DE10039964A1 - Supraleitungseinrichtung mit einer Kälteeinheit zur Kühlung einer rotierenden, supraleitenden Wicklung - Google Patents

Supraleitungseinrichtung mit einer Kälteeinheit zur Kühlung einer rotierenden, supraleitenden Wicklung

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DE10039964A1
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Abstract

Die Supraleitungseinrichtung (2) enthält einen um eine Rotationsachse (A) drehbaren Rotor (5) mit einer supraleitenden Wicklung (10) in einem wärmeleitenden Wicklungsträger (9). Der Wicklungsträger (9) weist einen zentralen, zylindrischen Hohlraum (12) auf. Ein außerhalb des Rotors (5) befindlicher Kaltkopf (16) einer Kälteeinheit ist wärmeleitend mit einem feststehend in den Hohlraum (12) des Wicklungsträgers (9) hineinragenden Wärmeübertragungskörper (18) verbunden. Ein Ringspalt (19) zwischen dem Wicklungsträger (9) und dem Wärmeübertragungskörper (18) ist mit einem wärmeleitenden Kontaktgas (21) gefüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger an­ geordnet sind, und mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf auf­ weist. Eine entsprechende Einrichtung geht aus der US 5,482,919 A hervor.
Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate­ rialien wie z. B. NbTi oder Nb3Sn, die sehr niedrige Sprung­ temperaturen Tc besitzen und deshalb auch Niedrig(Low)-Tc- Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien genannt werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch(High)-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2).
Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Es zeigt sich jedoch, daß bisher bekannte Leiter nur eine verhältnis­ mäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induk­ tionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es vielfach er­ forderlich, daß die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturni­ veau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt zwar einerseits deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien wie Nb3Sn gekühlt werden. Andererseits ist aber eine Kühlung mit LN2 wegen der hohen Leiterverluste unwirtschaftlich. Andere verflüssigte Gase wie Wasserstoff mit einer Siedetemperatur von 20,4 K oder Neon mit einer Sie­ detemperatur von 27,1 K scheiden wegen ihrer Gefährlichkeit oder wegen mangelnder Verfügbarkeit aus.
Es kommen deshalb zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern, in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreis­ lauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Puls­ röhrenkühler ausgebildet. Solche Kälteeinheiten haben zudem den Vorteil, daß die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkal­ ten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird eine supraleitende Einrichtung wie z. B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B. "Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).
Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der ein­ gangs genannten US-A-Schrift entnehmbaren supraleitenden Ro­ tor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als Stirling- oder Gifford-McMahon- oder Pulsröhrenkühler ausgelegten Kälteeinheit auf einer gewünschten Betriebstempe­ ratur zwischen 30 und 40 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält hierzu in einer speziellen Ausführungsform einen mit­ rotierenden, in der Schrift nicht weiter ausgeführten Kalt­ kopf, dessen kältere Seite thermisch an die Wicklung indirekt über wärmeleitende Elemente gekoppelt ist. Ferner enthält die Kälteeinheit der bekannten Maschine eine außerhalb ihres Ro­ tors befindliche Kompressoreinheit, die den Kaltkopf über ei­ ne rotierende, nicht näher ausgeführte Kupplung einer entsprechenden Transfereinheit das erforderliche Arbeitsgas zu­ führt. Die Kupplung versorgt außerdem über zwei Schleifringe auch einen Ventiltrieb der Kälteeinheit, der in den Kaltkopf integriert ist, mit der nötigen elektrischen Energie. Dieses Konzept macht es erforderlich, daß in der Transfereinheit mindestens zwei Gasverbindungen koaxial geführt und mindes­ tens zwei elektrische Schleifringe vorgesehen werden müssen. Zudem ist die Zugänglichkeit der mitrotierenden Teile der Kälteeinheit und insbesondere des Ventiltriebs in dem Rotor der Maschine behindert, da bei erforderlichen Wartungen das Rotorgehäuse geöffnet werden muss. Desweiteren ist die Funk­ tion eines herkömmlichen Ventiltriebs