Spezialkryostat für ein supraleitendes

T IEFTEMPERATURKÄLTE / K RYOSTAT
Bernhardine Schumann
Armin Binneberg
Spezialkryostat für
ein supraleitendes
Schwebetransportsystem
Im Rahmen eines Verbundprojektes, gefördert vom
Freistaat Sachsen, wurde ein
neuartiges Lager- und Transportsystem in Form einer
Kombination der supraleitenden Magnetlagertechnik mit
Hochtemperatursupraleitern
und einem berührungslos
arbeitenden Linearantriebssystem am Beispiel eines
Demonstrators entwickelt.
Der völlig berührungslos und
damit reibungs- und abriebfrei funktionierende Lift ist
für Anwendungen in Reinräumen z. B. in der Mikroelektroniktechnologie
prädestiniert.
Supraleitende Magnetlager –
Schlüsseltechnologie für
reibungsfreie Transportsystem in Reinsträumen?
Special liquid nitrogen dewar for a
superconducting levitation transport
system
Within a joint project supported by the Free
State Saxony a novel bearing and transport
system was developed. The prototyp is based
on the combination of the magnetic bearing
technique using high temperature-superconductors with a non-contacting linear drive.
This non-contacting “lift” is free from friction
and contaminations due to wear and therefore predestinated for applications in clean
rooms, e.g. in the microelectronic technology.
Keywords: superconducting bulk material,
superconducting magnetic bearings, noncontacting linear drive, liquid nitrogen, non
magnetic, nonelectric fiber glass dewar
Dr. rer.nat. B. Schumann, Dr. rer.nat. A. Binneberg, ILK Dresden gGmbH, Dresden
© KI Luft- und Kältetechnik 7/2002
Zur Führung technischer Bewegungsformen sind Lager erforderlich, die die zu bewegenden Elemente in ihrer Bahn halten.
Gewöhnlich sind diese Bewegungsformen, wie z. B. Direktantriebe mit Elektromotoren, Rad-Schiene-Kopplungen in
Transportsystemen usw. mit Reibung verbunden, die zum Verschleiß der Lager
und zu Abrieb führen.
Deshalb gewinnen in jüngster Zeit Magnetlager zunehmend an Bedeutung, die
berührungslos Kräfte übertragen und damit Rotations- oder Linearbewegungen
ermöglichen.
Eine elegante und technisch relativ einfach zu erzielende berührungslose Kraftübertragung ist mit massiven Supraleitern
und Permanentmagneten nach dem Prinzip des reibungslosen Schwebeeffektes
zu erreichen.
Im Rahmen eines von der SAB geförderten Verbundprojektes zwischen
• dem IFW, Institut für Festkörper- und
Werkstoffforschung Dresden
• der EAAT, Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik GmbH
Chemnitz,
• der HAP, Handhabungs- Automatisierungs- und Präzisionstechnik GmbH
Dresden
• der ILK, Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
wurde ein erstes Muster eines supraleitend berührungslos gelagerten Magnetschwebeliftes Cleanlift CL01 entwickelt.
Die Entwicklung dieser berührungsfreien
Lagertechnologie war konzeptionell auf
den Einsatz als vertikales Transportsystem
in Reinsträumen der Mikroelektronik gerichtet, um gezielt Qualitätsminderungen
in der Chip-Produktion infolge Abrieb
durch Reibpaarungen von Lager- und Antriebsrollen zu vermeiden.
Das ist nur möglich, wenn ein berührungsloses Antriebssystem mit einem berührungslosen Führungssystem in konstruktiver Einheit kombiniert wird.
Gesamtkonzept und Prinzipaufbau eines Demonstrators
„Magnetschwebelift“
Die Entwicklungsaufgabe bestand darin,
ein Demonstrationsmodell eines solchen
berührungsfreien Transportsystems in
Form eines linearen Synchronmotors
mit Schubkräften bis 500 N und eines
supraleitenden Magnetlagers inklusive
Kühlung auf Stickstofftemperatur als konstruktive Einheit zu entwickeln und dessen Funktion in einer Erprobungsphase
nachzuweisen.
