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Dokumentenidentifikation DE10065420C2 07.08.2003
Titel Flusspumpe mit Hochtemperatursupraleiter und damit zu betreibender supraleitender Elektromagnet
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Ries, Guenter, Dr., 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 27.12.2000
DE-Aktenzeichen 10065420
Offenlegungstag 11.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse H01F 6/00
IPC-Nebenklasse H01F 36/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flusspumpe des Gleichrichter-Typs mit HTc(Hochtemperatur) supraleitenden Schaltern und einen mit dieser Flusspumpe zu betreibenden HTc -supraleitenden Elektromagneten.

Zum Beispiel für die Kernspin-Tomographie sind hohe Magnetfelder mit dazu auch hoher zeitlicher Konstanz der jeweiligen Magnetfeldstärke erforderlich. Hierfür sind Elektromagnete mit supraleitenden Spulen entwickelt worden. Schon seit Jahrzehnten sind solche Spulen bekannt, die aus Tieftemperatur- (LTc-)Supraleitermaterial wie Niob-Zinn oder Niob-Titan bestehen. Zu betreiben sind solche Magnete im Temperaturbereich vorzugsweise von etwa 4 K Temperatur und bis maximal 13 K.

Seit etwa einem Jahrzehnt sind auch supraleitende Materialien des Hochtemperatur-Typs (HTc-Supraleiter) bekannt, die bis über Temperaturen der flüssigen Luft, d. h. bei Temperaturen kleiner als 77°K supraleitend sind. Es sind auch bereits Elektromagnete mit HTc-supraleitender Spule hergestellt worden, die für hohe Magnetfelder z. B. bis zu Temperaturen kleiner etwa 40 K verwendbar sind. Diese niedrigere Betriebstemperatur beruht darauf, dass die HTc-Stromtragfähigkeit dafür verwendeter HTc-Supraleiter-Materialien, z. B. Wismutcuprate wie (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 und Bi2Sr2CaCu2O8 und Seltenerdcuprate RE Ba2Cu3O7 mit RE = Nd, Gd, Sm, Er, Y, nur bis zu einer von der Höhe des herrschenden Magnetfeldes abhängig begrenzten jeweiligen Betriebstemperatur ausreichend ist.

Ein einmal in einer solchen supraleitenden Spule eines Magneten erzeugter und fließender Kurzschluss-Supraleitungsstrom hält im Idealfall andauernd an. Um einen solchen supraleitenden Strom in eine Supraleiterspule einzuspeisen, wird z. B. eine als Flusspumpe bekannte Einrichtung verwendet. Eine solche Flusspumpe ist z. B. bekannt aus "Study of Full-Wave Superconducting Rectifier-Type Flux-Pumps" in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 32 (1996) pp. 2699-2702, aus "On Fully Superconducting Rectifiers and Flux Pumps", Cryogenics, Mai 1991, Seiten 262-275 und aus US 5757257.

Der soweit genannte Stand der Technik bezieht sich ausschließlich auf Supraleiter des Tieftemperatur (LTc-)Typs, d. h. auf Materialien, wie z. B. des genannten Nion-Zinns und Niob-Titans. In Fig. 1 eines Beispiels einer Flusspumpe 2 des Gleichrichtertyps des Standes der Technik (aus IEEE Transactions oder auch der US 5757257) ist mit 11 die supraleitende Spule mit LTc-Supraleiter eines Elektromagneten 111 bezeichnet, wie er z. B. für die schon erwähnte Kernspin- Tomographie bekanntermaßen verwendet wird. Mit 12 ist eine Stromquelle bezeichnet, die die elektrische Energie liefert, mit der der Aufbau des in der Spule 11 im Betrieb des Elektromagneten fließenden Supraleitungsstroms bewirkt wird. Mit 13 ist ein Transformator mit einer Primärspule 113 und bei diesem Beispiel mit 2 in Reihe geschalteten Sekundärspulen 213 und 313 bezeichnet. Mit 15 und 16 sind zwei Schalter für das Schließen und Unterbrechen des im Stromkreis der jeweiligen Sekundärspule 213 bzw. 313 fließenden supraleitenden Stromes bezeichnet. Diese beiden Sekundärspulen und Schalter bestehen im Stand der Technik aus LTc- und in der noch zu beschreibenden Erfindung jedoch aus HTc-supraleitendem Material. Um als Transformator 13 wirken zu können, liefert die Stromquelle 12 generell bezeichnet einen Wechselstrom, d. h. einen Strom mit wiederkehrend aufeinanderfolgend entgegengesetzter Stromrichtung. Entsprechend dem Takt dieser Stromrichtungswechsel werden die Schalter 15 und 16, und zwar jeweils einander entgegengesetzt, geöffnet und geschlossen. Es erfolgt damit eine Gleichrichtung des durch die mit 20 und 21 bezeichneten Leitungen fließenden elektrischen Stromes. Dieser Strom ist der Speisestrom für die Spule 11 des Elektromagneten. Mit 23 ist eine bekannte, hier nicht näher ausgeführte, Sicherungseinrichtung zum Schutz der Flusspumpe 2 bezeichnet. Mit 25 ist ein Steuersystem für die Steuerung des Taktes der Wechsel des Speisestromes der Stromquelle 12 und der Schalter 15 und 16 bezeichnet.