bei schneller Rotation, wie sie bei Synchronmotoren oder Generatoren gegeben ist, nicht gesichert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von die­ sem Stand der Technik die Einrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß mit ihr ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb der Kälteeinheit sowohl im Stillstand als auch bei Rotation des Rotors in einem Tem­ peraturbereich unter 77 K bei vergleichsweise vermindertem apparativen Aufwand gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 an­ gegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend umfasst die Sup­ raleitungseinrichtung einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger angeordnet sind, sowie eine Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf aufweist. Dabei soll die Supraleitungseinrichtung folgende Merkmale aufweisen, nämlich
  • - dass der Wicklungsträger mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum ausges­ tattet ist,
  • - dass sich der Kaltkopf feststehend außerhalb des Rotors befindet und starr und wärmeleitend mit einem Wärmeübertragungszylinder verbunden ist, welcher in den Hohlraum des Wicklungskörpers unter Einhaltung eines hohlzylindri­ schen Ringspaltes hineinragt,
sowie
  • - dass der Ringspalt zumindest im Bereich des Wicklungsträ­ gers mit einem Kontaktgas zur Wärmeübertragung zwischen dem Wicklungsträger und dem Wärmeübertragungszylinder ge­ füllt und gasdicht abgedichtet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Supraleitungsein­ richtung ist folglich die gesamte Kälteeinheit mit ihren e­ ventuell beweglichen Teilen feststehend außerhalb des Rotors angeordnet und somit jederzeit leicht zugänglich. Die Bereit­ stellung der Kälteleistung bzw. der Wärmetransfer erfolgt von einem feststehenden Kühlfinger in Form des Wärmeübertragungs­ zylinders, der mit dem Kaltkopf gut-wärmeleitend verbunden ist, durch Gasströmung des Kontaktgases an den rotierenden Wicklungsträger. Dabei kommt vorteilhaft keine Zwangsumwäl­ zung des Kontaktgases zum Einsatz; sondern die Rotation des Rotors zusammen mit Fliehkräften im Kontaktgas sorgt für eine Konvektion des Gases. Zudem ist auch bei Stillstand des Ro­ tors eine Abkühlung von Raumtemperatur auf Tieftemperatur oder eine Aufrechterhaltung der Tieftemperaturverhältnisse im Rotor aufgrund sich einstellender Konvektion im Kontaktgas möglich. Dies ist eine Folge der gewählten Geometrie des Auf­ baus aus Wärmeübertragungszylinder in dem zylinderförmigen Hohlraum unter Einhaltung des Ringspaltes. Der Wärmetransfer bzw. die Bereitstellung der Kälteleistung ist bei diesem Auf­ bau besonders einfach und wirtschaftlich, zumal nur eine ver­ hältnismäßig einfache Abdichtung des Ringspaltes erforderlich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supralei­ tungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So ist der Ringspalt besonders einfach abzudichten, wenn der Hohlraum auf einer Seite durch den Wicklungsträger geschlossen ist und an der dem Kaltkopf zugewandten Seite eine Dich­ tungseinrichtung mit mitrotierenden Teilen vorgesehen ist. Dabei kommt als Dichtungseinrichtung vorzugsweise zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddichtung, Labyrinth­ dichtung, Spaltdichtung in Frage.
Als Kälteeinheit lassen sich praktisch alle Typen vorsehen, die einen auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau zu legenden Kaltkopf aufweisen. Bevorzugt werden Kryokühler insbesondere mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf vorgesehen, da diese einen einfachen Aufbau aufweisen und für eine indirekte Kühl­ technik wie bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrich­ tung besonders geeignet sind. Entsprechende, auch als regene­ rative Kryokühler bezeichnete Kühler weisen einen Regenerator bzw. regenerativen Arbeitszyklus entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler auf (vgl. z. B. den genannten Proceedings-Band, Seiten 33 bis 44).
Besonders vorteilhaft kann der Kaltkopf mehrstufig ausgebil­ det sein. Mit seiner ersten Stufe sind dann Teile einer Stromzuführung oder ein thermischer Strahlungsschild auf eine vergleichsweise höhere Zwischentemperatur zu legen. Mit einem entsprechend konzipierten Kaltkopf lassen sich so auf einfa­ che Weise auch feststehende Teile einer Supraleitungseinrich­ tung jeweils auf einem für eine effektive Kühlung günstigen Temperaturniveau halten.
Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die zu küh­ lende Wicklung und damit ihr Supraleitermaterial mittels des Kaltkopfes auf einer Temperatur unter 77 K, im Falle einer Verwendung von HTS-Material vorzugsweise zwischen 20 und 50 K, zu halten ist. Bekannte HTS-Materialien weisen nämlich in diesem mit verhältnismäßig begrenztem Kühlaufwand einzu­ haltenden Temperaturbereich eine für übliche Anwendungen hin­ reichende kritische Stromdichte auf. Die erforderliche Kälte­ leistung ist bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrich­ tung ohne weiteres aufzubringen. Sie liegt z. B. im Bereich einiger 10 W bei 20 K bis 30 K für eine Synchronmaschine der Größenklassung von etwa 1 bis 20 MW mechanischer Leistung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Supraleitungs­ einrichtung mit Rotor und zugehörender Kälte­ einheit im Längsschnitt,
Fig. 2 und 3 den Betriebsmodus bzw. Abkühlmodus des Rotors nach Fig. 1 im Längs- bzw. Querschnitt sowie
Fig. 4 und 5 zwei weitere Ausführungsformen von Sup­ raleitungseinrichtungen mit Rotor und Kälteein­ heit jeweils im Längsschnitt.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit den­ selben Bezugszeichen versehen.
Bei den nachfolgend an Hand der Figuren aufgezeigten Ausfüh­ rungsformen von erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen kann es sich jeweils insbesondere um einen Synchron-Motor o­ der einen Generator handeln. Die Supraleitungseinrichtung um­ fasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzi­ piell eine Verwendung von LTS-Material oder HTS-Material ges­ tattet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausfüh­ rungsbeispiele ausgewählt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder auch aus einem System von Spulen in einer 2-, 4- oder mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen z. B. eine Synchronmaschine bildenden Supraleitungs­ einrichtung geht aus Fig. 1 hervor, wobei von bekannten Aus­ führungsformen solcher Maschinen ausgegangen wird (vgl. z. B. die eingangs genannten US-A-Schrift). Die allgemein mit 2 be­ zeichnete Einrichtung umfasst ein feststehendes, auf Raumtem­ peratur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert. Der Rotor weist ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z. B. hohlzylindrischen, drehmomentübertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS- Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist kon­ zentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender, zylindrischer Hohlraum 12 vorhanden. Der Wick­ lungsträger ist dabei vakuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt. Der Hohlraum erstreckt sich vorteilhaft axial bis in einen Bereich außerhalb des Außengehäuses 3. Hierzu dient ein achsenkonzentrisch angeordnetes, vakuumdichtes Halsrohr 13, das von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen führt und auf seiner dem Wicklungsträger abgewandten, wärmeren Sei­ te mit einem Dehnungsbalg 14 für eine Längenkompensation aus­ gestattet ist.
Die Supraleitungseinrichtung 2 weist zu einer indirekten Küh­ lung der Wicklung 10 über wärmeleitende Elemente ferner eine Kälteeinheit 15 auf, von der lediglich ein Kaltkopf 16 darge­ stellt ist. Bei der Kälteeinheit kann es sich insbesondere um einen Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon handeln. Vorzugswei­ se wird als ein regenerativer Kryokühler ein Pulsröhrenkühler oder Split-Stirling-Kühler gewählt. Dabei soll sich der Kalt­ kopf 16 und damit alle wesentlichen, weiteren Teile der Käl­ teeinheit 15 außerhalb des Rotors 5 und des Außengehäuses 3 befinden. Für die zu verwendende Kälteeinheit mit dem Kalt­ kopf erforderliche Zusatzteile wie z. B. warme Druckausgleich­ behälter, Füllkapillaren, Überdruckventile zur Absicherung des Systems gegen Überdruck bei Aufwärmen sind in der Figur nicht dargestellt, jedoch allgemein bekannt. Das Kaltteil des gezeigten Kaltkopfes 16 soll gut-wärmeleitend mit einem ins­ besondere zylindrischen Wärmeübertragungskörper 18 verbunden sein. Dieser Wärmeübertragungskörper ragt durch das Halsrohr 13 hindurch bis in den Hohlraum 12 des Wicklungsträgers 9 hinein, wobei