DE3635266A1 - Zuleitungsdurchfuehrung fuer supraleitende vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Zuleitungsdurch­ führung für supraleitende Vorrichtungen, insbesondere zum Anschluß einer in einer Kryoanlage befindlichen supralei­ tenden Vorrichtung an die Außenseite.

Es ist eine konventionelle elektrische Zuleitungsdurch­ führung für supraleitende Vorrichtungen bekannt, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt und z. B. in der offengelegten JP-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 52-1 44 676 beschrieben ist. Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Teil der konventionellen elektrischen Zuleitungsdurchführung, wobei sich der obere Abschnitt auf einer Normaltemperaturseite und der untere Abschnitt auf einer Kryotemperaturseite be­ findet. Die gezeigte konventionelle Zuleitungsdurchführung enthält mehrere Zuleitungen 1, die in einem Zuleitungsge­ häuse 2 aufgenommen sind, das aus einem Metallrohr besteht, dessen Innenfläche mit eimer Isolierschicht 3 versehen ist, um zwischen den Zuleitungen 1 und dem Zuleitungsgehäuse 2 eine elektrische Isolierung zu erhalten. Die Zuleitungen 1 sind von elektrisch leitfähigen Scheiben 4 gehalten, die mit ihrem ringförmigen Außenrand durch die Isolierschicht 3 an der Innenfläche des Zuleitungsgehäuses 2 befestigt sind. Jede elektrisch leitfähige Scheibe 4 weist mehrere erste kleine Durchgangslöcher 5, in die die Zuleitungen 1 so eingeführt sind, daß sie von den Scheiben 4 abgestützt sind, sowie mehrere zweite kleine Durchgangslöcher 6 zum Durchtritt eines Kälteträgergases wie Helium in das Zulei­ tungsgehäuse 2 auf, wobei das Kälteträgergas aus einem in einem Kälteträgertank (nicht gezeigt) unter dem Zuleitungs­ gehäuse 2 enthaltenen Kryo-Kälteträger verdampft wird.

Bei der vorstehend angegebenen Konstruktion wird Kälte­ trägergas, z. B. Tieftemperaturhelium, das aus dem bei Kryotemperaturen im Kälteträgertank (nicht gezeigt) unter dem Zuleitungsgehäuse 2 enthaltenen Kryokälteträger ver­ dampft, nach oben durch die zweiten Löcher 6 in den Schei­ ben 4 geleitet und führt in den Zuleitungen 1 erzeugte elektrische Widerstandswärme sowie aus dem Normaltempera­ turabschnitt über dem Zuleitungsgehäuse 2 eingeführte Lei­ tungswärme ab. Dadurch, daß der elektrische Widerstand der Zuleitungen 1 umso geringer wird, je niedriger ihre Tempe­ ratur ist, sind die Leiter 1 so ausgebildet, daß ihr Ge­ samtquerschnitt von der Normaltemperaturseite (dem oberen Ende in Fig. 5) zur Kryotemperaturseite (dem unteren Ende in Fig. 5) hin abnimmt, wodurch die Wärmeleitung von der Normaltemperaturseite zur Kryotemperaturseite durch die Zuleitungen 1 verringert und dadurch die gesamte Wärmeüber­ tragung aus elektrischer Widerstandswärme und Leitungswärme durch die Zuleitungen 1 minimiert wird.

