DE3839309C2

DE3839309C2 -

Info

Publication number: DE3839309C2
Application number: DE19883839309
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. 8520 Erlangen De Schnapper
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-11-21
Filing date: 1988-11-21
Publication date: 1991-03-28
Also published as: DE3839309A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kryosystem mit einem auf Tieftemperatur befindlichen, zur Aufnahme eines kryogenen Me diums dienenden Behälter, der von einem auf vergleichsweise höherer Temperatur liegenden, evakuierbaren Gehäuse umgeben ist, wobei zwischen dem Tieftemperaturbehälter und dem Vakuum gehäuse mindestens ein Strahlungsschild angeordnet ist, der auf einer Zwischentemperatur zwischen der Temperatur des Tieftempe raturbehälters und der des Vakuumgehäuses gehalten ist. Ein entsprechendes Kryosystem ist z. B. aus der Veröffentlichung "Advances in Cryogenic Engineering", Vol. 25, 1980, Seiten 489 bis 499 zu entnehmen.

Derartige Kryosysteme lassen sich beispielsweise für Einrich tungen mit tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden Magnet wicklungen vorsehen. Bei diesen Wicklungen kann es sich z.B. um die Grundfeldspulen von Magnetsystemen zur Kernspintomographie oder um die rotierenden Erregerwicklungen von elektrischen Ma schinen handeln. Auch tiefgekühlte, insbesondere supraleitende Kabelleitungen erfordern entsprechende Kryosysteme. Aus Gründen einer Begrenzung einer Wärmeeinleitung in den Tieftemperatur bereich einer derartigen Einrichtung muß nämlich deren Tief temperaturbehälter von der wärmeren Umgebung möglichst gut iso liert werden. Zu diesem Zweck wird der Tieftemperaturbehälter im allgemeinen von einem Hochvakuum umgeben und nur an mög lichst dünnen, wenig wärmeeinleitenden Halteelementen innerhalb eines entsprechenden Vakuumgehäuses aufgehängt oder abgestützt.

Darüber hinaus besteht bei derartigen Kryosystemen die Forde rung, den auf Wärmestrahlung zurückzuführenden Wärmestrom von Umgebungstemperatur auf Tieftemperatur möglichst gering zu hal ten. Hierzu sind mehrere Maßnahmen bekannt, die zum Teil auch kombiniert angewandt werden. So kann z. B. die Wärmestrahlungs leistung dadurch vermindert werden, daß man eine die Wärme strahlung abgebende und/oder eine diese Strahlung aufnehmen de Oberfläche aus einem Material mit einem geringen Emissions koeffizienten herstellt. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise Aluminium oder Gold. Ferner läßt sich auch die Wärmestrahlung durch mindestens einen Strahlungsschild, auch als Kälteschild bezeichnet, weiter vermindern. Entsprechende Schilde bestehen im allgemeinen aus einem thermisch gut lei tenden Material und werden mit Hilfe von schlecht-wärmeleiten den Stützelementen in dem Zwischenraum zwischen der warmen Wand eines Vakuumgehäuses und der kalten Wand eines Tieftemperatur behälters gehalten. Besonders wirksam sind Strahlungsschilde, die mit einem Kühlmittel auf einer Zwischentemperatur zwischen der Temperatur des Tieftemperaturbehälters und der des Vakuum gehäuses liegen.

Eine besondere Variante von ungekühlten Strahlungsschilden stellt eine sogenannte Superisolation dar. Diese Isolation besteht aus einer Vielzahl von Folien, die wenigstens auf einer Seite eine Schicht aus einem Material mit einem geringen Emissionskoeffizienten enthalten. Mehrere Ausführungsformen einer solchen Superisolation sind z. B. aus der eingangs ge nannten Veröffentlichung "Adv. Cryog. Engng." bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Kryosystem der eingangs ge nannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Wärmeeinlei tung in den Tieftemperaturbereich aufgrund von Wärmestrahlung weiter reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tieftemperaturbehälter unmittelbar oder mittelbar auf seiner dem Strahlungsschild zugewandten Außenseite mit einer Schicht versehen ist, welche zumindest teilweise ein supraleitendes Material mit einer hohen Sprungtemperatur enthält, die über der Zwischentemperatur des Strahlungsschildes liegt.

