DE10018169A1 - Vorrichtung für in einem Kryostaten zu betreibendes elektrisches Betriebselement mit Stromzuleitungen - Google Patents
Vorrichtung für in einem Kryostaten zu betreibendes elektrisches Betriebselement mit StromzuleitungenInfo
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Abstract
Vorrichtung (1) mit Kryostat (2), deren Kältemittel(5)-Umlauf (LN¶2¶, GN¶2¶) zwischen Kryostat und Wärmesenke (30) allein thermosyphon-angetrieben ist. Diese Vorrichtung ist über nur eine Wärmeübertragung (31) mit dieser Wärmesenke (30) verbunden.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
für in einem Kryostaten zu betreibendes elektrisches Be
triebselement mit Stromleitungen von und zu einem auf Raum-
oder höherer Temperatur befindlichem weiteren elektrischen
Betriebselement mit Abgaskühlung. Dies erfolgt im wesentli
chen mittels im gasförmigen Aggregatzustand befindlichen An
teilen des im Kryostaten vorhandenen Kältemittels. Das Kälte
mittel wird in der Vorrichtung mittels eines Wärmetauschers
durch Abfuhr von Wärmemengen an eine Wärmesenke gekühlt. Die
se Wärmemenge beruht zu wesentlichem Anteil auf dem Betrieb
des im Kryostaten befindlichen Betriebselement.
Bei dem im Kryostaten zu betreibenden elektrischen Betriebs
element handelt es sich vorzugsweise um Elemente, die bei
insbesondere im Bereich der Temperatur der flüssigen Luft,
vorzugsweise des flüssigen Stickstoffs, zu betreiben sind.
Ein spezielles solches Betriebselement ist ein Hochtempera
tur-supraleitendes Element wie z. B. ein Hochtemperatur-
Supraleiter-(HTSL)-Strombegrenzer. Solche Strombegrenzer wer
den neuerdings in Starkstromanlagen, vorzugsweise in Mittel
spannungsanlagen eingesetzt, wo sie einem mechanischen Kurz
schlussstrom-Abschalter schon länger bekannter Bauart als
Schutz wirksam vorgeschaltet sind, bis dieser Abschalter me
chanisch wirksam geworden ist. Diese Verwendung eines solchen
Betriebselements bedingt, dass es, - in dem Kryostaten auf
der erwähnten tiefen Temperatur gekühlt vorhanden -, mittels
Zu- und Ableitungen für den elektrischen Betriebsstrom mit
Betriebselementen außerhalb des Kryostaten verbunden ist. Da
bei ist es nicht unüblich, dass im Falle eines wie erwähnten
Strombegrenzers durch solche Stromleitungen mehrere Tausend
Ampere im Dauer-Betrieb hindurchfließen.
In einer solchen Vorrichtung treten infolge des innerhalb
dieser Vorrichtung fließenden elektrischen Stromes erhebliche
Mengen Joulscher Wärme auf, die zuverlässig nach außen abge
führt werden müssen, damit das im Kryostaten befindliche Be
triebselement auf der tiefen Kryo-Temperatur gehalten werden
kann. Dies ist für das einwandfreie Funktionieren dieses Be
triebselementes unabdingbar.
Der Vollständigkeit halber sei auch erwähnt, daß in dem im
Kryostaten befindlichen elektrischen Betriebselement eben
falls Joulsche Wärme auftreten kann und insbesondere dann so
gar in kurzzeitig erheblicher Menge auftritt, wenn der oben
erwähnte Kurzschlussfall, d. h. das Betriebselement seine
Schutzfunktion erfüllt. Es erfüllt die hier erörterte Vor
richtung auch die mit dieser Betriebsfunktion verbundenen Be
dingungen hinsichtlich der mit der Vorrichtung zu erreichen
den Kühlung bzw. Wärmeabfuhr.