Sowohl für die neuartige Magnetlagertechnik als auch für die Linearantriebe –
das betrifft vor allem die Führung des Motorankers senkrecht zur Bewegungsrichtung – sind hohe Führungsgenauigkeiten
zu sichern, um die technische Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten.
Mit dem Demonstrator wird die Basis
geschaffen, gemeinsam mit interessierten künftigen Nutzern z. B. in der Mikroelektronik den Einsatz solcher neuartiger
Transportsysteme für horizontale und vertikale Bewegung vorzubereiten.
Supraleitende Magnetlager
Funktionsprinzip
Der prinzipielle Aufbau des Lagers ist einfach: es besteht im wesentlichen aus einer Magnetschiene aus konventionellen
Permanentmagneten und dazu in einem
definierten Abstand angeordneten Supraleitern, die zur Erzielung ihrer supraleitenden Eigenschaften auf die Temperatur des flüssigen Stickstoff zu kühlen sind.
Die Supraleiter frieren das Magnetfeld
der Permanentmagnete ein und sind so in
der Lage einen bestimmten Abstand zur
Magnetschiene selbsttätig zu halten und
damit ein berührungsfreies passives Magnetlager zu bilden.
Anzahl und Größe der erforderlichen
Magnetlager in einem Lift werden im wesentlichen durch die Kräfte bestimmt, die
durch das Gewicht des zu bewegenden
Lastkorbes (Eigengewicht + Nutzlast) und
die zu stabilisierenden Führungskräfte für
den Linearantrieb entstehen.
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Tab. 1 Lagersteifigkeit des Liftes bei
einem Abstand Supraleiter- Magnetschiene von 4 mm
Bild 1:
Neue dreiteilige
YBCO-Formkörper
und ihre Magnetfeldstruktur
Die Herstellung des supraleitenden Massivmaterials erfolgte am IFW Dresden.
Ausgangspunkt für die Dimensionierung
der supraleitenden Lager waren erstmals
am IFW hergestellte massive supraleitende quaderförmige eindomänige
Formkörper aus YBCuO der Abmessungen (L × B × H) von 53 × 23 × 9 mm,die
über eine sehr gute Magnetfeldverteilungen für die Ankopplung an die Magnetschiene verfügen.
Bild 1 zeigt einen dreikeimigen YBCOFormkörper und seine Magnetfeldstruktur.
Anordnung der Magnetlager im Lift
Die Anordnung der Magnetlager ist in
Bild 2 in einer Draufsicht schematisch dargestellt. Um nicht nur Bewegungen in
x-y-Richtung abzufangen, sondern den
Kryostaten mit dem Ladedeck auch
gegenüber Drehbewegungen zu stabilisieren, befinden sich an drei Seiten des
Ladedecks jeweils zwei soweit wie möglich an die „Ecken“ verlagerte Magnetlager. Die vierte freie Seite gewährleistet
den Zugang zum Ladedeck.
Werden die Supraleiter in einem bestimmten Abstand zu den Magnetschienen angeordnet und auf eine Temperatur
kleiner dem Sprungpunkt gekühlt
(T = 78K), so treten zwischen Magnet-
schiene und Supraleiter keine Kräfte auf,
solange die Abstände zwischen beiden
unverändert bleiben. Durch Verschiebung
des Lagers in x- und y-Richtung entstehen
in den Lagern Rückstellkräfte, die sich zu
einer resultierenden Gesamtkraft addieren. Die im ausgeführten Lift erzielten
Steifigkeiten des Lagers (Kraftänderung
der Rückstellkräfte pro Abstandsänderung –dF/ds) in x- und y-Richtung sind in
Tabelle 1 aufgeführt.
(Eine Steifigkeit von etwa 200 N/mm bedeutet, dass bei einer seitlich wirkenden
Kraft von 20 N, die im Schwerpunkt angreift, eine Auslenkung von 0,1mm nicht
überschritten wird.)