In den letzten Jahren sind metalloxidische supraleitende Ma terialien bekannt geworden, die wesentlich höhere kritische (Sprung-)Temperaturen T_c besitzen als die "klassischen", nur mit flüssigem Helium (LHe) kühlbaren Supraleiter. Da die Sprung temperaturen dieser sogenannten Hoch-T_c-Materialien insbeson dere über der Verflüssigungstemperatur des Stickstoffs bei 77 K liegen können, ist nunmehr im Gegensatz zu den "klassischen" Supraleitern eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff (LN₂) möglich.

Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt nun die Erkenntnis zu grunde, daß mit einer Beschichtung der Außenseite des Tief temperaturbehälters mit einem derartigen supraleitenden Hoch- T_c-Material die Wärmeeinstrahlung in den Tieftemperaturbereich im Vergleich zu bisher bekannten Ausführungsformen deutlich verringert werden kann.

Zwar ist in der eingangs genannten Veröffentlichung "Adv. Cryog. Engng." vermerkt, daß die zum Zeitpunkt der Veröffent lichung bekannten "klassischen" supraleitenden Materialien wie z.B. Nb₃Sn im Idealfall sehr langwellige Infrarotstrahlung gut reflektieren können. Hierzu wird aber in der Veröffentlichung vorausgesetzt, daß die abstrahlende Oberfläche (eines Strah lungsschildes) auf einer Temperatur von weniger als etwa 15 K gehalten werden muß. Demgegenüber ermöglichen die erfindungs gemäßen Maßnahmen vorteilhaft wesentlich höhere Zwischentempe raturen eines Strahlungsschildes, so daß nunmehr vorzugsweise eine Kühlung dieses Schildes mit LN₂ vorgesehen werden kann.

Nach der bekannten Theorie für Supraleiter (BCS-Theorie) und dem sogenannten Wienschen Gesetz können Supraleiter im Ideal fall Wärmestrahlung vollständig reflektieren, die von einer Oberfläche mit einer Temperatur T₀ abgestrahlt wird. Nach den in der eingangs genannten Veröffentlichung "Adv. Cryog. Engng." angegebenen Formeln ist die Oberflächentemperatur T₀ von der kritischen Temperatur T_c eines Supraleiters mittels folgender Beziehung abhängig:

k = Bolzmann-Konstante = 1,38 · 10^-23 J/K
h = Plancksche Konstante = 6,626 · 10^-34 J · s
c = Lichtgeschwindigkeit = 2,998 · 10⁸ m/s

Das heißt, ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur T_c von unge fähr 90 K wie z. B. aus dem bekannten Stoffsystem Y-Ba-Cu-O könnte im Idealfall eine Wärmestrahlung vollständig reflek tieren, die von einer Oberfläche mit der Temperatur T₀ von weniger als 89 K abgestrahlt wird. Dieser Idealfall einer vollständigen Infrarot-Absorption bzw. Infrarot-Reflexion ist jedoch nur dann annähernd zu erfüllen, wenn erfindungsgemäß der Supraleiter wesentlich kälter als seine kritische Temperatur gehalten wird. Hierbei ist auch zu beachten, daß ein Magnet feld im Supraleiter normalleitende Bereiche erzeugt und die Reflexion beeinträchtigt (vgl. z. B. die Veröffentlichung "Super conductivity", Vol. 1, New York, 1969, Verl. M. Dekker Inc., Ed. R. D. Parks, Seiten 210 bis 219). Auch wenn aus diesem Grunde eine vollständige Reflexion der Wärmestrahlung in der Praxis nicht ganz zu erreichen ist, wird mit Hilfe der erfindungsge mäßen Maßnahmen doch die Wärmestrahlung in den Tieftemperatur behälter entscheidend verringert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kryosystems gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 und 2 jeweils schematisch ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kryo system veranschaulicht ist.

