DE1241469B - Electrothermal cooling of a circuit section from a superconductor

Info

Publication number: DE1241469B
Application number: DES91831A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Kafka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-07-02
Filing date: 1964-07-02
Publication date: 1967-06-01
Also published as: CH437559A; NL6506192A

Description

Elektrothermische Kühlung eines Stromkreisabschnitts aus einem Supraleiter Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Kühlung eines Stromkreisabschnitts aus einem Supraleiter, der wenigstens an einem Ende mit wenigstens einem elektrothermisch wirksamen Kühlelement versehen ist, über das der durch den Supraleiter fließende Strom geführt ist.Electrothermal cooling of a circuit section made of a superconductor The invention relates to electrothermal cooling of a circuit section from a superconductor, which at least at one end with at least one electrothermal effective cooling element is provided over which the flowing through the superconductor Current is carried.

Es ist bereits bekannt, die Verlustwärme von elektrischen Verbrauchern dadurch abzuziehen, daß in die Stromzuleitung ein Peltierelement geschaltet wird, dessen kalte Seite dem Verbraucher zugewandt ist und dessen warme Seite gekühlt wird.It is already known the heat loss from electrical consumers to be deducted by connecting a Peltier element to the power supply line, whose cold side faces the consumer and whose warm side is cooled will.

Außerdem ist eine elektronische Wärmepumpe zur Kühlung auf Temperaturen unterhalb der Supraleitungssprungtemperatur mittels eines elektrischen Stromes bekannt, bei der ein Leiterkreis aus zwei an den Enden miteinander verbundenen, aus supraleitfähigem Material bestehenden Leitern vorgesehen ist, wobei der eine Leiter eine größere Querschnittsfläche als der andere Leiter hat und die beiden Verbindungsstellen zwischen den Leitern thermisch voneinander isoliert sind und bei der Mittel vorgesehen sind, um die Leiter bei Temperaturen, bei denen sie supraleitend sind, mit Strom zu beschicken. Diese Wärmepumpe wirkt ähnlich wie ein normaler Gaskühlkreis. An Stelle des molekularen Gases ist ein Elektronengas verwendet. Wenn die Elektronen von der Oberfläche des dünnen Leiters zu der Oberfläche des dicken Leiters fließen, breiten sie sich aus und verlangsamen infolge einer größeren Zahl von freien Elektronen an der den Strom tragenden Oberfläche. Durch die Verringerung der Geschwindigkeit absorbieren die Elektronen Energie, Es wird deshalb die Umgebung in dem Bereich des Übergangs gekühlt. Damit der Effekt nennenswert ist, ist eine Vergrößerung des Querschnittsumfangs des Leiters um mindestens den Faktor 14 erforderlich. Dies bedingt einen verhältnismäßig großen Raumbedarf; außerdem ist eine Kaskadierung, also eine Vervielfachung des Effektes durch eine Reihenanordnung wegen der hierdurch erforderlichen großen Abmessungen nicht möglich.There is also an electronic heat pump for cooling to temperatures known below the superconductivity transition temperature by means of an electric current, in which a conductor circuit of two connected at the ends, made of superconductive Material existing ladders is provided, the one ladder being a larger one Cross-sectional area than the other conductor and the two junctions between the conductors are thermally insulated from each other and where means are provided, to charge the conductors with electricity at temperatures at which they are superconducting. This heat pump works in a similar way to a normal gas cooling circuit. Instead of the molecular Gas is an electron gas used. When the electrons from the surface of the thin conductor flow to the surface of the thick conductor, they spread out and slow down the current due to a larger number of free electrons bearing surface. By reducing the speed, the absorb Electron energy, therefore the environment in the area of the transition is cooled. In order for the effect to be noticeable, an increase in the cross-sectional circumference is necessary of the conductor by a factor of at least 14. This requires a relative large space requirements; in addition, there is a cascading, i.e. a multiplication of the Effect by a series arrangement because of the large dimensions required thereby not possible.

