DE1764268C3

DE1764268C3 - Supraleitungsmagnetspule

Info

Publication number: DE1764268C3
Application number: DE19681764268
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. 8521 Tennenlohe; Kuckuck Helmut Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Bogner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1968-05-07
Publication date: 1977-06-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Supraleitungsmagnetspu-Ie, bei der ein Supraleiter in mehreren Windungslagen angeordnet ist und zwischen Windungslagen durch Kühlstege geformte Kanäle für den Zutritt eines Kühlmittels vorgesehen sind.

Bekannt ist es, bei großen Magnetspulen mit Wicklungen aus supraleitenden Litzen oder Bändern, insbesondere bei Magneitspulen mit aus Supraleitungsmaterial und elektrisch normalleitenden Metallen zusammengesetzten, elektrisch stabilisierten Leiter, Kühlstege zwischen den Wicklungslagen vorzusehen. Dabei steht ein möglichst großer Teil der Leiteroberfläche in direktem Wärmeaustausch mit dem in die Kühlkanäle eingedrungenen Kühlmittel, die vermittels der Kühlstege geformt sind. Man erreicht damit eine optimale Funktionsfähigkeit der Magnetspule und vermeidet die sogenannte Stromdegradation weitgehend. Als Kühlmittel wird üblicherweise Helium verwendet und die Supraleiter bleiben bevorzugt unisoliert, um zusätzliche Wärmewiderstände im Wärmestromweg zu vermeiden.

Bei dieser Kühlung der Supraleiter der Spulenwindungen ist im Gebiet der sogenannten Bläschenverdampfung zu arbeiten. Ein Übergang in das Gebiet der sogenannten Filmverdampfung, bei der die vom Kühlmittel umspülte Leiteroberfläche mit einem Gasfilm bedeckt ist, ist zu vermelden, da in diesem Gebiet der Temperatursprung zwischen Leiteroberfläche und Kühlmittel im allgemeinen so groß ist, daß eine Abkühlung des Supraleiters unter den Sprungpunkt nicht sichergestellt bleibt. Die Temperaturdifferenz zwischen Leiteroberfläche und Kühlmittel, bei der dieser Übergang erfolgt, hängt von der Höhe der Kühlkanäle und damit von der Höhe der Kühlstege ab. Nach Messungen, wie sie beispielsweise von M. N. W i I s ο η in »Proceedings of the lRR-Comission, ^f'5 Paper Number U/2, Boulder/Col., USA, 1966« veröffentlicht wurden, liegt die untere Grenze für die Höhe der Kühlsteee zwischen 0.5 und 0,6 mm. Bei Kühlstegen mit einer Höhe unter 0,5 bis 0,6 mm kann demnach wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen Lederoberfläche und Kühlmittel, bei der der Obergang in das Gebiet der Filmverdampfung erfolgt, eine Kühlung und damit die Stabilisierung hoher Magnetfelder nicht mehr erreicht werden.

Bei großen Supraleitungsmagnetspulen, d.h. bei Magnetspulen mit Durchmessern von 1 m und darüber und einer Wickelpaketdicke von etwa 20 cm und darüber ist diese Kühlsteghöhe anwendbar. Bei Supraleitungsmagnetspulen mit kleineren und mittleren Durchmessern, & h. mit Durchmessern bis zu 50 cm wird durch Kühlsteghöhen zwischen 03 und 0,6 mm eine Vergrößerung der Wickelpaketdicke, d. h. eine Verminderung des Packungsfaktors erhalten, die nicht mehr vertretbar ist da hierdurch die effektive Stromdichte stark abgesenkt wird, von der die Größe des Magnetfeldes abhängt Bei Spulen dieser Durchmesser wird daher im allgemeinen keine direkte Kühlung der Supraleiteroberfläche vorgesehen, wodurch die Stabilität der erzeugten hohen Magnetfelder und die Größe der erreichbaren Spulenströme stark beeinträchtigt werden.

Aus der Literaturstelle »Rev. Sei. lnstr.«. Band 36. 1965, Seiten 825 bis 830 ist eine Supraleituiigsmagnet spule bekannt, zwischen deren Wicklupgen kühlmitteldurchlässige Stahlnetze eingelegt sind. Die Netze haben eine Stärke zwischen 0,3 und 1,7 mm. Diese Stärke ist jedoch verhältnismäßig groß und der in dem Spulenvolumen erreichbare Packungsfaktor entsprechend klein.