In der bekannten Flusspumpe der Fig. 1 sind die Schalter 15 und 16 Tieftemperatur-(LTc-)Supraleiterschalter. Deren Zustände "Offen" und "Geschlossen" sind durch die Zustände des in ihnen enthaltenen Leitermaterials "supraleitend" oder "normalleitend" gegeben. Der supraleitende Zustand liegt bei entsprechend tief abgekühltem Zustand vor. Durch Erwärmen des jeweiligen Schalterelements wird dieses in den normalleitenden Zustand, der einem geöffneten Schalter entspricht, umgewandelt. Diese Umwandlung ist reversibel.

In wie bekannter Weise durch periodisches Umschalten der Schalter 15 und 16 kann die Spule 11 des Elektromagneten bzw. deren Stromkreis mit supraleitendem Strom sukzessive aufgeladen wird, so dass entsprechend sukzessive in der Spule 11 des Elektromagneten ein korrespondierendes Elektromagnet- Gleichfeld hoher Magnetfeldstärke bzw. hohen Magnetflusses erzeugt wird, das bei aufrechterhaltener Supraleitung permanent ist. In weitem Maße gilt diese Permanenz für die LTc- Supraleitung und die dafür verwendeten, schon oben angegebenen Materialien. Zum Beispiel ein einmal aufgeladener Supraleiter-Elektromagnet beispielsweise eines Kernspin- Tomographen hält seine Magnetfeldstärke über lange Zeit so konstant, dass mit diesem Magnetfeld die extrem hohen Anforderungen an Konstanz des Feldes für Kernspin-Tomographie eingehalten werden. Ein Nachladen ist z. B. erst nach etwa 100 Stunden erforderlich, vorausgesetzt dass keine technischen Mängel oder betriebsmäßige Fehler vorliegen.

Für supraleitende Magnetspulensysteme ist auch schon die Anwendung von Hochtemperatur-HTc-Supraleiter-Materialien vorgeschlagen worden, so in US 5757257 und in EP 0561552 A2. Beide Druckschriften beschreiben spezielle Schalter mit derartigem Supraleiter-Material. Es handelt sich dort jedoch - anders als bei der Erfindung - stets um Kurzschlussschalter, mit denen bei aufgeladener Supraleiter-Magnetspule deren für die Aufrechterhaltung des erzeugten Magnetfeldes notwendiger interner Stromfluss außen kurzgeschlossen wird. Diese Schalter werden dieser Funktion entsprechend dort nur in großen Zeitabständen (Tagen und länger) jeweils einmal, nämlich zu Anfang und zu Ende des Aufladevorganges der Magnetspule, geschaltet und bleiben dementsprechend längerzeitig supraleitend und damit auf tiefen Temperaturen gehalten. Diese bekannten Kurzschluss-Schalter sind dort mit Dünnfilmtechnik, d. h. mit einem HTc-Supraleiter-Dünnfilm, aufgebaut. An ihre dortige bestimmungsgemäße Verwendung angepasst, nämlich der Zeitfolge der Aufladezyklen entsprechend, werden diese durch Wärmezufuhr sperrend zu schaltenden Schalter jeweils nur relativ kurzzeitig mit Wärmezufuhr beaufschlagt.

Bei diesen bekannten Kurzschluss-Schaltern ist für deren Einstellung bzw. deren Betriebsverhalten dort als wesentlich die Ausbildung und Bemessung des Gehäuses der Schalterstrecke ausgewählt. Ausgewählt bemessen sind dort insbesondere die im jeweiligen Gehäuse der Schalter vorgesehenen Einlass- und Auslassöffnungen, nämlich für gesteuerten Kühlmitteldurchfluss durch das Innere des Gehäuses bzw. gesteuerte Kühlmittelverdrängung aus diesem Gehäuse. Das Vorhandensein dieses Gehäuses und deren Öffnungen sowie eines Kühlmittelfluids, das durch diese Öffnungen hindurchströmt, ist für diesen bekannten Schalter somit zwingend.

Die Grundprinzipien der bekannten Flusspumpe mit Tieftemperatur-Supraleiter, z. B. Niobzinn, gemäß der obengenannten DE 34 05 310 A1, haben für die bei der Erfindung vorgesehene Verwendung von Hochtemperatur-Supraleiter-Material nur noch sekundär eingeschränkte Gültigkeit. Es sind für erfindungsgemäße Projekte und Vorrichtungen mit solchen Materialien vielfach besondere oder andersartige Bedingungen und Umstände zu berücksichtigen, die noch aus der weiteren Beschreibung hervorgehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine erfindungsgemäß verwendete Flusspumpe, und zwar für deren in raschem Takt zwischen leitend und sperrend und umgekehrt umschaltenden Schaltern, eines Supraleiter-Elektromagneten für hochkonstantes Magnetfeld die Maßnahmen anzugeben, mit denen die entsprechenden Vorrichtungen mit HTC-Supraleiter-Material in vorteilhafterweise realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und Weiterbildung geben die Unteransprüche an.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipbild eines bekannten Schaltungsaufbaues, wie er auch bei der vorliegenden Erfindung in Betracht kommt.

