DE102009022960A1 - Kühlung supraleitender Maschinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen (1), mit einem geschlossenen Thermosiphonsystem (2), welches mit einem flüssigen Kühlmittel (3) befüllbar ist und welches ein Verdampfer (4) zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels (3) aufweist. Um die Kühlleistung der Vorrichtung zu verbessern, sind erfindungsgemäß Mittel (7, 8) zur Vergrößerung einer durch das flüssige Kühlmittel (3) benetzbaren Oberfläche (5) des Verdampfers (4) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen. Diese Vorrichtung weist ein geschlossenes Thermosiphonsystem auf, welches mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbar ist und welches einen Verdampfer zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels aufweist.
  • Die DE 102 44 428 A1 offenbart eine Maschine mit einem Läufer und einem Ständer in einem Maschinengehäuse, welche eine Einrichtung zur Kühlung von Teilen innerhalb dieses Gehäuses enthält. Diese Kühleinrichtung weist an wenigstens einer Stirnseite der Maschine ein geschlossenes Leitungssystem mit einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Kondensator, mit einem innerhalb des Gehäuses befindlichen Verdampfer und mit zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer verlaufenden Verbindungsrohren auf, wobei in diesem System eine Zirkulation eines Kältemittels nach einem Thermosiphoneffekt erfolgt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kälteleistung einer Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen gelöst, welche ein geschlossenes Thermosiphonsystem aufweist, welches mit einem flüssigen Kühlmittel befüllbar ist und welches einen Verdampfer zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels aufweist, wobei Mittel zur Vergrößerung einer durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers vorgesehen sind.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zur Erzielung einer erforderlichen Kälteleistung in einer Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen nicht die absolute Menge des zur Verfügung stehenden flüssigen Kühlmittels entscheidend ist, sondern die Größe einer durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers. Je größer die durch das flüssige Kühlmittel benetzbare Oberfläche des Verdampfers ist, desto mehr Kühlmittel kann verdampfen, d. h. desto mehr Wärmeenergie kann über diese zur Verfügung stehende benetzbare Oberfläche in das verdampfende Kühlmittel übertragen werden. Durch eine Vergrößerung der benetzbaren Oberfläche des Verdampfers kann somit die verfügbare Kälteleistung der Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen effektiv gesteigert werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdampfer im Inneren eines Läufers einer supraleitenden Maschine angeordnet. Damit kann die überschüssige Wärmeenergie direkt aus dem Läufer abgeführt werden. Die durch die Erfindung erreichte Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers ist insbesondere bei dieser Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, da üblicherweise das Volumen und damit auch die Oberfläche eines in einem Inneren eines Läufers befindlichen Verdampfers durch die relativ geringen Abmessungen eines Läufers begrenzt sind.
  • Ein Verdampfer ist üblicherweise als Hohlraum ausgebildet, dessen Begrenzung als Oberfläche des Verdampfers zur Verfügung steht. Je nach Befüllungsgrad mit dem flüssigen Kühlmittel steht somit eine mehr oder weniger große Oberfläche des Verdampfers zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels zur Verfügung. Um diese durch das flüssige Kühlmittel benetzbare Oberfläche zu vergrößern, ohne die Menge des flüssigen Kühlmittels steigern zu müssen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Mittel zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers mindestens einen Verdrängungskörper zur Verdrängung des flüssigen Kühlmittels aufweisen. Somit wird Kühlmittel eingespart, bei gleichzeiti ger Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers.
  • Konstruktive Vorteile werden dadurch erzielt, dass gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Verdampfer und der mindestens eine Verdrängungskörper zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, geformt sind. Eine solche Formung ist einfach in der Herstellung und dennoch effektiv zur Verdrängung des flüssigen Kühlmittels.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die durch das flüssige Kühlmittel benetzbare Oberfläche des Verdampfers eine Oberflächenstruktur aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass die zur Übertragung von Wärme effektiv nutzbare Oberfläche vergrößert wird. Dadurch lässt sich eine besonders starke Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers erreichen, bei gleichzeitig konstruktiv geringem Aufwand.
  • Fertigungstechnisch besonders einfach realisierbar ist dabei gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Oberflächenstruktur, welche eindimensionale, insbesondere nuten- oder stegartige, Elemente aufweist.
  • Um die Kälteleistung weiter zu erhöhen, weist die Oberflächenstruktur gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zweidimensionale, insbesondere lochartige oder stachelartige, Elemente auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das flüssige Kühlmittel Neon. Neon ermöglicht einen besonders günstigen Arbeitspunkt, z. B. bei der Kühlung von Hochtemperatursupraleitern, ist jedoch relativ teuer, so dass die Reduktion von Kühlmittel, welche durch die Erfindung erzielt wird, besonders zum Tragen kommt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch eine supraleitende Maschine sowie eine Vorrichtung zur Kühlung der supraleitenden Maschine in schematischer Darstellung,
  • 2 einen Verdampfer gemäß Stand der Technik in schematischer Darstellung,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verdrängungskörper zur Verdrängung des flüssigen Kühlmittels,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die zur Übertragung von Wärme effektiv nutzbare Oberfläche des Verdampfers vergrößert ist, und
  • 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher verschiedene Mittel zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche eingesetzt sind.
