DE102005002361B3 - Refrigerating system for cooling superconducting winding in e.g. transformer, has two refrigerant paths, where connection point of one path is arranged such that point lies at geodetically higher location than orifice point of path - Google Patents

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Abstract

The system has a pipeline system (20) that comprises a refrigerant collecting area for liquid and gaseous refrigerant. Two refrigerants paths (I, II) are provided, where liquid refrigerant is supplied in one path and gaseous refrigerant is removed from the other part. A connection point (A) of one of the refrigerant paths is arranged such that the point lies at a geodetically higher location than an orifice point (M) of the path.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage eines Gerätes der Supraleitungstechnik, dessen zu kühlende supraleitfähigen Teile wärmeleitend an ein Kältemittelarbeitsvolumen angekoppelt sind,

  • – mit mehreren Kaltköpfen, die jeweils einem Kondensorraum zugeordnet sind, und
  • – mit Leitungsteilen zwischen den Kondensorräumen der Kaltköpfe und dem Kältemittelarbeitsvolumen des Gerätes,
wobei die Leitungsteile, die Kondensorräume und das Kältemittelarbeitsvolumen ein geschlossenes Leitungssystem bilden, in dem wenigstens ein Kältemittel unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert oder zirkulieren kann.The invention relates to a refrigeration system of a device of the superconducting technique, the superconducting parts to be cooled are coupled in a heat-conducting manner to a working volume of refrigerant,
  • - With multiple cold heads, each associated with a condenser, and
  • With line parts between the condenser chambers of the cold heads and the refrigerant working volume of the device,
wherein the conduit parts, the condenser chambers and the refrigerant working volume form a closed conduit system in which at least one refrigerant can circulate or circulate by utilizing a thermosiphon effect.

Eine entsprechende Kälteanlage geht aus der DE 102 11 568 B4 hervor.A corresponding refrigeration system goes out of the DE 102 11 568 B4 out.

Mit Leitern unter Verwendung von sogenannten HTS-Materialien (Hoch-Tc-Supraleitermaterialien) versucht man, auch supraleitfähige Geräteteile wie Wicklungen von Magneten, Transformatoren oder Maschinen zu erstellen. Es zeigt sich jedoch, dass bisher bekannte HTS-Leiter eine verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induktionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es vielfach erforderlich, dass die Leiter solcher Geräte trotz der an sich hohen Sprungtemperatur Tc der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um so bei auftretenden hohen Feldstärken nennenswerte Ströme tragen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien mit ver gleichsweise niedriger Sprungtemperatur Tc, sogenannte Niedrig(Low)-Tc-Materialien oder LTS-Materialien gekühlt werden.With conductors using so-called HTS materials (high-T c superconducting materials) attempts are also made to create superconducting device parts such as windings of magnets, transformers or machines. However, it has been found that hitherto known HTS conductors have a relatively low current carrying capacity in magnetic fields with inductions in the tesla range. This often necessitates that the conductors of such devices, despite the inherently high transition temperature T c of the materials used, nevertheless have to be kept at a temperature level below 77 K, for example between 10 and 50 K. In this way, significant currents occur when high field strengths occur to be able to carry. Such a temperature level is significantly higher than 4.2 K, the boiling point of the liquid helium (LHe), are cooled with the known metallic superconductor materials with comparatively low transition temperature T c , so-called low (low) -T c materials or LTS materials ,

Zur Kühlung von HTS-Leitern in dem genannten Temperaturbereich unter 77 K kommen bevorzugt Kälteanlagen in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Sie haben zudem den Vorteil, dass ihre Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird. Bei Verwendung solcher Kälteanlagen wird die supraleitende Wicklung lediglich durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines entsprechenden Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B. auch „Proc. 16th Int. Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16) ", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).For cooling HTS conductors in the temperature range below 77 K, preference is given to using refrigeration systems in the form of so-called cryocoolers with a closed He pressure gas circuit. Such cryocoolers are in particular of the Gifford McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. They also have the advantage that their cooling capacity is virtually available at the push of a button and the handling of cryogenic liquids is avoided. When using such refrigeration systems, the superconducting winding is cooled indirectly only by heat conduction to a cold head of a corresponding refrigerator (cf., for example, also "Proc. 16 th Int Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20-24 May 1996, Elsevier Science, 1997, pages 1109 to 1129).

Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für einen aus der DE 100 57 664 A1 entnehmbaren Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die sich in einem wärmeleitend ausgebildeten Wicklungsträger befinden. Dieser Wicklungsträger ist mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Kältemittelarbeitsvolumen ausgestattet, an das sich seitlich aus dem Wicklungsträger herausführende, rohrförmige Leitungsteile anschließen. Diese Leitungsteile führen in einen geodätisch höher liegenden Kondensorraum einer Kälteanlage und bilden zusammen mit diesem Kondensorraum und dem zentralen Kältemittelarbeitsvolumen ein geschlossenes Ein-Rohr-Leitungssystem. In diesem Leitungssystem befindet sich ein Kältemittel, das unter Ausnutzung eines sogenannten Thermosyphon-Effektes zirkuliert. Hierbei wird in dem Kondensorraum kondensiertes Kältemittel über die rohrförmigen Leitungsteile in das zentrale Kältemittelarbeitsvolumen des Rotors geleitet, wo es wegen der thermischen Ankopplung an den Wicklungsträger und damit an die zu kühlende HTS-Wicklung Wärme aufnimmt und zumindest teilweise verdampft. Der verdampfte Kältemittelteil gelangt dann zurück über dieselben Leitungsteile in den Kondensorraum, wo er zurückkondensiert wird. Die hierfür erforderliche Kälteleistung wird von einer Kältemaschine erbracht, deren Kaltkopf an den Kondensorraum thermisch angekoppelt ist. Der Rückstrom des Kältemittels hin zu den als Kondensor wirkenden Teilen der Kältemaschine wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck, welcher sich in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Kältemittelarbeitsvolumen des Rotors ausbildet. Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampferteil und das Verflüssigen im Kondensorraum erzeugte Überdruck führt zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Die entsprechende Zirkulation wird auch als natürliche Konvektion bezeichnet.An appropriate cooling technology is also available for one out of the DE 100 57 664 A1 removable rotor provided an electric machine. The rotor contains a rotating winding of HTS conductors, which are located in a thermally conductive winding carrier. This winding support is equipped with a central, extending in the axial direction, cylindrical refrigerant working volume, to which laterally lead out of the winding support, tubular pipe parts. These line parts lead into a geodetically higher condenser space of a refrigeration system and together with this condenser space and the central refrigerant working volume form a closed single-pipe line system. In this line system is a refrigerant that circulates using a so-called thermosiphon effect. In this case, in the condenser space condensed refrigerant is passed through the tubular conduit parts in the central refrigerant working volume of the rotor, where it absorbs heat and at least partially evaporated because of the thermal coupling to the winding support and thus to the HTS winding to be cooled. The vaporized refrigerant then passes back through the same line parts in the condenser, where it is condensed back. The cooling capacity required for this purpose is provided by a chiller whose cold head is thermally coupled to the condenser space. The return flow of the refrigerant toward the parts of the chiller acting as a condenser is driven by a slight overpressure, which forms in the central refrigerant working volume of the rotor acting as the evaporator part. This overpressure generated by the formation of gas in the evaporator section and the liquefaction in the condenser space leads to the desired refrigerant return flow. The corresponding circulation is also called natural convection.

Statt dieser bekannten Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung, bei der das flüssige und das gasförmige Kältemittel durch gleiche Rohrteile strömen, sind auch Zwei-Rohr-Einrichtungen mit Leitungssystemen für eine Kältemittelzirkulation unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes bekannt (vgl. z.B. WO 00/13296 A). Hierbei muss im Bereich der Hohlwelle des Rotors ein zusätzliches Rohr für eine Ausleitung/rückführung des gasförmigen Kältemittels vorgesehen werden.Instead of this known single-tube Thermosyphon-device in which the liquid and the gaseous refrigerant flow through the same pipe parts are also two-pipe systems with piping systems for refrigerant circulation using a thermosyphon effect (cf. WO 00/13296 A). This must be in the area of the hollow shaft of the rotor an additional Pipe for a diversion / repatriation of the gaseous Refrigerant provided become.

Bei den bekannten Maschinen mit Thermosyphon-Kühlung erfolgt also der Transport des Kältemittels allein unter Ausnutzung der natürlichen Konvektion, so dass keine weiteren Pumpsysteme erforderlich sind. Will man eine derartige Maschine auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen einsetzen, so muss vielfach mit statischen Schieflagen, einem sogenannten „Trim", von bis zu ± 5° und/oder mit dynamischen Schifflagen von bis zu ± 7,5° in Längsrichtung gerechnet werden. Um eine Zulassung einer Klassifizierungsgesellschaft für einen Schiffseinsatz zu erhalten, muss folglich das Kühlsystem einer solchen Maschine eine sichere Kühlung gewährleisten. Will man die genannten Schieflagen der Maschine zulassen, so besteht jedoch die Gefahr, dass ein Bereich der rohrförmigen Leitungsteile zwischen dem zentralen Kältemittelarbeitsvolumen im Rotor und dem Kaltkopf einer Kälteanlage geodätisch tiefer zu liegen kommt als das zentrale Arbeitsvolumen selbst. Die Folge davon ist, dass das Kältemittel unter Einfluss der Schwerkraft das zentrale Arbeitsvolumen des Rotors nicht mehr erreichen kann. Eine Kühlung der Maschine und somit deren Betrieb wären damit nicht mehr sichergestellt.In the known machines with thermosiphon cooling thus the transport of the refrigerant takes place solely by utilizing the natural convection, so that no further pumping systems are required. If you want to use such a machine on ships or off-shore facilities, so often with static imbalances, so Therefore, the cooling system of such a machine must have a safe, reliable and reliable "trim" of up to ± 5 ° and / or with dynamic ship's positions of up to ± 7,5 ° in the longitudinal direction However, if one wishes to allow the abovementioned inclinations of the machine, there is the danger that a region of the tubular line parts between the central refrigerant working volume in the rotor and the cold head of a refrigeration system will be lower in geodetics than the central working volume itself that the refrigerant, under the influence of gravity, can no longer reach the central working volume of the rotor, which would no longer ensure cooling of the machine and thus its operation.

