DE102011079968B4 - Cooling device with wick-like material for transporting coolant - Google Patents
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Abstract
Kühleinrichtung (1, 1', 1''), umfassend einen insbesondere an einen Kaltkopf (5) angekoppelten Kondensor (4) zur Verflüssigung gasförmigen Kühlmittels, einen Verdampfer (8) zur Verdampfung flüssigen Kühlmittels (3) zur Kühlung eines zu kühlenden Objekts (9) sowie ein Wärmerohr (7) zum Transport des Kühlmittels (3) zwischen dem Verdampfer (8) und dem Kondensor (4), wobei zum Transport des flüssigen Kühlmittels (3) aufgrund des Kapillareffekts eine dochtartige Materialstruktur (11) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationseinrichtung (13) zur Drehung der Materialstruktur (11) um eine in der Transportrichtung des flüssigen Kühlmittels (3) durch das Wärmerohr (7) liegende Rotationsachse vorgesehen ist, wobei die Materialstruktur (11) auf der Verdampferseite in Radialrichtung bezüglich der Rotationsachse aufgefächert ist.Cooling device (1, 1 ', 1' '), comprising a condenser (4) coupled in particular to a cold head (5) for liquefying gaseous coolant, an evaporator (8) for evaporating liquid coolant (3) for cooling an object to be cooled ( 9) and a heat pipe (7) for transporting the coolant (3) between the evaporator (8) and the condenser (4), a wick-like material structure (11) being used to transport the liquid coolant (3) due to the capillary effect characterized in that a rotation device (13) is provided for rotating the material structure (11) about an axis of rotation lying in the transport direction of the liquid coolant (3) through the heat pipe (7), the material structure (11) on the evaporator side in the radial direction with respect to the Axis of rotation is fanned out.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung, umfassend einen insbesondere an einen Kaltkopf angekoppelten Kondensor zur Verflüssigung gasförmigen Kühlmittels, einen Verdampfer zur Verdampfung flüssigen Kühlmittels zur Kühlung eines zu kühlenden Objekts sowie ein Wärmerohr zum Transport des Kühlmittels zwischen dem Verdampfer und dem Kondensor, wobei zum Transport des flüssigen Kühlmittels aufgrund des Kapillareffekts eine dochtartige Materialstruktur verwendet wird. Danben betrifft die Erfindung eine supraleitende Maschine mit einer derartigen Kühleinrichtung.The invention relates to a cooling device, comprising a particularly coupled to a cold head condenser for liquefying gaseous coolant, an evaporator for evaporating liquid coolant for cooling an object to be cooled and a heat pipe for transporting the coolant between the evaporator and the condenser, wherein the transport of the liquid Coolant due to the capillary effect a wick-like material structure is used. In addition, the invention relates to a superconducting machine with such a cooling device.
Bei modernen Kühleinrichtungen ist es häufig gewünscht, die Förderung von Kühlmittel ohne das Aufwenden einer großen Menge zusätzlicher Energie zu bewerkstelligen. Dabei ist insbesondere die Verwendung von Wärmerohren bekannt, bei denen aufgrund unterschiedlicher Effekte ein automatischer Transport insbesondere des flüssigen Kühlmittels zu dem Verdampfer realisiert werden kann. Eine Möglichkeit hierfür, die im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, ist die Nutzung des Kapillareffekts. Hierbei werden dochtartige Materialien genutzt, in denen mithin Hohlräume vorliegen, durch die flüssiges Kühlmittel aufgrund des Kapillareffekts insbesondere auch entgegen der Schwerkraft vordringen kann.In modern refrigeration systems, it is often desired to accomplish the delivery of refrigerant without spending a large amount of additional energy. In particular, the use of heat pipes is known in which an automatic transport, in particular of the liquid coolant to the evaporator can be realized due to different effects. One way of doing this, which is basically known in the art, is to use the capillary effect. This wicking materials are used, in which there are therefore cavities, can penetrate the liquid coolant due to the capillary effect in particular against gravity.
Als problematisch erweist sich die Nutzung des Kapillareffekts insbesondere bei kryogenen Kühlmitteln, die eine äußerst geringe Oberflächenspannung aufweisen, was es insbesondere erschwert, den Austritt des Kühlmittels im Verdampfer zu bewerkstelligen.The use of the capillary effect proves to be problematic, especially in the case of cryogenic coolants, which have an extremely low surface tension, which makes it particularly difficult to bring about the escape of the coolant in the evaporator.
