CN106797159A - 用于冷却具有转子和至少一个涡轮机的能量转换设备的冷却设备和冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于能量转换设备的冷却设备，所述能量转换设备具有电机和至少一个第一涡轮机，所述电机包括能够围绕旋转轴线旋转地支承的转子，所述转子布置在能旋转的中央轴上，所述第一涡轮机能旋转地布置在相同的轴上。冷却设备包括轴的至少一个第一内部空腔，用于将冷却剂传输至转子内部的区域中，其中，第一内部空腔沿轴向延伸穿过第一涡轮机并且穿过第一涡轮机与转子之间的轴向空隙。本发明还涉及一种具有这种冷却系统的能量转换设备。最后，本发明涉及一种用于冷却具有这种冷却系统的设备的冷却方法。

Description

用于冷却具有转子和至少一个涡轮机的能量转换设备的冷却 设备和冷却方法

本发明涉及一种用于冷却能量转换设备的冷却设备，所述能量转换设备具有电机，所述电机包括能够围绕旋转轴线旋转地支承的转子，所述转子布置在能旋转的中央轴上。所述能量转换设备还包括至少一个第一涡轮机，所述第一涡轮机能旋转地布置在该中央轴上。本发明还涉及这种能量转换设备以及一种用于这种设备的冷却方法。

由现有技术已知能量转换设备，它们配有用于冷却旋转的电力线圈绕组的冷却设备。尤其是具有超导转子绕组的电机通常配有冷却设备，其中，冷却剂如液氮、液氦或者液氖可以在中央轴内部按照热虹吸原理循环并且由此将热量排出转子。通过这种冷却系统可以将超导的线圈绕组，尤其是超导的旋转的励磁绕组冷却到超导体的转变温度以下的运行温度并且保持在所述运行温度。

在这种已知的冷却设备中，轴的属于电机转子的端部区域通常用于将液化的冷却剂例如通过伸入轴中的固定的冷却剂管从固定的冷却设备馈送到轴的内部空间。这种冷却设备由EP2603968A1已知。

然而在这种通过配属于电机转子的轴端部的馈送中不利的是，不是在所有的能量转换设备中都可以在转子附近将轴的自由端部用于此用途。电机的这种布置的一个例子是燃气和蒸汽发电设备中的发电机。在此期望的是，发电机和燃气轮机和蒸汽轮机布置在相同的旋转轴上。在此，发电机有利地布置在燃气轮机与蒸汽轮机之间，因此为了相应的扭矩传递分别只需要通过轴桥接较短的轴向路径。在这种布置中，没有发电机的自由轴端部用于馈送冷却剂。而在轴的中间轴向区域内将冷却剂馈送入转子轴空腔的过程一般难度较大，因为由于在轴旋转时出现的离心力，在轴中待传输的冷却剂移动至径向外部区域中。但在冷却剂沿径向进入轴时，恰恰需要液态冷却剂沿与离心力相反的方向流入。其它难度在于在设计用于馈送的轴区段处的轴的机械牢固性受影响以及其轴向空间需求和在馈送时出现的热损耗。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于能量转换设备的避免了上述缺点的冷却设备。尤其应提供一种冷却设备，其中能够以简单的方式将冷却剂引入设备的电机转子内部的轴的区域中。本发明所要解决的其它技术问题在于，提供一种具有这种冷却设备的能量转换设备和一种用于能量转换设备的冷却方法。

该技术问题按本发明通过具有权利要求1所述特征的冷却设备、具有权利要求11所述特征的能量转换设备和具有权利要求13所述特征的冷却方法解决。

按照本发明的冷却设备用于冷却能量转换设备，其具有电机，所述电机包括能够围绕旋转轴线旋转地支承的转子，所述转子布置在能旋转的中央轴上。所述能量转换设备还包括至少一个第一涡轮机，所述第一涡轮机能旋转地布置在相同的轴上。冷却设备包括轴的至少一个第一内部空腔，用于将冷却剂传输至电机转子内部的区域中，其中，第一内部空腔沿轴向延伸穿过第一涡轮机并且穿过第一涡轮机与转子之间的轴向空隙。

在此，能量转换设备的电机既可以作为发电机运行也可以作为电动机运行。在作为发电机运行时，整个能量转换设备用于将机械能转换为电能。在作为电动机运行时，相反地将电能转换为机械能。除了电机，能量转换设备包括中央轴和至少一个涡轮机，其中，中央轴将电机的转子与涡轮机机械地耦连并且在所述部件之间传递扭矩。在此，在本申请的文字中的词汇“转子”总是理解为电机的转子，其与旋转的涡轮机不同，涡轮机在专业领域通常也称为涡轮机转子。在文字中，词汇“涡轮机”仅理解为可旋转的涡轮机转子，其一般可以附加地由固定的外部壳体包围。词汇“轴”在此表示能量转换设备的整个沿轴向延伸的轴，其与所述轴是否作为一体构件制造或者由不同的轴向轴部段组成无关。重要的是，扭矩可以在轴的长度上传递，因此轴在机械上作为一个部件起作用。所述轴例如可以由转子区域内的和至少一个涡轮机区域内的部段组成，其可以包括转子轴和一个或多个耦连在其上的涡轮机轴。在这些情况下，词汇“轴”也总是表示由这些轴向部段组成的机械相连的整个装置。