Bei einer so ausgebildeten konventionellen Zuleitungsdurch­ führung ist die größte Querschnittsfläche der Zuleitungen 1 an ihrer wärmeren Seite insbesondere im Fall einer Zulei­ tungsdurchführung für kleinen Nennstrom begrenzt, und somit ist es schwierig bzw. nahezu unmöglich, die Querschnitts­ fläche der Zuleitungen 1 an ihrer Kryotemperaturseite wei­ ter zu verkleinern. Außerdem ist der Kühlwirkungsgrad des verdampften Kälteträgergases, z. B. Helium, im Zuleitungs­ gehäuse 2 relativ zu den Zuleitungen 1 durch die Quer­ schnittsfläche der Zuleitungen 1 bestimmt, so daß eine Verringerung der Querschnittsfläche der Zuleitungen 1 zu einem verminderten Kühlwirkungsgrad führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Beseiti­ gung der vorgenannten Probleme unter Schaffung einer neuen und verbesserten elektrischen Zuleitungsführung für eine supraleitende Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei sich diese Zuleitungsdurchführung insbesondere für kleine Nennströme eignet und die Gesamtquerschnittsfläche der Zu­ leitungen in einem Zuleitungsgehäuse von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin ohne Schwierigkeiten verringert und dabei gleichzeitig der Kühlwirkungsgrad hinsichtlich der Leiter erheblich verbessert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine elektrische Zuleitungsdurchführung für supraleitende Vor­ richtungen vorgesehen, mit einem Kälteträgertank für einen Kryokälteträger, mit einer in dem Kälteträgertank angeord­ neten supraleitenden Vorrichtung und mit einem Zuleitungs­ gehäuse, das am Kälteträgertank befestigt und mit dessen Innenraum zur Einleitung von aus dem Kryokälteträger ver­ dampftem Kälteträgergas verbunden ist, gekennzeichnet durch in dem Zuleitungsgehäuse angeordnete und von einer Normal­ temperaturseite zu einer Kryotemperaturseite verlaufende Zuleitungen zum elektrischem Anschluß der supraleitenden Vorrichtung an die Außenseite, wobei die Zuleitungen so ausgebildet sind, daß ihre Gesamtquerschnittsfläche von der Normal -zur Kryotemperaturseite hin abnimmt, und die Zulei­ tungen aus jeweils isolierten Einzeldrähten gebildet sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekenn­ zeichnet durch eine auf dem Zuleitungsgehäuse befestigte Anschlußklemmeneinheit, wobei die Zuleitungen eine Mehrzahl Zuleitungen jeweils unterschiedlicher Länge umfassen, die mit ihren einen Enden an die Anschlußklemmeneinheit ange­ schlossen sind, während die kürzeren Zuleitungen mit ihren anderen Enden mit der längsten Zuleitung elektrisch ver­ bunden sind.

In diesem Fall können die Zuleitungen an mehreren Stellen entlang der längsten Zuleitung miteinander elektrisch ver­ bunden werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Isolierblöcke vorgesehen, die entlang der längsten Zulei­ tung an den mehreren Stellen, an denen die Zuleitungen mit­ einander verbunden sind, so angeordnet sind, daß sie die Verbindungsstellen der Zuleitungen umschließen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Anzahl Einzeldrähte von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Durchmesser jedes Einzeldrahts von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 eine bevorzugte Ausführungsform der elektri­ schen Zuleitungsdurchführung für eine supra­ leitende Vorrichtung, wobei Fig. 1 im Querschnitt eine Seitenansicht der Zuleitungsdurchführung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Zuleitungen von Fig. 1 und

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt einer Zuleitung darstellen;

Fig. 4 eine Grafik von Vergleichs-Kennlinien, die jeweils die Beziehung zwischen der auf einen Kryoabschnitt übertragenen Wärme und dem durch die Leiter fließenden elektrischen Strom wie­ dergeben;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen wesentlichen Teil einer konventionellen Zuleitungsdurch­ führung für eine supraleitende Vorrichtung; und

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 5.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 werden zunächst bevor­ zugte Ausführungsformen der Zuleitungsdurchführung be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Zuleitungsdurchführung für eine supraleitende Vorrichtung, mit einem zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 in Form eines Metallrohrs, das in vertikaler Lage mit seinem Unterende an einem Kälteträger­ tank 17 befestigt ist, in dem sich ein Kryokälteträger 18, z. B. flüssiges Helium, befindet und in den eine supralei­ tende elektrische Vorrichtung, z. B. eine supraleitende Spule (nicht gezeigt), eingebaut ist. Das zylindrische Zu­ leitungsgehäuse 14 ist mit seinem offenen Unterende in den Kälteträgertank 17 eingesetzt und endet an einer Stelle über dem flüssigen Kälteträger 18 im Kälteträgertank 17, und sein Oberende ist durch eine damit verschraubte Ans­ chlußkappe 15 verschlossen.

