Supraleitende Strombegrenzereinrichtung mit Stromzuführung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strombegrenzerein richtung mit einem supraleitenden Spulenelement, einem Kryos- taten, innerhalb dessen das supraleitende Spulenelement ange ordnet ist, und wenigstens einer Stromzuführung zur Verbin dung des supraleitenden Spulenelements mit einem äußeren Stromkreis .

Aus dem Stand der Technik sind supraleitende Strombegrenzer einrichtungen bekannt, welche typischerweise ein oder mehrere supraleitende Spulenelemente aufweisen, die in einem Kryosta- ten auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der

Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials gekühlt werden. Diese Kryostaten isolieren also das tiefkalte Spulen element von der vergleichsweise warmen äußeren Umgebung. Bei spielsweise kann ein solcher Kryostat als Badkryostat ausge legt sein, welcher im Betrieb mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel gekühlt ist. Häufig handelt es sich bei dem Kühl mittel um flüssigen Stickstoff. Das supraleitende Spulenele ment ist dann typischerweise so innerhalb des Kryostaten an geordnet, dass es von dem kryogenen Kühlmittel umspült wird und so direkt von diesem gekühlt werden kann. Um das Kühlmit tel und somit indirekt das Spulenelement beim Betrieb dauer haft kalt zu halten, wird häufig ein Kaltkopf eingesetzt. Ein solcher Kaltkopf kann im Bereich der Außenwand des Kryostaten angeordnet sein und er kann dazu dienen, dass beim Betrieb der Strombegrenzereinrichtung verdampfende Kühlmittel wieder zu kondensieren. Der Kaltkopf kann beispielsweise wiederum durch einen außenliegenden Kompressorkreislauf auf die benö tigte kryogene Temperatur gekühlt werden. Die hierbei benö tigte Kälteleistung trägt nicht unerheblich zum Energiever brauch einer solchen Strombegrenzereinrichtung bei. Dies liegt vor allem daran, dass eine vorgegebene Kälteleistung im kryogenen Bereich der Einrichtung nur durch eine wesentlich höhere Leistung (insbesondere u.a. die Kompressorleistung) im warmen Teil der Einrichtung erreicht werden kann. Der Faktor zwischen der für die Kühlung aufgewendeten Leistung und der erreichten Kälteleistung kann beispielsweise bei etwa 25 lie gen: In einem solchen Fall muss dann 1 W erreichte Kälteleis tung durch den Einsatz von 25 W aufgewendeter Leistung im warmen Bereich der Einrichtung „erkauft" werden. In ungünsti gen Fällen kann dieser Faktor sogar noch wesentlich höher sein, beispielsweise sogar bei etwa 100.

Nachteilig bei den bekannten Strombegrenzereinrichtungen ist, dass durch elektrische Verluste in den Stromzuführungen ein relativ hoher Bedarf an Kühlleistung entsteht. Die Stromzu führungen werden benötigt, um das supraleitende Spulenelement der Strombegrenzereinrichtung mit einem äußeren Stromkreis zu verbinden. Hierzu müssen insbesondere elektrische Verbindun gen zwischen dem kryogenen Bereich der Einrichtung und der warmen äußeren Umgebung vorgesehen werden. Typische resistive Strombegrenzereinrichtungen sind für vergleichsweise hohe Nennströme im Bereich von einigen 100 A oder sogar mehreren kA ausgelegt. Um dem supraleitenden Spulenelement derart hohe Ströme zuführen zu können, sind die Stromzuführungen typi scherweise als Kupferleiter mit vergleichsweise hohem Quer schnitt realisiert. Durch die hohen Ströme und den ohmschen Widerstand der Kupferleiter wird dabei in den Stromzuführun gen beim Betrieb vergleichsweise viel Wärme freigesetzt.

Durch den oben beschriebenen ungünstigen Faktor muss dabei permanent eine entsprechende hohe Leistung für den Abtrans port dieser Wärme bereitgestellt werden. Dies führt nicht nur zu einem hohen Energiebedarf und hohen Betriebskosten, son dern erhöht auch den apparativen Aufwand bei der Dimensionie rung des Kühlsystems (also beispielsweise des Kaltkopfes und des äußeren Kompressors) .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Strombegrenzerein richtung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwin det. Insbesondere soll eine Strombegrenzereinrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei welcher die thermischen Ver- luste durch den Stromtransport in der Stromzuführung im Ver gleich zum Stand der Technik reduziert sind.

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Strombegrenzereinrichtung gelöst. Die erfindungsgemäße Strom begrenzereinrichtung weist ein supraleitendes Spulenelement und einen Kryostaten auf, innerhalb dessen das supraleitende Spulenelement angeordnet ist. Weiterhin weist sie wenigstens eine Stromzuführung zur Verbindung des supraleitenden Spulen elements mit einem äußeren Stromkreis und wenigstens eine Durchführung durch eine Außenwand des Kryostaten auf, durch welche die Stromzuführung geführt ist. Die Stromzuführung um fasst zumindest einen ersten Leitungsteil , der sich zwischen der Durchführung und dem supraleitenden Spulenelement er streckt, wobei dieser erste Leitungsteil zumindest ein erstes Leiterelement und ein zweites Leiterelement aufweist. Dabei ist das erste Leiterelement als normalleitendes metallisches Leiterelement ausgebildet, und das zweite Leiterelement ist als zu dem ersten Leiterelement parallelgeschaltetes supra leitendes Leiterelement ausgebildet.