按照本发明的冷却设备的主要优点在于，通过第一内部空腔能够将冷却剂以简单的方式导入转子内部，而为此不需要电机的自由轴端部。取而代之，第一内部空腔中的冷却剂被引导穿过第一涡轮机的内部。因此，不需要在距离转子很近的位置将冷却剂馈送到轴的内部，而是可以例如在距离较远的轴端部进入轴内部。作为对于在这种距离较远的轴端部处进行馈送的备选或补充，也可以在所述距离较远的轴端部进行从冷却剂向外部环境的间接热传递。在此，有利地避免了用于馈送冷却剂或者用于在轴向内部的轴区域中进行间接热传递的复杂设备。

所述解决方案带来的要求是，需要将从涡轮机向在承载涡轮机的轴的内部的冷却剂的热传递保持较小，使得仍能通过冷却剂对待冷却的转子部件进行充分的冷却。

所述要求可以通过在从属权利要求中详细描述的不同设计方案满足，其中，这些设计方案的有利的组合一般也是可行的。所有的实施形式共同的是，第一内部空腔在轴中在涡轮机的整个轴向长度上延伸并且也在处于涡轮机与转子之间的空隙的整个轴向长度上延伸。相宜地，其也在转子的轴向长度的至少一部分上延伸，因此冷却剂可以通过第一内部空腔进入其内部。因此，冷却剂可以穿过第一涡轮机导入转子内部。这减少了用于在涡轮机和例如另一布置在轴上的部件之间的转子总体上所需的轴向空间需求。针对冷却剂的进入或者针对转子与涡轮机之间的间接热传递不需要附加的轴向区段，因此转子由此可以非常节省空间地布置在涡轮机与另一部件之间，例如也可以布置在两个涡轮机之间。

尽管存在延展的第一内部空腔，仍能确保通过轴在转子和第一涡轮机之间的扭矩传递，因为针对所述扭矩传递主要是轴的外壳的机械强度是决定性的。因此也可以将轴的承载涡轮机的部分设计为空心轴。轴将涡轮机与转子机械地耦连并且由此使得这两个部件围绕共同的旋转轴线同步旋转。

按照本发明的能量转换设备具有电机和至少一个第一涡轮机，所述电机具有可围绕旋转轴线旋转地支承的转子，其布置在中央轴上。按照本发明的能量转换设备还包括按照本发明的冷却设备。这种能量转换设备的优点与按照本发明的冷却设备的所述优点相似地得出。在此，通过冷却剂在第一内部空腔中的热传输可以有利地与用于放热的其它路径相结合，例如与转子内部的另一径向的和/或轴向的热传输路径相结合，通过其可以将布置在转子上的待冷却部件与轴内部的冷却剂热学耦合。相宜地，电机具有布置在转子上的电线圈绕组，其可以通过冷却设备冷却。所述线圈绕组可以是超导线圈绕组，尤其是高温超导线圈绕组。电机可以例如作为发电机或者作为电动机运行。

按照本发明的方法用于冷却能量转换设备，所述能量转换设备具有电机和至少一个第一涡轮机，所述电机包括能够围绕旋转轴线旋转地支承的转子，所述转子布置在能旋转的中央轴上，所述第一涡轮机能旋转地布置在相同的轴上。所述方法包括至少一个步骤，即将冷却剂通过轴的第一内部空腔传输至转子内部的区域中，所述第一内部空腔沿轴向延伸穿过第一涡轮机并且穿过布置在第一涡轮机与转子之间的空隙。在此，冷却剂尤其应通过轴从涡轮机的轴向背离转子的一侧传输至转子内部。冷却方法的优点也与按照本发明的冷却设备的已经描述的优点相似地得出。

本发明的有利的设计方案和扩展设计由权利要求1、11和13的从属权利要求得出。在此，冷却设备、能量转换设备和冷却方法的特征可以有利地相互结合。

所述轴可以具有第一轴端部，所述第一轴端部配设有用于将冷却剂馈送到第一内部空腔中的设备，其中，第一轴端部沿轴向布置在第一涡轮机的背离转子的一侧上。换而言之，通过这种馈送设备可以将冷却剂从由转子观察处于涡轮机之后的轴端部导入轴内部。尤其可以在能量转换设备运行时持续地通过所述外部轴端部馈送新的冷却剂，因此可以进行从待放热的转子部件向总是新鲜流入的冷却剂的连续热传递。从转子部件向外部环境的热传递可以例如特别有利地通过封闭的冷却剂循环进行，其中，从位置固定的系统向旋转的系统的冷却剂馈送在第一轴端部上进行。