Auch bei der aus der britischen Patentschrift 10 81 058 bekannten Supraleitungsmagnetspule ist der Packungsfaktor verhältnismäßig klein, da die zwischen ihren Wicklungslagen angeordneten Kühlnetze jeweils 0,254 mm stark sind.

Aus der britischen Patentschrift 11 03 009 ist eine weitere Supraleitungsmagnetspule bekannt bei der zwischen den Wicklungslagen Folien aus gut elektrisch leitendem und gut wärmeleitendem Metall vorgesehen sind. Diese Folien sind 0,01 bis 0,1 mm stark und können mit Schlitzen versehen sein, die den Eintritt eines Kühlmittels in das Spuleninnere erlauben. Das innerhalb der Spule befindliche Kühlmittel ist jedoch nur für eine zusätzliche Kühlung vorgesehen. Die eigentliche Kühlung erfolgt dadurch, daß die in der Spule entstehende Wärme über die gut wärmeleitenden Folien in das die Spule umgebende Kühlmittel abgeleitet wird, in welches entsprechende Fortsätze der Folien hineinragen. Die Spulenleiter werden also im wesentlichen indirekt gekühlt, d. h. ein direkter Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und einem großen Teil der Leiteroberfläche ist nicht möglich. Die Stabilisierung der Leiter und deren Stromtragfähigkeit ist deshalb beeinträchtigt

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spule zu schaffen, bei der diese Schwierigkeiten nicht auftreten. Diese Spule soll, insbesondere wenn ihr Durchmesser nur klein oder mittelgroß sein soll, einen großen Packungsfaktor, einen möglichst großen Spulenstrom, der nahe oder gleich dem kritischen Strom ist, und damit eine große effektive Stromdichte in Verbindung mit einer direkten Kühlung der Supraleiteroberfläche haben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Verwendung von Kühlstegen dadurch gelöst, daß die Höhe der Kühlstege 0,1 bis 0,2 mm beträgt.

Überraschenderweise zeigt sich experimentell, daß entgegen der Meinung der Fachwelt bei Kühlstegen dieser Höhe eine hohe Stabilität von Magnetfeldern großer Feldstärke bei Stromstärke nahe oder gleich der

kritischen Stromstärke des Supraleiters erreicht wird, die durch die direkte Kühlung der Lederoberfläche in den Kühlkanälen bedingt ist Dabei bleibt wegen der geringen Höhe der Kühlstege ein hoher Packungsfaktor und damit eine hohe effektive Stromdichte erhalten und f. die Erzeugung großer, stabiler Magnetfeldstärken ist mit einem minimalen Aufwand von Supraleitermaterial ermöglicht

Vorteilhaft ist es, den Supraleiter mit einer Schicht isoliereniten Materials zu überziehen, deren Schichtdik- ι ο ke etwa 10 μπι beträgt Wegen der geringen Schichidikke ist mit dieser elektrisch isolierenden Schicht noch kein wesentlicher Wärmewiderstand verbunden, der die Kühlung der Supraleiter und damit die Stabilität der erzeugten Magnetfelder beeinflußt. Es wird jedoch mit dieser isolierenden Schicht die Gefahr von Kurzschlüssen übereinander liegender Wicklungslagen behoben, die bei blanken Supraleitern wegen der geringen Kühlsteghöhe gegeben ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kühlstege so angeordnet, daß jede Wicklungslage nur einseitig von Kühlmittel bespiilbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die Draufsicht auf einen Sektorausschnitt einer erfindungsgemäßen Magnetspule. Auf einen Spulenkörper 1 aus antimagnetischem Stahl sind mehrere Windungslagen eines Supraleiters 2 angeordnet. Ms Material für den Supraleiter kann NbT¹, das mit metallurgisch aufgebrachtem Kupfer versehtn ist, Nb₃Sn, das mit Kupfer oder Silber beschichtet ist. oder NbZr mit einer Kupferschicht verwendet werden. Zwischen den einzelnen Wicklungslagen sind Kühlstege 3 vorgesehen, die parallel zur Spulenachse liegen und durch die die Kühlkanäle 4 geformt werden. In die Kühlkanäle 4 dringt Kühlmittel, beispielsweise Helium, ein und kühlt in direktem Wärmeaustausch die Oberflächen der Supraleiter 2. Die Breite der Kühlsiege 3 ist wenigstens gleich der Dicke der Supraleiter 2 gewählt. Die Höhe der Kühlstege 3 liegt zwischen 0,1 und 0,2 mm. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kühlstegen und damit die Breite der Kühlkanäle ist so gewählt, daß ein Durchhängen der Supraleiter 2 vermieden wird. Die Kühlstege sind aus Kunststoff, beispielsweise aus Hostaphan, hergestellt.