Unter der Formulierung, dass sich der erste Leitungsteil zwi schen der Durchführung und dem Spulenelement erstreckt, soll verstanden werden, dass zumindest ein Teil der Strecke zwi schen Durchführung und Spulenelement elektrisch durch den ersten Leitungsteil überbrückt wird. Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass die ganze Strecke durch den ersten Leitungsteil überbrückt wird, sondern es können optional auf dieser Strecke auch noch ein oder mehrere dem ersten Lei tungsteil in Serie geschaltete weitere Leitungsteile vorlie gen und dabei weitere Teilstrecken der genannten Strecke elektrisch überbrücken.

Das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Strombegrenzer einrichtung ist also, dass zumindest auf einem Teil der Stre cke zwischen Durchführung und Spulenelement die Stromzufüh rung durch eine Parallelschaltung zwischen einem normallei tenden metallischen Leiterelement und einem supraleitenden Leiterelement gebildet wird. Der wesentliche Vorteil hiervon im Vergleich zu einer rein normalleitenden Stromzuführung liegt darin, dass zumindest im Bereich des beschriebenen ers ten Leitungsteils die thermischen Verluste beim Stromfluss durch die Stromzuführung reduziert sind. Diese Reduktion wird dadurch erreicht, dass innerhalb des ersten Leitungsteils der Stromfluss zumindest anteilig durch das parallelgeschaltete supraleitende Leiterelement übernommen wird. Wie hoch der von dem supraleitenden Leiterelement übernommene Anteil ist, hängt von der genauen Ausgestaltung des ersten Leitungsteils ab: unter anderem von dem Verhältnis der Querschnitte zwi schen erstem und zweitem Leiterelement, von dem gewählten Supraleitermaterial und insbesondere von der Betriebstempera tur und einem typischerweise vorhandenen Temperaturgradienten über die Länge der Stromzuführung. So ist es beispielsweise möglich, dass das zweite, also das supraleitende Leiterele ment nicht auf seiner ganzen Länge auf einer ausreichend niedrigen Betriebstemperatur vorliegt, welche unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials liegt. Zumindest auf einem Teil der Gesamtlänge wird jedoch die Sprungtemperatur unterschritten, denn zumindest das dem Spu lenelement zugewandte Ende der Stromzuführung soll sich auf einer ausreichend niedrigen kryogenen Betriebstemperatur be finden. Wesentlich für die Erfindung ist also, dass zumindest in diesem spulenseitigen Bereich der Stromzuführung ein deut licher Anteil des Betriebsstromes durch das supraleitende Leiterelement im ersten Leitungsteil der Stromzuführung über nommen werden kann. Da zumindest dieser Stromanteil in dem Supraleitermaterial annähernd verlustfrei fließt, sind die für diesen Stromanteil anfallenden thermischen Verluste ver nachlässigbar. Es folgt also, dass im Vergleich zu einer rein normalleitenden Stromzuführung die thermischen Verluste und somit auch die insgesamt beim Betrieb benötigte Kälteleistung vorteilhaft reduziert sind.

Der beschriebene Vorteil wird selbst dann realisiert, wenn die Stromzuführung nicht auf ihrer ganzen Länge ein supralei tendes Leiterelement aufweist. Er wird auch dann realisiert, wenn das vorhandene supraleitende Leiterelement nicht auf seiner ganzen Länge im supraleitenden Zustand ist (also bei einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur ist) . Ferner wird der beschriebene Vorteil auch dann realisiert, wenn der unterhalb der Sprungtemperatur betriebene Bereich des supraleitenden Leiterelements eine kritische Stromdichte aufweist, welche zu niedrig ist, um bei dem gegebenen Supra leiterquerschnitt den gesamten Betriebsstrom verlustfrei transportieren zu können. Selbst bei all den genannten Ein schränkungen wird nämlich trotzdem eine anteilige Übernahme des Stromflusses im supraleitenden Leiterelement und somit eine anteilige Reduktion der thermischen Verluste der Strom zuführung realisiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Stromzu führung einen zusätzlichen zweiten Leitungsteil auf, welcher normalleitend ist und welcher elektrisch in Serie mit dem ersten Leitungsteil geschaltet ist. Mit anderen Worten ist hierbei die Stromzuführung nicht auf ihrer gesamten Länge, sondern nur auf einem Teil ihrer Länge mit einem supraleiten den Leiterelement ausgestattet. Beispielsweise und besonders zweckmäßig kann der normalleitende Leitungsteil der Stromzu führung an dem vom supraleitenden Spulenelement abgewandten Ende der Stromzuführung angeordnet sein, denn dies ist typi scherweise das vergleichsweise warme Ende der Stromzuführung, in dem keine ausreichend niedrige Betriebstemperatur für ein supraleitendes Leiterelement vorliegt. Beispielsweise kann sich der normalleitende zweite Leitungsteil durch die Durch führung in der Außenwand des Kryostaten erstrecken, denn in diesem Bereich liegt typischerweise keine kryogene Betriebs temperatur mehr vor. Optional kann sich der zweite Leitungs teil zusätzlich auch noch in einem Teilbereich innerhalb des Kryostaten erstrecken. Er kann dann also beispielsweise einen Teil der Strecke zwischen Durchführung und Spulenelement überbrücken. Diese Ausführungsform ist dann zweckmäßig, wenn auch in einem solchen Teilbereich die Stromzuführung auf einer Temperatur liegt, welche noch oberhalb der Betriebstem peratur des verwendeten Supraleiters Materials ist. Dies kann beispielsweise innerhalb eines Badkryostaten der Bereich sein, der geodätisch oberhalb des Flüssigkeitspegels eines flüssigen kryogenen Kühlmittels liegt. Dieses Volumen kann beispielsweise durch verdampftes Kühlmittel ausgefüllt sein, welches sich auf einer höheren Temperatur befindet als das unterhalb des Flüssigkeitspegels liegende kondensierte Kühl mittel .