Bei Supraleitern besteht neben dem Problem, die durch die Wärmeisolation eindringende Wärme wieder abzuführen, das Problem, beim Zusammenschalten des Supraleiters mit einem Stromkreisabschnitt normaler Temperatur den an der Verbindungsstelle auftretenden Temperatursprung abzufangen. Zur Lösung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden, den Supraleiterabschnitt durch ein Peltierelement abzuschließen, durch das der Leiterstrom geschickt wird.In the case of superconductors, there is also the problem of thermal insulation To dissipate penetrating heat again, the problem when connecting the superconductor with a normal temperature circuit section those occurring at the junction Intercept temperature jump. To solve this problem has already been proposed been to terminate the superconductor section by a Peltier element, through which the conductor current is sent.

Durch die Erfindung wird eine neue Lösung des zweifachen Problems vorgestellt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß als elektrothermisch wirksames Kühlelement ein Ettinghausenkühlelement verwendet ist, dessen an den Supraleiter anzuschließendes Kontaktstück E-förmig ausgebildet und so auf dem Körper des Ettinghausenkühlelements aufgebracht ist, daß der eine Schenkel gut wärmeleitend, aber elektrisch isoliert mit der kalten Fläche des Ettinghausenkühlelements verbunden ist.The invention provides a new solution to the twofold problem presented. It is characterized in that it acts as an electrothermally Cooling element a Ettinghausenkühlelement is used, which is attached to the superconductor The contact piece to be connected is E-shaped and so on the body of the Ettinghausenkühlelements is applied that the one leg conducts heat well, but insulates electrically is connected to the cold surface of the Ettinghausen cooling element.

Das Ettinghausenelement hat die Eigenschaft, daß es auch bei sehr tiefen Temperaturen ein großes Temperaturgefälle überwindet. Seine Eigenschaft als Kühlelement, insbesondere bei tiefen Temperaturen, ist ausführlich in dem Aufsatz »The Prospects for Ettinghausen and Peltier Cooling. at Low Temperatures« von R. T. D e 1 v e s in der Zeitschrift »British Journal of Applied Physics« beschrieben.The Ettinghausen element has the property that it also works with very overcomes a large temperature gradient at low temperatures. Its property as Cooling element, especially at low temperatures, is detailed in the essay “The Prospects for Ettinghausen and Peltier Cooling. at Low Temperatures «by R. T. D e 1 v e s described in the journal "British Journal of Applied Physics".

Durch die 1.-förmige Ausbildung des Kontaktstückes werden, die beiden räumlich getrennten Wirkungsbereiche von Strom und Temperatur - beim Ettinghausenelement besteht bekanntlich das Temperaturgefälle senkrecht zur Stromrichtung - im Kontaktstück in einfacher Weise zusammengeführt. Das für das Ettinghausenelement erforderliche Magnetfeld läßt sich durch den Supraleiter selbst erzeugen.Due to the 1.-shaped design of the contact piece, the two spatially separate areas of activity for electricity and temperature - with the Ettinghausen element As is well known, there is a temperature gradient perpendicular to the direction of the current - in the contact piece merged in a simple way. The one required for the Ettinghausen element Magnetic field can be generated by the superconductor itself.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann verwendet werden entweder als Übergangsstelle zu einem normalleitenden Stromkreisabschnitt oder zur Kühlung zweier Supraleiterabschnitte, wobei im letzten Fall gegenüber der unmittelbaren Kühlung durch Helium der Vorteil besteht, daß mit einer Kühlflüssigkeit höherer Temperatur, beispielsweise Stickstoff, gekühlt werden kann.The arrangement according to the invention can be used either as Transition point to a normally conducting circuit section or for cooling two Superconductor sections, in the latter case compared to the direct cooling the advantage of helium is that with a higher temperature coolant, for example nitrogen, can be cooled.

Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.The invention is illustrated by two exemplary embodiments on the basis of FIGS G. 1 to 3 explained in more detail.