Fig. 2 zeigt eine Variante zur Gleichrichterschaltung der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Ansicht und als Schnitt I-I' einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgeführten Flusspumpe mit dem Elektromagnet in einem gemeinsamen Kryostaten.

Fig. 4 zeigt im Detail eine Ausführungsform für einen solchen erfindungsgemäßen Schalter der Gleichrichterschaltung der Flusspumpe.

Fig. 5 zeigt ein Betriebsdiagramm.

In der Fig. 1 ist für die Flusspumpe 2 eine auch als Zweiweg-Gleichrichtung mit zwei Sekundärspulen bezeichnete Schaltung gezeigt. An deren Stelle kann für die Erfindung auch eine ebenfalls als gleichrichtend wirkende Brückenschaltung verwendet werden, wie sie aus der Elektrotechnik, dort mit Dioden, generell bekannt ist und hier als eine vorgesehene Ausführung für die Erfindung in Fig. 2 gezeigt ist. Mit der Fig. 1 wenigstens im wesentlichen übereinstimmende Einzelheiten dieser Brückenschaltung der Fig. 2 haben dieselben, bereits definierten Bezeichnungen. Mit 115 und 116 sind die zwei zusätzlichen Schalter der insgesamt vier Schalter umfassenden Brückenschaltung bezeichnet. Bei dieser Schaltung bedarf es nur einer Sekundärspule 213 des Transformators 13.

Eine Maßnahme der Erfindung ist, wenigstens die supraleitende Spule 11 des Elektromagneten und die zugehörige Flusspumpe mit deren Schaltern im Vakuumraum eines und desselben Kryostaten 100 anzuordnen. Damit ist nur noch eine Kälte- Versorgungseinrichtung und nur ein Kryostatgefäß erforderlich.

Für die die oben angegebene Aufgabe lösende vorliegende Erfindung gemäß Patentanspruch 1 und deren Weiterbildung gemäß den Unteransprüchen ist z. B. eine zu berücksichtigende besondere Bedingung diejenige, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit supraleitender Flusspumpe und supraleitendem Elektromagneten, erfindungsgemäß mit HTC-Supraleiter-Material für vorteilhafterweise höhere Betriebstemperaturen ausgerüstet ist und dazu derart ausgeführt sein muss, dass mit der Flusspumpe ein Nachladen des Elektromagneten im Abstand auch von jeweils wenigen Sekunden ausgeführt werden kann. Dies ist erforderlich, weil für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit HTC-Supraleiter-Material die geforderte Konstanz der Magnetfeldstärke des Magneten innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenze nur mit derart kurzfristig aufeinander folgendem Nachladen einzuhalten ist. Dies beruht im wesentlichen auf dem Austausch des bekanntermaßen verwendeten LTC-Supraleiter- Materials gegen das erfindungsgemäß verwendete HTC- Supraleiter-Material. Auch ist zu berücksichtigen, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit HTC-Supraleiter- Material die Flusspumpe und der Magnet bei vorteilhafterweise höherer Temperatur, beide aber bei verschiedenen Temperaturen zu betreiben sind, die Flusspumpe z. B. nahe unterhalb 77 K und der Elektromagnet im Bereich von etwa 20 bis 40 K.

Für die erfindungsgemäße Lehre ist vorgesehen, für die eine oder mehreren Sekundärwicklungen des Transformators HTc- supraleitende Leiter, auf der Basis von Bi2212-, Bi2223- Bandleitern, diese in Silbermatrix ausgeführt, und/oder YBa- CuO-Leiter auf metallischem Trägerband als bevorzugte Beispiele vorzusehen. Es können auch andere HTc-Supraleiter- Materialien und auch solche als Draht verwendet werden. Für die Primärwicklung des Transformators kann ebenfalls HTc- Supraleitermaterial verwendet werden, es genügt aber für diese Spule auch Kupferdraht, der bei tiefen Temperaturen, z. B. bei 77 K, sogar sehr hohe spezifische Leitfähigkeit hat, jedoch nachteiligerweise Joul'sche Verlustwärme erbringt. Als Windungsverhältnis von Primärspule zu jeweiliger Sekundärspule ist ein Verhältnis sehr viel größer als 1, vorzugsweise größer etwa 100 bis 1000, zu wählen. Der vorzugsweise zu verwendende Transformatorkern besteht insbesondere aus geblechtem Eisen, einem anderen weichmagnetischen Material oder ist ein Ferrit. Es kann auch ein Trafo mit lediglich Luftspulen verwendet werden.