Um dieser Gefahr zu begegnen, sind unter anderem die folgenden Vorschläge bekannt:

  • – Eine einfache Lösung bestünde darin, die Maschine gegenüber der Horizontalen so geneigt anzuordnen, dass auch bei größter anzunehmender Trimlage oder Oszillationsamplitude in dem Thermosyphon-Leitungssystem immer noch ein Gefälle in Richtung auf das zentrale Kältemittelarbeitsvolumen im Rotor vorhanden ist. Eine entsprechend geneigte Anordnung ist gerade im Schiffsbau insbesondere bei größerer Maschinenlänge aus Gründen eines dann erforderlichen großen Platzbedarfs unerwünscht.
  • – Prinzipiell kann das Kältemittel auch durch eine Pumpanlage zwangsumgewälzt werden. Hierfür ist jedoch ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere wenn sich das Kältemittel auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 25 bis 30 K befinden soll. Derartige Umwälzanlagen bedingen zudem erhebliche Verluste und können die Lebensdaueranforderungen des Schiffsbaus mit seinen langen Wartungsintervallen kaum erfüllen.
  • – Eine Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung z.B. gemäß der genannten WO 00/13296 A, bei dem das flüssige und das gasförmige Kältemittel auf getrennten Wegen geführt werden, ist auch für den Einsatz in schwankender Umgebung wie z.B. bei Schiffen geeignet.
To counter this danger, the following suggestions are known, among others:
  • A simple solution would be to arrange the machine so inclined relative to the horizontal that, even with the largest trim position or oscillation amplitude to be assumed in the thermosyphon line system, there is still a gradient in the direction of the central refrigerant working volume in the rotor. A correspondingly inclined arrangement is undesirable especially in shipbuilding especially with larger machine length for reasons of a then required large space requirement.
  • - In principle, the refrigerant can be forcibly circulated by a pumping system. For this, however, a considerable amount of equipment is required, especially if the refrigerant is to be at a temperature level of, for example, 25 to 30 K. Such circulation systems also cause significant losses and can hardly meet the life requirements of shipbuilding with its long maintenance intervals.
  • A two-pipe thermosyphon device, for example according to WO 00/13296 A, in which the liquid and gaseous refrigerants are conducted in separate ways, is also suitable for use in fluctuating environments, such as in ships.

Weiterhin muss ein Austausch eines Kaltkopfes möglich sein, während ein weiterer Kaltkopf weiterarbeitet, damit der Betrieb eines Gerätes der Supraleitungstechnik nicht unterbrochen werden muss. Hierzu ist es aus der eingangs genannten DE 102 11 568 B4 bekannt, an ein Thermosyphon-Leitungssystem mehrere Kaltköpfe abkoppelbar anzuordnen. Das Leitungssystem weist hierzu eine Verzweigung auf, an der zu Kondensorräumen der Kaltköpfe führende Leitungsteile parallel geschaltet sind. Aber auch bei dieser bekannten Kälteanlage treten die genannten Probleme unter schwankender Umgebung auf.Furthermore, an exchange of a cold head must be possible while another cold head continues to work, so that the operation of a device of superconducting technology must not be interrupted. For this it is from the above-mentioned DE 102 11 568 B4 it is known to arrange a plurality of cold heads detachable from a thermosiphon line system. For this purpose, the line system has a branch at which line parts leading to the condenser spaces of the cold heads are connected in parallel. But even in this known refrigeration system, the problems mentioned occur under fluctuating environment.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Kälteanlage mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, dass auch unter solchen schwankenden Bedingungen dennoch eine hinreichende Kühlwirkung durch sich in dem Kältemittelarbeitsvolumen befindliches Kältemittel zu erreichen ist.task The present invention is therefore the refrigeration system with the above mentioned features form such that even among such fluctuating conditions nevertheless a sufficient cooling effect by itself in the refrigerant working volume located refrigerant can be reached.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei der Kälteanlage mit den eingangs genannten Merkmalen das Leitungssystem einen Kältemittelsammelraum für flüssiges und gasförmiges Kältemittel aufweisen,

  • – der mit jedem Kondensorraum jeweils eine Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung bildet,
  • – der mit dem Kältemittelarbeitsvolumen eine Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung bildet mit einem ersten Kältemittelweg zur Zufuhr von flüssigem Kältemittel in das Kältemittelarbeitsvolumen und mit einem zweiten Kältemittelweg zur Abfuhr von gasförmigem Kältemittel aus dem Kältemittelarbeitsvolumen und
  • – der so angeordnet ist, dass der Anschlusspunkt des ersten Kältemittelwegs an dem Kältemittelsammelraum stets geodätisch höher liegt als die Mündungsstelle des ersten Kältemittelwegs an oder in dem Kältemittelarbeitsvolumen zu liegen kommt.
This object is achieved with the measures specified in claim 1. Accordingly, in the refrigeration system with the features mentioned above, the line system should have a refrigerant collecting space for liquid and gaseous refrigerant,
  • Each of which forms a single-tube thermosiphon device with each condenser space,
  • - The forms with the refrigerant working volume a two-pipe thermosiphon device with a first refrigerant path for supplying liquid refrigerant in the refrigerant working volume and with a second refrigerant path for removing gaseous refrigerant from the refrigerant working volume and
  • - Which is arranged so that the connection point of the first refrigerant path to the refrigerant collecting space is always geodetically higher than the confluence of the first refrigerant path at or comes to rest in the refrigerant working volume.

Unter einer Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung sei dabei in diesem Zusammenhang jede einzelne Leitung oder jedes Leitungssystem aus mehreren parallel geschalteten Leitungen verstanden, in dem/denen sowohl das flüssige wie auch das gas förmige Kältemittel in Hin- und Rückrichtung (bezüglich des Kältemittelsammelraumes) geführt wird (vgl. hierzu z.B.Under A one-pipe thermosiphon device is in this context every single line or each line system consists of several parallel switched lines in which / which both the liquid and also the gas-shaped refrigerant in back and forth direction (in terms of of the refrigerant collecting space) guided (see, e.g.

