DE1296229B - Verwendung von Beryllium als elektrischer Leiter - Google Patents

Description

• Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung von Beryllium, das auf eine Temperatur unter 150° K abgekühlt ist, in Wicklungen, Leitungen und Verbindungen elektrischer Maschinen oder Geräte, die zum Erzeugen elektrischer, magnetischer oder mechanischer Energie oder zum Umformen elektrischer Energie bestimmt sind.
• Es ist bekannt, daß Gewicht und Raumbedarf elektrischer Maschinen oder Geräte bei gleichzeitiger Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verwendung von Leitern, die auf sehr niedriger Temperatur gehalten werden, beträchtlich verringert werden können. Diese Verbesserungen ergeben sich aus der starken Abnahme des spezifischen Leitungswiderstandes bei tiefen Temperaturen.
• Der spezifische Leitungswiderstand eines Metalls ist die Summe zweier Werte: des idealen Leitungswiderstandes, der dem Zusammenwirken der Elektronen mit den Wärmeschwingungen des Kristallgitters entspricht, und des restlichen Widerstandes, der auf Verunreinigungen und auf Fehlerstellen der Kristallgitterstruktur zurückzuführen ist. Der ideale Leitungswiderstand nimmt mit sinkender Temperatur ab, während der restliche Widerstand grundsätzlich unabhängig von der Temperatur ist.
• Bei den bisher vorgeschlagenen Anordnungen müssen folgende Voraussetzungen berücksichtigt werden: Um einerseits einen ausreichend niedrigen idealen Leitungswiderstand zu erreichen, sind sehr niedrige Temperaturen erforderlich; man muß praktisch mit den Temperaturen des flüssigen Wasserstoffes, der bei 20,4° K siedet, oder denen des flüssigen Neons, das bei 27,3° K siedet, arbeiten.
• Um andererseits einen ausreichend niedrigen Restwiderstand zu erzielen, werden Leiter hoher Reinheit benötigt; der Anteil der Verunreinigungen muß im allgemeinen zwischen 100 und 1 Teilen je Million (ppm) liegen.
• Man hat bisher die Maßnahme des Kühlens von Leitern aus sehr reinem Natrium, Kupfer oder Aluminium auf rund 20° K angewandt, um die außerordentlich hohe Leitfähigkeit dieser Metalle bei sehr niedrigen Temperaturen auszunutzen.
• Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, auf Grund wirtschaftlicher und technischer Erwägungen ein Metall auszuwählen, das eine Verbesserung der Technik der tiefgekühlten Leiter ermöglicht. Es handelt sich dabei um Beryllium, das gegenüber den bisher verwendeten Metallen große Vorteile für die ; Konstruktion elektrischer Maschinen oder Geräte mit tiefgekühlten Leitern aufweist, da es im Zustand industrieller Reinheit bei nicht ganz so niedrigen Temperaturen wie denen des flüssigen Wasserstoffs oder des flüssigen Neons verwendet werden kann. Diese Tatsache ist völlig überraschend, da das zur industriellen Verarbeitung bestimmte Beryllium bis jetzt kein besonders reines Metall darstellt und da aus F i g. 1 zu ersehen ist, daß der Wert des spezifischen Leitungswiderstandes des Berylliums bei sehr niedrigen Temperaturen beträchtlich höher ist als der von Kupfer oder Aluminium.
• Die in F i g. 1 dargestellten Kurven wurden auf Grund von Versuchen bestimmt und zeigen den spezifischen Leitungswiderstand o in Mikroohm-Zentimeter als Funktion der absoluten Temperatur für verschiedene Metalle. Man ersieht daraus, daß der spezifische Leitungswiderstand von besonders reinem Aluminium, Kupfer und Natrium jeweils beträchtlich sinkt, wenn die Temperatur vom Normalwert auf beispielsweise 20° K, den Siedepunkt von Wasserstoff bei atmosphärischem Druck, gesenkt wird.