Die Fig. 3 zeigt in einem gemeinsamen Kryostaten 100 eine erfindungsgemäße Anordnung, bestehend im wesentlichen aus der supraleitenden Spule 11 des Elektromagneten 111 und der Flusspumpe 2 mit der Schalteranordnung 15, 16 und dem Transformator 13 mit der Primärspule 113 und den Sekundärspulen 213 und 313. Die Primärspule und die Sekundärspulen sind ineinandergewickelt dargestellt. Das Bezugszeichen 12 weist auf die Speise-Stromquelle hin. Mit 413 ist eine Sondenspule bezeichnet, mit der der Magnetfluss im hier vorgesehenen Kern des Transformators 13 überwacht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel für einen bei der Erfindung verwendeten Schalter zeigt die Fig. 4. Für einen Schalter 15, 16, 115, 116 ist HTc-Supraleiter-Material, und zwar dieses als vorzugsweise 0,2 bis 2 µm dicker Dünnfilm 41 mit hoher Stromtragfähigkeit von mindestens 106, vorzugsweise größer 107 A/cm2, vorgesehen. Vorzugsweise geeignete HTc-Materialien sind REBaCuO mit RE = einem Seltenerdmetall Nd, La, Dd, Eu, Sm etc. oder Yttrium. Ebenso geeignet sind auch Bi2212-, Bi2223- oder LaSr-CuO. Der Dünnfilm 41 ist vorzugsweise bei polykristallinem Substrat auf einer elektrisch isolierenden, kristallin ausgerichteten Pufferschicht 42' aufgebracht. Diese Pufferschicht 42' kann z. B. nach dem bekannten IBAD- Verfahren (Jijima, Appl. Phys. Lett. 60 (1990) S. 769) abgeschieden sein. Diese Pufferschicht dient insbesondere der biaxialen kristallinen Ausrichtung bzw. Texturierung des auf ihr abzuscheidenden, oben genannten Dünnfilms 41. Der Dünnfilm 41 bzw. die Pufferschicht 42', auf der der Dünnfilm 41 abgeschieden wird, ist auf einem z. B. 0,1 bis 0,05 mm dünnen, schlecht wärmeleitenden, elektrisch nicht leitenden Substrat 42 aufgebracht. Hierfür eignet sich polykristallines ZrO, MgO, Glas usw. Bei einkristallinem Substrat, wie z. B. SrTiO3, MgO, kann die Pufferschicht auch weggelassen werden. Ergänzend kann auf dem Supraleiter-Dünnfilm 41 vorbeschriebener Art noch eine elektrisch-normalleitende Schutz- und/oder Shunt-Schicht 43 aus Au, Ag, Cu usw. aufgebracht sein. Mit 44 sind Anschlüsse bezeichnet, die in einem lateralen Abstand voneinander auf dem z. B. Dünnfilm 41 des HTc-Supraleiter- Materials, dieses niederohmig, z. B. durch Lotverbindung, kontaktierend, aufgebracht sind. Sie dienen zur Zuführung und Abführung des durch den Schalter, d. h. durch den Dünnfilm in lateraler Richtung zwischen diesen Anschlüssen 44 hindurchfließenden, zu schaltenden elektrischen Stroms.

Ein jeweiliger wie voranstehend beschriebener Aufbau ist für einen jeweiligen Schalter 15, 16, 115, 116, im wesentlichen in lateraler Richtung streifenförmig, ausgeführt. Ein einem jeweiligen Schalter entsprechender solcher streifenförmiger Aufbau 41 bis 44 befindet sich auf einer vorzugsweise für alle vorhandenen Schalter 15, 16, 115, 116 vorgesehenen gemeinsamen Grundplatte 45. Diese besteht aus einem gut wärmeleitenden Material wie z. B. Kupfer. Vorzugsweise ist aber zwischen diesem Schichtaufbau 41 bis 43 und dessen Auflagefläche der Grundplatte 45 noch eine Schicht oder ein Belag 46 auf der Grundplatte vorgesehen. Diese Schicht bzw. dieser Belag besteht aus einem hinsichtlich seines Wärmeleitvermögens ausgewähltem und in seiner Dicke bemessenen Material. Dieses Material kann z. B. vorzugsweise faserverstärkter Kunststoff (GFK) oder dgl., jedoch notwendigerweise tieftemperaturbeständiges, Material sein. Der Aufbau 41 bis 43 kann mittels Kleber oder mittels eines Fettes auf der Grundplatte 45, bzw. dem Belag 46, aufgebracht sein. In allen Fällen ist wichtig, dass ein ausgewählt definiert bemessener Wärmewiderstand zwischen der Grundplatte 45 und dem darüber liegenden Aufbau 41 bis 43 vorhanden ist, damit das Arbeiten des jeweiligen Schalters gewährleistet ist.