Derartige Probleme treten beispielsweise bei supraleitenden Maschinen auf, wobei beispielsweise bei Hochtemperatursupraleiter-Maschinen üblicherweise flüssiges Neon als Kühlmittel verwendet wird. Der Kühlmitteltransport kann dabei durch die Schwerkraft getrieben realisiert werden. Jedoch sind Anwendungen bekannt, beispielsweise auf Schiffen, wo nicht immer sichergestellt werden kann, dass das Kühlmittelreservoir höher als das zu kühlende Objekt, insbesondere der Rotor, angeordnet ist. Liegt beispielsweise der zu kühlende Rotor einer Hochtemperatursupraleiter-Maschine höher als das vorhandene flüssige kryogene Kühlmittel, so muss dieses bergauf gefördert werden, was sich mittels eines dochtartigen Materials teilweise nicht effektiv genug realisieren lässt. Mithin wurde vorgeschlagen, spezielle tieftemperaturtaugliche Pumpen zur Förderung des tiefkalten Kühlmittels bergauf einzusetzen, die jedoch aufwendig sind und selbst eine hohe Menge an Energie verbrauchen, so dass sich der Wirkungsgrad der supraleitenden Maschine absenkt.Such problems occur, for example, in superconducting machines, for example, in high-temperature superconductor machines usually liquid neon is used as a coolant. The coolant transport can be realized driven by gravity. However, applications are known, for example on ships, where it can not always be ensured that the coolant reservoir is arranged higher than the object to be cooled, in particular the rotor. If, for example, the rotor to be cooled of a high-temperature superconductor machine is higher than the existing liquid cryogenic coolant, then this must be conveyed uphill, which can not be implemented effectively effectively by means of a wick-like material. Thus, it has been proposed to use special low temperature suitable pumps for the promotion of cryogenic coolant uphill, but they are expensive and consume even a large amount of energy, so that the efficiency of the superconducting machine lowers.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, Kühlmittel, insbesondere kryogene Kühlmittel und/oder Kühlmittel mit einer niedrigen Oberflächenspannung, unter Verwendung des Kapillareffekts effektiv zu fördern und in einem Verdampfer zur Verdampfung zu bringen.The invention is therefore based on the object to provide a way to promote coolant, in particular cryogenic coolant and / or coolant with a low surface tension, using the capillary effect effectively and bring in an evaporator for evaporation.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Rotationseinrichtung zur Drehung der Materialstruktur um eine in der Transportrichtung des flüssigen Kühlmittels durch das Wärmerohr liegende Rotationsachse vorgesehen ist, wobei die Materialstruktur auf der Verdampferseite in Radialrichtung bezüglich der Rotationsachse aufgefächert ist. Die vorliegende Erfindung nutzt also zum einen den Kapillareffekt, beispielsweise in einer Art Docht, aus, um flüssiges Kühlmittel, insbesondere ein kryogenes Kühlmittel, beispielsweise Neon, auch bergauf zu fördern. Nachdem die Materialstruktur erfindungsgemäß bei Betrieb der Kühleinrichtung rotiert, insbesondere unabhängig vom zu kühlenden Objekt oder auch gemeinsam mit diesem, wird durch die wirkende Zentrifugalkraft das flüssige Kühlmittel, insbesondere als Tropfen, von der Materialstruktur abgelöst und radial nach außen in den Verdampfer, insbesondere zu einer Verdampfungsfläche, an oder in dem zu kühlenden Objekt, beispielsweise in den hohlen Innenraum eines Rotors einer supraleitenden Maschine, geschleudert. Das zu kühlende Objekt wird durch das verdampfende Kühlmittel gekühlt, wobei das entstehende gasförmige Kühlmittel durch das Wärmerohr zurück zum Kondensor, welcher insbesondere mit einem Kaltkopf verbunden ist, geführt wird, wo es erneut verflüssigt werden kann.To achieve this object, according to the invention, a rotation device for rotating the material structure is provided about an axis of rotation passing through the heat pipe in the transport direction of the liquid coolant, wherein the material structure fanned on the evaporator side in the radial direction with respect to the axis of rotation is. Thus, the present invention makes use first of all of the capillary effect, for example in a type of wick, in order to convey liquid coolant, in particular a cryogenic coolant, for example neon, also uphill. After the material structure rotates according to the invention during operation of the cooling device, in particular independent of the object to be cooled or together with this, the liquid coolant, in particular as droplets, detached from the material structure and radially outward into the evaporator, in particular to one by the acting centrifugal force Evaporating surface, on or in the object to be cooled, for example, in the hollow interior of a rotor of a superconducting machine, flung. The object to be cooled is cooled by the evaporating coolant, wherein the resulting gaseous coolant through the heat pipe back to the condenser, which is in particular connected to a cold head, where it can be liquefied again.