gegenüber der Wand 13a des Halsrohrs und der Wand 9a des Hohlraums ein hohlzylindrischer Ringspalt 19 ein­ gehalten ist. Dieser Ringspalt hat im Bereich des Wicklungs­ trägers einen deutlich größeren Querschnitt als im Bereich des Halsrohres. Zu einer gasdichten Abdichtung des Ringspaltes ist der Hohlraum 12 des Wicklungsträgers 9 auf der dem Kaltkopf 16 abgewandten Seite durch den Wicklungsträger selbst geschlossen. Da sich der Hohlraum über das Halsrohr 13 durch das Außengehäuse 3 nach außen hin bis in den Bereich des Kaltkopfes 16 erstreckt, ist dort vorteilhaft eine Ab­ dichtung des Ringspaltes möglich. Hierzu ist eine in der Fi­ gur nicht näher ausgeführte Dichtungseinrichtung 20 mit min­ destens einer Dichtung vorgesehen, die eine Ferrofluiddich­ tung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdich­ tung sein kann. Der Ringspalt 19 ist mit einem Kontaktgas 21, vorzugsweise Helium oder für Temperaturen über 30 K Betriebs­ temperatur z. B. auch Neon befüllt. Der Druck liegt beispiels­ weise zwischen 10 und 1000 mbar. Über dieses Kontaktgas wird ein Wärmekontakt zwischen dem Wärmeübertragungskörper 18 und der den Hohlraum 12 begrenzenden Wand des Wicklungskörpers 9 geschaffen. Der Wicklungskorper soll hinreichend wärmeleitend ausgeführt sein, d. h., er weist gut-wärmeleitende Teile zwi­ schen der Wand 9a und der Wicklung 10 auf. Auf diese Weise ist die Wicklung über den Wicklungskörper 9, das Kontaktgas 21 und den Wärmeübertragungskörper 18 auf einfache Weise thermisch an den Kaltkopf 16 der Kälteeinheit angekoppelt. Zur Verbesserung des Wärmeübertrags zwischen dem Wärmeüber­ tragungskörper 18 und dem Wicklungsträger 9 können gegebenen­ falls die Wärmeaustauschflächen bezüglich des Kontaktgases 21 vergrößernde Maßnahmen, beispielsweise eine Rippung in Um­ fangsrichtung an der Wand 9a oder der gegenüberliegenden Au­ ßenseite des Wärmeübertragungskörpers 18, vorgesehen sein.
Als Material für den zylinderförmigen Wärmeübertragungskörper 18 kommen thermisch gut leitende Metalle wie Al oder Cu in Frage. Sofern im Innenraum des Motors bzw. dessen Außengehäu­ ses 3 größere Felder herrschen, die zu einer unzulässigen Wirbelstromheizung führen würden, sind vorteilhaft Gegenmaß­ nahmen zu treffen. Hierzu kann der Wärmeübertragungskörper 18 aus einem nicht-leitenden Material wie aus einer Keramik, z. B. aus Al2O3 oder AlN oder einkristallinem Saphir-Material bestehen. Er kann auch aus untereinander elektrisch isolierten und miteinander verpresst verklebten, im wesentlichen eindimensional axial verlaufenden Elementen bestehen. Solche Elemente können Bänder, Bleche, Drähte wie Cu-Lackdrähte oder geflochtene Litzen sein.
In Fig. 2 ist der Wärmeübergang zwischen dem Wärmeübertra­ gungskörper 18 und der Innenseite des Wicklungsträgers 9 bei Rotation veranschaulicht: Wärme aus dem hinreichend wärmelei­ tenden Wicklungsträger 9 gelangt zu dessen innerer, den Hohl­ raum 12 begrenzenden Wand mit etwa 10 bis 70 K je nach ver­ wendetem HTS-Material. Dort erfolgt ein Wärmeübergang an das in der Randschicht mitrotierende Kontaktgas 21, wobei sich das Kontaktgas erwärmt. Aufgrund der geringeren Dichte des warmen Gases und der geringeren Zentrifugalkraft erfolgt ein Auftrieb in Richtung zur Rotorachse A. Dort trifft das Gas auf den kälteren Wärmeübertragungskörper 18 und gibt Wärme unter Abkühlung ab. Dabei wird es dichter und wird somit auf­ grund der größeren Zentrifugalkraft wieder nach außen geför­ dert. Die entsprechenden in der Figur angedeuteten Konvekti­ onswirbel 23 verlaufen dabei in Umfangsrichtung. In der Figur ist ferner noch der sich einstellende Wärmestrom durch gepfeilte Linien 24 angedeutet.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den in Fig. 2 gezeigten Rotor 5 längs einer Schnittlinie III-III' für den Fall veran­ schaulicht, dass dieser sich im Stillstand oder im Abkühlmo­ dus befindet, wobei somit keine Zentrifugalkraft gegeben ist. Hier bilden sich in dem Kontaktgas die veranschaulichten Kon­ vektionswirbel oder -zellen 25 in Axialrichtung, die ein Ab­ kühlen von Raumtemperatur oder ein Kalthalten im Stand-by- Modus des Rotors ermöglichen.