Bei Vorliegen eines solchen rein normalleitenden zweiten Lei tungsteils ist es nicht unbedingt erforderlich, dass dieser zweite Leitungsteil als separates Element ausgebildet ist: vielmehr ist es möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn der beschriebene normalleitende zweite Leitungsteil einstü ckig mit dem normalleitenden ersten Leitungselement des ers ten Leitungsteils ausgebildet ist. So kann beispielsweise ein Kupferstab auf einem Teil seiner Länge den rein normalleiten den zweiten Leitungsteil ausbilden (typischerweise am warmen Ende der Stromzuführung) und auf einem anderen Teil seiner Länge das normalleitende Leiterelement des ersten Leitungs teils ausbilden (typischerweise am kalten Ende der Stromzu führung) . Nur in diesem kälteren Bereich liegt dann zusätz lich noch wenigstens ein dazu parallelgeschaltetes supralei tendes Leiterelement vor.

Allgemein vorteilhaft kann sich der erste Leitungsteil über einen überwiegenden Teil der Weglänge zwischen der Durchfüh rung und dem supraleitenden Spulenelement erstrecken. In den Fällen, bei denen ein in Serie geschalteter rein normallei tender zweiter Leitungsteil vorliegt, kann also der erste Leitungsteil vorteilhaft zumindest den überwiegenden Anteil der genannten Strecke überbrücken. Dies bewirkt den Vorteil, dass hierbei eine deutliche Reduktion der thermischen Verlus te bewirkt werden kann, weil auf einer signifikanten Länge der Stromzuführung zumindest ein Teil des Stroms im supralei- tenden Leiterelement transportiert werden kann. Bei Ausfüh rungsformen mit einem Badkryostaten ist es besonders zweckmä ßig, wenn zumindest der unterhalb des Flüssigkeitspegels lie gende Teil der Stromzuführung durch den beschriebenen ersten Leitungsteil realisiert ist.

Allgemein vorteilhaft können innerhalb des ersten Leitungs teils das erste Leiterelement und das zweite Leiterelement flächig miteinander verbunden sein. Unter einer solchen flä chigen Verbindung soll insbesondere eine flächig elektrisch leitfähige Verbindung verstanden werden, welche die beiden parallel geschalteten Leiterelemente nicht nur punktuell, sondern auf ihrer gesamten Länge verbindet. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch die flächige Verbindung eine kontinuierliche und für jede Position optima le Aufteilung der Stromanteile zwischen dem normalleitenden ersten Leiterelement und dem supraleitenden zweiten Lei terelement ermöglicht wird. Wenn beispielsweise die Tempera tur des ersten Leitungsteils über die Länge variiert, können zum kalten Ende hinzunehmend größere Anteile des Stromtrans ports von dem supraleitenden Leiterelement übernommen werden. Die flächige elektrische Verbindung bewirkt, dass sich in je dem Teilbereich dieser Länge der zu transportierende Strom optimal zwischen dem normalleitenden Leiterelement und dem supraleitenden Leiterelement aufteilen kann. Hierdurch werden die thermischen Verluste möglichst weitgehend reduziert.