所述第一轴端部可以附加地配设有用于将冷却剂从第一内部空腔中导出的设备。在这种实施形式中，冷却剂的馈送和导出可以在轴的相同的、并不是直接与转子相邻的轴向端部处进行。这种实施形式的优点在于，在此只需要将导引至转子的轴的一侧设计为空心轴。轴的背离第一涡轮机的另一部分也可以设计为实心轴。

冷却剂可以在第一轴端部与转子之间例如在处于内部的共同管道中朝向转子并且远离转子地流动。在这种特别简单的实施形式中，第一内部空腔适用于两个传输方向。冷却剂例如可以按照热虹吸或者热管的方式同时在两个方向上循环。

在对此备选的实施形式中，第二内部空腔可以在第一轴端部与转子之间延伸。在此，例如第一和第二内部空腔可以轴向并排地在轴内部导引。备选地，两个空腔之一可以同中心地包围另一个空腔。在此，用于冷却剂输入的第一内部空腔可以有利地由用于冷却剂回引的第二内部空腔包围。但原则上也可以相反地布置。

冷却设备可以具有沿轴向与第一轴端部对置的第二轴端部，所述第二轴端部配设有用于将冷却剂从轴的内部空间中导出的设备。在所述实施形式中，冷却剂在轴向对置的轴端部导入和再次导出。为此，轴必须在其整个轴向长度上设计为空心轴。然而，相应空腔的横截面可以针对给定的轴区段相比轴的整个横截面选择得更小，因为单独的空腔必须分别只针对冷却剂沿一个方向的传输设计尺寸并且不需要多个管道彼此平行或者彼此共轴地导引。在能量转换设备具有转子(其在两个涡轮机之间布置在共同的轴上)的实施形式中，冷却剂尤其可以通过第一涡轮机的内部导入并且再次通过第二涡轮机的内部导出。在此，第一内部空腔可以延伸穿过两个涡轮机的内部，或者第一涡轮机内部的第一内部空腔可以与第二涡轮机内部的第二内部空腔流体连接，因此可以在两个内部空腔之间传输流体冷却剂。这两个空腔可以例如在转子内部流体相连，其中，当在两个内部空腔之间过渡时可以进行热力学的状态改变。

从轴中流出的冷却剂可以在不同的实施形式中通常有利地以封闭循环的方式从导出装置再次回引到轴的馈送装置中。冷却剂可以例如有利地包括氦、氖和/或氮。在此，冷却剂一般可以作为气态的冷却剂、作为液态的冷却剂或者作为在循环期间在这两种聚集状态之间转换的冷却剂存在。

第一内部空腔和/或第二内部空腔可以有利地相对于轴的环绕壳罩热绝缘。热管相对于轴的径向外部区域的热绝缘例如可以通过真空绝缘实现。作为备选或补充，可以将导热能力较差的材料和/或反射射线的材料布置在内部空腔的外壁与轴的外壳罩之间。在此例如可以使用由镜面反射的金属薄膜制成的多层式热绝缘件。一般通过这种绝缘件减少向轴内部的冷却剂的不必要的热量引入，这有利于改善布置在转子上的部件的冷却。尤其可以有利地减少具有通常相对较高的涡轮机运行温度的第一涡轮机内部的冷却剂的升温。

轴可以在转子的内部具有热传递区域，在所述热传递区域中，冷却剂与至少一个布置在转子上的待冷却部件热学地耦连。所述在轴的热传递区域中的另一热学连接可以例如通过将冷却剂进一步导引通过沿径向处于更外部的区域中的通道实现。备选地，其也可以通过流体独立的、但热传导地耦合的具有另一冷却剂的热管实现。但所述另一连接或者也可以通过在导热能力良好的材料中的热传导实现。通过这些不同的变型方案，例如可以实现由转子的径向更靠外的区域向轴内部的径向热传输或者在转子内部的轴向和径向热传输的结合。热传递区域例如可以是轴的第一内部空腔的区域，但其备选地也可以布置在轴的其它内部空腔中，所述其它内部空腔例如与第一内部空腔流体地耦连。

所述轴可以在转子内部具有用于进行冷却剂的热动力学状态改变的区域。所述热动力学状态改变可以例如使得热量从转子的一个部分传递至轴内部的冷却剂，或者状态改变也可以首先使得轴内部的冷却剂冷却，之后使得热量从转子部分传递至冷却剂。