F i g. 1 zeigt das Prinzip des Ettinghausenelements, F i g. 2 die Zusammenschaltung zweier Stromkreisabschnitte verschiedener Temperatur und F i g. 3 die Kühlung eines Supraleiters.F i g. 1 shows the principle of the Ettinghausen element, FIG. 2 the Interconnection of two circuit sections with different temperatures and F. i g. 3 the cooling of a superconductor.

Das in F i g. 1 dargestellte Ettinghausenelement hat quaderförmige Gestalt. Es besteht beispielsweise aus Wismuth-Antimonid. Wird es in der einen Raumkoordinate von einem Magnetfeld B durchsetzt und führt es in der zweiten Raumkoordinate einen Strom I, so transportiert es Wärme in der dritten Koordinate, d. h., die eine Grenzfläche wird kälter als die entgegengesetzte Grenzfläche. Die unterschiedliche Wärme ist durch die Buchstaben w und k symbolisiert.The in Fig. 1 shown Ettinghausen element has a cuboid shape. For example, it consists of bismuth antimonide. If it is penetrated by a magnetic field B in one spatial coordinate and it carries a current I in the second spatial coordinate, it transports heat in the third coordinate, ie one interface becomes colder than the opposite interface. The different warmth is symbolized by the letters w and k.

In F i g. 2 ist der Übergang von einem supraieitenden Doppelleiter 1 all b zu einem Doppelleiter 2 alt b, der sich etwa auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs befindet, dargestellt. Der Temperatursprung wird durch Ettinghausenelemente 3 a/3 b aufgenommen, die jeweils zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Stromkreisabschnitt angeordnet sind.In Fig. 2 shows the transition from a superconducting double conductor 1 all b to a double conductor 2 old b, which is approximately at the temperature of liquid nitrogen. The temperature jump is absorbed by Ettinghausen elements 3 a / 3 b , which are each arranged between the superconducting and the normally conducting circuit section.

Die an die Supraleiter angeschlossenen Kontaktstücke 4 a!4 b der Ettinghausenelemente sind L-förmig ausgebildet und so auf dem Körper des betreffenden Elements aufgebracht, daß der eine Schenkel 5 a bzw. 5 b gut wärmeleitend, aber über die Folie 6 a bzw. 6 b elektrisch isoliert mit der kalten Fläche des betreffenden Ettinghausenelements verbunden ist. Auch die an den Enden des normalleitenden Stromkreisabschnitts angeschlossenen Kontaktstücke 7 al 7 b sind L-förmig ausgebildet, wobei jeweils der eine Schenkel 8 a bzw. 8 b mit der warmen Seite des betreffenden Ettinghausenelements verbunden ist. Der Supraleiterabschnitt ist von einer nicht dargestellten Wärmeisolation umgeben und kann durch flüssiges Helium gekühlt werden.The devices connected to the superconducting contact pieces 4 a! 4 b of Ettinghausenelemente are L-shaped and is so applied to the body of the element, that the one leg 5 a and 5 b conduct heat well, but over the foil 6 a and 6 b is electrically insulated and connected to the cold surface of the Ettinghausen element in question. The contact pieces 7 al 7 b connected to the ends of the normally conducting circuit section are also L-shaped, with one leg 8 a or 8 b being connected to the warm side of the relevant Ettinghausen element. The superconductor section is surrounded by thermal insulation (not shown) and can be cooled by liquid helium.