Weitere Erläuterungen zur Erfindung seien des einfacheren und
zweifelsfreien Verständnisses halber im Zusammenhang mit der
Beschreibung einer beispielhaften und vorzugsweisen Ausfüh
rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben. Zum
Stand der Technik sei noch auf P. Komarek, "Hochstromanwen
dungen der Supraleitung", Teubner Verlag, Stuttgart (1995);
Buyanov, Y.L. et al., "The Review of Current Leads for Cryo
genic Devices", Cryogenics 15 (1995), Seiten 193-200 verwie
sen. Dort sind im übrigen auch weitere Beispiele für mit Kry
ostaten zu betreibende elektrische Betriebselemente genannt,
für deren Betrieb sich die erfindungsgemäße Vorrichtung glei
chermaßen eignet. Dies gilt auch für den Betrieb der Vorrich
tung mit Kryo-Temperaturen unterhalb der der flüssigen Luft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Vorrich
tung der oben genannten bekannten Art Ausführungsformen an
zugeben, die für den Betrieb und insbesondere auch für den
Wartungs- und Reparaturbetrieb einer solchen Vorrichtung vor
teilhaft ausgestaltet sind. Insbesondere betrifft dies den
gemeinsamen bzw. gleichzeitigen Betrieb mehrerer solcher Vor
richtungen, z. B. im Mehrphasenbetrieb und auch in größeren
Schaltanlagen. Diese Aufgabe wird mit einer solchen Vorrich
tung eingangs umrissener Art gelöst, die die Merkmale des An
spruches 1 umfasst und Unteransprüche betreffen weitere Aus
gestaltungen.
Das Prinzip und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung sei anhand der zur Offenbarung der
Erfindung gehörig beigefügten Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß aus
gebildeten Vorrichtung und
Fig. 2 zeigt ein System mit mehreren solchen erfindungsgemä
ßen Vorrichtungen.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen Kryostaten 2, der im wesent
lichen aus einem wärmeisolierten, vorzugsweise topfförmigen
oder kesselförmigen Behälter 3 mit einem Deckel 4 besteht. In
der Fig. 1 und ebenso im Betrieb ist dieser doppelwandige,
durch evakuierten Doppelwand-Zwischenraum bekanntermaßen
hoch-wärmeisolierende Behälter 3 mit einem Kältemittel 5 bis
zu einem wie gezeigten Flüssigkeitsspiegel 6 gefüllt. Für die
im Betrieb fortlaufende Zufuhr des Kältemittels 5 in flüssi
gem Aggregatzustand dient die Zuführungsleitung 7, wie sie
dargestellt ist. Das flüssige Kältemittel ist beispielsweise
flüssiger Stickstoff und mit LN2 (Liquid Nitrogene) bezeich
net. Mit 10 ist pauschal das im Kryostaten zu betreibende
elektrische Betriebselement bezeichnet, das z. B. ein wie er
wähnter und beschriebener Hochtemperatur-Supraleiter-(HTSL)-
Strombegrenzer sei. Dieser kann mit dem LN2 auf der erforder
lich niedrigen Betriebstemperatur gekühlt gehalten werden.
Mit 11 sind die schon erwähnten Strom-Zuleitungen und -Ab
leitungen bezeichnet. Durch diese Leitungen 11 fließt im Be
trieb derjenige elektrische Strom, der mittels des Betriebs
elementes 10 unter bestimmten äußeren Bedingungen zu schalten
ist. Dieser Strom I kann dabei mehrere Tausend Ampere betra
gen, sodass im Betrieb ständig von diesen Strom-Zuleitungen
11 ausgehend Wärme an deren unmittelbare Umgebung abgegeben
wird. Um diese Wärme abzuführen bzw. zum Zwecke der Wärmeab
fuhr dient oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 6 im Inneren des
Kryostaten 2 unterhalb des Deckels 4 befindliches Gas des
Kältemittels 5. Dieses ist hier mit GN2 für gasförmiges
Nitrogen bezeichnet. Infolge der mittels der von den strom
durchflossenen Leitungen 11 abgegebenen Wärme auftretenden
Thermosyphonwirkung erfährt dieses gasförmige Kältemittel ei
nen Thermosyphon-Antrieb mit der mit 20 bezeichneten Strö
mung. Für diese Gas-Strömung 20 ist der aus der Fig. 1 er
sichtliche Kreislauf konstruktiv vorgesehen. In diesen Kreis
lauf der Strömung 20 ist ein Wärmetauscher 30 eingefügt. Die
ser dient dazu, mit der Gasströmung 20 transportierte Wärme
menge in diesem Wärmetauscher 30 an eine Wärmesenke 40 ab
zugeben. Dieser Wärmetauscher, der auch als Gegenstromwärme
tauscher zu bezeichnen ist, ist dazu vorgesehen und nach an
sich bekannter Art ausgestaltet und bemessen, dass mit diesem
bei Wärmekontakt-Verbindung 31 mit der Wärmesenke 40 das gas
förmige Kältemittel GN2 dort zu wieder flüssigem Kältemittel
LN2 kondensiert wird.