Aufbau der Magnetschiene
Bild 3 zeigt die Anordnung der Magnetschienen aus Nd-Fe-B-Magneten im Magnetlager des Liftes. Jede Schiene besteht
aus sechs Einzelschienen, deren Bausteine in Bewegungsrichtung die gleiche
Polarität, benachbarte Einzelschienen
jedoch die umgekehrte Polarität aufweisen.
Die Magnete sind auf Stahlplatten angeordnet und werden durch ihre magnetischen Kräfte auf der Unterlage fixiert.
Der gleichzeitig dadurch erreichte Eisenrückschluss führt zu einer Erhöhung der
Steifigkeit des Lagers.
Bild 2:
Ladedeck mit
supraleitenden
Magnetlagern
und Linearmotoren
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Lagersteifigkeit
Lift, berechn. Lift, experimentell
dFx/dx
dFy/dy
–240 N/mm
–192 N/mm
–300 N/mm
–250 N/mm
Linearantriebe – Steuerung
und Regelung
Der Antrieb des Liftes erfolgt durch vier
synchron gesteuerte Linearmotoren, die
im wesentlichen aus eisenlosen Flachspulen, entsprechend Bild 3, bestehen und
berührungslos zwischen zwei speziell
konfigurierten Magnetschienen laufen.
Der permanentmagnetische Fluss in
Kopplung mit dem gesteuerten Stromfluss durch die Spulen erzeugt die Antriebskraft.
Im Funktionsmuster kamen vier synchron
gesteuerte Linearantriebe zum Einsatz.
Jeder Motor war für eine maximale
Schubkraft von 250 N ausgelegt. Die Entwicklung der Linearmotore für das Heben
und Senken des Liftes einschließlich der
Steuerung erfolgte durch EAAT GmbH
Chemnitz.
Als Ausführungsvariante für den Linearantrieb wurde nach einer Reihe von Versuchen ein flacher Zweiphasenlinearmotor mit eisenlosem Läufer favorisiert, wie
er in Bild 3 dargestellt ist.
Durch EAAT GmbH Chemnitz wurde
auch die Steuerung und Regelung entwickelt, die den Synchronlauf aller vier
Antriebe auf dem vorgegebenen Fahrweg bewältigt. Eine technische Herausforderung besteht insbesondere in der
geforderten Führungsgenauigkeit des
Motorankers senkrecht zur Bewegungsrichtung.
Bild 3: Supraleitendes Magnetlager –
Anordnung der Magnetschiene
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Bild 4:
Flachspule des
Zweiphasenlinearmotors
mit eisenlosem
Läufer
Kühlung des supraleitenden
Lagers
Die Kühlung der eingesetzten Hochtemperatursupraleiter mit einer Sprungtemperatur von ca. 85 K wurde mit flüssigem
Stickstoff vorgenommen.
Speziell für den genannten Einsatzfall
wurde durch das ILK Dresden ein Stickstoffkryostat, konzipiert als vakuumisolierter LN2-Ringbehälter aus unmagnetischem, nicht elektrischem Kunststoff,
entwickelt.
Er wird gleichzeitig als Lastkorb des Liftes
mit Ladedeck für die Waferkassetten genutzt.
Spezialkryostat für die
Kühlung der Supraleiter
Die Anordnung der Supraleiter erfolgt parallel und in einem gut definiertem Abstand zu den Magnetführungsschienen.
Nach Unterschreiten der Sprungtemperatur ist der Kryostat kraftschlüssig und berührungslos im Magnetfeld der Magnetschiene verankert. Entlang der Schiene
ändert sich die Konfiguration des Magnetfeldes nicht. Deshalb kann sich der
Kryostat entlang der Schiene und zwar
nur entlang der Schiene im gegebenen
Abstand bewegen.
Um die stabile magnetische Führung, insbesondere auch die Kippsicherheit des
Kryostaten zu gewährleisten, mussten
also sechs supraleitende Lagerflächen
von ca. 190 × 60mm Ausdehnung , bestehend aus jeweils sechs supraleitenden
Formkörpern (vergleiche Bild 1) kühltechnisch eingebunden werden.