Im zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 sind Zuleitungen 11 angeordnet, die mit ihren Oberenden an Anschlußklemmen an der Anschlußkappe 15 befestigt sind und sich von dort nach unten erstrecken, wobei ihr einziges gemeinsames Unterende an einer Zuleitung 16 befestigt ist, die zu einer Kryovor­ richtung, z. B. einer supraleitenden Spule (nicht gezeigt), im Kälteträgertank 17 führt. Wie Fig. 1 zeigt, nimmt die Anzahl Zuleitungen 11 stufenweise von vier auf der Normal­ temperaturseite (dem Oberende in Fig. 1) auf eine auf der Kryotemperaturseite (dem Unterende i Fig. 1) ab, d. h. die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 verringert sich von der Normal- zur Kryotemperaturseite, wodurch die Wärme­ leitung durch die Zuleitungen 11 von der Normal- zur Kryo­ temperaturseite hin verringert wird.

Die Zuleitungen 11 im zylindrischen Zuleitungsgehäuse 14 sind wie folgt ausgebildet: Wie aus den Fig. 2 und 3 her­ vorgeht, besteht jede Zuleitung 11 aus mehreren verseilten Drähten, z. B. Kupferdrähten, die jeweils eine elektrische Isolierschicht aufweisen und miteinander verdrillt sind. Die Zuleitungen 11 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Länge, und die kürzeren, die mit ihren Oberenden an ent­ sprechenden Anschlußklemmen der Kappe 15 befestigt sind (Fig. 1), sind an Mittenabschnitten und/oder ihren Unter­ enden mit der längsten Zuleitung durch Löten verbunden, wobei die Isolierschichten entfernt sind (Fig. 2), so daß die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt. Diejenigen Abschnitte der Zuleitungen 11, die z. B. durch Löten mit­ einander verbunden sind, sind von Isolierblöcken 12 um­ schlossen, so daß sie gegenüber dem Zuleitungsgehäuse 14 elektrisch isoliert sind.

Bei diesem Aufbau kann Kälteträgergas, z. B. Tieftempera­ turhelium, das aus dem bei Kryotemperaturen im Kälteträger­ tank 17 enthaltenen flüssigen Kälteträger, z. B. flüssigem Helium 18, verdampft und in das Zuleitungsgehäuse 14 strömt, ohne weiteres zwischen die jeweiligen Drähte 13 jeder Zuleitung 11 gelangen und dadurch die Leitungswärme, die von der Normal- zur Kryotemperaturseite durch die Zu­ leitungen 11 geleitet wird, sowie die durch den elektri­ schen Stromfluß durch die Zuleitungen erzeugte Widerstands­ wärme abführen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Gesamtbetrag der Leitungs- und der Widerstandswärme dadurch erheblich verringert wird, daß die Gesamtquer­ schnittsfläche der Zuleitungen 11 von der Normal-zur Kryo­ temperaturseite hin abnimmt, so daß die Wärmeleitung durch die Zuleitungen 11 verringert wird und der elektrische Widerstand der Zuleitungen 11 entsprechend ihrer abnehmen­ den Temperatur abnimmt.

Die Grafik von Fig. 4 zeigt Beziehungen zwischen der Stärke des durch die Zuleitungen 11 fließenden elektrischen Stroms (A) und der Wärmemenge (W), die durch die Zuleitungen 11 zu einem Kryotemperaturabschnitt oder dem Inneren des Kälte­ trägertanks 17 übertragen wird. Dabei bezeichnet eine Kurve a die vorgenannte Beziehung bei den konventionellen Zulei­ tungen 1, die jeweils aus einem Einzeldraht mit einem Durchmesser von 0,4 mm und einer darauf befindlichen Iso­ lierschicht entsprechend Fig. 5 bestehen; die Kurve b be­ zeichnet diese Beziehung im Fall der Zuleitungen 11, die jeweils aus 16 miteinander verdrillten Einzeldrähten be­ stehen, wobei jeder Einzeldraht einen Durchmesser von 0,1 mm hat und eine Isolierschicht aufweist. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Wärmeübertragungskennlinie der Zulei­ tungen 11 gegenüber derjenigen der konventionellen Zulei­ tungen 1 stark verbessert ist.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist zwar die Anschlußkappe 15 mit den Anschlußklemmen fluiddicht auf dem Oberende des Zuleitungsgehäuses 14 angeordnet; es kön­ nen aber auch andere Anschlußklemmen verwendet werden, wobei nur das Innere des Zuleitungsgehäuses 14 fluiddicht gegenüber der Außenseite sein muß. Bei der obigen Ausfüh­ rungsform wird ferner auf die Anwendung mit einer supra­ leitenden Spule Bezug genommen, sie ist jedoch auch mit anderen Arten von elektrischen Kryovorrichtungen anwendbar.