DE 103 21 463 A1 oder DE 102 21 639 A1 ). Demgegenüber soll in einer Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung für das flüssige und gasförmige Kältemittel jeweils ein eigener Kältemittelweg in Hin- bzw. Rückrichtung vorgesehen sein (vgl. hierzu z.B. WO 00/13296 A). DE 103 21 463 A1 or DE 102 21 639 A1 ). In contrast, in a two-pipe thermosyphon device for the liquid and gaseous refrigerant in each case a separate refrigerant path in the forward or return direction should be provided (see, for example, WO 00/13296 A).

Die vorstehend angesprochene Problemstellung wird also durch eine Kombination aus Ein-Rohr- und Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtungen sowie durch den Einbau eines insbesondere als Phasenseparator wirkenden Kältemittelsammelraums gelöst. Dabei sind mehrere Kaltköpfe über jeweils einen Kondensor mit Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung an den Kältemittelsammelraum angeschlossen. Darin wird die flüssige Phase von der gasförmigen Phase des Kältemittels getrennt und gleichzeitig wird darin das an den verschiedenen Kondensoren verflüssigte Kältemittel zusammengeführt. Ein rohrförmiger Leitungsteil als ein erster Kältemittelweg leitet dann das flüssige Kältemittel in das Kältemittelarbeitsvolumen des Gerätes, wo es an die zu kühlenden supraleitenden Teile thermisch angekoppelt ist. Durch die Höhe des Flüssigkeitspegels in dem als Phasenseparator wirkenden Kältemittelsammelraum der Anlage kann auch bei ungünstiger Lage flüssiges Kältemittel aus der Rohröffnung dieses Raums austreten und die supraleitenden Teile kühlen, da der Austrittspunkt der Flüssigkeit stets höher als der Mündungspunkt des Thermosyphon-Leitungssystems am Kältemittelarbeitsvolumen liegt. Das gasförmige Kältemittel strömt nach Kühlung der supraleitenden Teile in einem eigenen rohrförmigen Leitungsteil aus dem Kältemittelarbeitsvolumen wieder heraus und wird durch eine separate Rückleitung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in den Kältemittelsammelraum zurückgeführt. Dadurch wird eine Behinderung der Flüssigkeitsströmung vermieden.The problem addressed above is thus achieved by a combination of single-pipe and two-pipe thermosyphon devices and by the installation of a particular acting as a phase separator refrigerant collecting space. Several cold heads are connected via a condenser with single-tube thermosiphon device to the refrigerant collecting space. Therein, the liquid phase of the gaseous Pha se of the refrigerant separated and at the same time merges the liquefied at the various condensers refrigerant. A tubular conduit member as a first refrigerant path then directs the liquid refrigerant into the refrigerant working volume of the apparatus where it is thermally coupled to the superconducting members to be cooled. Due to the height of the liquid level in the refrigerant collecting space acting as a phase separator liquid refrigerant can escape from the pipe opening of this room and cool the superconducting parts even at unfavorable position, since the exit point of the liquid is always higher than the mouth of the thermosiphon pipe system on the refrigerant working volume. The gaseous refrigerant flows out after cooling the superconducting parts in a separate tubular conduit part from the refrigerant working volume again and is returned by a separate return line above the liquid level in the refrigerant collecting space. This prevents obstruction of the liquid flow.

Durch die Anbindung der Kaltköpfe an den als Phasenseparator wirkenden Kältemittelsammelraum mit Hilfe von Ein-Rohr- Thermosyphon-Einrichtungen ist ein verhältnismäßig einfacher Aufbau der Kälteanlage möglich.By the connection of the cold heads to the acting as a phase separator refrigerant collecting space with the help of single tube thermosyphone devices is a relatively easier Construction of the refrigeration system possible.

Dabei ist eine Trennung der Wege für gasförmiges und flüssiges Kältemittel nur dort vorhanden, wo es zwingend notwendig ist. Der Betrieb der Kälteanlage ist auch unter Schräglagen möglich, da durch den Einsatz des als Phasenseparator wirkenden Kältemittelsammelraums und die getrennte Führung von flüssigem und gasförmigem Kältemittel ein ungehinderter Transport von flüssigem Kältemittel in das Kältemittelarbeitsvolumen des Gerätes und somit in den Bereich der zu kühlenden supraleitfähigen Teile zu realisieren ist. Die Verwendung mehrerer Kaltköpfe in der Kälteanlage ermöglicht deren parallelen Betrieb sowie den Austausch eines defekten Kaltkopfes ohne Unterbrechung des Betriebs. D.h., der Phasenseparator arbeitet mit den weiterhin funktionierenden Kaltköpfen normal weiter.there is a separation of ways for gaseous and liquid refrigerant only available where it is absolutely necessary. Operation of the refrigeration plant is also under inclinations possible, because of the use of acting as a phase separator refrigerant collecting space and the separate leadership from liquid and gaseous refrigerant unimpeded transport of liquid refrigerant into the refrigerant working volume of the device and thus in the area of the superconducting parts to be cooled to realize. The use of multiple cold heads in the refrigeration plant allows their parallel operation and the replacement of a defective cold head without Interruption of operation. That is, the phase separator works with the still functioning cold heads continue normally.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der aus Anspruch 1 entnehmbaren Kälteanlage sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.advantageous Embodiments of the removable from claim 1 refrigeration system are the dependent claims refer to.