Es wird also der Kapillareffekt zur Förderung von Kühlflüssigkeiten, insbesondere bei kryogenen Kühlmitteln, auch gegen die Schwerkraft eingesetzt, wobei durch die Rotation erstmals eine effektive Auskopplung am Ende der Förderstrecke ermöglicht wird, indem die Zentrifugalkraft genutzt wird.Thus, the capillary effect is used to convey cooling liquids, in particular in the case of cryogenic coolants, also against the force of gravity, whereby for the first time an effective decoupling at the end of the conveying path is made possible by the rotation by utilizing the centrifugal force.
Vorteilhafterweise ist daher keine aktiv betriebene Kühlmittelpumpe erforderlich, so dass diesbezüglich der Aufwand, die Kosten und das Ausfallrisiko reduziert werden können. Der Eintrag zusätzlicher Verlustleistung ist gering oder gar überhaupt nicht vorhanden, nachdem es denkbar ist, die Materialstruktur gemeinsam mit dem zu kühlenden Objekt, beispielsweise einem ohnehin rotierenden Rotor einer supraleitenden Maschine, zu bewegen. Es wird mithin ein sehr einfacher, kostengünstiger Aufbau der Kühleinrichtung ermöglicht. Das flüssige Kühlmittel kann auch gegen die Schwerkraft berg- auf transportiert werden und dort effektiv am Ende der Förderstrecke ausgekoppelt werden.Advantageously, therefore, no actively operated coolant pump is required, so that in this respect the cost, the cost and the risk of failure can be reduced. The entry of additional power loss is low or even absent, since it is conceivable to move the material structure together with the object to be cooled, for example an already rotating rotor of a superconducting machine. It is therefore a very simple, inexpensive construction of the cooling device allows. The liquid coolant can also be transported uphill against gravity and effectively decoupled at the end of the conveyor line.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Materialstruktur auf der Verdampferseite in Radialrichtung bezüglich der Rotationsachse aufgefächert ist. Das bedeutet, am Ende der Förderstrecke werden die Kapillaren weg von der Rotationsachse aufgefächert, was die Zentrifugalkraft am Ende der Kapillaren deutlich erhöht und somit die Ablösung des flüssigen Kühlmittels von der Materialstruktur deutlich verbessert. Durch eine radiale Auffächerung der Kapillaren und die am Ende der Kapillaren wirkende, erhöhte Zentrifugalkraft wird das Kühlmittel mithin nochmals deutlich besser abgelöst und an eine Verdampfungsfläche des Verdampfers befördert.It is particularly advantageous that the material structure is fanned on the evaporator side in the radial direction with respect to the axis of rotation. This means that at the end of the conveying path, the capillaries are fanned away from the axis of rotation, which significantly increases the centrifugal force at the end of the capillaries and thus significantly improves the detachment of the liquid coolant from the material structure. By means of a radial fanning of the capillaries and the increased centrifugal force acting at the end of the capillaries, the coolant is thus removed much better again and conveyed to an evaporating surface of the evaporator.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Materialstruktur außerhalb eines verdampferseitigen Austrittbereichs und eines kondensorseitigen Eintrittsbereichs nach außen, insbesondere vollständig, von einer Hülle umgeben ist. Auf diese Weise kann, insbesondere bei einer allseitig offenporigen Struktur, vermieden werden, dass flüssiges Kühlmittel bereits vor Erreichen des Verdampfers, insbesondere aufgrund der Zentrifugalkraft, von dem Material weggeschleudert wird. Zum anderen kann aber auch vorgesehen sein, dass die Hülle als eine Fassung der Materialstruktur wirkt. Ist beispielsweise eine Materialstruktur nach Art eines Fadens oder geflochtenen Objekts gegeben, die auf der Verdampferseite in Radialrichtung bezüglich der Rotationsachse aufgefächert ist, kann durch die als Fassung wirkende Hülle auch vermieden werden, dass durch die wirkenden Kräfte eine ungewollte weitere Auffächerung beziehungsweise Auffaserung auftritt.In a further embodiment of the present invention can be provided that the material structure outside of an evaporator-side outlet region and a condenser-side inlet region to the outside, in particular completely, is surrounded by a shell. In this way, in particular in the case of an open-pore structure on all sides, it is possible to prevent liquid coolant from being thrown off the material even before it has reached the evaporator, in particular due to the centrifugal force. On the other hand, it can also be provided that the shell acts as a socket of the material structure. For example, given a material structure in the manner of a thread or braided object, which is fanned on the evaporator side in the radial direction with respect to the axis of rotation can also be avoided by acting as a socket shell that unintentional further fanning or fraying occurs by the forces acting.