  • 1 zeigt eine supraleitende Maschine 1 sowie eine Vorrichtung zur Kühlung der supraleitenden Maschine 1 in schematischer Darstellung. Gezeigt ist ein Schnitt entlang der Längsachse der supraleitenden Maschine 1. Bei der in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 gezeigten supraleitenden Maschine 1 handelt es sich um eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere um eine Synchronmaschine, beispielsweise einen Motor oder einen Generator. Diese weist einen Stator 10 sowie einen Läufer 6 auf. Des Weiteren weist sie ein Gehäuse 11 zur Aufnahme des Stators 10 und zur Lagerung des Läufers 6 auf. Die supraleitende Maschine 1 wird durch ein geschlossenes Thermosiphonsystem gekühlt, welches einen Verdampfer 4, einen Kondensator 9 sowie den Verdampfer 4 und den Kondensator 9 verbindende Elemente, z. B. Rohrverbindungen, aufweist. Der Verdampfer 4, die verbindenden Elemente und der Kondensator 9 begrenzen ein abgeschlossenes Volumen, welches zur Aufnahme des flüssigen Kühlmittels 3 vorgesehen ist. Der Verdampfer 4 weist eine durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbare Oberfläche 5 auf, über die die abzuführende Wärmeenergie, welche im Läufer anfällt, auf das Kühlmittel 3 übertragen wird. Dabei wird üblicherweise das Kühlmittel 3 durch die übertragene Wärmeenergie vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand überführt, d. h. das Kühlmittel 3 verdampft bzw. siedet. Aufgrund der geringeren Dichte des gasförmigen Kühlmittels steigt dieses durch die verbindenden Elemente zum geodätisch höher gelegenen Kondensator 9 und wird dort durch Entzug der aufgenommenen Wärmeenergie wieder von dem gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand überführt. Das derart wieder verflüssigte Kühlmittel 3 fließt aufgrund der Schwerkraft wieder zurück zum Verdampfer 4 und insbesondere zur durch das Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 3 des Verdampfers 4. Ein derartiges Kühlsystem nutzt somit den so genannten Thermosiphoneffekt. Der Kühlkreislauf wird allein durch die genannten Dichteunterschiede bzw. die Schwerkraft aufrechterhalten.
  • 2 zeigt einen axialen Schnitt durch den Verdampfer 4 einer supraleitenden Maschine bei Maschinenstillstand. Die weiteren Teile der Maschine sind in 2 nicht explizit dargestellt. Der Verdampfer 4 gemäß 2 weist einen kreiszylindrischen Querschnitt auf. Der dargestellte Verdampfer 4 ist bekannt aus dem Stand der Technik. Der Verdampfer 4 ist zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel 3 gefüllt. Dabei ist die durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbare bzw. benetzte Oberfläche des Verdampfers 4 mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.
  • Bei der Kühlung supraleitender Maschinen 1 mit einem Thermosiphonsystem muss zur Erreichung der erforderlichen Kälteleistung eine bestimmte Mindestfläche des Verdampfers 4 vom flüssigen Kühlmittel 3 benetzt werden. Abhängig von der genauen Geometrie des Verdampfers 4 in Verbindung mit dem während der Abkühlphase häufig durch Filmsieden begrenzten Wärmeübergang wird bei aktuell ausgelegten supraleitenden Maschinen hierfür eine vergleichsweise große Menge an flüssigem Kühlmittel (z. B. Neon, Stickstoff, o. ä.) benötigt.
  • Derzeit wird dieses Problem üblicherweise gelöst, indem einfach eine entsprechende Menge an Kühlmittel 3 eingefüllt wird, die in einem (üblicherweise horizontal angeordneten) zylindrisch geformten Verdampfer 4 eine hinreichend große Oberfläche benetzen kann. Bei gleichzeitiger Beibehaltung des Konzepts eines einmalig gefüllten, geschlossenen Thermosiphonsystems erfordert dieses Verfahren einen vergleichsweise großen Pufferbehälter bei Raumtemperatur (Druckbehälter), in dem das bei Abschalten oder Ausfall der Kühlung allmählich verdampfende flüssige Kühlmittel 3 bei einem tolerablen Druckanstieg aufgefangen werden kann. Alternativ kann natürlich auch in Kauf genommen werden, dass aufgrund einer geringen Befüllung mit Kühlmittel der Abkühlvorgang länger dauert als eigentlich erforderlich.