In der Figur ist nicht gesondert dargestellt, daß die Supraleiter mit einer Schicht isolierenden Materials mit einer Schichtdicke von etwa 10 μΐη umgeben sind. Als isolierendes Material kann Formvar-Lack oder ein anderer für Tieftemperaturen geeigneter Lack aufgetragen werden. Die Schichtdicke ist so gewählt, daß einerseits der Wärmewiderstand praktisch nicht vergrößert und der Packungsfaktor kaum vermindert wird, daß aber andererseits eine Isolierung der Supraleiter 2 voneinander gewährleistet ist. Zwischen dem Spulenkörper 1 und der ersten Wicklungslage von Supraleitern 2 ist außerdem noch eine zusätzliche Isolationsschicht 5 vorgesehen, die beispielsweise eine Hostaphan-Folie sein kann.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform einer fto erfindungsgemäßen Magnetspule in einem Sektorausschnitt dargestellt. Kühlstege sind nur jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wicklungslagen von Supraleitern 2 vorgesehen. Die Kühlsteghöhc beträgt wiederum 0,1 bis 0,2 mm und die übrigen Abmessungen ^(lS der Kühlkanäle sind analog der Fig. 1 gewählt. Bei dieser Anordnung werden die Wicklungslagen von SuDraleitern 2 nur einseitig gekühlt. Zwischen direkt aufeinanderliegender! Wicklungslagen sind zur zusätzlichen elektrischen Isolation Kunststoffolien 6 angeordnet, die beispielsweise ebenfalls aus Hostaphan hergestellt sein können. Bei dieser Anordnung 1st der Packungsfaktor gegenüber der Anordnung nach F i g. 1 weiter vergrößert, wobei eine Verschlechterung der Kühlung experimentell nicht festgestellt werden konnte.

Zur Demonstration der Vorteils der erfindungsgemäßen Magnetspule ist in F i g. 3 die Draufsicht auf einen Sekiorausschnitt einer Magnetspule dargestellt, bei der eine direkte Kühlung von Wicklungslagen nur in begrenztem Umfange und unter Berücksichtigung der Meinung der Fachwelt verwirklicht ist. Es sind auf den Spulenkörper aufeinanderfolgend drei Wicklungslagen aus Supraleitern 2, eine Kupferfolie 8, sechs Wicklungslagen, eine zweite Kupferfolie 8, drei Wicklungslagen und dann erst Kühlstege 7 angeordnet. Nach diesen Kühlstegen 7 wiederholt sich das angegebene Wicklungsschema. Die Höhe der Kühlstege 7 beträgt etwa 0,6 mm Daher konnte bei diesem Spulentyp eine größere Anzahl von Kühlstegen 7 nicht untergebracht werden, um den Packungsfaktor der Spule nicht übermäßig zu verringern. In die von den Kühlstegen 7 geformten Kühlkanäle 4 kann Helium als Kühlmittel eindringen. Die Kupferfolien 8 sind vorgesehen, um eine Wärmeableitung auch bei den nicht direkt gekühlten Wicklungslagen zu erreichen. Nicht in der Zeichnung dargestellt sind Hostaphanfolien von ungefähr 15μηι Dicke, die zwischen jeweils direkt aufeinanderliegenden Wicklungslagen angeordnet sind.

In den Tabellen 1 und 2 sind Meßwerte angegeben, die einen direkten Vergleich zwischen einer Spule, die gemäß der Ausführungsform nach F i g. 2 gebaut ist. und einer Spule, die der F i g. 3 entspricht, gestatten.