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Hülle als ein Rohr ausgebildet ist. Hier gibt es zwei mögliche Ausgestaltungen. Zum einen kann vorgesehen sein, dass eine Wand des Wärmerohrs selbst als eine nach außen gebildete Hülle wirkt, wenn die dochtartige Materialstruktur beispielsweise auf die Innenwand des Wärmerohres aufgebracht ist und/oder in die Innenwand eingearbeitet ist. Denkbar ist es aber auch, bei einer frei geführten Struktur, die Materialstruktur mit einem zusätzlichen Rohr zu umgeben, das insbesondere den Austritt von flüssigem Kühlmittel außerhalb des Austrittbereichs und des Eintrittbereichs vermeidet und/oder die Materialstruktur stabilisiert und einfasst.Furthermore, it can be provided that the sheath is formed as a tube. There are two possible configurations here. On the one hand, it can be provided that a wall of the heat pipe itself acts as a shell formed to the outside, if the wick-like material structure is applied, for example, to the inner wall of the heat pipe and / or is incorporated into the inner wall. It is also conceivable, however, with a freely guided structure, to surround the material structure with an additional tube, which in particular avoids the escape of liquid coolant outside the exit area and the entry area and / or stabilizes and encloses the material structure.
Wie bereits erwähnt, kann vorgesehen sein, dass die Materialstruktur von einem Freiraum zum Transport gasförmigen Kühlmittels umgeben in dem Wärmerohr geführt ist. In diesem Fall ist die Materialstruktur also nicht auf irgendeine Art und Weise mit einer Innenwand des Wärmerohrs oder dergleichen verbunden, sondern ist frei geführt, was die Rotation vereinfachen kann.As already mentioned, it can be provided that the material structure is guided by a free space for the transport of gaseous coolant in the heat pipe. In this case, the material structure is therefore not in any way with an inner wall of the heat pipe or the like, but is guided freely, which can simplify the rotation.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das flüssige Kühlmittel aus einem Behälter für flüssiges Kühlmittel in die Materialstruktur eindringt. Beispielsweise kann dann das kondensorseitige Ende der Förderstrecke, also der kondensorseitige Eintrittsbereich, der Materialstruktur vollständig innerhalb des flüssigen Kühlmediums gelagert sein, so dass Kühlmittel kontinuierlich in die Kapillaren der Materialstruktur eindringen und so transportiert werden kann. Dabei kann dann, wenn die Materialstruktur von einem Freiraum zum Transport gasförmigen Kühlmittels umgeben in dem Wärmerohr geführt ist, vorgesehen sein, dass die Materialstruktur in einer von einer Mittenachse des Wärmerohrs abweichenden Richtung geführt ist. Die Materialstruktur verläuft dann sozusagen „schräg” durch das Wärmerohr hindurch, um einseitig in einen tiefer befindlichen Behälter für flüssiges Kühlmittel eintauchen zu können.Furthermore, it can be provided that the liquid coolant penetrates from a container for liquid coolant into the material structure. For example, then the condenser-side end of the conveying path, so the condenser-side inlet region, the material structure be completely stored within the liquid cooling medium, so that coolant can penetrate continuously into the capillaries of the material structure and can be transported. In this case, if the material structure is guided by a free space for transporting gaseous coolant in the heat pipe, it can be provided that the material structure is guided in a direction deviating from a center axis of the heat pipe. The material structure then passes "obliquely" through the heat pipe, as it were, in order to be able to dip on one side into a lower container for liquid coolant.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das flüssige Kühlmittel auf die Materialstruktur aufgebracht, insbesondere aufgetropft, wird. Es ist also beispielsweise möglich, die Kapillaren der Materialstruktur unmittelbar, insbesondere tröpfchenweise, aus dem Kondensor zu speisen. Damit ergibt sich ein grundsätzlich einfacherer Aufbau der gesamten Kühleinrichtung, nachdem keine komplizierte Führung der rotierenden Materialstruktur in einen Behälter für flüssiges Kühlmittel vorgesehen werden muss.Alternatively, it can also be provided that the liquid coolant is applied to the material structure, in particular dripped. It is thus possible, for example, to feed the capillaries of the material structure directly, in particular droplets, from the condenser. This results in a fundamentally simpler design of the entire cooling device, after no complicated guidance of the rotating material structure must be provided in a container for liquid coolant.