Vorteilhaft kann die flächige elektrische Verbindung so aus gestaltet sein, dass zumindest eines der beiden parallel ge schalteten Leiterelemente auf seiner ganzen Breite mit dem anderen Leiterelement verbunden ist. Wenn die Breiten der beiden Leiterelemente unterschiedlich gewählt sind, kann also insbesondere das schmalere Leiterelement auf seiner ganzen Breite mit dem breiteren Leiterelement verbunden sein. Insbe sondere können auch mehrere supraleitende Leiterelemente je weils auf ihrer gesamten Breite mit einem normalleitenden Leiterelement flächig verbunden sein. Die beschriebene flächige Verbindung zwischen erstem und zweitem Leiterelement kann beispielsweise durch eine Lötver bindung realisiert sein. Durch ein elektrisch leitfähiges Lot kann auf besonders einfache Weise eine elektrisch leitende flächige Verbindung realisiert werden. Alternativ ist es aber auch möglich, eine flächige elektrisch leitende Verbindung beispielsweise mit einem elektrisch leitfähigen Klebemittel zu realisieren. Gemäß einer weiteren Variante können die bei den verbundenen Leiterelemente auch flächig gegeneinander ge presst sein und dabei beispielsweise gegeneinander ver schraubt oder geklemmt sein. Bei einer solchen mechanischen Druckverbindung kann der Kontaktbereich zwischen den beiden verbundenen Leiterelementen optional durch eine zusätzliche elektrische Kontaktschicht ausgefüllt sein, beispielsweise durch eine Schicht aus leicht umformbarem und elektrisch leitfähigem Indium.

Allgemein vorteilhaft kann das erste Leiterelement des ersten Leitungsteils aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung gebildet sein. Bei der kupferhaltigen Legierung kann es sich insbesondere um Messing handeln. Die genannten Materialien sind besonders vorteilhaft, da sie eine hohe spezifische Leitfähigkeit aufweisen. So kann bei einem vergleichsweise geringen Leiterquerschnitt ein hoher Strom bei vergleichswei se geringen thermischen Verlusten transportiert werden. Al ternativ oder zusätzlich kann das erste Leiterelement als Ma terial auch Aluminium aufweisen, da dies ebenfalls eine ver gleichsweise hohe spezifische Leitfähigkeit besitzt. Die ge nannten Materialien sind ebenfalls besonders vorteilhaft als Materialien für den optional vorhandenen in Serie geschalte ten zweiten Leitungsteil geeignet.

Allgemein und unabhängig von der genauen Materialwahl kann das erste Leiterelement als Leiterelement mit einer Quer- schnittsfläche von wenigstens 10 mm ² ausgebildet sein. Eine derart hohe Querschnittsfläche ist zweckmäßig, damit zumin dest am warmen Ende des ersten Leitungsteils ein für den Be trieb der Strombegrenzereinrichtung ausreichend hoher Strom in dem normalleitenden Leiterelement transportiert werden kann. Bei hohen Betriebsströmen der Strombegrenzereinrichtung (insbesondere von einigen 100 A bis mehreren kA) ist es vor teilhaft, wenn die Querschnittsfläche des ersten Leiterele ments sogar bei wenigstens 50 mm ² liegt. Die genannten Werte für die Querschnittsfläche können insbesondere über die ge samte Länge des ersten Leiterelements realisiert sein. Zweck mäßig kann die Querschnittsfläche dabei über die Länge des ersten Leiterelements konstant sein, da dies die Herstellung vereinfacht .

Allgemein und unabhängig von Material und Querschnittsfläche kann das erste Leiterelement beispielsweise als stabförmiges Leiterelement vorliegen. Ein solcher Leiterstab kann bei spielsweise entweder massiv oder auch hohl ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist hier ein Leiterstab mit einem rechteckigen Querschnitt (also insbesondere ein Vierkant- Stab) , bei dem ein oder mehrere Hauptflächen des Leiterstabs flächig mit einem supraleitenden Bandleiter verbunden sein können. Das erste Leiterelement kann aber grundsätzlich auch als flexibler bandförmiger Leiter oder auch als Litzenleiter aus einer Vielzahl aus einzelnen miteinander verseilten Teil leitern ausgestaltet sein.

Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausge staltung des ersten Leiterelements kann das zweite Leiterele ment einen supraleitenden Bandleiter aufweisen. Ein solcher Bandleiter kann eine supraleitende Schicht auf einem bandför migen Substrat aufweisen. Ein solcher Bandleiter ist beson ders geeignet, um eine flächige elektrisch leitfähige Verbin dung zu dem normalleitenden ersten Leiterelement zu realisie ren. Außerdem sind heutzutage supraleitende Bandleiter mit einer hohen Leiterqualität und insbesondere einer hohen kri tischen Stromdichte bei vergleichsweise hohen Temperaturen allgemein verfügbar.

Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform kann das zweite Leiterelement ein hochtemperatursupraleitendes Materi- al umfassen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supralei tende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K (und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K) , bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryo genen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstempera tur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Besonders vorteilhaft können viele HTS-Materialien mit flüssigem Stickstoff gekühlt wer den .

Der Hochtemperatursupraleiter kann einen oxidkeramischen Sup raleiter der zweiten Generation, beispielsweise eine Verbin dung des Typs REBa2Cu30 _{x (} kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Alternativ kann es sich aber auch um einen HTS-Leiter der ersten Generation (1G-HTS) handeln, beispiels weise um eine Verbindung des Typs Bi2223 oder Bi2212. Auch Magnesiumdiborid kommt als vorteilhaftes HTS-Material in Fra ge .