• Der Begriff des geringsten spezifischen Leitungswiderstandes eines Leiters vermittelt aber nur eine unzureichende Vorstellung von dem Leistungsgewinn bei elektrischen Geräten mit tiefgekühlten Leitern. Dieser Leistungsgewinn wird teilweise durch den für den Betrieb der Kühlanlage erforderlichen Energieaufwand aufgezehrt, und der Wirkungsgrad dieser Kühlanlage ist um so geringer, je tiefer die Betriebstemperatur ist. Die Kühlanlage nimmt die durch Joule-Effekt in der Wicklung erzeugte Wärme bei einer Temperatur von T° K auf und gibt diese bei einer etwa der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperatur ab, also bei etwa 300° K.
• Ein unter diesen Bedingungen arbeitendes ideales Kühlgerät hätte nach den Gesetzen der Thermodynamik einen maximalen Energiewirkungsgrad von In der Praxis ist dieser Wirkungsgrad natürlich geringer als der Wirkungsgrad des idealen Geräts. Der maximale energetische Wirkungsgrad beträgt hier wobei M ein Faktor ist, der um so größer wird, je niedriger der Faktor T ist. Bei Kühltemperaturen zwischen 100 und 4° K ergibt sich der Wert von M praktisch aus folgender Gleichung: Auf Grund vorstehend genannter Formeln beträgt der effektive Wirkungsgrad einer mit flüssigem Stickstoff bei 77° K arbeitenden Kühlanlage zu 0,135, einer mit flüssigem Wasserstoff bei 20° K arbeitenden Kühlanlage zu 0,02 und einer mit flüssigem Helium bei 4° K arbeitenden Kühlanlage zu nur 0,0015.
• Somit läßt sich die aufzuwendende Gesamtleistung als Funktion der Temperatur T des abgekühlten Leiters bestimmen, wobei die aufzuwendende Gesamtleistung einerseits durch den Joule-Effekt, anderseits durch den Leistungsverbrauch der Kühlanlage gegeben ist, die die freigesetzte Wärmeenergie an die Umgebungsatmosphäre abführt. Es gilt die Gleichung wobei P die aufgewendete Gesamtleistung, A einen von den Abmessungen des Leiters abhängigen Beiwert und t) den spezifischen Leitungswiderstand des Metalls darstellt, der eine Funktion der Temperatur ist (s. F i g. 1).
• Anstatt den absoluten Wert P zu betrachten, empfiehlt es sich, diesen Gesamtverlust an Leistung mit dem Leistungsverlust Po durch Joule-Effekt in einem Kupferleiter gleicher Abmessungen zu vergleichen, der von einem Strom gleicher Stärke bei einer Temperatur von 70° C (= 343° K) durchflossen wird, die der für elektrische Maschinen üblichen Betriebstemperatur entspricht.
• Solange das Verhältnis P : Po größer als 1 oder annähernd gleich 1 bleibt, ist es nicht wirtschaftlich, tiefgekühlte Leiter zu verwenden, mit denen kein wirklicher Leistungsgewinn in bezug auf eine Maschine üblicher Bauart mit Kupferwicklung zu erzielen wäre.
• F i g. 2 zeigt den Kurvenverlauf für das Verhältnis P : Po als Funktion der absoluten Temperatur bei Metallen, mit denen für P : Po ein Wert unter 1 erzielt werden kann.
• Man sieht daraus, daß sich bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Beryllium industrieller Reinheit für P : Po ein Wert von 0,5 bereits bei der Temperatur von 150° K ergibt und ein Wert von 0,15 zwischen 60 und 80° K, während beispielsweise Aluminium, das nur 40 Teile pro Million Unreinheiten enthält, erst bei 25° K einen Wert gleicher Größenordnung erzielt und bei annähernd 80° K uninteressant ist.