所述轴例如可以在其内部具有节流机构和通过所述节流机构与第一内部空腔流体连接的第二内部空腔。热动力学状态改变是在由于节流机构膨胀时的气体压力改变和与之相关的温度改变。这种实施形式特别有利于避免或者补偿冷却剂在从轴端部到转子内部的路径上的过于强烈的升温。通过由于涡轮机内部的轴实现的相对于传统解决方案延长的冷却剂路径，在所建议的解决方案中原则上实现了冷却剂在通往转子内部的路径上的更平缓的升温。因此有利的是，冷却剂至少在所述路径的一部分上处于比将转子中的冷却剂用于冷却该处的部件时的温度更高的温度。这可以通过以下方式实现，即，将冷却剂作为气态冷却剂在升高的压力下导入第一内部空腔中并且随即通过设置在第一空腔之后的节流机构在第二内部空腔中减压。作为节流机构例如通常可以使用膨胀阀。通过焦耳-汤姆孙效应对于实际气体在其转化温度以下在这种压力降低时实现气体的冷却。也就是在这种实施形式中，通过第一与第二内部空腔之间的压差可以使得气体在第二空腔中才达到其用于冷却转子部件所需的较低温度。通过第一内部空腔中相对较高的温度，冷却剂的升温可以在其经过轴的轴向传输时有利地降低，因为冷却剂与周围材料之间的温度梯度在这些区域中小于在设于之后的第二内部空腔的区域中的温度梯度。

多个节流机构一般也可以前后相续地连接，以便在多个层级中将冷却剂冷却至用于冷却转子内部所需的温度。为此，多个内部空腔可以沿轴向前后相续地连接，所述内部空腔通过单独的节流机构流体地相互连接。由此实现了冷却剂在从第一轴端部朝向转子的轴向路径上的层级式冷却。在此，多个节流机构可以完全布置在转子内部，或者备选地，至少一部分节流机构可以布置在转子与涡轮机之间的空隙中和/或布置在涡轮机内部。多个节流机构的这种串联布置原则上既适用于在相同的轴端部处进行冷却剂的导入和导出的实施形式，也适用于在相对置的轴端部处进行导入和导出的实施形式。

作为对具有节流机构的实施形式的备选或补充，所述轴可以在转子内部具有蒸发区域。例如，第一内部空腔可以设计为热管，在所述热管中冷却剂以液态形式从第一轴端部朝向转子传输，其中，冷却剂可以在蒸发区域中通过从转子部件吸热而蒸发并且最终作为气态冷却剂再次回到第一轴端部。在此，液态冷却剂的传出和气态冷却剂的传回可以在相同的第一内部空腔中进行，或者备选地，可以将不同的沿轴向在轴内部延伸的管路用于传出和传回。对于这种实施形式，冷却剂一般可以有利地作为液态冷却剂在第一轴端部馈送到轴内部。但在备选的实施形式中也可行的是，将气态冷却剂在升高的压力下馈送到轴中，并且冷却剂在通过节流机构膨胀之后冷却并且在此冷凝，其中，液化的冷却剂可以在转子内部的蒸发区域中通过吸热蒸发并且接着作为气态冷却剂再次由轴中导出。在此，气态冷却剂的导出可以在相同的第一轴端部处进行，或者冷却剂可以沿不变的轴向进一步传输至对置的第二轴端部并且在该处流出轴内部。

冷却设备一般可以有利地具有附加的热学耦合装置，用于在转子外部通过与传输至轴内部的冷却剂的热学耦合冷却能量转换设备的其它部件。特别有利的是，热学耦合装置可以沿冷却剂的流动方向设置在转子内部的热传递区域之后。换而言之，冷却剂可以在其与转子的待冷却部件热学接触的区域之后用于进一步冷却能量转换设备的一个或多个部件。在此，其可以特别有利地是轴承。所述轴承可以例如是第一涡轮机的、转子的或者可能存在的第二涡轮机的区域内的轴承。也可以通过进一步流动的或者回流的冷却剂冷却多个这种轴轴承。对于这种后置的冷却步骤，不需要在将超导线圈绕组冷却到超导体的运行温度时那样的较低的冷却剂温度。在这种实施形式中，可以利用已经轻微升温的冷却剂的剩余的冷却潜力，以便附加地冷却电机或者涡轮机的在运行中升温的部件，在本实施例中为轴承。作为备选或补充，也可以通过流出的冷却剂附加地冷却电机或者涡轮机的其它在运行中强烈升温的部件。

冷却设备可以具有固定的制冷机，用于冷却和/或压缩待馈送到第一内部空腔中的冷却剂。在这种实施形式中，冷却剂可以特别有利地以封闭循环的方式在用于馈送到轴中的设备与用于从轴中导出的设备之间循环。例如，制冷机的冷却头可以用于使在转子内部的蒸发区域中蒸发的部分冷却剂再次冷凝，其中，热量同时从冷却剂传递至制冷机的冷却头。在这种实施形式中，可以实现在导入轴的液态冷却剂与流出轴的气态冷却剂之间的封闭循环。

