-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer supraleitenden Spule und einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spule, die wenigstens einen Kaltkopf und einen atmosphärisch abgeschlossenen Hohlraum mit einem an die Spule thermisch angekoppelten Verdampferbereich, einem an den Kaltkopf thermisch angekoppelten Kondensorbereich und einem in dem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossenen fluiden Kühlmittel umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Spule in einer solchen Spuleneinrichtung.
-
Bei dem Betrieb supraleitender Spuleneinrichtungen werden Spulen mit supraleitenden Materialien auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt. Klassische Tieftemperatursupraleiter werden dabei mit flüssigem Helium auf Temperaturen in der Nähe von 4 K gekühlt. Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K. Bei Hochtemperatursupraleitern kann die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Flüssigkeiten als flüssigem Helium erreicht werden.
-
In der
EP1650855B1 wird eine Maschineneinrichtung mit einer hochtemperatursupraleitenden Rotorwicklung offenbart, bei der die Rotorwicklung nach dem Thermosiphon-Prinzip über ein im Inneren des Rotors zirkulierendes Kühlmittel gekühlt wird. Das Kältemittel verdampft dabei in einem zylindrischen Hohlraum im Inneren der Rotorwicklung und kühlt so die Rotorwicklung. Über ein geschlossenes Leitungssystem gelangt das gasförmige Kühlmittel in einen Kondensorraum, der mit einem Kaltkopf wärmeleitend in Kontakt steht. Das Kühlmittel wird dabei nach der gewünschten Betriebstemperatur der Supraleiterwicklung ausgewählt, so dass der Siedepunkt in der Nähe und unterhalb dieser Betriebstemperatur liegt.
-
Bei der Kühlung von supraleitenden Spulen mit einem Kühlmittel nach dem Thermosiphon-Prinzip wird nach dem Stand der Technik die Kühlvorrichtung bei einem leichten Überdruck des Kühlmittels betrieben. Dieser Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre wird eingesetzt, um eine Verunreinigung des Kühlmittels durch die Umgebungsluft zu verhindern.
-
Spuleneinrichtungen mit Hochtemperatursupraleitern werden typischerweise mit flüssigem Neon als Kühlmittel auf eine Betriebstemperatur in der Nähe von 30 K gekühlt. Auch HTS-Materialien mit höheren Sprungtemperaturen oberhalb von 77 K werden oft mit flüssigem Neon gekühlt, obwohl eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff prinzipiell möglich wäre, da bei den niedrigeren Betriebstemperaturen höhere kritische Stromdichten und/oder höhere kritische Magnetfelder erreicht werden können. Hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Magnetfelder sind für den Einsatz solcher Spulen als Magnetspulen für Magnetresonanz-Anwendungen, aber auch für den Einsatz supraleitender Spulen in elektrischen Maschinen wichtig. Beispielsweise werden supraleitende Spulen mit hoher Stromtragfähigkeit als rotierende Erregerspulen in elektrischen Maschinen verwendet. Die Kühlung mit flüssigem Neon hat allerdings den Nachteil, dass Neon vergleichsweise teuer und die Verflüssigung aufwendig ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spuleneinrichtung mit einer supraleitenden Spule und einer Kühlvorrichtung anzugeben, die eine Kühlung mit einem höher siedenden Kühlmittel als flüssigem Neon erlaubt und trotzdem den Betrieb der Spule bei hohen Stromdichten und/oder hohen Magnetfeldern ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Kühlung einer solchen Spuleneinrichtung anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Spuleneinrichtung und das in Anspruch 11 angegebene Verfahren gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine hochtemperatursupraleitende Spule und eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spule. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigstens einen Kaltkopf und einen atmosphärisch abgeschlossenen Hohlraum mit einem an die Spule thermisch angekoppelten Verdampferbereich, einem an den Kaltkopf thermisch angeschlossenen Kondensorbereich und einem in dem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossenen Kühlmittel. Das Kühlmittel weist eine Siedetemperatur oberhalb von 40 K auf und weist bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung einen Betriebsdruck unterhalb von 1 bar auf.