• Das zur experimentellen Ermittlung der in F i g.1 dargestellten Kurve und zur Bestimmung der in F i g. 2 dargestellten, entsprechenden Kurve verwendete Beryllium ist ein Industrieerzeugnis, dessen Gehalt an Verunreinigungen über 0,1% liegt. Es enthält annähernd 1000 Teile pro Million (ppm) Berylliumoxyd, 90 ppm Eisen, 25 ppm Aluminium, 20 ppm Silizium,. 10 ppm Nickel, 10 ppm Chrom und 5 ppm Magnesium.
• Eine der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung von Beryllium als Leiter liegt darin, daß dieser Leiter nicht mehr auf so niedrige Temperaturen abgekühlt werden muß, wie sie flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Neon entsprechen. Man kommt schon etwa beim Siedepunkt von flüssigem Stickstoff an das Minimum des Leistungsverlustes heran.
• Allerdings ist für wirtschaftliche Erwägungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht allein der geringste Leistungsverlust von Bedeutung. Es gilt auch, die für den Bau und die Wartung der Kühlanlagen erforderlichen Investitionen zu berücksichtigen. Die Geräte zum Verflüssigen von Neon, Wasserstoff oder Helium sind außerordentlich kostspielig. Im Gegensatz dazu werden die Anlagen zum Verflüssigen von Stickstoff industriell hergestellt, wobei die Beschaffungskosten weit unter denen der vorerwähnten Geräte liegen. Außerdem bietet Stickstoff gegenüber den anderen Kühlmitteln eine Vielzahl von Vorteilen: er ist billig, nicht giftig und bedeutet für die Leiter keine Korrosionsgefahr. Ferner gilt Stickstoff als ausgezeichnetes Mittel zur elektrischen Isolierung und läßt sich mit geringem Kostenaufwand verflüssigen. Außerdem ist das Problem der Wärmeisolierung beim Überführen in den flüssigen Zustand für Stickstoff sehr viel leichter zu lösen als für Neon oder Wasserstoff.
• Die gemeinsame Verwendung von Beryllium industrieller Reinheit als Leiter und von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel für Elektrogeräte bei niedriger Temperatur stellt eine Kombination dar, der in bezug auf technische und wirtschaftliche Gegebenheiten kein anderes Paar aus Metall und Kältestömungsmedium gleichkommt. Diese gemeinsame Vewendung stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dar. Dabei kann der flüssige Stickstoff bei einem Druck von 0,2 bis 10 Atmosphären verwendet werden, wobei der Leiter auf eine Temperatur zwischen 65 und 80° K, vorzugsweise zwischen 40 und 150° K, abgekühlt wird.
• Mit Beryllium größerer Reinheit, das beispielsweise 100 ppm Berylliumoxyd und 100 ppm sonstiger Unreinheiten aufweist, fällt der Leistungsverlust bei 77° K auf rund 811/o des Leistungsverlustes, der in einer bei 70° C arbeitenden Kupferwicklung zu beobachten ist. Es lassen sich noch bessere Resultate erzielen, wenn bei 40° K und einem Verhältnis P : Po von annähernd 0,015 gearbeitet wird.