备选地，制冷机可以设计为压缩制冷机，并且可以在冷却剂循环中布置压缩机，其压缩流出轴的气态冷却剂并且在通过热交换器向环境放热之后在提高的压力下再次导回馈送设备中。这种实施形式与轴内部的节流机构相结合是特别有利的，通过节流机构可以使压缩的气态冷却剂在冷却的情况下膨胀。

能量转换设备可以具有第二涡轮机，其同样可旋转地布置在相同的轴上。再次，转子尤其可以布置在第一与第二涡轮机之间。这种实施形式尤其可以使用在燃气和蒸汽发电设备中，其中，发电机的转子布置在处于燃气轮机与蒸汽轮机之间的贯穿的轴上。通过共同的轴将转子、燃气轮机和蒸汽轮机机械地耦连，并且扭矩通过轴在所述部件之间传递。

电机可以具有超导线圈绕组，其具有20K至100K之间的、尤其是20K至77K之间的运行温度。在转子中具有超导线圈绕组的机器相对于传统机器具有效率、功率密度以及动态和灵活性方面的优点。所述机器尤其可以设计为发电厂的发电机。其可以有利地设计用于10MW至2GW、尤其是400MW至2GW之间的功率范围。

在用于冷却能量转换设备的方法中，可以在将冷却剂传输至轴的第一内部空腔之后进行轴内部的热动力学状态改变。所述热动力学状态改变可以有利地有助于将热量从转子部件传递至冷却剂和/或热动力学状态改变可以有助于冷却转子内部的冷却剂，以便接着实现用于待冷却部件的提高的冷却效果。

例如，冷却剂可以有利地作为气态冷却剂在升高的压力下馈送到第一内部空腔中并且随即在转子内部通过至少一个节流机构膨胀为较低的压力，其中，冷却剂冷却。这种实施形式的优点类似于冷却设备的相应实施形式的优点。在此，提高的压力首先一般理解为高于大气压的压力。

将气态冷却剂馈送到第一内部空腔中的压力在此可以有利地高于1bar，特别有利地高于5bar，尤其甚至高于150bar。用于这种实施形式的特别有利的冷却剂是包含氦、氖、氮和/或氢的冷却剂。导入第一内部空腔的气体的温度可以有利地高于250K，其中，尽管如此仍可以在通过转子内部的至少一个节流机构膨胀之后达到低于45K的冷却剂温度。

备选地，冷却剂也可以作为液态冷却剂馈送到第一内部空腔中并且接着在第一内部空腔的蒸发区域中蒸发。在此形成的优点也类似于冷却设备的相应实施形式的优点。

以下根据一些优选实施例参照附图阐述本发明。在附图中：

图1示出燃气和蒸汽发电设备的能量转换设备的示意性纵剖面；

图2示出按照第一实施例的冷却设备1的示意性纵剖面；

图3示出按照第二实施例的冷却设备1的示意性纵剖面；

图4示出按照第三实施例的冷却设备1的示意性纵剖面并且

图5示出按照第四实施例的冷却设备1的示意性纵剖面。

图1示出燃气和蒸汽发电设备的能量转换设备2的示意性纵剖面。能量转换设备包括作为燃气轮机工作的第一涡轮机23和作为蒸汽轮机工作的第二涡轮机25。在两个涡轮机23和25之间布置一电机20，在此是发电机，其具有处于内部的转子3和包围该转子3的定子21。转子3和两个与其相邻的涡轮机23和25能围绕转子轴线5旋转地支承地布置在共同的轴7上。在此，轴7在旋转的部件之间实现机械耦合并且传递扭矩。由于布置在共同的轴7上，两个涡轮机23和25可以和发电机的转子3同步地旋转。在图1所示的例子中，轴7由三个区段组成，它们分别通过法兰联轴器27相连。然而备选地，轴7也可以例如由单独的连续的构件制造。所示的布置相应于组合发电站的所谓的单轴布置(英语：Single-ShaftConfiguration)，其中，燃气轮机23和蒸汽轮机25用于驱动转子3，并且由此两个涡轮机通过相同的轴7驱动相同的发电机20。在此，通过燃气在燃气轮机中的燃烧在轴上产生机械功率，并且机械功率的另一部分在蒸汽轮机中产生。为了产生为此所需的蒸汽，可以将来自燃气轮机的热废气例如在废热蒸汽锅炉中用于产生水蒸气。蒸汽可以在蒸汽轮机中膨胀减压并且由此附加地向轴输出机械功率。轴上承接的机械功率在发电机中转换为电功率。将两个涡轮机布置在共同的轴上可以实现发电设备的特别有效的运行以及减少所需的发电机部件。以下描述的冷却设备1的实施例可以例如使用在这种组合的燃气和蒸汽发电设备中。

