DE10018169A1

DE10018169A1 - Vorrichtung für in einem Kryostaten zu betreibendes elektrisches Betriebselement mit Stromzuleitungen

Info

Publication number: DE10018169A1
Application number: DE2000118169
Authority: DE
Inventors: Bernd Gromoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: DE10018169C5; DE10018169C2

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

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).