So kann insbesondere der Kältemittelsammelraum einen Phasenseparator für das flüssige und das gasförmige Kältemittel bilden, wobei dieser bevorzugt eine in vertikaler Richtung ausgeprägte Ausdehnung aufweist. Aus einem derartigen Phasenseparator lässt sich dann auf einfache Weise das flüssige Kältemittel in das Kältemittelarbeitsvolumen des supraleitfähigen Geräteteils führen, ohne dass eine Behinderung durch zurückströmendes gasförmiges Kältemittel zu befürchten ist.So in particular, the refrigerant collecting space a phase separator for the liquid and the gaseous refrigerant form, this preferably a pronounced extent in the vertical direction having. From such a phase separator can then be to simple Make the liquid refrigerant into the refrigerant working volume of the superconductive equipment part to lead, without fear of obstruction by back-flowing gaseous refrigerant.

Aus diesem Grunde mündet vorteilhaft der zweite Kältemittelweg in einen geodätisch höher liegenden (oberen) Bereich des Kältemittelsammelraums bzw. Phasenseparators.Out this reason opens Advantageously, the second refrigerant path in a geodesic higher lying (upper) area of the refrigerant collecting space or phase separator.

Werden die Kaltköpfe jeweils in einem eigenen Vakuumraum angeordnet bzw. ragen in diesen hinein, so können vorteilhaft die ihnen jeweils zugeordneten Teile einer Kältemaschine aus Wartungs- oder Reparaturgründen abgetrennt werden, ohne dass es einer Aufhebung des Vakuums bedarf (vgl. z.B. die DE 102 11 568 B4 ).If the cold heads are each arranged in a separate vacuum space or protrude into it, advantageously their respective assigned parts of a chiller can be separated for reasons of maintenance or repair, without the need for lifting the vacuum (cf., for example, US Pat DE 102 11 568 B4 ).

Bei den supraleitfähigen Geräteteilen kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln, wie sie für eine elektrische Maschine oder einen Magneten oder einen Transformator vorzusehen ist.at the superconductive equipment parts it may in particular be a winding, as it is for an electrical Machine or to provide a magnet or a transformer is.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the refrigeration system according to the invention will be apparent from the above unresponsive dependent claims out.

Zu einer ergänzenden Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage noch weiter beschrieben ist. Dabei zeigt in schematisierter Darstellung deren einzige Figur einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Kälteanlage.To a supplementary explanation the invention will be referred to the drawing below, on the basis of which a preferred embodiment of a refrigeration system is described further. This shows in a schematic representation whose only figure is a longitudinal section by an inventively designed Refrigeration system.

Bei der Kälteanlage wird von an sich bekannten Anlagen mit mehreren Kaltköpfen ausgegangen, wie sie z.B. aus der eingangs genannten DE 102 11 568 B4 zu entnehmen ist. Die Anlage kann einer supraleitenden Magnetwicklung oder insbesondere der supraleitenden Wicklung einer Maschine zugeordnet sein. Bei der Ausführungsform einer solchen Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Eine solche Maschine umfasst prinzipiell eine rotierende, supraleitende Wicklung, die eine Verwendung von metallischem LTS-Material oder oxidischem HTS-Material gestattet. Letzteres Material sei bevorzugt für das nachfolgende Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt. Mit entsprechenden Leitern kann die Wicklung aus einer Spule oder aus einem System von Spulen mit einer zwei-, vier- oder sonstiges mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Synchron-Motors geht aus der DE 100 57 664 A1 hervor.In the refrigeration system is based on known systems with multiple cold heads, as for example from the aforementioned DE 102 11 568 B4 can be seen. The system can be assigned to a superconducting magnet winding or in particular to the superconducting winding of a machine. The embodiment of such a machine may in particular be a synchronous motor or a generator. In principle, such a machine comprises a rotating, superconducting winding which permits the use of metallic LTS material or oxidic HTS material. The latter material is preferably used as the basis for the following embodiment. With corresponding conductors, the winding may consist of a coil or of a system of coils with a two-, four- or other multipolar arrangement. The basic structure of a corresponding synchronous motor goes out of the DE 100 57 664 A1 out.

Die Funktionstüchtigkeit der Kälteanlage soll auch bei einer Schieflage des supraleitenden Gerätes, wie sie bei einem Einsatz auf Schiffen oder Off-Shore-Vorrichtungen auftreten kann, gewährleistet sein; d.h., bei einer Neigung gegenüber der Horizontalen um einen Winkel von einigen Grad. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kälteanlage ist diese Forderung zu erfüllen.The functionality of the refrigeration system should also be ensured in the case of an imbalance of the superconducting device, as may occur when used on ships or off-shore devices; that is, at an inclination to the horizontal by an angle of a few degrees. With the inventive design of the refrigeration system to meet this requirement.