Die in Tabelle 1 angegebenen Werte sind mit einer Spule gemäß Fig. 2 gewonnen, die einen Innendurchmesser von 50 mm und einen Außendurchmesser von 140 mm aufweist. Die Spule ist mit einem NbTi-Draht von 0,40 mm Durchmesser einschließlich Kupfer gewikkelt. der mit einer Lackisolation von 10 μ Dicke geschützt ist. Die Drahtlänge beträgt ca. 3,8 km. die Anzahl der Wicklungslagen ist 43. Es wurden 14 100 Windungen aufgebracht, was einer Wicklungsdichte von 462 cm ² entspricht. Zwischen jede zweite Wicklungslage wurden Hostaphanstege mit einer Dicke von 0,2 mm eingebracht, die 2 mm breit sind und deren gegenseitiger Abstand 2 mm beträgt. Zwischen benachbarten Wicklungslagen ist je eine Hostaphanfolie von 15μΐη Dicke angeordnet.

Die Abmessungen der Spule gemäß F i g. 3, mit der die Meßwerte der Tabelle 2 erhalten wurden, sind mit den Abmessungen der Spule für die Meßwerte der Tabelle 1 identisch. Es wurde für die Wicklungen der gleiche Draht verwendet. Die Drahtlänge beträgt 3,86 km und die Anzahl der Wicklungslagen ist 44. Es wurden 14 410 Windungen aufgebracht, was einer Wicklungsdichte von 501 cm ² entspricht. Die Wicklungsdichte ist also gegenüber der Spule, mit der die Werte der Tabelle 1 gewonnen sind, geringfügig erhöht. Das Wicklungsschema entspricht dem in der Fig. 3 aufgezeigten. Die Dicke der verwendeten Kühlstege ist 0,6 mm, ihre Breite und ihr gegenseitiger Abstand entspricht ebenfalls dem bei der für die Gewinnung der Meßwerte der Tabelle 1 benutzten Magnetspule.

Für die Messungen wurden beide Spulen auf ca. 4⁰K abgekühlt und erregt. Dabei wurde für jeden Meßpunkt die Stromstärke so lange erhöht, bis der Übergang der Magnetspule in den normalleiienden Zustand nachweis-

bar war. Die Stromstärke (hni) und das dabei gemessene Magnetfeld (H^_n) sind in den Tabellen 1 und angegeben.

Tabelle 1	*IkHl[A]*	Hkri, [kOe]	Tabelle 2	*lkni[A]*	Hkri,[kOc]
				29,4	33,7
	50,75	56,6	I	37,4	42,9
1	52,5	59,1	2	42.4	48,9
2	52,25	58,75	3	25	28,6
3	52,5	59.05	4	45,2	51,6
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Der Vergleich beider Tabellen ergibt, daß mit einer Magnetfeldspule, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, ein höheres Magnetfeld erzeugt werden kann. Besonders auffallend ist die Stabilität des Magnetfeldes, die der Tabelle 1 zu entnehmen ist. Dieses Magnetfeld ist nahezu eindeutig reproduzierbar; die bei verschiedenen Erregungen erzielten Felder schwanken nur um 5% Aus der Tabetic 2 hingegen ist zu entnehmen, daß hier die Schwankungen bis zu 100% betragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitungsmagnetspule, bei der ein Supraleiter in mehreren Windungslagen angeordnet ist und > zwischen Windungslagen durch Kühlstege geformte Kanäle für den Zutritt eines Kühlmittels vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Kühlstege (3)0,1 bis 0,2 mm beträgt

2. Supraleitungsmagnetspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (2) mit einer Schicht isolierenden Materials überzogen ist, deren Schichtdicke etwa 10 μπι beträgt

3. Supraleitungsmagnetspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Kühlstege (3) so angeordnet sind, daß jede Wicklungslage nur einseitig von Kühlmittel bespülbar ist

4. Supraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß als Supraleiter (2) NbTi mit metallurgisch aufgebrachtem Kupfer vorgesehen ist.

5. Supraleitungsmagnetspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Supraleiter (2) NbaSn vorgesehen ist, das mit Kupfer oder Silber beschichtet ist.