• In den folgenden Beispielen werden verschiedene Maschinenanordnungen mit Wicklungen, Leitungen oder Anschlüssen aus mit flüssigem Stickstoff tiefgekühlten Leitern beschrieben, für die jedoch kein selbständiger Schutz begehrt wird. Beispiel 1 F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiter 1 aus Beryllium in seiner Wärmeisolierung. Dieser Leiter ist zur kontinuierlichen Erzeugung magnetischer Energie bestimmt, die eine große Synchronmaschine erregen soll. Der von Gleichstrom durchflossene Leiter 1 kann massiv ausgebildet sein. Er ist von einem längsgerichteten Kanal 2 durchzogen, in dem flüssiger Stickstoff unter einem ausgewählten Druck zwischen 0,2 und 10 ata strömt. Eine aus reflektierenden Abschirmungen aus aluminiertem Polyäthylen-terep'hthalat bestehende Wärmeisolierung 3 ist zwischen zwei dichten Hülsen 5 und 6 angeordnet, zwischen denen man ein Vakuum von 10-5 Torr hält. Die Hülse 5 ist in die Nut 4 der Maschine eingesetzt. Beispiel 2 F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Nut 4 eines erfindungsgemäßen Stators für eine Wechselstrommaschine. Der Leiter 1 wird von Wechselstrom durchflossen und ist in einem magnetischen Wechselfeld angeordnet. Dieser Leiter besteht aus aufeinanderliegenden dünnen Berylliumbändern, um den ungünstigen Einfluß Foucaultscher Ströme und den Hauteffekt auszuschalten. Der Leiter könnte auch aus einem Seil bestehen, das in an sich bekannter Weise aus feinen, gegeneinander isolierten Drähten gebildet wird. Der zur Kühlung flüssige Stickstoff strömt in Leitungen 2, die außerhalb des Leiters vorgesehen sind. Diese Anordnung kann in einer Hülle 6 aus schlecht leitendem oder isolierendem Werkstoff eingebaut sein, welche die Anordnung so dicht abschließt, daß kein flüssiger Stickstoff entweichen kann. Zwischen dieser Hülle 6 und einer aus gleichem Werkstoff gefertigten äußeren Hülle 5 ist eine aus reflektierenden Abschirmungen bestehende Wärmeisolation 3 angeordnet. Außerdem wird in dem Raum zwischen den beiden Hüllen ein sehr hohes Vakuum aufrechterhalten. Beispiel 3 F i g. 5 zeigt eine Wicklung 1, die aus dünnen Beryllium-Bändern oder feinen Drähten besteht, die gegeneinander isoliert und allseitig in flüssigem Stickstoff 2 umgeben sind. Diese Wicklung dient beispielsweise zur Erzeugung eines Magnetfeldes (Spulen eines Leistungsschalters) oder zum Umformen elektrischen Wechselstroms (Spulen eines Transformators). Der flüssige Stickstoff 2 stellt dabei gleichzeitig das Kühlmittel und auch das dielektrische Isolationsmedium dar, da er die für eine derartige Anwendung erforderlichen dielektrischen Eigenschaften besitzt. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem doppelten Behälter, zwischen dessen Wandungen 5 und 6 eine Wärmeisolation 3 unter sehr hohem Vakuum angeordnet ist. Beispiel 4 F i g. 6 zeigt eine Gesamtanordnung. Eine Kühlanordnung 7 speist das Elektrogerät 8 mit flüssigem Stickstoff über wärmeisolierte Leitungen 9. Der durch den elektrischen Leistungsverlust in dem Gerät 8 erhitzte flüssige Stickstoff oder viehnehr der durch die Verlustwärme gebildete Stickstoffdampf, wird in der Leitungsanlage 10 gesammelt und zum Einlaß der Kühlanlage 7 zurückgeleitet. Eine Pumpe 11 hält das gewünschte Vakuum in der Wärmeisolierung der Kühlanlage 7, des Elektrogerätes 8 und der Leitungen 9 und 10 aufrecht.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verwendung von auf eine Temperatur unterhalb 150° K abgekühltem Beryllium als Strom-Leiter in Wicklungen, Leitungen und Verbindungen elektrischer Geräte, die zum Erzeugen elektrischer, magnetischer oder mechanischer Energie oder zum Umformen elektrischer Energie bestimmt sind.
2. 2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Leiter Beryllium industrieller Reinheit verwendet wird, das mit Hilfe eines Strömungsmittels auf eine Temperatur zwischen 65 und 80° K abgekühlt wird, und daß als Strömungsmittel flüssiger Stickstoff zwischen 0,2 und 10 Atmosphären Druck benutzt wird.
3. 3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrischer Leiter Beryllium industrieller Reinheit verwendet wird, das mit Hilfe eines Strömungsmittels auf eine Temperatur zwischen 40 und 150° K abgekühlt wird, und daß als Strömungsmittel flüssiger Stickstoff zwischen 0,2 und 10 Atmosphären Druck benutzt wird.