Die allgemein mit 2 bezeichnete Kälteanlage weist mehrere, beispielsweise drei Kaltköpfe 3, 13 und 23 auf, die jeweils mit ihrem unteren, auf Tieftemperatur befindlichen Teil in einen eigenen Kaltkopfvakuumraum 4 bzw. 14 bzw. 24 hineinragen. Dabei sind die zugeordneten, in der Figur nicht näher ausgeführten Kältemaschinenteile 5 bzw. 15 bzw. 25 in bekannter Weise von diesen Vakuumräumen abtrennbar. Das kalte Ende jedes Kaltkopfes steht jeweils in wärmeleitender Verbindung mit einem eigenen Kondensorraum 6 bzw. 16 bzw. 26. Von diesen Kondensorräumen führt jeweils eine Rohrleitung 7 bzw. 17 bzw. 27 zu einem gemeinsamen Kältemittelsammelraum B. Dieser Kältemittelsammelraum befindet sich in einem Vakuumraum 9, der beispielsweise mit den Kaltkopfvakuumräumen 4, 14 und 24 gegebenenfalls über Ventile verbunden sein kann. Der Kältemittelsammelraum 8 weist vorzugsweise eine in vertikaler Richtung gesehen ausgedehnte Gestalt auf. Die Einmündungen der Rohrleitungen 7, 17, 27 befinden sich dabei im geodätisch oberen Bereich des Kältemittelsammelraums. Von seinem (geodätisch) unteren Teil führt an einer Anschlussstelle A eine Rohrleitung 10 zu einem in der Figur nicht näher und zu den Teilen der Kälteanlage 2 nicht maßstabsgetreu ausgeführten Kältemittelarbeitsvolumen 11, das in wärmeleitender Verbindung mit den zu kühlenden Teilen des supraleitenden Gerätes steht. Die Rohrleitung 10 mündet oder endet dabei an oder in dem Kältemittelarbeitsvolumen 11 an einer Mündungsstelle M. Das Kältemittelarbeitsvolumen stellt einen Verdampfer oder Wärmetauschbereich dar, in dem mittels eines flüssigen Kältemittels k die zur Kühlung der supraleitenden Geräteteile erforderliche Kältemenge bereitzustellen ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Kältemittelarbeitsvolumen um einen zentralen Rotorhohlraum einer elektrischen Maschine handeln, der wärmeleitend an HTS-Leiter einer Rotorwicklung angekoppelt ist (vgl. die genannte DE 100 57 664 A1 ). Aus diesem Kältemittelarbeitsvolumen führt eine weitere Rohrleitung 12 zurück zu dem Kältemittelsammelraum 8 (vgl. die genannte WO 00/13296 A). Diese Rohrleitung kann dabei insbesondere im Dichtungsbereich zwischen feststehenden und rotierenden Teilen einer Maschine die Rohrleitung 10 als eine dazu konzentrische Rohrleitung 18 umgeben. Die Rohrleitung 12 mündet vorteilhaft im oberen Teil des Kältemittelsammelraums B.The generally with 2 designated refrigeration system has several, for example, three cold heads 3 . 13 and 23 each with their lower part located at low temperature in a separate cold head vacuum space 4 respectively. 14 respectively. 24 protrude. Here are the associated, not detailed in the figure chiller parts 5 respectively. 15 respectively. 25 can be separated in a known manner from these vacuum spaces. The cold end of each cold head is in each case in heat-conducting connection with its own condenser space 6 respectively. 16 respectively. 26 , From each of these condenser leads a pipe 7 respectively. 17 respectively. 27 to a common refrigerant collecting space B. This refrigerant collecting space is located in a vacuum space 9 for example with the cold head vacuum spaces 4 . 14 and 24 optionally connected via valves. The refrigerant collection room 8th preferably has an expanded shape in the vertical direction. The junctions of the pipelines 7 . 17 . 27 are located in the geodetic upper area of the refrigerant collecting space. From its (geodesic) lower part leads at a junction A a pipeline 10 to a closer in the figure and to the parts of the refrigeration system 2 not to scale refrigerant working volume 11 , which is in heat-conducting connection with the parts to be cooled of the superconducting device. The pipeline 10 opens or ends at or in the refrigerant working volume 11 at a confluence point M. The refrigerant working volume represents an evaporator or heat exchange area in which the amount of refrigerant required for cooling the superconducting appliance parts is to be provided by means of a liquid refrigerant k. For example, this refrigerant working volume may be a central rotor cavity of an electrical machine, which is coupled in a heat-conducting manner to HTS conductors of a rotor winding (cf. DE 100 57 664 A1 ). From this refrigerant working volume leads another pipeline 12 back to the refrigerant collection room 8th (see the cited WO 00/13296 A). This pipeline can in particular in the sealing area between fixed and rotating parts of a machine, the pipeline 10 as a concentric pipe 18 surround. The pipeline 12 flows advantageously in the upper part of the refrigerant collecting space B.

Die Volumina aller Kondensorräume 6, 16, 26, aller Rohrleitungen 7, 17, 27, des Kältemittelsammelraums 8, der Rohrleitungen 10 und 12, 18 sowie des Kältemittelarbeitsvolumens 11 stellen ein geschlossenes Leitungssystem 20 dar, in dem ein Kältemittel unter Ausnutzung des sogenannten Thermosyphon-Effektes zirkuliert bzw, zirkulieren kann. Dabei sei flüssiges Kältemittel mit k und gasförmiges Kältemittel mit k' bezeichnet.The volumes of all Kondensorräume 6 . 16 . 26 , of all pipelines 7 . 17 . 27 , the refrigerant collecting space 8th , the piping 10 and 12 . 18 and the refrigerant working volume 11 make a closed pipe system 20 in which a refrigerant can circulate or make use of the so-called thermosyphon effect. Let liquid refrigerant be denoted by k and gaseous refrigerant by k '.