Die Grundplatte 45 wird im Betrieb auf niedriger Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur Tc des für den Dünnfilm 41 vorgesehenen HTc-Supraleiter-Materials gehalten. Damit wird erreicht, dass dieser HTc-Dünnfilm 41 ohne weiteres Zutun im supraleitenden Zustand gehalten ist. In diesem Zustand fließt supraleitender Strom zwischen den Anschlüssen 44 durch den Dünnfilm 41, d. h. der betreffende Schalter 15 oder 16, 115, 116 ist "geschlossen".

Dort wo physikalisch im Dünnfilm 41 des Schalters das Schalten, d. h. das Unterbrechen des andernfalls fließenden Stromes erfolgen soll, ist ein Heizer 48, z. B. in Form einer Folie aus einem für Heizer geeigneten Material, auf dem Dünnfilm 41 bzw. auf der ggf. über dieser befindlichen Shunt-Schicht 43aufgebracht. Dieser Heizer 46 wird über seine Anschlussleitungen 47 mit Stromimpulsen gespeist, deren erzeugte Joul'sche Wärme das darunterliegende Supraleitermaterial des Schalters aus dem Zustand der Supraleitung in resistiven, widerstandsbehafteten Zustand bringt, nämlich wenigstens nahe an oder über die Sprungtemperatur Tc für diejenige Zeitdauer aufheizt, innerhalb derer dieser Schalter geöffnet sein soll.

Die Fig. 4 umfasst noch ein Diagramm. In diesem ist die X- Achse die laterale Richtung in der Dünnschicht 41. Auf der Ordinate ist die Temperatur aufgetragen. Mit Tc ist die Sprungtemperatur des HTc-Supraleiter-Materials der Dünnschicht 41 eingetragen. Die Betriebstemperatur der Grundplatte 45 liegt etwa auf der Höhe des Wertes T0. Zum Beispiels ist dies die Betriebstemperatur der Magnetspule im Kryostaten. Die in der Fig. 4 angegebene Kurve 141 zeigt wenigstens angenähert den Temperaturverlauf innerhalb des HTc- Supraleiter-Materials des Dünnfilms 41, und zwar in der lateralen Richtung zwischen den beiden Anschlüssen 44 und im Zustand bzw. der Phase des geöffneten Schalters. Wie ersichtlich, ist in diesem Zustand die Temperatur im Dünnfilm 41 im Bereich unterhalb des Heizers 48 auf Werte oberhalb der Sprungtemperatur Tc erhöht, und zwar durch Wärmezufuhr entgegen der Abkühlung durch die Grundplatte 45. Nach jeweiligem Wiederausschalten des durch den Heizer 46 hindurchfließenden, die Schalterstrecke 146 aufheizenden elektrischen Stromes kann sich die Schalterstrecke 146 wieder auf Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur Tc abkühlen. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass in der Schalterstrecke 146 während der normalleitenden Phase des dort befindlichen supraleitenden Materials des Dünnfilms in diesem Material Joul'sche Wärme eines durch den Schalter hindurchfließenden, dort normalleitenden Ohmschen Stromes erzeugt wird. Diese ist dem Abkühleffekt entgegenwirkend und muss dementsprechend quantitativ berücksichtigt werden.

Für die vorliegende Erfindung wird nachfolgend eine weitere Betriebsart hinsichtlich der Schalter angegeben.

Anstelle wie vorangehend beschrieben, den Heizer 48 während der geöffneten Phase des Schalters andauernd in Betrieb zu halten, ist als Weiterbildung der Erfindung eine alternative Betriebsweise anwendbar. Diese besteht darin, den Heizer 48 nach Art eines Trigger-Vorgangs jeweils mit einem vergleichsweise zur Dauer der Schalterphase nur kurzzeitigen Stromimpuls zu beaufschlagen. Die mit einem solchen Stromimpuls im Heizer erzeugte Joul'sche Wärme ist so bemessen, dass diese die Schalterstrecke für entsprechend kurze Zeit auf Temperaturen oberhalb der Sprungtemperatur Tc aufheizt. Im Bereich der Schalterstrecke 146 des Dünnfilms 41 herrscht jetzt zunächst kurzzeitig von außen extern erzwungene Normalleitung des Materials mit einem Widerstand R, verbunden mit dem Auftreten von Joul'scher Wärme U2/R (U = an dem Bereich 146 anliegende in den Sekundärspulen der Gleichrichterschaltung induzierte elektrische Spannung), nämlich bewirkt durch den dann weiterhin und abhängig von dieser Spannung noch zwischen den Anschlüssen 44 fließenden Ohm'schen Reststrom. Mit Bemessung der Wärmeableitung zwischen dem Dünnfilm 41 und der Grundplatte 45 im Bereich des Schalters lässt sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeabfuhr in die Grundplatte und auftretender Joul'scher Wärme des Reststromes im in diesem Falle dann offenen bzw. unterbrochenen Schalters erreichen. Es stellt sich dann ein selbststabilisierter Zustand der Sperrung des ansonsten bei geschlossenem Schalter zwischen den Anschlüssen 44 und durch die Spule 11 hindurch fließenden elektrischen Stromes ein.