在图2中示出按照本发明的第一实施例的冷却设备1的示意性纵剖面。又显示了具有两个涡轮机23和25的能量转换设备2，在所述涡轮机之间，发电机的转子3布置在共同的轴7上。转子具有至少一个待冷却部件33，其应通过能量转换设备2的冷却设备1冷却，并且在本实施例中设计为超导的线圈绕组4。所述线圈绕组4需要冷却到处于制冷温度范围内的运行温度，以使发电机有效地运行。为此设置冷却设备1，其包括静止的制冷机41和布置在轴7内部的第一内部空腔9。轴7在轴向的第一轴区段7a中设计为空心轴，其中，所述轴区段7a从第一轴端部8a穿过第一涡轮机23延伸至转子3的内部。因此，通过第一内部空腔9，冷却剂13可以从固定的制冷机41导入转子3内部并且从该处出发冷却超导的线圈绕组4。而轴7的与第一轴区段7a轴向邻接的区域7b在本实施例中设计为不具有内部空腔的实心轴。

在所示的第一实施例中，第一轴端部8a配设有用于馈送冷却剂13的装置17。在本实施例中其指的是固定的管，其在第一轴端部处伸入第一内部空腔9中。在所述管中将液态冷却剂13a、在本实施例中为液化的氖从制冷机41的冷凝区域16导入轴内部。所述管可以作为固定的管在旋转的轴内部延伸，或者其可以通过旋转密封件耦连在旋转的管部件上，或者液态冷却剂13a可以在包围管的较大的空腔中沿轴向朝向转子3流动。尤其如果冷却剂管在轴内部延伸并且略微下降地设计，则可以例如通过重力支持流动。作为备选或补充，液态冷却剂朝向转子的流动可以通过毛细力支持和/或在轴的内部空腔的锥形构造中通过离心力支持。在所有这些实施变型方案中，液态冷却剂13a通过轴7的内部空腔9到达转子3内部的区域11，所述区域在此具有蒸发区域15，在所述蒸发区域中空腔9的外壁与转子3的待冷却对象33或者多个待冷却对象热学相连。所述热学连接在所示实施例中通过由导热能力良好的材料制成的热传导元件35实现，由此形成从超导的线圈绕组4朝向内部空腔9的蒸发区域15的热流36。在该处，液态冷却剂13通过在热传递区域28中吸热而蒸发，并且形成的气态冷却剂13可以通过相同的内部空腔9朝第一轴端部8a的方向沿轴向返回。

在第一轴端部8a的区域中，轴7的外壳罩通过旋转密封件19与外管32相连，因此气态冷却剂13b在外管中朝向位置固定的制冷机41的冷却头14导引，其在冷却头中在冷凝区域16中冷凝并且再次以封闭循环的方式导入用于将冷却剂13馈送到轴7内的装置17中。总地来说也就是通过在轴7内部传输的冷却剂13冷却转子3的待冷却部件33，其中，冷却剂沿轴向导引穿过第一涡轮机23。在所示的第一实施例中，冷却剂在相同的第一轴端部8a处导入和再次导出。轴的内部空腔9在此用作热管，在所述热管中既将液态冷却剂13a导向转子3，也将气态冷却剂13b传输离开转子。

在图3中示出按照备选的第二实施例的冷却设备1的示意性纵剖面。彼此相应的部件一般分别配设有相同的附图标记并且起到与前述附图中类似的作用。在第二实施例中，冷却剂13也在相同的第一轴端部8a处馈送并且再次导出。在此，轴也在处于所述第一轴端部8a与转子内部之间的第一轴区段7a中设计为空心轴，而其在与第一轴区段连接的轴区段7b中设计为实心的。然而与第一实施例不同，冷却剂13不是作为液态冷却剂，而是作为处于提高的压力下的气态冷却剂13b导入第一轴端部中。在此，用于馈送冷却剂的装置设计为高压管路45，其中，高压管路45的固定的外部部分在第一轴端部的区域中通过抗压的旋转密封件19a与高压管路45a的处于轴7内部的旋转部分相连。