Das in Fig. 1 nur angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete, ortsfeste oder transportable Kryosystem enthält einen Tief temperaturbehälter 3, der aus einem metallischen Werkstoff oder auch aus einem Nicht-Metall wie beispielsweise aus einem Kunst stoff besteht. Der Behälter dient vorzugsweise zur Aufnahme eines kryogenen, z. B. tiefsiedenden Mediums M wie z. B. flüssi gen Heliums (LHe), flüssigen Wasserstoffs (LH₂) oder flüssigen Neons (LNe). Gegebenenfalls kann aber auch das kryogene Medium gasförmig sein. Es ist beispielsweise zur Kühlung einer in der Figur nicht dargestellten, insbesondere supraleitenden Wicklung einer elektrischen Maschine oder eines stationären Magneten vorgesehen. Daneben kann der Tieftemperaturbehälter 3 auch als rohrförmige Innenleitung eines tiefzukühlenden, insbesondere supraleitenden Kabels gestaltet oder für andere Anwendungs zwecke ausgelegt sein.

Aufgrund des kryogenen Mediums M nimmt der Tieftemperaturbehäl ter 3 zumindest weitgehend dessen Temperatur an und kühlt damit eine Schicht 4, die auf seiner Außenseite 5 thermisch an ihn gekoppelt ist, auf eine mit T_t bezeichnete Tieftemperatur. Diese Schicht 4 soll aus einem supraleitenden Material mit hoher kritischer Temperatur T_c bestehen oder zumindest dieses Material enthalten. Hierfür geeignete supraleitende Materialien sind allgemein bekannt und insbesondere den oxidkeramischen Stoffsystemen Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O zuzu rechnen. Diese Stoffsysteme weisen supraleitende Phasen mit Sprungtemperaturen T_c über 90 K auf. Vorteilhaft wird für den Behälter 3 und damit auch für die supraleitende Schicht 4 eine Tieftemperatur T_t eingestellt, die wesentlich niedriger als die kritische Temperatur T_c des supraleitenden Materials liegt. Vorteilhaft sollte gelten:

T_t < 0,5 · T_c.

Der Tieftemperaturbehälter 3 ist in bekannter Weise von einem Strahlungsschild 7 umgeben, der insbesondere aus thermisch gut-leitendem Material besteht. Der Schild 7 wird vorteilhaft auf einer Temperatur T_z gehalten, die unterhalb der Sprung temperatur T_c des supraleitenden Materials liegt. Vorteilhaft sollte gelten:

T_z < 0,98 · T_c.

Beispielsweise kann der Strahlungsschild mit LN₂ auf etwa 77 K gekühlt sein. Die hierfür erforderlichen Kühlmittelleitungen sind in der Figur nicht dargestellt. Der Tieftemperaturbehälter 3 sowie der ihn umgebende Strahlungsschild 7 befinden sich außerdem wie üblich in einem Hochvakuum 8, das innerhalb eines Vakuumgehäuses 9 ausgebildet ist. Das Vakuumgehäuse liegt dabei auf einer vergleichsweise höheren Temperatur T_r als der Strah lungsschild 7, beispielsweise auf Raumtemperatur.

Die supraleitende Schicht 4 kann auf dem Tieftemperaturbehäl ter 3 direkt aufgebracht sein. Hierzu wird sie beispielsweise unmittelbar auf der Außenseite 5 des Behälters ausgebildet, wo bei die Außenseite gegebenenfalls zuvor mit einer für die Aus bildung des supraleitenden Materials geeigneten Substratschicht versehen werden kann. Vorteilhaft ist es auch möglich, die supraleitende Schicht zunächst unabhängig von dem Tieftempe raturbehälter z. B. auf einer Folie aus einem geeigneten Sub stratmaterial auszubilden und dann die beschichtete Folie nach träglich an der Außenseite 5 des Tieftemperaturbehälters zu befestigen, z. B. anzukleben.