-
Der Vorteil dieser Spuleneinrichtung gegenüber herkömmlichen Spuleneinrichtungen besteht zum einen darin, dass ein vergleichsweise günstiges Kühlmittel mit einem Siedepunkt oberhalb von 40 K eingesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu sind die niedriger siedenden Kühlmittel Helium, Wasserstoff und Neon relativ teuer und noch aufwendiger zu verflüssigen. Dabei kann durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Betriebsdrucks unterhalb von 1 bar die Kühlung auf eine niedrigere Temperatur ermöglicht werden, als es bei einem Betriebsdruck von 1 bar mit dem jeweiligen Kühlmittel der Fall wäre. Durch den Betrieb bei Unterdruck wird also der Siedepunkt des Kühlmittels erniedrigt, und es kann entsprechend auch eine etwas niedrigere Betriebstemperatur der Spuleneinrichtung trotz Verwendung eines günstigeren Kühlmittels erreicht werden. Die im Vergleich zum Siedepunkt bei einem Normaldruck von 1 bar erreichte Erniedrigung der Siedetemperatur führt vorteilhaft auch zu einer Erhöhung der kritischen Stromdichte und/oder des kritischen Magnetfeldes der bei der etwas tieferen Temperatur betriebenen supraleitenden Spule.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Kühlung wenigstens einer hochtemperatursupraleitenden Spule in einer Spuleneinrichtung mittels einer Kühlvorrichtung mit wenigstens einem Kaltkopf und einem atmosphärisch abgeschlossenen Hohlraum. Bei diesem Verfahren wird in dem abgeschlossenen Hohlraum ein fluides Kühlmittel zwischen einem an die Spule thermisch angekoppelten Verdampferbereich und einem an den Kaltkopf thermisch angekoppelten Kondensorbereich zirkuliert. Die Kühleinrichtung wird bei einem Betriebsdruck unterhalb von 1 bar betrieben, und das Kühlmittel weist bei diesem Betriebsdruck eine Siedetemperatur oberhalb von 40 K auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlungsverfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die Spuleneinrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
-
Das Kühlmittel kann Stickstoff umfassen, und der Betriebsdruck des Kühlmittels kann bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung oberhalb von 0.125 bar liegen. Insbesondere kann das Kühlmittel auch ausschließlich aus flüssigem Stickstoff bestehen. Flüssiger Stickstoff ist das günstigste zur Verfügung Kühlmittel für eine Kühlung auf etwa 77 K. Durch den Betriebsdruck von unterhalb 1 bar kann ein Temperaturbereich zwischen 63.2 K und 77.3 K zugänglich gemacht werden. Der Tripelpunkt von Stickstoff liegt bei einem Druck von 0.125 bar und einer Temperatur von 63.2 K. Das bedeutet, dass bei einem Druck und einer Temperatur oberhalb von diesem Punkt ein Phasenübergang zwischen flüssiger und gasförmiger Phase möglich ist, der für die Kühlung der Spuleneinrichtung nach dem Thermosiphon-Prinzip genutzt werden kann. Durch den Betrieb des Thermosiphons bei Unterdruck wird also ein Temperaturbereich zugänglich, der bis zu 14 K unter dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei Normaldruck liegt.
-
Alternativ kann das Kühlmittel Methan umfassen, und der Betriebsdruck des Kühlmittels kann bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung oberhalb von 0.117 bar liegen. Insbesondere kann das Kühlmittel auch ausschließlich aus Methan bestehen. Durch die Kühlung mit flüssigem Methan wird ein Siedepunktbereich zwischen 90.7 K und 112 K zugänglich, da der Tripelpunkt von Methan bei 90.7 K und 0.117 bar liegt. Daher stellt Methan ein vorteilhaftes Kühlmittel für Hochtemperatursupraleiter mit Sprungtemperaturen oberhalb von 90.7 K dar. Die Verflüssigung von Methan ist noch etwas weniger aufwendig als die Verflüssigung von Stickstoff. Alternativ kann das Kühlmittel auch andere Kohlenwasserstoffe umfassen.