在轴7内部，第一内部空腔9通过高压管路的可旋转的延伸45a的内部形成。通过所述空腔9在压力下将气态的压缩的冷却剂13b、在此是氖导引至节流机构30，所述节流机构布置在转子3内部。通过例如设计为膨胀阀的节流机构30，使处于压力下的气体13b膨胀进入第二内部空腔10。在该第二内部空腔10中，气态冷却剂冷却为比处于压力下的第一内部空腔9中冷却剂的温度明显更低的温度。第二内部空腔10的热传递区域28与转子3的待冷却部件33热学接触。在本实施例中，所述热学接触也通过热传导元件35实现。在所述区域28中，当前膨胀后减压的气态冷却剂13b升温并且接着通过包围高压管的第二内部空腔10的延伸部沿轴向又导引回第一轴端部8a。两个冷却剂管路9和10的所示共轴布置的优点在于，回流的膨胀的气体即使在热传递区域28中进行热交换之后也可以具有比处于压力下的气体13b更低的温度并且因此能够以热交换的方式对流入的气体进行预冷却。此外通过在外部流动的已经膨胀的气体有利地减少了处于压力下的气体与轴的可能更热的外壳罩的直接热学相互作用。相宜地，所述外壳罩在所述和所有其它实施例中通过在此未示出的真空绝缘件和/或其它方式的热绝缘件相对内部的冷却剂管路9和10热绝缘。

第二内部空腔10中的膨胀的气态冷却剂在第一轴端部8a处经由旋转密封件19返回进入冷却设备的外部低压管路47中，其导引至在图3中仅示意性示出的制冷机41，所述制冷机在本实施例中设计为具有压缩机的压缩制冷机。膨胀的气体在压缩机中被重新压缩，其中，在压缩中释放的热量又通过制冷机41的在此未示出的其它部件从气体中提取出。压缩的气态冷却剂从压缩机再次馈送到高压管路45中并且由此形成封闭的冷却剂循环。

在图4中示出按照本发明的第三实施例的冷却设备1的示意性纵剖面。在本实施例中，轴7在其整个轴向长度上设计为空心轴，其中，在第一轴端部8a处布置有用于馈送冷却剂13的装置17并且在对置的第二轴端部8b处布置有用于导出冷却剂的装置18。为此，在第一轴端部8a处，高压管路45通过抗压的旋转密封件19a与轴7的第一内部空腔9相连。在第二轴端部8b处，低压管路47以类似的方式通过旋转密封件19与轴7的第二内部空腔10相连。在低压管路47与高压管路45之间又布置有带压缩机的制冷机41，在压缩机中将低压管路47的气态冷却剂压缩至更高的压力并且随即馈送到高压管路45中。在此也通过管路和压缩机形成封闭的冷却剂循环，其中，再次在制冷机41的区域内例如通过冷却体从气体中提取热量，通过所述冷却体将热量传递至外部环境。

处于压力下的气体通过第一内部空腔9穿过第一涡轮机23导引至转子3的内部，在该处气体又通过节流机构30膨胀，其中，气体同时冷却。在此，由此冷却的气体也在热传递区域28内与一个或多个热传导元件35热学接触，所述热传导元件又与转子3的待冷却部件33热学耦连。在膨胀之后，气态冷却剂13b接着在轴7的轴向邻接区域中在第二内部空腔10中导引穿过第二涡轮机25并且朝第二轴端部8b导引。在所述第三实施形式中，在热传递区域28中略微升温的、但仍较冷的膨胀气体10不能用于对流入的处于压力下的气体进行预冷却。但其原则上可以用于冷却与第二内部空腔10邻接的其它部件。但两个内部空腔9和10一般也可以相对于轴的环绕的外壳罩热绝缘，例如通过包围的真空绝缘件或者其它热绝缘件，它们在附图中出于直观性原因没有显示。在这种设计方案中，冷却剂13只用于冷却转子3的单独部件33，并且向冷却剂13的热量引入在整体上尽可能保持较低。

在图5中示意性示出备选的第四实施例。在本实施例中，气态冷却剂13通过轴7的整个轴向长度的流动和处于压力下的气体在转子3内部的膨胀与图4所示的第三实施例类似地设计。但区别在于，在此在第二内部空腔10的区域中在所述空腔10的外壁与轴的轴承39之间布置有附加的热学耦合装置。在所示实施例中其是指第二涡轮机25区域中的轴轴承39。这种轴轴承一般在能量转换设备运行时升温，并且流出的仍较冷的气体可以有利地用于对这些较热的部件进行附加冷却。通过回流到制冷机的冷却剂13和/或也已经通过从制冷机流入的冷却剂进行的轴轴承冷却的相似形式也可以作为其它所述实施形式的有利变型方案实现，也就是例如也与用于通过蒸发区域冷却转子部件的热管相结合和/或在冷却剂在轴的相同侧导入和再次导出的实施形式中实现。

在所有所述的变型方案中，轴的一个或多个内部空腔9和10在其轴向长度的较大一部分上延伸。因此，至少一个第一空腔9延伸穿过第一涡轮机23并且延伸到转子3的内部区域中。在一些实施形式中，同一或者另一空腔也可以进一步穿过转子3和第二涡轮机延伸至对置的轴端部。轴7在此一般设计具有连续的外壳罩，或者轴7可以与图1所示类似地由多个轴区段组成。在此，例如可以使用具有相应的冷却剂密封件的法兰联轴器27，它们也将轴7的内部空腔9和10沿轴向相互连接。备选地，例如也可以只有轴的外壳罩的分区段通过法兰联轴器27相连，在轴的内部，连续的管可以延伸经过多个分区段。