Da die magnetischen Rückstellkräfte für
die berührungslose Aufhängung des
„Kryostaten-Lastkorbes“ im supraleitenden Lager mit zunehmendem Abstand
„Supraleiter-Dauermagnet“ deutlich abnehmen, ist dieser Abstand innerhalb der
konstruktiven Anforderungen so weit als
möglich zu minimieren. Ausgehend von
der genannten Problemstellung wurden
folgende Anforderungen an die Kühltechnik formuliert :
• Kühlung des Supraleiters bis unterhalb
des Sprungpunktes, d. h. Kühlung mit
flüssigem Stickstoff bis 78 K und Sicherung eines hinreichenden Wärmekontakts Supraleiter-Bad
• Sicherung eines Abstandes von maximal 5 mm zwischen gekühltem Supraleiter und Magnetschiene (bei Zimmertemperatur) zur Erzielung einer für den
berührungsfreien Transport hinreichenden Kraftwirkung
• Einsatz einer Vakuumvielschichtisolation zur Sicherung der Standzeit
des flüssigen Stickstoff und zur Temperierung der Außenwand des Kryostaten (Tw > Taupunkttemperatur) insbesondere im Bereich des Lagers, um
Bild 5: Ringkryostat zur Kühlung supra-leitender Magnetlager, Draufsicht
Ankopplung der Supraleiter über Cu-Flansch
1 Ringbehälter für flüssigen Stickstoff, 2 Vakuummantel, 3 Supraleiterbaustein YBCO 4 Kupferankopplung, 5 Halterung für Linearantrieb, 6 Einfüllstutzen für LN2, 7 Gewindelöcher für Tragebolzen des Ladedecks
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ein Abscheiden von Wasser zu vermeiden.
• ausschließlicher Einsatz von nichtmagnetischem GFK für alle raumbildenden
Bauelemente
• resultierend daraus erfolgt die Krafteinleitung aller Konstruktionselemente
in die Wandungen durch formschlüssige Klebungen im warmen wie im tiefkaltem Bereich, die gleichzeitig die
Dichtheit realisieren.
• eine Schwingungsbeanspruchung z. B.
während der Auf- und Abwärtsbewegung des Kryostaten ist zu vermeiden
und seine vertikale Lagefixierung durch
Spann- und Stützelemente zu sichern
Auf der Grundlage vorgegebener geometrischer Eckdaten (Abmessungen des Waferdecks von 450 mm × 450 mm), der für
die Kraftwirkung erforderlichen Anforderungen an die Einbindung der Supraleiter
in die Konstruktion (Abstand SupraleiterMagnetschiene, Abmessungen, Anzahl
und Anordnung der Supraleiter) zum einen sowie der kältetechnischen Anforderungen (LN2- Standzeit) führten zu der in
Bild 5 und Bild 6 dargestellten grundsätzlichen Konstruktion des Kryostaten.
Konstruktive Gestaltung
Charakteristisch für die Gestaltung ist:
• Der Stickstoffbehälters wird als konzentrischer Ringbehälter konzipiert
(Reduzierung der zu bewegenden
Masse). Durchmesser und vertikale
Ausdehnung des Behälters werden
nach der zu sichernden Standzeit des
Stickstoff bemessen.
• Die Ausführung der Vakuumisolation
erfolgt ebenfalls als Ringbehälter.
• Einsatz ebener Böden
• Die Realisierung des Schwebelagers als
planparallele Anordnung zur äußeren
Magnetschiene führte zu einer ent-
Bild 6: Konstruktionsentwurf für Ringkryostat – räumliche Darstellung
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Bild 7: Detaildarstellung zur Anordnung der Supraleiter im flüssigen
Stickstoff
1 äußerer Vakuummantel, 2 LN2-Behälter,
3 GFK – Rahmen zur Einbindung der Supraleiter, 4 Supraleiter, 5 vakuumdichte Abdeckung
des Supraleiters von 0,6 mm Wandstärke,
6 äußere vakuumdichte Abdeckung im Bereich
des Supraleiters von 1 mm Wandstärke, 7 Magnetschiene, 8 Vielschichtisolation
sprechenden Ausformung des LN2- Behälters sowie des Vakuummantels im
Bereich der Supraleiter.