Als Wärmesenke dient der Wärmetauscher einer konventionellen
Gemischkaskaden-Kältemaschine. Da diese Kältemaschine konven
tioneller Art ist, ist sie in der Fig. 1 nur dem Prinzip
nach dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt lediglich schematisch den Einsatz einer
Mehrzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 11, 12, 13 im Zusam
menwirken mit einer zentralen Wärmesenke 40.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorzug, dass eine in
Fig. 1 mit 1 und mit den Einzelheiten 2 bis 30 bezeichnete
Vorrichtung ein geschlossenes System ist und mit weiteren zu
gehörigen, der Kühlung dienenden Betriebseinrichtungen, wie
der Wärmesenke 40, nur eine wärmekontaktierende und
-ableitende Berührung hat. Dieses System der beschriebenen
Vorrichtung 1 hat einen in sich geschlossenen Umlauf des Käl
temittels innerhalb der Vorrichtung. Es bedarf eines Öffnens
nur bei z. B. einem Ersatz von durch Leckage verloren gegange
nen Kältemittels. Gerade weil die erfindungsgemäße Vorrich
tung 1 keine mechanisch bewegten und zu bewegenden Teile um
fasst, ist diese Leckage sogar außerordentlich gering. Eine
dennoch möglicherweise erforderliche Reparatur oder ein vor
zunehmender Austausch kann andererseits so ausgeführt werden,
dass davon weitere an die Wärmesenke 40 angeschlossene Vor
richtungen 12, 13 nicht betroffen sind. Ein solcher Eingriff
ist z. B. dann notwendig, wenn ein Austausch des Betriebsele
ments 10 vorzunehmen ist.
Fig. 2 zeigt hierzu eine solche Anordnung für eine 3-Phasen-
Anlage mit den genannten Vorrichtungen 11, 12 und 13 für die
jeweilige Spannungsphase.
Claims (3)
1. Vorrichtung für in einem Kryostaten (2) zu betreibendes
elektrisches Betriebselement (10) mit Stromleitungen (11) von
und zu einem auf Raum- oder höherer Temperatur befindlichen
weiteren elektrischen Betriebselement (50) mit Abgaskühlung
der Stromleitungen (11) mittels im Kryostaten (2) befindli
chen Kältemittels (5) und mit einem Wärmetauscher (30) zur
Wärmeabfuhr an eine Wärmesenke (40), dadurch ge
kennzeichnet, dass eine bezüglich des Kältemit
tels (5) im geschlossenen Umlauf (LN2, GN2) allein thermo
syphon-angetriebene Strömung (20) des gasförmigen Anteils des
Kältemittels (5) zwischen Kryostat (2) und Wärmetauscher (30)
vorgesehen ist, und nur der Wärmetauscher (30) der Vorrich
tung (1) mit der Wärmesenke (40) wärmeübertragend (31) ver
bunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass zur wärmeübertragenden Ver
bindung (31) der Wärmetauscher (30) mit einer Gemischkaska
den-Kältemaschine als Wärmesenke (40) verbunden ist.
3. Zusammenschaltung einer Mehrzahl Vorrichtungen nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass diese (11, 12, 13) mit einer gemeinsamen Wärmesenke (40)
derart verbunden sind, dass jede der einzelnen Vorrichtungen
(1) einzeln von der Wärmesenke (40) abzutrennen ist ohne Ein
fluss auf den bestimmungsgemäßen Betrieb der übrigen mit der
Wärmesenke (40) verbundenen Vorrichtungen (1).
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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