Neben einem solchen direkten Aufbringen der supraleitenden Schicht 4 auf den Tieftemperaturbehälter 3 gemäß Fig. 1 ist es auch möglich, einen mit einer Superisolation ummantelten Tief temperaturbehälter zu verwenden und diesen mit dem supralei tenden Hoch-T_c-Material zu beschichten. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 2 angedeutet, wobei eine Fig. 1 entspre chende Darstellung gewählt ist. Dabei sind mit Fig. 1 überein stimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Dementsprechend ist gemäß Fig. 2 der Tieftemperaturbehälter 3 eines Kryosystems 10 von einer Superisolation 11 umgeben. Diese Superisolation besteht in bekannter Weise aus mindestens einer, vorzugsweise aber aus mehreren Lagen von Superisolationsfolien 12. Zumindest die äußerste der Lagen der Superisolation 11 ist auf ihrer dem wärmeren Strahlungsschild 7 zugewandten, auf der Tieftemperatur T_t befindlichen Außenseite 14 mit einer Schicht 15 aus dem supraleitenden Hoch-T_c-Material versehen. Diese Schicht 15 kann entsprechend der Schicht 3 des Kryosystems 2 nach Fig. 1 ausgebildet werden. Die weiteren Lagen der Super isolation 11 zwischen dem Tieftemperaturbehälter 3 und der äußersten, mit dem supraleitenden Material versehenen Lage haben hauptsächlich die Aufgabe, im Falle eines Eindringens von Luft in den Hochvakuumraum 8 zu verhindern, daß die Luft allzu schnell am Tieftemperaturbehälter 3 kondensieren kann. Auf diese Weise kann eine unerwünschte, zu große Wärmeeinleitung bei einem entsprechenden Störfall vermieden werden.

Claims

1. Kryosystem mit einem auf Tieftemperatur befindlichen, zur Aufnahme eines kryogenen Mediums dienenden Behälter, der von einem auf vergleichsweise höherer Temperatur liegenden, eva kuierbaren Gehäuse umgeben ist, wobei zwischen dem Tieftempe raturbehälter und dem Vakuumgehäuse mindestens ein Strahlungs schild angeordnet ist, der auf einer Zwischentemperatur zwi schen der Temperatur des Tieftemperaturbehälters und der des Vakuumgehäuses gehalten ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Tieftemperaturbehälter (3) un mittelbar oder mittelbar auf seiner dem Strahlungsschild (7) zugewandten Außenseite (5, 14) mit einer Schicht (4, 15) ver sehen ist, welche zumindest teilweise ein supraleitendes Ma terial mit einer hohen Sprungtemperatur enthält, die über der Zwischentemperatur (T_z) des Strahlungsschildes (7) liegt.

2. Kryosystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die mit der supraleitenden Schicht (4, 15) versehene Außenseite (5, 14) sich auf einer Tieftemperatur T_t befindet, für die gilt: T_t < 0,5·T_c,wobei T_c die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials ist.

3. Kryosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Strahlungsschild (7) auf einer Zwischentemperatur T_z gehalten ist, für die gilt: T_z < 0,98·T_c,wobei T_c die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials ist.

4. Kryosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tieftemperaturbehälter (3) mit einer Superisolation (11) aus mindestens einer Lage einer Superisolationsfolie (12) ummantelt ist und daß auf der Außenseite (14) dieser Superisolation (11) die supraleitende Schicht (15) ausgebildet ist (Fig. 2).

5. Kryosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (4, 15) auf der gegebenenfalls mit einem Substratmaterial be schichteten Außenseite (5, 14) direkt ausgebildet ist.

6. Kryosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (4, 15) auf einer Folie ausgebildet ist, die auf der Außenseite (5, 14) angebracht ist.

7. Kryosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die supraleitende Schicht (4, 15) ein oxidkeramisches Supraleitermaterial vor gesehen ist, dessen Sprungtemperatur (T_c) oberhalb der Ver flüssigungstemperatur des Stickstoffs liegt.