Der normalleitende Stromkreisabschnitt befindet sich ebenfalls innerhalb einer Wärmeisolation und wird durch flüssigen Stickstoff auf einer Temperatur von 77° K gehalten. Der Temperatursprung zwischen dem supraleitenden und normalleitenden Zustand wird durch die Ettinghausenelemente aufgenommen. Die für die Ettinghausenelemente notwendige Feldstärke kann durch einen besonderen Magneten erzeugt werden. Besonders einfach wird jedoch die Anordnung, wenn ein Teil des Supraleiterabschnitts als Spule ausgebildet ist und durch den Supraleiter das Magnetfeld selbst erzeugt wird. In F i g. 2 ist dies durch die Windungen 9 a!9 b symbolisiert.The normally conducting circuit section is also inside a thermal insulation and is kept at a temperature of 77 ° K by liquid nitrogen. The temperature jump between the superconducting and normally conducting state is absorbed by the Ettinghausen elements. The field strength required for the Ettinghausen elements can be generated by a special magnet. However, the arrangement becomes particularly simple if part of the superconductor section is designed as a coil and the magnetic field itself is generated by the superconductor. In Fig. 2 this is symbolized by the windings 9 a! 9 b.

In F i g. 3 sind zwei Ettinghausenelemente 10 und 11 zwischen zwei Supraleiterabschnitte oder zwischen zwei Supraleiter 12 und 13 geschaltet, um diese zu kühlen. Hier wird der Temperatursprung des Ettinghausenelements dazu benutzt, um eine Kühlflüssigkeit höherer Temperatur verwenden zu können als Helium. Die Ettinghausenelemente sind mit ihren warmen Seiten über wärmeleitende elektrisch isolierende Elemente 14 und 15 mit einem Wärmeaustauscher 16 verbunden, der z. B. mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Die notwendige elektrische Verbindung zwischen den beiden Ettinghausenelementen erfolgt über die Leitung 17. Die erforderliche Magnetfeldstärke wird hier ebenfalls durch eine Wicklung 18 des Supraleiters erzeugt.In Fig. 3, two Ettinghausen elements 10 and 11 are connected between two superconductor sections or between two superconductors 12 and 13 in order to cool them. Here the temperature jump of the Ettinghausen element is used to be able to use a cooling liquid with a higher temperature than helium. The Ettinghausen elements are connected with their warm sides via thermally conductive, electrically insulating elements 14 and 15 to a heat exchanger 16 which, for. B. is cooled with liquid nitrogen. The necessary electrical connection between the two Ettinghausen elements takes place via the line 17. The required magnetic field strength is also generated here by a winding 18 of the superconductor.

Claims

Claims: 1. Electrothermal cooling of a circuit section made of a superconductor, which is provided at least at one end with at least one electrothermally effective cooling element, through which the current flowing through the superconductor is passed, characterized in that an Ettinghausenkühlelement (3 a , 3 b, 10, 11) is used, whose contact piece (4) to be connected to the superconductor is L-shaped and applied to the body of the Ettinghausenkühlelements so that one leg conducts heat well but is electrically insulated from the cold surface of the Ettinghausenkühlelements connected is.

2. Electrothermal cooling of a circuit section from a superconductor according to claim 1, characterized in that the magnetic field for the Ettinghausenkühlelement is generated by the superconductor section itself by forming part of the superconductor section as a coil (9a, 9b, 18) whose magnetic field is applied to the Ettinghausenkühlelement acts.

3. Electrothermal cooling of a circuit section from a superconductor according to claim 1 or 2, characterized in that the contact piece facing away from the superconductor (7a, 7b) of the Ettinghausenkühlelements (3a, 3b) is also L-shaped, and that on this one on higher Temperature located normally conductive circuit section (2a, 2b) is connected (F i g. 2).

4. Electrothermal cooling of a Circuit section made of a superconductor according to Claim 1 or 2, characterized in that that a second section of the same kind is added so that each warm Boundaries of the Ettinghausen cooling elements (10, 11) on a heat exchanger (16) abut, and that the contact pieces facing away from the superconductors (12, 13) of the Ettinghausenkühlelemente are electrically connected to each other (17, F i g. 3).

5. Electrothermal cooling of a circuit section from a superconductor according to claim 4, characterized in that the heat exchanger (16) is cooled with liquid nitrogen (N2). Considered publications: German Auslegeschriften No. 1028 142, 1080 690, 1109 769; British Journal of Applied Physics, September 1962, pp. 440 to 445.