Die konstruktive Umsetzung wurde entsprechend der Fachliteratur (z. B. ADMerkblätter N1, N5…,Druckbehälterverordnung) modellmässig nachgebildet.
Bedingt durch die extremen Belastungen
(Druck, tiefeTemperatur), die Spezifik des
GFK-Materials und der damit verbundene
hohe geforderte Sicherheitsbeiwert sind
beachtliche Materialwandstärken erforderlich, die zu einer hohen Leermasse des
Kryostaten von ca. 30 kg führten.
Insgesamt ist die Konstruktion als „aufwändig“ einzustufen. Das betrifft nicht
nur die eigentliche Gestaltung der Einzelteile und die Anforderungen an ihre Maßhaltigkeit, sondern auch die Ausführung
der Fügung der Teile durch Kleben. Für
die Erzielung definierter Klebenähte, die
Einhaltung der geforderten Winkel- und
Abstandsgenauigkeiten war z. B. die Anfertigung einer ganzen Reihe von Hilfsvorrichtungen (z. B. Rahmen etc.) unerlässlich.
Ankopplung des Supraleiters
an das Kühlmedium – Gestaltung
des Lagers
Die Ankopplung des Supraleiters war zunächst über eine Zwischenkopplung an
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einen gut wärmeleitenden Kupferflansch
konzipiert, der einseitig an den Vakuumraum grenzte und über eine kalte Dichtung an den Vakuumbehälter zu koppeln
war.
Bei Voruntersuchungen zur Qualifizierung der Kontaktierung Metall-Supraleiter nach unterschiedlichen technologischen Methoden wurde jedoch
festgestellt, dass beim Abkühlen auf
Stickstofftemperatur Rissbildung an den
Domänengrenzen auftritt.
Es wurde deshalb die Konstruktion des
Trägerbauteiles so vorgenommen, dass
eine Anordnung der YBCO-Elemente im
Stickstoffbad bei freibeweglicher Auflage
erfolgt.
Bild 7 verdeutlicht die konkrete Situation
im Bereich Supraleiter- Magnetschiene.
Die Supraleiterbausteine werden, durch
Stege getrennt, über die lichte Weite des
GFK-Trägerrahmens angeordnet. Die vakuumseitige Abgrenzung erfolgt durch
eine 0,6 mm dicke GFK-Platine. Um eine
minimale Durchbiegung der Wand bei
Vakuumbeanspruchung zu realisieren,
wurden Stege und Wand verklebt. Stickstoffseitig werden die Supraleiter längs
durch schmale Kammleisten fixiert. Somit
wird nahezu die gesamte Oberfläche der
Supraleiter mit LN2 benetzt und eine optimale Kühlung gewährleistet.
Bei einer Wandstärke der äußeren Vakuumwand im Lagerbereich von 1,5 mm
(Festigkeit) liegt die geometrische Spaltweite für die Einbringung der Vakuumvielschichtisolation im drucklosen Zustand bei ca. 2 mm.
Bild 8: Kryostat vor dem Aufkleben
der Abdeckung der Supraleiter als
Wand zwischen Stickstoffbehälter
und Vakuumraum
Die erzielten Isolationswerte waren hinreichend, so dass kein Befeuchten der
Kryostatenaussenwand im kritischen Lagerbereich zu beobachten war.
In Bild 8 ist der Kryostat mit den einzelnen
Trägerrahmen für die Supraleiterelemente vor dem Aufkleben der inneren
Abdeckung des Stickstoffbehälters zu sehen.