Allgemein und unabhängig von der Materialwahl kann das zweite Leiterelement mehrere supraleitende Teilleiter und insbeson dere mehrere supraleitende Bandleiter aufweisen. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass das zweite Leiterelement durch einen Stapel von mehreren supraleitenden Bandleitern gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere supralei tende Bandleiter (beziehungsweise Bandleiterstapel) auf sepa raten Flächen eines normalleitenden Leiterelements angeordnet sein und zusammen das zweite Leiterelement ausbilden. In je dem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Mehrzahl von supralei tenden Teilleitern untereinander elektrisch parallelgeschal tet ist. Die Anzahl von Teilleitern muss dabei nicht zwangs läufig über die Länge des ersten Leitungsteils konstant sein. Beispielsweise kann auch am wärmeren Ende des ersten Lei tungsteils (also an dem vom Spulenelement abgewandten Ende) die Anzahl von parallelgeschalteten Teilleitern erhöht sein, um ein Absinken der kritischen Stromdichte mit der höher wer denden Betriebstemperatur zu kompensieren.

Allgemein vorteilhaft kann der Kryostat als Badkryostat aus gebildet sein, wobei er zur Befüllung mit einem flüssigen kryogenen Kühlmittel ausgelegt ist. Geeignete kryogene Kühl mittel sind beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssiger Wasserstoff, flüssiger Sau erstoff und/oder flüssiges Methan. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmittel prinzipiell die flüssige Form im Gleichgewicht neben der Gasform vorliegen. Insbesondere kann innerhalb des Badkryostaten ein Flüssigkeitspegel (also eine vorgegebene Füllhöhe) vorgesehen sein, bis zu dem im Be trieb das verflüssigte Kühlmittel reicht. Wenn die zu kühlen den Komponenten - wie Spulenelement (e) und Stromzuführung (en) - mit dem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden, kommt es dabei typischerweise zu einer anteiligen Verdampfung des Kühlmit tels. Dieses verdampfte Kühlmittel wird dann typischerweise durch die übrigen Teile des Kühlsystems (häufig an einem Kaltkopf und/oder einem separaten Kondensor) wieder konden siert. Zweckmäßig ist der Badkryostat für einen Betrieb bei Überdruck ausgelegt. Er kann beispielsweise auch aus einem Kryostat-Behälter und einem Kryostat-Deckel zusammengesetzt sein .

In jedem Fall ist es bei Einsatz eines Badkryostaten vorteil haft, wenn der beschriebene erste Leitungsteil (mit parallel geschaltetem normalleitendem und supraleitendem Leiterele ment) zumindest den Teil der Weglänge der Stromzuführung überbrückt, welcher beim Betrieb in das flüssige Kühlmittel eingetaucht ist. Mit anderen Worten erstreckt sich der erste Leitungsteil dann zumindest von dem Spulenelement bis zur vorgesehenen Füllhöhe des Badkryostaten.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der Badkryostat für eine Füllhöhe ausgelegt ist, die so gewählt ist, dass beim Betrieb der Strombegrenzereinrichtung der erste Leitungsteil zu wenigstens 50 % seiner Länge in das flüssige Kühlmittel eingetaucht ist. Mit anderen Worten soll ein überwiegender Anteil des ersten Leitungsteils beim Betrieb von dem flüssi gen Kühlmittel umspült sein, was vorteilhaft eine effiziente Kühlung des supraleitenden Leiterelements und somit auch einen annähernd verlustfreien Transport von zumindest einem Teil des Betriebsstroms erlaubt. Eine derartige Auslegung ist bei Vorliegen von mehreren Stromzuführungen vor allem für diejenige Stromzuführung leicht zu erreichen, mit der ein ge odätisch vergleichsweise weiter untenliegender Bereich des Spulenelements kontaktiert wird.

Die Strombegrenzereinrichtung kann zusätzlich vorteilhaft einen Kaltkopf umfassen, der im Bereich einer Außenwand des Kryostaten angeordnet ist. Beispielsweise kann ein solcher Kaltkopf bei einer zweiteiligen Ausführung des Kryostaten vom Kryostat-Deckel gehalten werden. Allgemein zweckmäßig ragt ein solcher Kaltkopf zumindest teilweise in den Innenraum des Kryostaten hinein, sodass der innenliegende Bereich mit dem Kaltkopf gekühlt werden kann. Vorteilhaft befindet sich der Kaltkopf oberhalb des Kühlmittelpegels, sodass das verdampfte Kühlmittel im Bereich des Kaltkopfes kondensieren und somit wieder dem flüssigen Kühlmittelreservoir zugeführt werden kann. Diese Kondensation kann entweder direkt an dem Kaltkopf oder an einem optional zusätzlich vorhandenen Kondensor er folgen .

Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die Strombegrenzereinrichtung wenigstens zwei Stromzuführungen umfassen. Das Vorliegen von zwei solchen Stromzuführungen ist zweckmäßig, um das Spulenelement mit einem äußeren geschlos senen Stromkreis verbinden zu können. Besonders vorteilhaft ist dann auch die zweite Stromzuführung so ausgestaltet wie die weiter oben beschriebene wenigstens eine erste Stromzu führung. Zweckmäßig liegt dann auch für jede Stromzuführung eine eigene ihr zugeordnete Durchführung durch die Außenwand des Kryostaten vor. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer

Strombegrenzereinrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,

Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer

Strombegrenzereinrichtung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt und

Figur 3 eine schematische lokale Querschnittsdarstellung für den ersten Leitungsteil einer Stromzuführung zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Strombegrenzereinrichtung 1 nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Es handelt sich hierbei um eine resistive supraleitende Strombegrenzereinrichtung.

Sie umfasst ein supraleitendes Spulenelement 3, welches im Innenraum eines Kryostaten 5 angeordnet ist und durch diesen thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert ist. Beim Be trieb wird das supraleitende Spulenelement 3 auf eine kryoge ne Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des ver wendeten Supraleitermaterials gekühlt. Bei dem Spulenelement 3 kann es sich beispielsweise um eine bifilar gewickelte Spu le, insbesondere aber auch um einen Stapel aus mehreren sol chen senkrecht übereinanderliegenden bifilaren Spulen han deln .

Beim vorliegenden Beispiel ist der Kryostat 5 als Badkryostat ausgelegt, der beim Betrieb der Strombegrenzereinrichtung mit einem flüssigen Kühlmittel 41 befüllt wird. Bei dem flüssigen Kühlmittel kann es sich beispielsweise um verflüssigten

Stickstoff handeln. Der Kryostat 5 ist für eine Füllhöhe 47 ausgelegt, wobei sich geodätisch unterhalb dieser Füllhöhe 47 ein Flüssigkeitsraum 43 und oberhalb davon ein Gasraum 45 be- findet. Das Spulenelement 3 ist dabei vollständig im Flüssig keitsraum 43 angeordnet, sodass das Spulenelement von flüssi gem Kühlmittel umspült werden kann und direkt durch dieses gekühlt werden kann. Der Kryostat 5 ist aus einem untenlie genden Kryostat-Behälter 5a und einem obenliegenden Kryostat- Deckel 5b zusammengesetzt. In den Kryostat-Deckel 5b ist da bei ein Kaltkopf 51 eingesetzt, der in den Innenraum des Kry- ostaten hineinragt. Dieser Kaltkopf 51 weist einen Kondensor bereich 53 auf, an dem das bei der Kühlung verdampfte Kühl mittel kondensieren kann und von hier aus dem Flüssigkeits raum 43 wieder zurückgeführt werden kann. Der Kondensorbe reich 53 des Kaltkopfes 51 wird durch hier nicht näher darge stellte weitere Komponenten des Kühlsystems (beispielsweise einen außerhalb des Kryostaten angeordneten Kompressorkreis lauf) permanent auf einer kryogenen Temperatur gehalten, die zur Verflüssigung des Kühlmittels geeignet ist.

Um das supraleitende Spulenelement 3 mit einem äußeren Strom kreis verbinden zu können, weist die Strombegrenzereinrich tung 1 zwei Stromzuführungen 7a und 7b auf, welche innerhalb des Kryostaten 5 elektrisch mit dem Spulenelement 3 verbunden sind. Jeder Stromzuführung ist dabei eine Durchführung 11 durch den Kryostat-Deckel 5b zugeordnet, so dass die Stromzu führungen 7a und 7b durch den Kryostaten 5 hindurch nach au ßen geleitet werden können. Beim gezeigten Beispiel weisen beide Stromzuführungen 7a und 7b die weiter oben beschriebe nen erfindungsgemäßen Merkmale auf, sodass für beide die Vor teile der Erfindung realisiert werden können. Die links dar gestellte Stromzuführung 7a kontaktiert dabei einen ver gleichsweise weiter oben liegenden Bereich des Spulenelements 3, und die rechts dargestellte Stromzuführung 7b kontaktiert dabei einen vergleichsweise weiter unten liegenden Bereich des Spulenelements 3.

Jede der beiden Stromzuführungen 7a und 7b weist einen ersten Leitungsteil 21 und einen zweiten Leitungsteil 22 auf. Dabei ist jeweils der erste Leitungsteil durch eine Parallelschal tung zwischen einem ersten, normalleitenden Leiterelement 31 und einem zweiten, supraleitenden Leiterelement 32 gebildet. Der zu dem ersten Leitungsteil 21 in Serie geschaltete zweite Leitungsteil 22 ist dagegen rein normalleitend ausgeführt. Beim gezeigten Beispiel ist der zweite Leitungsteil 22 je weils durch den im Bereich der Durchführung 11 innerhalb der Isolation 13 vorliegenden Leiter 15 ausgebildet. Der zweite Leitungsteil 22 weist jeweils eine Länge 122 auf. Der erste Leitungsteil 21 schließt sich jeweils innerhalb des Kryosta- ten 5 an den normalleitenden Leiter 15 der zugeordneten