-
Der Betriebsdruck des Kühlmittels kann bei höchstens 0.5 bar, besonders vorteilhaft bei höchstens 0.25 bar liegen. Bei Verwendung von Stickstoff als Kühlmittel wird bei einem Betriebsdruck von 0.5 bar eine Erniedrigung der Siedetemperatur um mehr als 5 K im Vergleich zu einem Betriebsdruck von 1 bar erreicht. Bei 0.25 bar liegt die Erniedrigung der Siedetemperatur bei über 10 K. Durch diese signifikante Erniedrigung der Siedetemperatur des Kühlmittels kann die Betriebstemperatur der supraleitenden Spule um ähnliche Werte erniedrigt werden, wodurch beispielsweise ein Betrieb der Spule bei besonders hohen Stromdichten und Magnetfeldern möglich wird.
-
Das Kühlmittel kann bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung eine Siedetemperatur zwischen 63.17 K und 77.3 K aufweisen. Dieser Temperaturbereich ist vor allem bei der Verwendung von Stickstoff als Kühlfluid vorteilhaft.
-
Die hochtemperatursupraleitende Spule und der Verdampferbereich können um eine Rotationsachse drehbar gelagert sein. Dies ist vor allem bei der Anwendung von supraleitenden Spulen in elektrischen Maschinen zweckmäßig.
-
Insbesondere kann die hochtemperatursupraleitende Spule Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine sein, wobei wenigstens ein Teil des abgeschlossenen Hohlraums der Kühlvorrichtung innerhalb einer Welle des Rotors angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht eine effektive Kühlung der Rotorwicklung von innen her. Nach außen kann die Rotorwicklung dann beispielsweise durch eine Vakuumisolation gegen die wärmere Umgebung und andere Bestandteile der elektrischen Maschine thermisch isoliert sein.
-
Der Kaltkopf und der Kondensorbereich der Kühlvorrichtung können dann stationär angeordnet sein, und der abgeschlossene Hohlraum kann sowohl einen drehbar gelagerten Bereich als auch einen stationären Bereich umfassen. Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache Weise eine Übertragung von Wärme von einer rotierenden supraleitenden Spule auf einen stationären Kaltkopf. Weitere Vorrichtungen zur Kühlung des Kaltkopfes müssen dann vorteilhaft nicht mit der supraleitenden Wicklung rotiert werden.
-
Der drehbar gelagerte Bereich des Hohlraums kann mit dem stationären Bereich des Hohlraums über eine Drehdurchführung verbunden sein. Besonders vorteilhaft kann dabei eine Ferrofluid-Drehdurchführung zum Einsatz kommen. Eine solche Drehdurchführung erlaubt eine besonders zuverlässige Abdichtung des abgeschlossenen Hohlraums. Dies ist hier besonders wichtig, da bei dem erfindungsgemäßen Betrieb bei Unterdruck möglichst keine Bestandteile aus der umgebenden Atmosphäre in das Kühlmittel eingebracht werden dürfen.
-
Die hochtemperatursupraleitende Spule der Spuleneinrichtung kann eine Magnetspule, insbesondere eine Magnetspule für Magnetresonanz-Untersuchungen sein. Die Verwendung von HTS-Spulen ist besonders vorteilhaft für solche Anwendungen, da mit den HTS-Materialien bei ausreichender Kühlung besonders hohe kritische Stromdichten und besonders hohe obere kritische Magnetfelder erreicht werden können. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Einsatz auch mit höher siedenden Kühlmitteln als flüssigem Neon möglich.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den von Anspruch 11 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann das Verfahren zur Kühlung zusätzlich die folgenden Merkmale aufweisen:
Die Kühleinrichtung kann bei einem Betriebsdruck des Kühlmittels von höchstens 0.8 bar, insbesondere von höchstens 0.5 bar betrieben werden. Die Verringerung des Betriebsdrucks gegenüber dem Atmosphärendruck um wenigstens 0.2 bar hat den Vorteil, dass durch diesen Unterdruck eine signifikante Senkung der Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht werden kann. Damit kann beispielsweise bei Verwendung von Stickstoff als Kühlmittel ein Temperaturbereich unterhalb von 77 K mit günstigen Mitteln erschlossen werden.