Dieser vorteilhaft selbststabilisierte Zustand der Funktion "geöffneter Schalter" wird beendet durch wesentliches Absinken der Stromstärke des erwähnten Reststromes. Dieser Zustand tritt immer dann ein, wenn auf der Primärseite des Transformators 13 die Stromeinspeisung derart ist, dass in dem Transformatorkern die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses dφ/dt für ein Zeitintervall τ gegen Null geht, d. h. im Zeit- Intervall konstanter Stromamplitude des Primärstroms in dem Transformator. In diesem Zeitintervall geht auch die im Transformator und in der Gleichrichterschaltung induzierte Sekundärspannung am geöffneten Schalter auf den Wert Null. Dadurch wird der Reststrom und die von ihm in der Schalterstrecke erzeugte Joul'sche Wärme so gering, dass jetzt die Wärmeabfuhr überwiegt, womit die Schalterstrecke unter die Sprungtemperatur abkühlt und die Selbststabilisierung abreißt. Die Schalterstrecke gelangt dadurch wieder in supraleitenden Zustand und der betreffende Schalter ist wieder geschlossen, nämlich bis ein nächster triggernder Heizimpuls gegeben wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist somit außer der für einschlägige Flusspumpen notwendigen Synchronisation der primärseitigen Stromeinspeisung mit dem Takt des Betriebs der Schalter der Gleichrichterschaltung außerdem noch die Form des primären Wechselstroms bzw. der Wechselstrom-Impulsanregung diesem speziellen Betrieb der Schalter anzupassen. Bezüglich dieser Anpassung sei noch auf die nachfolgenden Ausführungen zur Fig. 5 hingewiesen.

Es wird damit das Ziel erreicht, die gespeicherte Energie in und die Wärmeableitung aus der bei Temperaturen oberhalb der Sprungtemperatur widerstands-behafteten Schalterstrecke 146 möglichst klein zu halten bzw. klein zu bemessen, um die Abkühlzeit vom widerstands-behafteten Zustand in den (wieder) supraleitenden Zustand zu minimieren. Dadurch kann die Flusspumpe im Zyklus mit hoher Zyklusfrequenz betrieben werden, und zwar dies ohne ein großes Maß solcher thermischer Energie in den kalten Arbeitsbereich des Kryostaten bei Ausführung der wiederholten Schaltvorgänge einzubringen.

Mittels der Flusspumpe 2 wird der Elektromagnet 111 durch Stromzufuhr aus der Stromquelle 12 aufgeladen. Hierzu sei auch auf die Fig. 5 hingewiesen. Diese zeigt in ihren Zeilen A bis F die nachfolgend beschriebenen Vorgänge. Die Vorgänge der linken Hälfte der Fig. 5 betreffen das vollständige Aufladen des Elektromagneten. Die dazu rechte Hälfte der Fig. 5 bezieht sich auf die Vorgänge des Nachladens zur Kompensation zeitlich aufgetretener Verluste, d. h. die Vorgänge zur zeitlichen Stabilisierung des Magnetfeldes des Elektromagneten 111.

Die Zeile A der Fig. 5 zeigt einen für eine Flusspumpe der Erfindung beispielhaften zeitlichen Verlauf des durch die Speisung des Transformators 13 in dessen Kern erzeugten Magnetfluss φ. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Eine zeitliche Änderung des Magnetflusses φ bewirkt auf der Sekundärseite einen jeweiligen Spannungsimpuls gemäß der Zeile B an der jeweiligen Sekundärspule 213, 313. In dem Stromkreis der Sekundärspule, z. B. 213, mit leitend geschaltetem Schalter, z. B. Schalter 15, fließt dann ein Strom. Dieser führt zu einem Stromanstieg des Stromes in der Magnetspule 11 gemäß der Stufenkurve der Zeile C. Die in Zeile A darauffolgende zeitliche Flussänderung führt wieder zu einem Spannungsimpuls auf der Sekundärseite des Transformators, und zwar zu einem Impuls mit entgegengesetztem Vorzeichen, wie Zeile B zeigt. Entsprechend der Funktion der Gleichrichterschaltung mit nunmehr geschlossenem Schalter 16 fließt nun ein Strom durch die Sekundärspule 313 und dies führt, wie Zeile C zeigt, zu einer weiteren Aufladung des Stromflusses in der Magnetspule 11. Wie für Flusspumpen bekannt, wird dieser Vorgang bis zum endgültigen Aufladen der Magnetspule 11 auf die Stromstärke fortgesetzt, mit der diese Magnetspule 11 ihr vorgegebenes hohes Magnetfeld erreicht.