Durchführung 11 an und überbrückt so die gesamte Weglänge 1 zwischen der Durchführung und dem jeweiligen Anschluss des Spulenelements. Mit anderen Worten entspricht die Länge 121 des ersten Leitungsteils genau dieser innerhalb des Kryosta- ten 5 zu überbrückenden Weglänge 1. Diese beiden Längen 1 und 121 sind in Figur 1 beispielhaft nur für die links darge stellte Stromzuführung 7a eingezeichnet, welche den obenlie genden Teil des Spulenelements 3 kontaktiert. Für die rechts dargestellte Stromzuführung 7b, die den unteren Teil des Spu lenelements 3 kontaktiert, sind diese beiden Längen ebenfalls identisch. Sie sind jedoch insgesamt etwas länger.

Das normalleitende Leiterelement 31 der beiden ersten Lei tungsteile 21 ist dabei jeweils durch einen massiven Vier kant-Stab aus Kupfer gebildet. Der Querschnitt dieses Kupfer leiters ist dabei ausreichend hoch gewählt, um auch alleine den Betriebsstrom für den Strombegrenzer transportieren zu können. Mit diesen beiden Kupferstäben ist jeweils auf ihrer ganzen Länge wenigstens ein supraleitendes Leiterelement 32 flächig verbunden. Beispielsweise ist bei jedem Kupferstab auf wenigstens einer Außenfläche ein supraleitender Bandlei ter flächig mit dem Kupferstab kontaktiert. Diese flächige Kontaktierung kann beispielsweise über eine flächige Lötver bindung realisiert sein. Diese Lötverbindung erstreckt sich beim gezeigten Beispiel über die ganze Länge des jeweiligen Kupferstabs und über die ganze Breite des jeweiligen supra leitenden Bandleiters. Beim Betrieb der Strombegrenzereinrichtung 1 sind die supra leitenden Leiterelemente 32 nicht zwangsläufig auf ihrer ge samten Länge im supraleitenden Zustand. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur des Gasraums 45 so gewählt sein, dass die supraleitenden Leiterelemente 32 hier nicht mehr unter halb ihrer Sprungtemperatur vorliegen. Es könnte alternativ auch sein, dass zwar die Sprungtemperatur noch unterschritten wird, dass aber innerhalb des Gasraums 45 die erreichbare kritische Stromdichte im Supraleiter relativ niedrig ist, so dass mit dem zur Verfügung stehenden Supraleiter-Querschnitt nicht der ganze benötigte Strom verlustfrei transportiert werden kann. Auf jeden Fall soll aber im Bereich des Flüssig keitsraums 43 die Sprungtemperatur für die beiden supralei tenden Leiterelemente 32 unterschritten sein. Auf diese Weise wird zumindest unterhalb der Füllhöhe 47 ein supraleitender Zustand und vorteilhaft auch eine vergleichsweise hohe kriti sche Stromdichte in den supraleitenden Leiterelementen 32 er reicht. Hierdurch wird zumindest unterhalb der Füllhöhe 47 und zumindest für einen Teil des zu transportierenden Stroms ein verlustarmer Stromtransport zwischen den Durchführungen 11 und dem Spulenelement 3 erreicht. Beim gezeigten Beispiel taucht jeweils der überwiegende Teil der Länge 121 des jewei ligen ersten Leitungsteils 21 in den Flüssigkeitsraum 43 ein. Im Vergleich zu einer reinen normalleitenden Ausführung der Stromzuführungen wird hier eine deutliche Reduzierung der thermischen Verluste und somit auch eine Reduzierung der be nötigten Kühlleistung der Strombegrenzereinrichtung bewirkt.

In Figur 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Strombegrenzereinrichtung 1 nach einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Diese Strombegrenzerein richtung ist im Wesentlichen ähnlich aufgebaut wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Der wesentliche Unterschied zum Beispiel der Figur 1 liegt darin, dass die Weglänge 1 zwi schen der Durchführung 11 und dem supraleitenden Spulenele ment 3 hier nicht vollständig, sondern nur zum Teil durch den beschriebenen ersten Leitungsteil 21 überbrückt wird. Die Länge 121 ist hier also kleiner als die gesamte im Innenraum des Kryostaten zu überbrückende Weglänge 1. Der verbleibende Teil der zu überbrückenden Weglänge wird hier durch einen rein normalleitenden Leiter verbunden. Mit anderen Worten liegt also auch hier eine Serienschaltung zwischen einem (we nigstens teilweise supraleitenden) ersten Leitungsteil 21 und einem rein normalleitenden Leitungsteil 22 vor. Der rein nor malleitende Leitungsteil 22 bildet hier aber nicht nur den Innenleiter 15 der Durchführung 11, sondern auch einen weite ren normalleitenden Leitungsabschnitt innerhalb des Dampf raums 45 des Kryostaten 5 aus.