Kryoparameter
des Liftkryostaten
Fassungsvermögen LN2:
Füllhöhe:
Füllhöhe des Lagers:
ca. 8 l
24 cm
16 cm
Bild 9:
Querschnittsdarstellung des
Demonstrators
© KI Luft- und Kältetechnik 7/2002
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a
b
Bild 10: Demonstrator – Gesamtdarstellung
Einkühlen: Verbrauch LN2:
ca. 23 l
Abkühlzeit:
ca. 1 h
LN2-Haltezeit
nach Ersteinkühlung:
ca. 30 h
LN2-Haltezeit im durchkühlten Zustand:
ca. 72 h
Lagerkühlzeit:
10 h
Aufwärmzeit:
ca. 36 h
(danach Regeneration des Vakuums
möglich)
Gesamtkonstruktion
des Demonstrators
Die Konstruktion, Fertigung und Montage der freistehenden Führungsteile des
Liftes mit einer Positioniergenauigkeit
von +/–0,1 mm wurde von HAP GmbH
Dresden ausgeführt.
Eine besondere Anforderung an die Gesamtkonstruktion des Demonstrators
stellte die geforderte Präzision und Stabilität der sechs Magnetlager in Form der
Kopplung der Supraleiter mit den Magnetschienen mit einer lichten Weite von
1 mm und der vier Linearantriebe in Form
der berührungslosen Führung der Statoren in der Magnetschiene (Spalt 0,5–
0,2 mm) dar.
Daneben war eine Möglichkeit des Arretierens des Lastkorbes in der oberen und
unteren Liftposition zu finden, die als Zu© KI Luft- und Kältetechnik 7/2002
fuhr- und Entnahmeposition des Waferbehälters fungieren.
Weiterhin war eine Sicherheitslösung für
den Schutz der Anlage bei Stromausfall
zu erarbeiten.
Konstruktive Lösung
Nachfolgende Besonderheiten kennzeichnen die konstruktive Lösung:
• Der Demonstrator wurde konzipiert
aus einem montierten Al-Profilverbund
mit grosser Variabilität für die Aufnahme der Baugruppen wie Magnetschiene,
Kryostat mit Lager, Linearantriebe.
• Der geforderten Präzision der Magnetlagerführung Rechnung tragend, sind
alle Magnetschienen mit einer in zwei
Richtungen wirkenden Feinjustiereinrichtung versehen.
• Für das Arretieren in der oberen Position wurde eine einfach schaltbare
Magnet – Rastkupplung konstruiert.
Die Aktoren sind am Gestell, die Fügegegenstücke am Kryostaten montierbar. Fremdkräfte bei Zuführung
und Entnahme der Transportbehälters werden so nicht auf den Lift übertragen.
• Der untere Haltepunkt ist über eine
Ringpassung, bestehend aus drei Kugelscheibe-Kegelpfanne-Paarungen
zwischen Kryostat und Basisplatte fixiert. Er sichert gleichzeitig die not-
wendige Lagegenauigkeit beim Einfrieren der Magnetlager.
Die Bilder 9 und 10 veranschaulichen die
Systemausführung des Demonstrators.
Erprobungsergebnisse
des Demonstrator-Liftes
Der Demonstrator konnte im Januar
2001 in Erprobung genommen werden.
Seither absolvierte der Lift erfolgreich
weit mehr als 1000 Fahrten (Heben-Senken) und wurde auf mehreren Messen
einem breiten technischen Publikum vorgestellt.
Auf der Internationalen Erfindermesse in
Nürnberg im November 2001 wurde der
Lift mit einer Goldmedaille und einem Ehrenpreis der Ausstellung ausgezeichnet.
Trotz einiger robuster Transporte traten
an den Einzelkomponenten des Liftes keinerlei Schäden auf, nach jeweils erfolgter
Justage der Lager und Linerantriebstechnik vor Ort konnte der Lift problemlos betrieben werden.
Schlüsselwörter
massive Hochtemperatursupraleiter
supraleitende Magnetlager
berührungslos geführter Linearmotor
flüssiger Stickstoff
nichtmagnetischer
nichtelektrischer Kunststoffkryostat
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