-
Die hochtemperatursupraleitende Spule kann auf eine Betriebstemperatur von nicht mehr als 3 K oberhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels bei dem vorliegenden Betriebsdruck gekühlt werden. Dies setzt eine gute thermische Ankopplung der Spule an den Verdampferbereich des Thermosiphons voraus. Dadurch wird der Betrieb der Spule bei hohen Stromdichten und/oder hohen Magnetfeldern ermöglicht.
-
Die Siedetemperatur des Kühlmittels kann bei dem vorliegenden Betriebsdruck um wenigstens 5 K, insbesondere um wenigstens 10 K niedriger sein als die Siedetemperatur desselben Kühlmittels bei einem Druck von 1 bar.
-
Als Kühlmittel kann Stickstoff eingesetzt werden, und die supraleitende Spule kann auf eine Temperatur zwischen 63 K und 77 K gekühlt werden. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind analog zu den Vorteilen der entsprechenden Ausführungsform der Spuleneinrichtung.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die angehängte einzige Zeichnung beschrieben.
-
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1 mit einer hochtemperatursupraleitenden Spule 10 und einer Kühlvorrichtung 15. Die Spuleneinrichtung ist hier Teil einer elektrischen Maschine 2, die einen um eine Rotationsachse A drehbar gelagerten Rotor 5 mit einer supraleitenden Erregerwicklung 10 und einen Stator mit einer Ständerwicklung 4 umfasst. Weiterhin zeigt die 1 ein warmes Außengehäuse 3 der elektrischen Maschine 2, das zusammen mit der Ständerwicklung 4 ortsfest angeordnet ist.
-
Die supraleitende Spulenwicklung 10 ist auf einem Wicklungsträger 9 des Rotors 5 angeordnet. Wicklung 10 und Wicklungsträger 9 sind zusammen in einem Vakuumgefäß 7 angeordnet und rotieren zusammen mit diesem um die Achse A. Das Vakuum V in dem Vakuumgefäß dient der besseren thermischen Isolation des Rotors gegen das warme Gehäuse 3 und die ebenfalls warme Ständerwicklung 4. Der Rotor 5 umfasst weiterhin ein Drehmomentübertragungselement 8 zur Übertragung des Drehmoments auf die Rotorwelle 5b.
-
Die Kühlvorrichtung 15 der Spuleneinrichtung 1 kühlt die supraleitende Spule 10 nach dem Thermosiphon-Prinzip. Sie umfasst einen hier ortsfest angeordneten Kaltkopf 16 und einen atmosphärisch abgeschlossenen Hohlraum 12 mit einem an die Spule 10 thermisch angekoppelten Verdampferbereich 13, einem an den Kaltkopf 16 angekoppelten Kondensorbereich 18 und einem in dem abgeschlossenen Hohlraum eingeschlossenen Kühlmittel k, k‘. Das Kühlmittel k, k‘ ist in diesem Beispiel Stickstoff, der im Inneren des Hohlraums 12 zirkuliert und im Verdampferbereich 13 unter Aufnahme von Wärme aus der Spule 10 vom flüssigen Zustand k in den gasförmigen Zustand k‘ übergeht.