Die Zuleitungen 11 brauchen ferner nicht miteinander durch Löten verbunden zu sein, sie können auch durch andere Ver­ bindungsmittel miteinander elektrisch verbunden sein. Fer­ ner nimmt bei der erläuterten Ausführungsform die Anzahl Zuleitungen 11 stufenweise von der Normal- zur Kryotempera­ turseite hin ab, um dadurch die Gesamtquerschnittsfläche der Zuleitungen 11 in dieselbe Richtung zu verkleinern; es ist aber auch möglich, die Anzahl Einzeldrähte, die die Zuleitungen bilden, zu verringern oder den Durchmesser jedes Einzeldrahts von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin zu verringern, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten. Auch sind der verdrillte Aufbau und/oder die Anzahl Einzel­ drähte jeder Zuleitung nicht auf die erläuterte Ausfüh­ rungsform beschränkt, sondern können willkürlich gewählt oder geändert werden.

Wie vorstehend erläutert, ist jede der Zuleitungen, die eine supraleitende Vorrichtung auf Kryotemperatur mit der auf Normaltemperatur befindlichen Außenseite verbinden, aus mehreren jeweils isolierten Einzeldrähten gebildet, so daß der Kühlwirkungsgrad der Zuleitungsdurchführung durch ver­ dampftes Kälteträgergas stark verbessert wird; dadurch wird eine Zuleitungsdurchführung mit hohem Kühlwirkungsgrad ge­ schaffen, die insbesondere zum Einsatz bei niedrigen Nenn­ strömen geeignet ist.

Claims (6)

1. Elektrische Zuleitungsdurchführung für eine supralei­ tende Vorrichtung, mit
einem Kälteträgertank für einen Kryokälteträger; einer in dem Kälteträgertank angeordneten supraleitenden Vorrichtung; und
einem Zuleitungsgehäuse, das am Kälteträgertank befestigt und mit dessen Innenraum zur Einleitung von aus dem Kryo­ kälteträger verdampftem Kälteträgergas verbunden ist; gekennzeichnet durch in dem Zuleitungsgehäuse (14) angeordnete und von einer Normaltemperaturseite zu einer Kryotemperaturseite verlau­ fende Zuleitungen (11) zum elektrischen Anschluß der supra­ leitenden Vorrichtung an die Außenseite, wobei die Zulei­ tungen (11) so ausgebildet sind, daß ihre Gesamtquer­ schnittsfläche von der Normal- zur Kryotemperaturseite hin abnimmt, und die Zuleitungen aus jeweils isolierten Einzel­ drähten (13) gebildet sind.

2. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf dem Zuleitungsgehäuse (14) befestigte Anschluß­ klemmeneinheit (15), wobei die Zuleitungen eine Mehrzahl Zuleitungen (11) jeweils unterschiedlicher Länge umfassen, die mit ihren einen Enden an die Anschlußklemmeneinheit (15) angeschlossen sind, während die kürzeren Zuleitungen mit ihren anderen Enden mit der längsten Zuleitung elek­ trisch verbunden sind.

3. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (11) an mehreren Stellen entlang der längsten Zuleitung miteinander elektrisch verbunden sind.

4. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mehrere Isolierblöcke (12), die entlang der längsten Zulei­ tung an den mehreren Stellen, an denen die Zuleitungen (11) miteinander verbunden sind, so angeordnet sind, daß sie die Verbindungsstellen der Zuleitungen umschließen.

5. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Einzeldrähte (13) von der Normal- zur Kryo­ temperaturseite hin abnimmt.

6. Zuleitungsdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jedes Einzeldrahts (13) von der Normal­ zur Kryotemperaturseite hin abnimmt.