Erfindungsgemäß soll sich in den Rohrleitungen 7, 17 und 27 jeweils eine Zirkulation nach dem Thermosyphon-Effekt in beiden Richtungen einstellen, d.h., diese Rohrleitungen stellen somit zusammen mit dem jeweiligen Kondensorraum 6 bzw. 16 bzw. 26 und dem gemeinsamen Kältemittelsammelraum 8 jeweils eine Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung dar (vgl. z.B. die DE 103 21 463 A1 ). Demgegenüber wird mit dem zentralen Kältemittelsammelraum 8, der Rohrleitung 10, dem Kältemittelarbeitsvolumen 11 und der Rohrleitung 12, 18 eine Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung gebildet (vgl. z.B. die WO 00/13296 A). D.h., von dem Kältemittelsammelraum 8 fließt über die Rohrleitung 10 flüssiges Kältemittel k an der Mündungsstelle M in das Kältemittelarbeitsvolumen 11, während in diesem Volumen verdampfendes Kältemittel k' über die Rückleitung 12, 18 in den Kältemittelsammelraum 8 gelangt.According to the invention should be in the pipelines 7 . 17 and 27 each set a circulation according to the thermosiphon effect in both directions, ie, these pipes thus provide together with the respective condenser 6 respectively. 16 respectively. 26 and the common refrigerant collecting space 8th each one-tube thermosyphone device (see, for example, the DE 103 21 463 A1 ). In contrast, with the central refrigerant collecting space 8th , the pipeline 10 , the refrigerant working volume 11 and the pipeline 12 . 18 a two-pipe thermosyphon device is formed (cf., for example, WO 00/13296 A). That is, from the refrigerant collecting space 8th flows over the pipeline 10 liquid refrigerant k at the point of discharge M in the refrigerant working volume 11 while in this volume vaporizing refrigerant k 'via the return line 12 . 18 in the refrigerant collecting space 8th arrives.

Der Kältemittelsammelraum 8 fungiert dabei als sogenannter Phasenseparator; d.h., er ist in seinem geodätisch unteren, in die Rohrleitung 10 mündenden Teil mit flüssigem Kältemittel k gefüllt, während darüber sich gasförmiges Kältemittel k' befindet.The refrigerant collection room 8th acts as a so-called phase separator; ie, he is in his geodesic lower, in the pipeline 10 filling portion filled with liquid refrigerant k, while there is gaseous refrigerant k '.

Diese Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung weist somit einen ersten Kältemittelweg I zur Zufuhr von flüssigem Kältemittel k in das Kältemittelarbeitsvolumen 11 und einen zweiten Kältemittelweg II zur Abfuhr von gasförmigem Kältemittel k' aus diesem Kältemittelarbeitsvolumen auf.This two-pipe thermosyphon device thus has a first refrigerant path I for supplying liquid refrigerant k into the refrigerant working volume 11 and a second refrigerant path II for removing gaseous refrigerant k 'from this refrigerant working volume.

Um eine sichere Kühlung der supraleitenden Einrichtung mit der erfindungsgemäßen Kälteanlage zu gewährleisten, braucht vorteilhaft nur vorgesehen zu werden, dass die mit A bezeichnete Anschlussstelle des ersten Kältemittelwegs I an dem Kältemittelsammelraum 8 immer geodätisch höher liegt als die Mündungsstelle M der Rohrleitung 10 in oder an dem Kältemittelarbeitsvolumen 11 auch bei Schräg- oder Schieflagen zu liegen kommt. Eine Kühlmittelversorgung des Kältemittelarbeitsvolumens 11 mit flüssigem Kältemittel k ist auf alle Fälle sicher zu stellen, falls der tiefste Punkt des Kältemittelarbeitsvolumens 11 und damit des gesamten Leitungssystems 20 bei allen Lagen des Kältemittelarbeitsvolumens 11 stets geodätisch tiefer liegt als die Anschlussstelle A, an der das flüssige Kühlmittel k aus dem Kältemittelsammelraum 8 in die Rohrleitung 10 des ersten Kältemittelwegs I eintritt.In order to ensure reliable cooling of the superconducting device with the refrigeration system according to the invention, it is advantageous to provide only that the connection point of the first refrigerant path I designated A is connected to the refrigerant collecting space 8th always geodetically higher than the mouth M of the pipeline 10 in or on the refrigerant working volume 11 also comes to lie with oblique or imbalances. A coolant supply of the refrigerant working volume 11 with liquid refrigerant k is to be ensured in any case, if the lowest point of the refrigerant working volume 11 and therefore the entire pipeline system 20 at all locations of the refrigerant working volume 11 always geodetically lower than the junction A, at which the liquid coolant k from the refrigerant collecting space 8th into the pipeline 10 of the first refrigerant path I occurs.

Bei dem an Hand der Figur erläuterten Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage 2 wurde davon ausgegangen, dass das Kältemittel k, k' nur aus einer einzigen Komponente wie z.B. He oder Ne besteht. Ebenso gut können aber auch als Kältemittel Gemische aus mindestens zwei Kältemittel-Komponenten wie z.B. aus N2 + Ne mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen werden (vgl. z.B. DE 102 11 363 A1 ).In the illustrated with reference to the figure embodiment of a refrigeration system 2 it was assumed that the refrigerant k, k 'consists only of a single component such as He or Ne. Equally well, however, as a mixture of mixtures of at least two refrigerant components such as N 2 + Ne with different condensations be provided sationstemperaturen (see eg DE 102 11 363 A1 ).