Im zeitlichen Ablauf der vorangehend dargelegten Vorgänge ist abwechselnd einmal der Schalter 15 des einen Zweiges und einmal der Schalter 16 des anderen Zweiges der Gleichrichterschalter für Stromdurchfluss geschlossen, d. h. in supraleitendem Zustand. Der z. B. bei Stromdurchfluss durch den Schalter 15 zeitgleich gesperrte Schalter 16 ist gemäß Zeile D bis auf oder über die Sprungtemperatur Tc des Materials des Dünnfilms 41 erwärmt und damit, bis auf einen erwähnten Reststrom sperrend geschaltet.

Für die Ausführungsform der Erfindung ohne Nutzung des selbststabilisierenden Effekts wird der Heizer 46 für die gesamte Zeitdauer des jeweiligen Impulses der Zeile B, - einmal in dem einen Schalter 15 und einmal in dem anderen Schalter 16 - wie oben ausgeführt mit Heizstrom gespeist, um in dessen jeweiliger Schalterstrecke 146 im Dünnfilm 41 eine die Sprungtemperatur Tc übersteigende Temperatur zu erreichen und für die Dauer des Öffnens des Schalters aufrechtzuerhalten.

Für die Ausführungsvariante der Erfindung mit selbststabilisiertem Effekt der Schalter zeigt die Zeile D' der Fig. 5 die Folge der oben erwähnten Stromimpulse für das triggerartige Ingangsetzen des jeweiligen Öffnen des Schalters 15 bzw. 16. Die einzelnen Stromimpulse der Zeile D' führen jeweils zunächst zu einen Anstieg auf wenigstens die Sprungtemperatur Tc. Dieses führt zu dem oben erwähnten Auftreten des Ohmschen Reststromes mit seiner dann diesen Zustand selbststabilisierenden Joul'schen Wärme für den weiterhin sperrenden Zustand des jeweiligen Schalters. Insbesondere aus den Zeilen A und D ist die Bedeutung des zwischen zwei aufeinanderfolgenden zeitlichen Magnetflussänderungen gemäß Zeile A vorgesehenen Zeitintervalles τ mit wenigstens angenähert konstantem Magnetfluss φ zu ersehen. In diesem Zeitintervall liegt an beiden Sekundärspulen des Transformators praktisch keine elektrische Spannung an und damit ist in diesen - auch bei geschlossenem jeweiligen Schalter 15, 16 - kein induktiv erregter Stromfluss vorhanden. Dies führt zu dem oben beschriebenen zeitlichen Abbruch bzw. Abreißen des durch den geöffneten Schalter fließenden Reststromes und damit des selbststabilisierenden Effekts, durch den der jeweilige Schalter 15, 16 wieder in supraleitenden Zustand des Dünnfilms 41 zurückkehren, d. h. seine Temperatur auf die Temperatur T0 zurückfallen kann, wie dies die Zeile D zeigt.

Mit der Erfindung erreicht man minimale Wärmeabgabe beim Schalten, ohne die Pulsfrequenz des Nachladens unzulässig verringern zu müssen.

Die Zeile E zeigt den Primärstrom im und Zeile F die Primärspannung am Transformator 13 bzw. der Primärspule 113 des Transformators 13.

Die rechte Seite der Fig. 5, die die zeitliche Stabilisierung der Magnetfeldstärke des Elektromagneten 111 betrifft, unterscheidet sich vom Aufladevorgang der linken Hälfte der Fig. 5 darin, dass die Vorzeichenwechsel des Primärstromes bzw. des magnetischen Flusses im Transformator 13 zeitlich gestreckt vorgesehen sind, nämlich so, wie das Wiederaufladen erforderlich ist, wie dies aus der Zeile C, rechte Hälfte, zu ersehen ist.

Das Aufladen des Elektromagneten 111 bzw. das Nachladen desselben für zeitliche Konstanz seines Magnetfeldes erfolgt nach Fig. 5 hier durch Einstellen der Impulsfrequenz und/oder der Impulsamplitude und entsprechende Steuerung der Schalter der Gleichrichterschaltung der Flusspumpe. Die Pulsfrequenz kann vorzugsweise durch bzw. mit einem Regelkreis vorgegeben werden.

Der Regelkreis umfasst z. B. Maßnahmen zur periodischen NMR- Feldmessung im bzw. am Magneten. Festgestellt wird z. B. die Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert der NMR-Frequenz. Die auftretende Differenz wird wieder ausgeglichen durch entsprechend proportionale Änderung der Pulsfrequenz, mit der die Flusspumpe am Eingang, d. h. an der Primärspule 113 des Transformators 13 angesteuert wird.

Als alternative Maßnahme zum Erreichen einer Feldstabilisierung kann im Bereich, in dem die erforderliche Tieftemperatur herrscht, diese Abweichung auch durch eine Strommessung oder mit einem Hall-Sensor ermittelt werden und wiederum in korrigierte Pulsfrequenz umgesetzt werden.