  • 3 zeigt einen Verdampfer 4 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Verdampfer 4 ist zumindest teilweise mit einem flüssigen Kühlmittel 3 gefüllt. Durch Verwendung eines zusätzlichen (vorteilhafterweise zylindrischen) Verdrängungskörpers 7 kann die erforderliche Flüssigkeitsmenge zur Benetzung der gleichen Verdampferoberfläche erheblich reduziert werden. Die Vorrichtung weist als Mittel 7, 8 zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 5 des Verdampfers 4 einen Verdrängungskörper 7 zur Verdrängung des flüssigen Kühlmittels 3 auf. Durch den Verdrängungskörper 7 wird das für das flüssige Kühlmittel 3 innerhalb des Verdampfers 4 zur Verfügung stehende Volumen derart eingeschränkt, dass die durch das Kühlmittel 3 tatsächlich benetzte Oberfläche 5 des Verdampfers 4 vergrößert wird.
  • 4 zeigt einen Verdampfer 4 eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Alternativ oder zusätzlich zur Ausführung gemäß 3 kann auch die Verdampferoberfläche selbst durch Einbringung einer entsprechenden Oberflächenstruktur 8 in ihrer effektiv wirksamen Oberfläche erheblich vergrößert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind eindimensionale, nuten- oder stegähnliche Strukturen, mit denen auf einfache Weise die Oberfläche erheblich vergrößert werden kann (Faktor 3–5). Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mittel 7, 8 zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 5 des Verdampfers 4 als Oberflächenstruktur 8 der Oberfläche des Verdampfers ausgebildet, wobei die Oberflächenstruktur 8 derart ausgestaltet ist, dass die zur Übertragung von Wärme effektiv nutzbare Oberfläche 5 vergrößert wird. Die Oberflächenstruktur 8 im gezeigten Ausführungsbeispiel weist eindimensionale, in diesem Fall nuten- bzw. stegartige Elemente auf. Vorteilhaft sind auch zweidimensionale, etwas komplizierter herstellbare Varianten zur Oberflächenvergrößerung (wie z. B. die Einbringung von Löchern oder stachelähnliche Strukturen), die eine noch größere Vergrößerung der effektiven Oberfläche erlauben.
  • 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eines Verdampfers 4 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche eine Kombination der Mittel 7, 8 zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 5 des Verdampfers 4 aufweist. Sowohl die Mittel gemäß 3, d. h. ein Verdrängungskörper 7, als auch die Mittel gemäß 4, d. h. einer Oberflächenstruktur 8 zur Vergrößerung der durch das Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 5 des Verdampfers 4, sind gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5 kombiniert.
  • Die gezeigten Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen eine Reduzierung der erforderlichen Flüssigkeitsmenge zur Benetzung einer bestimmten Mindestoberfläche des Verdampfers 4 als Teil des Thermosiphon-Kühlkreislaufs. Die Vorteile liegen in der unmittelbar damit einhergehenden Verkleinerung des erfor derlichen Puffer-Volumens (typisch von etlichen 100 Litern auf ca. ein Zehntel) und damit von geringerem Platzbedarf und geringeren Kosten. Auch die Kosten für die eigentliche Füllung des Thermosiphon-Systems werden dadurch reduziert (weniger Kühlmittel 3).
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen 1, mit einem geschlossenen Thermosiphonsystem 2, welches mit einem flüssigen Kühlmittel 3 befüllbar ist und welches einen Verdampfer 4 zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels 3 aufweist. Um die Kühlleistung der Vorrichtung zu verbessern, sind erfindungsgemäß Mittel 7, 8 zur Vergrößerung einer durch das flüssige Kühlmittel 3 benetzbaren Oberfläche 5 des Verdampfers 4 vorgesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10244428 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Kühlung supraleitender Maschinen (1), mit einem geschlossenen Thermosiphonsystem (2), welches mit einem flüssigen Kühlmittel (3) befüllbar ist und welches einen Verdampfer (4) zur Verdampfung des flüssigen Kühlmittels (3) aufweist, wobei Mittel (7, 8) zur Vergrößerung einer durch das flüssige Kühlmittel (3) benetzbaren Oberfläche (5) des Verdampfers (4) vorgesehen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) im Inneren eines Läufers (6) einer supraleitenden Maschine (1) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7, 8) zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers als mindestens ein Verdrängungskörper (7) zur Verdrängung des flüssigen Kühlmittels (3) ausgebildet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) und der mindestens eine Verdrängungskörper (7) zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, geformt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7, 8) zur Vergrößerung der durch das flüssige Kühlmittel benetzbaren Oberfläche des Verdampfers als Oberflächenstruktur (8) der durch das flüssige Kühlmittel (3) benetzbaren Oberfläche (5) des Verdampfers (4) ausgebildet sind, welche Oberflächenstruktur (8) derart ausgestaltet ist, dass die zur Übertragung von Wärme effektiv nutzbare Oberfläche vergrößert wird.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (8) eindimensionale, insbesondere nuten- oder stegartige, Elemente aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (8) zweidimensionale, insbesondere lochartige oder stachelartige, Elemente aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmittel (3) Neon ist.
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