Die in Fig. 4 entsprechend Fig. 1 dargestellte Supralei­ tungseinrichtung 28 unterscheidet sich von der Supraleitungs­ einrichtung 2 nach Fig. 1 im wesentlichen nur durch die Aus­ gestaltung des zentralen Wärmeübertragungskörpers. Hier ist dieser, allgemein mit 30 bezeichnete Wärmeübertragungskörper in zwei axial hintereinander angeordnete Teile unterteilt, wobei ein massiver Teil 31 an den Kaltkopf 16 angrenzt und nur ein Stück weit in den Innenraum des Außengehäuses 3 hin­ einragt. Zumindest im Bereich des Wicklungsträgers 9 ist der Wärmeübertragungskörper im wesentlichen innen hohl, z. B. als dünnwandiges VA-, oder Messing-, oder Cu- oder Al-Gefäß ges­ taltet und zum Wärmetransport als Wärmerohr 32 nach dem "Heat-pipe"- oder "Thermosyphon"-Prinzip ausgebildet. Hierzu ist das Wärmerohr 32 mit einem Wärmetransportgas 33 wie z. B. Ne befüllt. Dabei wird Wärme durch Verdampfen und Kondensati­ on des Wärmetransportgases, z. B. bei Verwendung von Neon bei 27 K, befördert, wobei die Kondensation an der Grenzfläche 34 zwischen dem massiven Teil 31 und dem Wärmerohr 32 erfolgt. Zu einer besseren Förderung der flüssigen Phase innerhalb des Rohres 32 kann dieses in an sich bekannter Weise noch mit Einbauten in Form eines Dochtes, z. B. mit einem Edelstahl­ drahtschwamm, ausgestattet sein.
Bei dieser Ausführungsform der Supraleitungseinrichtung 28 nach Fig. 4 erfolgt also der Wärmetransfer mittels des Kon­ taktgases 21 zwischen der Wicklungsträgerwand 9a und dem mas­ siven, mit dem Kaltkopf 16 der Kälteeinrichtung thermisch verbundenen Teil 31 des Wärmeübertragungskörpers im Wesentli­ chen nicht direkt bzw. unmittelbar. Vielmehr ist in den Wär­ metransferweg das Wärmetransportgas 33 eingebracht, so dass hier eine indirekte (mittelbare) Kühlung des Kontaktgases 21 durch den kalten massiven Teil 31 vorgesehen ist.
Eine Weiterbildung der Supraleitungseinrichtung nach Fig. 4 mit einer solchen indirekten Kühlung des Kontaktgases geht aus Fig. 5 hervor. Bei dieser mit 35 bezeichneten Supralei­ tungseinrichtung ist der Kaltkopf 16 einer Kälteeinheit aus der Hohlwelle seitlich beispielsweise um 0,5 m bis etliche Meter herausgezogen. Ein im Bereich der Wicklung 10 vorhande­ nes Wärmerohr 36 ist mit einem Wärmetransportgas 33 wie Ne nach dem Head-pipe-Prinzip gefüllt. Es ist seitlich bis zu einer Dichtungseinrichtung 38 außerhalb des Außengehäuses 3 über ein vakuumisoliertes Tragrohr 37 verlängert. Dieses Tragrohr bildet zusammen mit einem konzentrisch angeordneten, zusätzlichen Rohr einen dünnen Gasspalt 42, durch den das Kontaktgas 21 bis zu der Dichtungseinrichtung 38 gelangt, so dass dort die Abdichtung auch des das Kontaktgas 21 aufneh­ menden Ringspalts 19 erfolgt. Zur Einspeisung des Wärmetrans­ portgases 33 in den Innenraum des Wärmerohres 36 ist eine dünne, durch die Dichtungseinrichtung 38 hindurchführende, feststehende Verbindungsleitung 39 vorgesehen. Diese vakuum­ isolierte Verbindungsleitung führt nach außen zu einem Kon­ densor 40, der über einen Wärmeübertragungskörper 41 in ther­ mischem Kontakt mit einem Kaltkopf 16 einer Kälteeinheit steht. Auf diese Weise ist eine thermische Verbindung zwi­ schen dem in dem Wärmerohr 36 befindlichen Teil des Wärme­ transportgases 33 und dem Kaltkopf 16 über den Wärmeübertra­ gungskörper 41, den Kondensor 40 und den in dem Verbindungs­ rohr 39 befindlichen Teil des Wärmetransportgases vorhanden. Wie in der Figur ferner angedeutet ist, kann zur Vermeidung von Vibrationen des verhältnismäßig langen, mit dem Wärmerohr 36 starr verbundenen Tragrohres 37 ein Stützlager 44 vorgese­ hen sein. Der Vorteil dieser Ausbildung der Supraleitungsein­ richtung ist darin zu sehen, dass der Kaltkopf an beliebiger Stelle montierbar ist, leichter zu warten ist und die Dich­ tungseinrichtung 38 kleiner auszugestalten ist.