-
Der abgeschlossene Hohlraum 12 umfasst einen hohlzylindrischen Bereich im Inneren der Rotorwicklung 10. Weiterhin umfasst der Hohlraum 12 eine Kühlmittelleitung 22 und den Kondensorbereich 18. Das gasförmige Kühlmittel k‘ wird durch die Kühlmittelleitung 22 zum Kondensorbereich 18 transportiert, wo es unter Abgabe von Wärme an den über den Wärmeübertragungskörper 17 thermisch angekoppelten Kaltkopf 16 wieder kondensiert. Das verflüssigte Kühlmittel k wird anschließend über die Kühlmittelleitung 22 wieder zurück in das Innere der Rotorwicklung 10 transportiert, wo der Kreislauf sich fortsetzt. Der horizontale Bereich der Kühlmittelleitung 22 kann wie hier gezeigt parallel zur Rotationsachse A verlaufen, oder er kann vorteilhaft zum Rotor 5 hin leicht abfallend geneigt sein, um eine Unterstützung des Rücktransport des flüssigen Kühlmittels k durch die Schwerkraft zu ermöglichen. Auch der Kondensorbereich 18 und der benachbarte Abschnitt der Leitung 22 sind von einem Vakuumgefäß 23 umgeben, um eine thermische Isolation gegen die warme Umgebung zu erreichen.
-
Der Rotor 5 ist zusammen mit seinem Vakuumgefäß 7 und seiner Rotorwelle 5b gegen das Außengehäuse 3 mit der Ständerwicklung 4 über ein Lager 6 drehbar gelagert. Außerdem ist der Innenraum der Rotorwelle 5b gegen die stationären Teile der Kühlvorrichtung 15, insbesondere gegen die stationäre Kühlmittelleitung 22 durch eine Drehdichtung 14 abgedichtet. Diese Drehdichtung 14 ist im gezeigten Beispiel eine Ferrofluid-Drehdichtung. Sie dient dazu, den von den rotierenden Komponenten 5, 5b, 9, 10 begrenzten Teil des Hohlraums 12 und den von den stationären Komponenten 18, 22, 23 begrenzten Teil des Hohlraums 12, miteinander gasdicht zu verbinden.
-
Die Kühlvorrichtung 15 der Spuleneinrichtung 1 der gezeigten Maschine 2 wird bei einem Betriebsdruck p und einer Betriebstemperatur T des Kühlmittels k, k‘ betrieben. Der Betriebsdruck p ist erfindungsgemäß auf einen Druck unterhalb von 1 bar eingestellt. In diesem Beispiel beträgt er etwa 0.5 bar. Die Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs k stellt sich dann auf einen Wert von etwa 72 K ein. Dadurch wird eine Betriebstemperatur der Kühlvorrichtung T erreicht, die im Wesentlichen dieser Siedetemperatur entspricht, wobei typischerweise geringe Unterschiede in der lokalen Temperatur im Verdampferbereich 13 und im Kondensorbereich 18 vorliegen. Für die supraleitende Spule ergibt sich dann eine Betriebstemperatur, die sehr nahe bei der Betriebstemperatur T der Kühlvorrichtung 15 liegt.
-
Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine 2 mit einer auf etwa 72 K gekühlten Rotorspule 10 kann eine deutlich höhere Stromtragfähigkeit der Rotorspule 10 erreicht werden, als es bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff bei einem Betriebsdruck von 1 bar möglich wäre. Beispielsweise kann bei einer gegebenen Rotorspule 10 mit einem YBa2Cu3Ox enthaltenden Bandleiter die Stromtragfähigkeit von etwa 80A bei 77K und einem Magnetfeld von 2T auf etwa 180A bei 77K und 2T erhöht werden. Vorteilhaft ist der Betriebsdruck so gewählt, dass die Stromtragfähigkeit durch die Erniedrigung der Betriebstemperatur im Vergleich zum Normaldruck von 1 bar um wenigstens 50% gesteigert wird. Besonders vorteilhaft wird die Stromtragfähigkeit um wenigstens einen Faktor 2 gesteigert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