Analog wie beim ersten Beispiel sind die ersten Leitungsteile auch hier jeweils durch eine flächig verbundene Parallel schaltung aus einem massiven Kupferstab (als erstes Lei terelement 31) und einem supraleitenden Bandleiter (als zwei tes Leiterelement 32) gebildet. Diese ersten Leitungsteile 21 tauchen beide zum überwiegenden Teil in den Flüssigkeitsraum 43 des Kryostaten ein. Bei beiden Stromzuführungen 7a und 7b endet jedoch hier jeweils das supraleitende Leiterelement 32 knapp oberhalb des Flüssigkeitspegels 47. Im überwiegenden Teil des Gasraums 45 werden die Stromzuführungen 7a und 7b hier durch die rein normalleitenden Leitungsteile 22 gebil det. Diese zweite Ausführungsvariante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Stromzuführungen im Bereich des Gas raums ohnehin keine ausreichend niedrige Betriebstemperatur aufweisen würden, um einen verlustarmen Stromtransport in den Supraleitern zu ermöglichen. So kann in diesem Bereich das supraleitende Leitermaterial eingespart werden. Beim Beispiel der Figur 2 geht das normalleitende Leiterelement 31 des ers ten Leitungsteils einstückig in den unteren Bereich des zwei ten Leitungsteils 22 über: es handelt sich jeweils um densel ben Kupferstab, der aber nur in seinem untenliegenden Teil flächig mit dem zugeordneten supraleitenden Leiterelement 32 verbunden ist und daher nur hier einen Teil des ersten Lei tungsteils 21 bildet.

In Figur 3 ist eine schematische lokale Querschnittsdarstel lung für einen beispielhaften ersten Leitungsteil 21 einer Stromzuführung gezeigt. Beispielsweise können die ersten Lei tungsteile 21 aus den Beispielen der Figuren 1 und 2 auf eine solche oder ähnliche Weise realisiert sein. Auch hier weist der gezeigte erste Leitungsteil 21 eine Parallelschaltung aus einem ersten normalleitenden Leiterelement 31 und einem zwei ten supraleitenden Leiterelement auf. Das erste normalleiten de Leiterelement 31 ist auch hier als massiver Vierkant-Stab aus Kupfer gebildet. Die vier Außenflächen dieses Vierkant- Stabs sind dabei jeweils flächig mit einem oder mehreren sup raleitenden Bandleitern 61 verbunden. Diese flächige

elektrisch leitende Verbindung ist dabei jeweils über leitfä hige Lotschichten 63 realisiert. Dabei sind die jeweiligen Bandleiter 61 nicht nur auf ihrer gesamten Länge, sondern auch auf ihrer gesamten Breite b flächig mit dem normallei tenden Kupferstab 31 verbunden. Die Mehrzahl von supraleiten den Bandleitern 61 ist elektrisch untereinander parallelge schaltet und bildet zusammen das supraleitende zweite Lei terelement des ersten Leitungsteils 21 aus. Die Anordnung von Bandleitern auf allen vier Außenflächen des Kupferstabes ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich reicht es aus, wenn nur ein einzelner supraleitender Leiter mit dem normalleitenden Leiter auf einer Außenfläche flächig verbun den ist. Es können aber auch beispielsweise auf zwei Außen flächen oder auf drei Außenflächen des Kupferstabes supralei tende Leiter angeordnet sein.

In der Figur 3 ist für die untenliegende Außenfläche des Kup ferstabes 31 beispielhaft gezeigt, dass anstelle eines ein zelnen Bandleiters 61 auch ein Stapel 66 von mehreren Band leitern vorliegen kann. Die Anordnung eines solchen Stapels ist selbstverständlich auch auf den anderen Außenflächen des normalleitenden Leiterelements 31 möglich und soll nur die Variationsmöglichkeit der Ausgestaltungen verdeutlichen. We sentlich für die erfindungsgemäße Wirkung ist nur, dass zu mindest ein supraleitender Leiter zumindest auf einem Teil der Länge der Stromzuführung mit einem normalleitenden Leiter parallelgeschaltet ist. Bezugs zeichenliste

I Strombegrenzereinrichtung

3 supraleitendes Spulenelement

5 Kryostat

5a Kryostat-Behälter

5b Kryostat-Deckel

7a erste Stromzuführung

7b zweite Stromzuführung

II Durchführung

13 Isolation

15 Leiter der Durchführung

21 erster Leitungsteil

22 zweiter Leitungsteil

31 normalleitendes Leiterelement

32 supraleitendes Leiterelement

41 Kühlmittel

43 Flüssigkeitsraum

45 Gasraum

47 Füllhöhe

51 Kaltkopf

53 Kondensorbereich

61 supraleitender Bandleiter

63 Lotschicht

66 Bandleiterstapel

b Breite des Bandleiters

1 Weglänge zwischen Durchführung und Spulenelement

121 Länge des ersten Leitungsteils

122 Länge des zweiten Leitungsteils