DE1244209B - Elektrothermische Kuehlvorrichtung fuer ein supraleitendes Kabel - Google Patents

Description

• Elektrothermische Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel Bei supraleitenden Kabeln muß die von außen durch die Wärmeisolation und die elektrischen Stromzuführungen eindringende Wärme abgeführt werden, damit die niedrige Arbeitstemperatur von beispielsweise 4 bis 10° K erhalten bleibt. Zu diesem Zweck wird im allgemeinen flüssiges Helluna verdampft. Bei Dauerbetrieb muß flüssiges Helium in Zeitabständen oder laufend zugeführt werden und das gasförmige Helium abgeführt und wieder verflüssigt werden, oder es muß gasförmiges Helium in einer Kältemaschine abgekühlt und durch die supraleitende Vorrichtung und im Kreislauf wieder zur Kältemaschine zurückgeleitet werden. Heliumverflüssigungsanlagen und Kältemaschinen sind empfindlich und häufig Anlaß zu Betriebsstörungen, insbesondere weil Fremdgase bei der niedrigen Temperatur fest werden und Leitungen verstopfen können.
• Es ist zwar bereits 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. Die von der kalten Verbindungsstelle abgezogene und zu einer warmen Verbindungsstelle geförderte Wärmemenge wird dort durch ein kühlendes Medium abgeführt. Als kühlendes Medium dient bei der bekannten Wärmepumpe flüssiges Helium. Es treten hier also die gleichen Nachteile auf, wie bei den eingangs beschriebenen Kühlvorrichtungen.
• Durch die Erfindung wird eine neuartige Kühlvorrichtung für supraleitende Kabel vorgestellt, die diese Nachteile überwindet. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Kabel von Ettinghausen-Kühlelementen umgeben ist, deren kalte Grenzflächen auf dem Kabel elektrisch isoliert aufliegen und deren warme Grenzflächen mit einem Wärmeaustauscher verbunden sind, und daß zur Erzeugung des für die Ettinghausen-Kühlelemente benötigten Magnetfeldes eine Spule vorhanden ist, die ein zur Kabelachse paralleles Magnetfeld erzeugt.
• Hier wird durch Ettinghausen-Elemente, die die Eigenschaft haben, daß unter der Einwirkung eines magnetischen Feldes und eines Stromflusses ein Wärmetransport stattfindet, so daß eine Grenzfläche kalt und die gegenüberliegende Grenzfläche warm wird, die Kühltemperatur des Supraleiters in einen höheren Temperaturbereich transformiert, beispielsweise bis zur Temperatur des flüssigen Stickstoffes. Dieser Bereich ist leichter zu beherrschen, da hier Fremdgase noch nicht fest werden und deshalb die durch Verstopfung der Leitungen auftretenden Schwierigkeiten entfallen. Außerdem ist eine Kühlung bei höheren Temperaturen wirtschaftlicher, weil die Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur kleiner ist und infolgedessen die Wärmeverluste in der Kältemaschine und in den Zuleitungen niedriger bleiben.
• Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt das Grundprinzip des Ettinghausen-Elements, F i g. 2 eine Kühlvorrichtung bei einem supraleitenden Kabel, dessen Wärmeisolation aus Gründen der Anschaulichkeit weggelassen worden ist, F i g. 3 einen Querschnitt der Kühlvorrichtung nach F i g. 2 mit der notwendigen Wärmeisolation. Das in F i g. 1 dargestellte Ettinghausen-Element 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 1, 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.
• Bei den F i g. 2 und 3 ist ein konzentrisches supraleitendes Kabell erkennbar, das von Ettinghausen-Elementen 2 umgeben ist, deren kalte Grenzflächen 3 auf dem Kabel elektrisch isoliert aufliegen und deren warme Grenzflächen 4 mit einem Wärmeaustauscher 5 verbunden sind. Zwischen den Ettinghausen-Elementen und dem Kabel einerseits sowie dem Wärmeaustauscher andererseits sind gut wärmeleitende, elektrisch isolierende Folien 6 und 7 vorgesehen. Zwischen den Ettinghausen-Elementen sind Wärmeisolationen 8 erkennbar, die einen direkten Wärmeübergang vom Supraleiter zum Wärmeaustauscher verhindern. Der Wärmeaustauscher ist von einer Wärmeisolation 9 umgeben. Er wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt. In F i g. 3 sind außerdem Kühlrohre 10 und Zuleitungen 11 und 12 für die Kühlflüssigkeit des Wärmeaustauschers dargestellt. Die Stromversorgung der Ettinghausen-Elemente erfolgt aus einer Batterie 13. Die Elemente sind durch die elektrischen Leitungen 14 in Reihe geschaltet. Das für die Ettinghausen-Elemente notwendige Magnetfeld wird durch die Teilwicklungen 15 und 16 einer um das Kabel gewickelten Spule erzeugt. Das Magnetfeld ist hierbei axial zum Kabel angeordnet. Es beeinflußt den Supraleiter weniger als ein zirkulares Feld. Die Teilwicklungen der Spule sind mit den Ettinghausen-Elementen in Reihe geschaltet. Der Strom für die Ettinghausen-Elemente wird also zugleich zur Erzeugung des notwendigen Magnetfeldes benutzt. Statt einer Batterie kann auch ein Gleichrichter oder ein Transformator als Stromquelle benutzt werden. Wenn Feld und Strom in Phase sind, bleibt die Richtung des Wärmeflusses auch bei Wechselstromspeisung konstant. Es ist zweckmäßig, die Ettinghausen-Elemente und den Kabelaußenleiter auf etwa das gleiche Potential zu bringen, um die Isolierfolien 6 und 7 möglichst dünn machen zu können.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Elektrothermische Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das supraleitende Kabel (1) von Ettinghausen-Kühlelementen (2) umgeben ist, deren kalte Grenzflächen (3) auf dem Kabel elektrisch isoliert aufliegen und deren warme Grenzflächen (4) mit einem Wärmeaustauscher (5) verbunden sind, und daß zur Erzeugung des für die Ettinghausen-Kühlelemente benötigten Magnetfeldes eine Spule (15, 16) vorhanden ist, die ein zur Kabelachse paralleles Magnetfeld erzeugt.
2. 2. Elektrothermische Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (15, 16) um das supraleitende Kabel (1) gewickelt und im Stromkreis der elektrisch in Reihe geschalteten Ettinghausen-Kühlelemente (2) liegt.
3. 3. Elektrothermische Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den Wärmeaustauscher (5) flüssiger Stickstoff verwendet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr.1028142.