Claims (13)

1. Supraleitungseinrichtung
mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger angeordnet sind, und
mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass der Wicklungsträger (9) mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen Hohlraum (22) ausgestattet ist,
  • b) dass sich der Kaltkopf (16) feststehend außerhalb des Ro­ tors (5) befindet und starr und wärmeleitend mit einem insbesondere zylindrischen Wärmeübertragungskörper (18, 30) verbunden ist, welcher in den Hohlraum (12) des Wick­ lungsträgers (9) unter Einhaltung eines hohlzylindrischen Ringspaltes (19) hineinragt,
sowie
  • a) dass der Ringspalt (19) zumindest im Bereich des Wick­ lungsträgers (9) mit einem Kontaktgas (21) zur Wärmeüber­ tragung zwischen dem Wicklungsträger (9) und dem Wärme­ übertragungskörper (18, 30) gefüllt und gasdicht abgedich­ tet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Hohlraum (12) auf einer Seite durch den Wicklungsträger (9) abgeschlossen ist und der Ringspalt (19) an der dem Kaltkopf (16, 30) zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung (20, 38) mit mitrotierenden Teilen abgedichtet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddichtung, La­ byrinthdichtung, Spaltdichtung aufweist.
4. Einrichtung nach einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wär­ meübertragungskörper (30) zumindest im Bereich des Wicklungs­ trägers (9) als Wärmerohr (32, 36) nach Art einer Heat-pipe ausgeführt ist, der mit einem Wärmetransportgas (37) gefüllt ist, welches zur thermischen Verbindung zwischen dem Kaltkopf (16) und dem in dem Ringspalt (19) im Bereich des Wicklungs­ körpers (9) befindlichen Kontaktgas (21) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Wärmeübertragungskörper (30) einen massiven, in den Rotor hineinragenden Teil (31) und das Wärmerohr (32) aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Wärmerohr (36) die ge­ samte axiale Länge des Wärmeübertragungskörpers zumindest in dem Rotor einnimmt und außerhalb des Rotors zwischen dem Kaltkopf (16) und dem Wärmerohr (36) eine Verbindungsleitung (39) für das Wärmetransportgas (33) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Wärmetransportgas (33) an den Kaltkopf (16) über einen Kondensor (40) in der Verbin­ dungsleitung (39) thermisch angekoppelt ist.
8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käl­ teeinheit (15) mindestens einen insbesondere regenerativen Kryokühler aufweist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kryokühler ein Pulsröhrenkühler oder ein Split-Stirling-Kühler oder ein Gifford- McMahon-Kühler ist.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Ausbil­ dung des Kaltkopfes.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kaltkopf zwei Kältestu­ fen aufweist, wobei die erste Stufe thermisch mit einer Stromzuführung oder einem Strahlungsschild und die zweite Stufe thermisch und starr mit dem Wärmeübertragungskörper verbunden sind.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sup­ raleitende Wicklung mittels des Kaltkopfes auf einer Tempera­ tur unter 77 K zu halten ist.
13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lei­ ter der Wicklung metallisches Niedrig-Tc-Supraleitermaterial oder metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthalten.
DE10039964A 2000-08-16 2000-08-16 Supraleitungseinrichtung mit einer Kälteeinheit zur Kühlung einer rotierenden, supraleitenden Wicklung Withdrawn DE10039964A1 (de)

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