Entsprechend den dargelegten Vorgängen der Fig. 5 kann ein einmal aufgeladener Elektromagnet 111 in sinngemäß reversibler Weise mittels der Flusspumpe, diese also in umgekehrter Richtung arbeitend, wieder entladen werden. Hierbei wird bei gleichem Pulsschema jeweils der Schalter geöffnet, der beim Aufladen geschlossen ist und umgekehrt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, Flusspumpe 2 und Magnet 111 vorteilhafterweise zusammen in einem gemeinsamen Kryostaten anzuordnen. Die Temperatur in diesem Kryostaten kann auf die für den Elektromagneten 111 vorgesehenen Temperaturwert, z. B. den oben genannten Wert T0 eingestellt werden, nämlich so bemessen, dass das HTc-Supraleiter-Material der Spule 11 des Magneten die erforderliche Stromtragfähigkeit im erzeugten Magnetfeld hat. Es kann dann vorgesehen sein, dass die Grundplatte 46 der Schalteranordnung auch auf einer höheren Temperatur, diese jedoch unterhalb der Temperatur Tc des Supraleiter-Materials, gehalten werden. Davon abhängig ist die erforderliche Heizleistung des Heizers 46 des Schalters (Fig. 4) und die Bemessung des Wärmeübergangsvermögens vom Dünnfilm 41 zur Grundplatte 46. Bezugszeichenliste 2 Flusspumpe

11 supraleitende Spule

111 Elektromagnet

100 Kryostat

12 Stromquelle

13 Transformator

131 Kern des Transformators

113 Primärspule

213, 313 Sekundärspule

413 Sondenspule

15, 16; 115, 116 Schalter

20, 21 Leitungen

23 Sicherungseinrichtung

25 Steuerung

41 Dünnfilm

42 Substrat

42' Isolatorschicht

43 Schutz-/Shunt-Schicht

44 supraleitende Anschlüsse

45 Grundplatte

141, 141' Temperaturkurve

46 Belag

47 Anschlussleitungen

48 Heizer

146 Schalterstrecke

τ Zeitintervall


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung mit einer Supraleiter-Flusspumpe (2) mit einem Transformator (13) mit sekundärseitig wenigstens einer supraleitenden Spule (213, 313) in der sekundärseitigen Gleichrichterschaltung der Flusspumpe mit wenigstens einem durch Wärmezufuhr steuerbaren (25), supraleitenden Schalter (15, 16; 115, 116), diese Pumpe vorgesehen zur Stromeinspeisung (21, 22) in eine supraleitende Spule (11) eines Elektromagneten (111), dadurch gekennzeichnet, dass zusammen mit der supraleitenden Spule (11) die Flusspumpe (2) mit ihren Schaltern (15, 16; 115, 116) sich im Vakuum eines Kryostaten (100) befinden und die jeweilige sekundärseitige Spule (213, 313) des Transformators (13) aus einem HTc-Supraleitermaterial besteht und als jeweiliger in der Flusspumpe vorgesehener Schalter (15, 16; 115, 116) für das Ausführen der Pumptakte der Stromeinspeisung ein solcher vorgesehen ist, dessen Schalterstrecke (146) als Streifen eines Dünnfilms (41) aus ebenfalls einem HTc-Supraleitermaterial auf einem Belag (46) aus Kunststoffmaterial oder einem Fett, dieser wiederum auf einem Substrat (42) befindlich, ausgeführt ist, das wiederum sich auf einer Grundplatte (45), diese aus wie Kupfer gut wärmeleitendem Material bestehend, vorgesehen ist, wobei zu dieser Schalterstrecke (146) in wärmeleitendem Kontakt benachbart ein steuerbar (25) zu betreibender Heizer (48) angeordnet ist und wobei für das Substrat (42) ein vergleichsweise schlecht wärmeleitendes Material, wie polykristallines ZrO2 oder Glas ausgewählt ist, so dass diese gezielte Auswahl des Aufbaus mit Grundplatte (45), Belag (46), Substrat (42) und deren Bemessungen das für die Flusspumpe erforderliche rasche Umschalten der supraleitenden Schalter (15, 16; 115, 116) der Flusspumpe erforderliche Wärme-Ableitvermögen aus dem Dünnfilm (41) in die Wärmesenke der Grundplatte (45) erzielt ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die getroffene Wahl und Bemessung für einen jeweiligen Schalter (15, 16; 115, 116) im gesteuerten Zustand der Sperrung des Stromflusses in der Schalterstrecke (146) jeweils zeitbegrenzt ein durch die getroffene Bemessung dieses Wärmeableitvermögens selbststabilisierter Zustand dieser Sperrung eintritt, der jeweils infolge des Nulldurchgangs der periodischen primären Stromeinspeisung beendet wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Belag (46) aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnfilm (41) im Bereich der Schalterstrecke (146) 0,2 bis 2 µm dick bemessen ist.
  5. 5. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer (48) des jeweiligen Schalters (15, 16; 115, 116) zum jeweiligen Öffnen des Schalters zunächst mit einem zur Zeitdauer dieser Schalterphase vergleichsweise zeitlich kurzen Heizimpuls für nachfolgend selbststabilisierten Schalterzustand angesteuert wird und dieser Zustand erst das durch Absinken des Reststromes beendet wird.






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