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Materialstruktur mit dem zu kühlenden Objekt rotierbar ist. Eine derartige Ausgestaltung ist beispielsweise bei supraleitenden Maschinen denkbar, in denen eine zu kühlende supraleitende Spule innerhalb des ohnehin rotierenden Rotors vorgesehen ist, so dass beispielsweise die Materialstruktur in einen hohlen Innenraum des Rotors geführt werden kann und mit diesem rotieren kann, so dass durch die Zentrifugalkraft das flüssige Kühlmittel entsprechend in dem als Verdampfer wirkenden Innenraum verteilt wird. In einem solchen Fall kann auf einen getrennten Antrieb für die Materialstruktur verzichtet werden, so dass ein sehr einfacher, kostengünstiger Aufbau des Gesamtsystems möglich wird.In a further embodiment of the present invention can be provided that the material structure is rotatable with the object to be cooled. Such a configuration is conceivable, for example, in superconducting machines, in which a superconducting coil to be cooled is provided inside the already rotating rotor, so that, for example, the material structure can be guided into a hollow interior of the rotor and can rotate with it, so that the centrifugal force the liquid coolant is correspondingly distributed in the interior acting as an evaporator. In such a case can be dispensed with a separate drive for the material structure, so that a very simple, cost-effective design of the overall system is possible.
Neben der Kühleinrichtung betrifft die Erfindung auch eine supraleitende Maschine, umfassend wenigstens eine zur Erzeugung eines magnetischen Flusses an Polen eines Rotors oder Stators ausgebildete supraleitende Spule und eine zur Kühlung der Spule ausgebildete erfindungsgemäße Kühleinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich der Kühleinrichtung lassen sich analog auf die supraleitende Maschine übertragen, so dass auch hier die genannten Vorteile erreicht werden können. Die Leiter der supraleitenden Spule können dabei insbesondere aus einem Hochtemperatursupraleiter bestehen. Als Kühlmittel kann in diesem Fall Neon eingesetzt werden, es ist jedoch auch denkbar, beispielsweise mit Wasserstoff oder Helium oder Stickstoff zu arbeiten.In addition to the cooling device, the invention also relates to a superconducting machine comprising at least one superconducting coil formed to produce a magnetic flux at poles of a rotor or stator and a cooling device according to the invention designed to cool the coil. All statements with regard to the cooling device can be analogously transferred to the superconducting machine, so that here too the mentioned advantages can be achieved. The conductors of the superconducting coil can consist in particular of a high-temperature superconductor. As a coolant can be used in this case neon, but it is also conceivable to work for example with hydrogen or helium or nitrogen.
Möglich ist es bei derartigen supraleitenden Maschinen beispielsweise, die rotierende Materialstruktur durch ein über eine Drehdurchführung angekoppeltes Wärmerohr in den hohlen Innenraum eines Rotors zu führen, wo das flüssige Kühlmittel entsprechend verteilt wird. Denkbar ist es aber auch, beispielsweise das Wärmerohr und somit auch die Materialstruktur mit dem Rotor mitrotieren zu lassen, um die Materialstruktur in Drehung zu setzen. Dabei sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass es durchaus sinnvoll sein kann, eine separate Rotationseinrichtung einzusetzen, beispielsweise dann, wenn auch bei Stillstand der supraleitenden Maschine diese gekühlt werden soll.It is possible in such superconducting machines, for example, to guide the rotating material structure through a coupled via a rotary feedthrough heat pipe into the hollow interior of a rotor, where the liquid coolant is distributed accordingly. It is also conceivable, for example, to allow the heat pipe and thus also the material structure to rotate with the rotor in order to set the material structure in rotation. It should be noted at this point, however, that it can be quite useful to use a separate rotation device, for example, if even when the superconducting machine is to be cooled.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawing. Showing:
Zum Transport des flüssigen Kühlmittels
Um nun das flüssige Kühlmittel
An den aufgefächerten Enden
Insbesondere auf Schiffen ist eine solche Ausgestaltung vorteilhaft, nachdem es dort zu Schräglagen kommen kann, in denen das Kühlmittel gegen die Schwerkraft gefördert werden muss.In particular, on ships such a configuration is advantageous, since it can lead to inclinations, in which the coolant must be promoted against gravity.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es bei der supraleitenden Maschine
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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