Claims (10)

Kälteanlage (2) eines Gerätes der Supraleitungstechnik, dessen zu kühlenden supraleitenden Teile wärmeleitend an ein Kältemittelarbeitsvolumen (11) angekoppelt sind, – mit mehreren Kaltköpfen (3, 13, 23), die jeweils einem Kondensorraum (6, 16, 26) zugeordnet sind, und – mit Leitungsteilen (7, 17, 27; 12, 18) zwischen den Kondensorräumen (6, 16, 26) der Kaltköpfe (3, 13, 23) und dem Kältemittelarbeitsvolumen (11) des Gerätes, wobei die Leitungsteile (7, 17, 27, 10, 12, 18), die Kondensorräume (6, 16, 26) und das Kältemittelarbeitsvolumen (11) ein geschlossenes Leitungssystem (20) bilden, in dem wenigstens ein Kältemittel (k, k') unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert oder zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (20) einen Kältemittelsammelraum (8) für flüssiges und gasförmiges Kältemittel (k bzw. k') aufweist, – der mit jedem Kondensorraum (6, 16, 26) jeweils eine Ein-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung (7, 17, 27) bildet, – der mit dem Kältemittelarbeitsvolumen (11) eine Zwei-Rohr-Thermosyphon-Einrichtung (10, 12, 18) bildet mit einem ersten Kältemittelweg (I) zur Zufuhr von flüssigem Kältemittel (k) in das Kältemittelarbeitsvolumen (11) und mit einem zweiten Kältemittelweg (II) zur Abfuhr von gasförmigem Kältemittel (k') aus dem Kältemittelarbeitsvolumen (11) und – der so angeordnet ist, dass die Anschlussstelle (A) des ersten Kältemittelwegs (I) an dem Kältemittelsammelraum (8) stets geodätisch höher liegt als die Mündungsstelle (M) des ersten Kältemittelwegs (I) an oder in dem Kältemittelarbeitsvolumen (11) zu liegen kommt.Refrigeration system ( 2 ) of a device of the superconducting technology whose heat-conducting superconducting parts to a cooling medium working volume ( 11 ), - with several cold heads ( 3 . 13 . 23 ), each a Kondensorraum ( 6 . 16 . 26 ), and - with line parts ( 7 . 17 . 27 ; 12 . 18 ) between the condenser spaces ( 6 . 16 . 26 ) of the cold heads ( 3 . 13 . 23 ) and the refrigerant working volume ( 11 ) of the device, whereby the line parts ( 7 . 17 . 27 . 10 . 12 . 18 ), the condenser rooms ( 6 . 16 . 26 ) and the refrigerant working volume ( 11 ) a closed pipe system ( 20 ) in which at least one refrigerant (k, k ') can circulate or make use of a thermosiphon effect, characterized in that the line system ( 20 ) a refrigerant collecting space ( 8th ) for liquid and gaseous refrigerant (k or k '), - with each condenser space ( 6 . 16 . 26 ) each have a single-tube thermosyphone device ( 7 . 17 . 27 ), which - with the refrigerant working volume ( 11 ) a two-tube thermosyphone device ( 10 . 12 . 18 ) forms with a first refrigerant path (I) for the supply of liquid refrigerant (k) in the refrigerant working volume ( 11 ) and with a second refrigerant path (II) for the removal of gaseous refrigerant (k ') from the refrigerant working volume ( 11 ) and - which is arranged so that the connection point (A) of the first refrigerant path (I) at the refrigerant collecting space ( 8th ) is always higher in geodetic terms than the point of discharge (M) of the first refrigerant path (I) at or in the working volume of the refrigerant ( 11 ) comes to rest. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammelraum (8) einen Phasenseparator für das flüssige und das gasförmige Kältemittel (k bzw. k') bildet.Plant according to claim 1, characterized in that the refrigerant collecting space ( 8th ) forms a phase separator for the liquid and the gaseous refrigerant (k or k '). Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammelraum (8) eine im vertikaler Richtung ausgeprägte Ausdehnung aufweist.Plant according to claim 1 or 2, characterized in that the refrigerant collecting space ( 8th ) has a pronounced extension in the vertical direction. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelweg (II) in einen geodätisch oberen Bereich des Kältemittelsammelraums (8) mündet.Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the second refrigerant path (II) in a geodetically upper portion of the refrigerant collecting space ( 8th ) opens. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltköpfe (3, 13, 23) jeweils in einem eigenen Vakuumraum (4, 14, 24) angeordnet sind.Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the cold heads ( 3 . 13 . 23 ) each in a separate vacuum space ( 4 . 14 . 24 ) are arranged. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden, supraleitfähigen Geräteteile Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthalten.Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the superconductive device parts to be cooled contain high-T c superconducting material. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden Geräteteile eine supraleitfähige Wicklung sind.Plant according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the to be cooled equipment parts a superconductive Winding are. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Wicklung eine Rotorwicklung einer elektrischen Maschine ist.Plant according to claim 7, characterized in that the superconducting winding is a rotor winding of an electrical Machine is. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Wicklung eine Wicklung eines Magneten ist.Plant according to claim 7, characterized in that the superconducting winding is a winding of a magnet. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Wicklung eine Wicklung eines Transformators ist.Plant according to claim 7, characterized that the superconducting winding is a winding of a transformer is.
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