Claims (15)

1.一种用于冷却能量转换设备(2)的冷却设备(1)，所述能量转换设备

-具有电机(20)，所述电机包括能够围绕旋转轴线(5)旋转地支承的转子(3)，所述转子布置在能旋转的中央轴(7)上，

-和具有至少一个第一涡轮机(23)，所述第一涡轮机也能旋转地布置在所述中央轴(7)上，

所述冷却设备包括

-轴(7)的至少一个第一内部空腔(9)，用于将冷却剂(13)传输至转子(3)内部的区域(11)中，

其中，第一内部空腔(9)沿轴向延伸穿过第一涡轮机(23)并且穿过第一涡轮机(23)与转子(3)之间的轴向空隙(24)。

2.按权利要求1所述的冷却设备(1)，其中，所述轴(7)具有第一轴端部(8a)，所述第一轴端部配设有用于将冷却剂(13)馈送到第一内部空腔(9)中的设备(17)，其中，第一轴端部(8a)沿轴向布置在第一涡轮机(23)的背离转子(3)的一侧上。

3.按权利要求2所述的冷却设备(1)，其中，所述第一轴端部(8a)附加地配设有用于将冷却剂(13)从第一内部空腔(9)中导出的设备(18)。

4.按权利要求2所述的冷却设备(1)，具有沿轴向与第一轴端部(8a)对置的第二轴端部(8b)，所述第二轴端部配设有用于将冷却剂从轴(7)的内部空间中导出的设备(18)。

5.按前述权利要求之一所述的冷却设备(1)，其中，所述轴(7)在转子(3)的内部具有热传递区域(28)，在所述热传递区域中，冷却剂(13)与至少一个布置在转子(3)上的待冷却部件(33)热学地耦连。

6.按前述权利要求之一所述的冷却设备(1)，其中，所述轴(7)在转子(3)内部具有用于进行冷却剂(13)的热动力学状态改变的区域(15、29)。

7.按权利要求6所述的冷却设备(1)，其中，所述轴(7)在其内部具有节流机构(30)和通过所述节流机构(30)与第一内部空腔(9)流体连接的第二内部空腔(10)。

8.按权利要求6或7所述的冷却设备(1)，其中，所述轴(7)在转子(3)内部具有蒸发区域(15)。

9.按前述权利要求之一所述的冷却设备(1)，所述冷却设备具有热学耦合装置(37)，用于通过与传输至轴(7)内部的冷却剂(13)的热学耦合冷却能量转换设备(2)在转子(3)外部的其它部件(39)。

10.一种冷却设备(1)，具有用于冷却和/或压缩馈送到第一内部空腔(9)中的冷却剂(13)的固定的制冷机(41)。

11.一种能量转换设备(2)，

-具有电机(20)，所述电机包括能够围绕旋转轴线(5)旋转地支承的转子(3)，所述转子布置在能旋转的中央轴(7)上，

-具有至少一个第一涡轮机(23)，所述第一涡轮机也能旋转地布置在该中央轴上，

-并且具有按前述权利要求之一所述的冷却设备(1)。

12.按权利要求11所述的能量转换设备(2)，所述能量转换设备包括第二涡轮机(25)，所述第二涡轮机也能旋转地布置在所述中央轴(7)上，其中，转子(3)布置在第一涡轮机(23)与第二涡轮机(25)之间。

13.一种用于冷却能量转换设备(2)的方法，所述能量转换设备具有电机(20)和至少一个第一涡轮机(23)，所述电机包括能够围绕旋转轴线(5)旋转地支承的转子(3)，所述转子布置在能旋转的中央轴(7)上，所述第一涡轮机也能旋转地布置在所述中央轴(7)上，

所述方法包括至少一个以下步骤：

-将冷却剂(13)通过轴(7)的第一内部空腔(9)传输至转子(3)内部的区域(11)中，所述第一内部空腔(9)沿轴向延伸穿过第一涡轮机(23)并且穿过布置在第一涡轮机(23)与转子(3)之间的轴向空隙(24)。

14.按权利要求13所述的方法，其中，将冷却剂(13)作为气态的冷却剂(13b)以提高的压力馈送到第一内部空腔(9)中，并且接着在转子(3)内部通过节流机构(30)卸减为较低的压力，其中，冷却剂(13)冷却。

15.按权利要求13所述的方法，其中，将冷却剂(13)作为液态的冷却剂馈送到第一内部空腔(9)中并且接着在第一内部空腔(9)的蒸发区域(15)中蒸发。