DE102014215649A1

DE102014215649A1 - Cooling device for cooling an electrical machine with radial heat extraction

Info

Publication number: DE102014215649A1
Application number: DE102014215649.1A
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt; Michael Frank; Jörn Grundmann; Anne Kuhnert; Peter Kummeth; Wolfgang Nick; Peter van Hasselt; Marijn Pieter Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-11
Also published as: WO2016020256A1

Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor angegeben, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigstens ein auf der drehbaren Rotorwelle angeordnetes thermisches Kopplungselement zum Abtransport von Wärme von einem radial innenliegenden Bereich in einen radial außenliegenden Bereich. Das thermische Kopplungselement taucht wenigstens in einem Teilbereich seines Umfangs in ein feststehendes Reservoir mit einem kondensierten ersten Kühlmittel ein. Weiterhin wird eine elektrische Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und einer solchen Kühlvorrichtung angegeben.It is a cooling device for cooling an electric machine with a rotatably mounted about a rotation axis rotor indicated, which is arranged on a central rotor shaft. The cooling device comprises at least one thermal coupling element arranged on the rotatable rotor shaft for removing heat from a radially inner region into a radially outer region. The thermal coupling element dips into a fixed reservoir with a condensed first coolant at least in a partial region of its circumference. Furthermore, an electric machine is provided with a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central rotor shaft, and such a cooling device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine derartige elektrische Maschine. The invention relates to a cooling device for cooling an electrical machine with a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central rotor shaft. Furthermore, the invention relates to such an electric machine.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Insbesondere Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder flüssiges Neon im Inneren einer zentralen Rotorwelle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supraleitende rotierende Erregerwicklungen auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden. From the prior art electrical machines are known, which are equipped with cooling devices for cooling of rotating electrical coil windings. In particular, machines with superconducting rotor windings are typically equipped with cooling devices in which a coolant such as liquid nitrogen, liquid helium or liquid neon can circulate inside a central rotor shaft according to the thermosiphon principle and thereby dissipate heat from the rotor. With such cooling systems superconducting coil windings, in particular superconducting rotating field windings can be cooled to an operating temperature below the transition temperature of the superconductor and kept at this operating temperature.

Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein Endbereich der Rotorwelle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüssigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Rotorwelle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Rotorwelle hineinragendes feststehendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der EP 2603968 A1 bekannt. In such known cooling devices often an end portion of the rotor shaft is used to feed from a fixed refrigeration system liquefied refrigerant into an interior of the rotor shaft, for example via a protruding into the rotor shaft fixed coolant tube. Such a cooling device is known from EP 2603968 A1 known.

Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein Wellenende ist jedoch, dass nicht bei allen elektrischen Maschinen ein freies Ende der Rotorwelle für diesen Zweck zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anwendung einer elektrischen Maschine ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, sowohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axialer Weg für die jeweilige Drehmomentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende zur Einspeisung von Kühlmittel in der Nähe des Generators zur Verfügung. Eine Einspeisung von Kühlmittel in einen Hohlraum der Rotorwelle in einem mittleren axialen Bereich der Welle ist dagegen generell mit Schwierigkeiten verbunden, da durch die bei einer Rotation der Welle auftretenden Fliehkräfte ein in der Welle zu transportierendes Kühlmittel in radial außenliegende Bereiche getrieben wird. Bei einer radialen Einkopplung von Kühlmittel in die Welle muss aber gerade ein Einströmen von flüssigem Kühlmittel in einer diesen Fliehkräften entgegengesetzten Richtung erreicht werden. However, a disadvantage of such a feed via a shaft end is that a free end of the rotor shaft is not available for this purpose in all electrical machines. An example of such an application of an electric machine is a generator in a gas and steam power plant. Here it is desirable to arrange both a generator and a gas turbine and a steam turbine on the same rotating shaft. In this case, the generator between the gas turbine and the steam turbine is advantageously arranged, so that in each case only a short axial distance for the respective torque transmission via the shaft must be bridged. In such an arrangement, there is no free shaft end for feeding coolant in the vicinity of the generator. In contrast, feeding coolant into a cavity of the rotor shaft in a central axial region of the shaft is generally associated with difficulties, since a centrifugal force to be transported in the shaft is driven into radially outer regions by the centrifugal forces occurring during rotation of the shaft. In the case of a radial coupling of coolant into the shaft, however, an inflow of liquid coolant in a direction opposite this centrifugal force must be achieved.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, über die auf einfache Weise Wärme aus dem Inneren Bereich der Rotorwelle an eine feststehende Kälteanlage abgegeben werden kann, ohne hierbei ein freies axiales Ende der Rotorwelle zu nutzen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben. Object of the present invention is therefore to provide a cooling device for an electrical machine, which avoids the disadvantages mentioned. In particular, a cooling device is to be indicated by means of which heat can be released from the inner region of the rotor shaft to a stationary cooling system in a simple manner, without using a free axial end of the rotor shaft. Another object of the invention is to provide an electric machine with such a cooling device.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. This object is achieved by a cooling device having the features of claim 1 and by an electric machine having the features of claim 14.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, umfasst wenigstens ein auf der drehbaren Rotorwelle angeordnetes thermisches Kopplungselement zum Abtransport von Wärme von einem radial innenliegenden Bereich der Rotorwelle in einen radial außenliegenden Bereich. Das thermische Kopplungselement taucht wenigstens in einem Teilbereich seines Umfangs in ein feststehendes Reservoir mit einem kondensierten ersten Kühlmittel ein. The cooling device according to the invention for cooling an electric machine with a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central rotor shaft comprises at least one arranged on the rotatable rotor shaft thermal coupling element for removing heat from a radially inner region of the rotor shaft in a radially outer Area. The thermal coupling element dips into a fixed reservoir with a condensed first coolant at least in a partial region of its circumference.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung liegt darin, dass über das thermische Kopplungselement durch dessen thermische Leitfähigkeit Wärme radial nach außen transportiert werden kann. Durch das Eintauchen des Kopplungselements in ein Kühlmittelbad kann die Wärme von einem radial außenliegenden Bereich des thermischen Kopplungselements an die äußere Umgebung abgegeben werden. Insbesondere wird an der Kontaktstelle zwischen Kopplungselement und Kühlmittelbad Wärme vom rotierenden System effektiv an das feststehende äußere System übertragen, nämlich an das in einem feststehenden Reservoir befindliche Kühlmittel. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt beziehungsweise für jede gegebene Rotationsposition der Rotorwelle kann dabei ein gegebenes Umfangssegment des thermischen Kopplungselements in das flüssige Kühlmittel eintauchen. Weiterhin wird für dieses Kühlsystem vorteilhaft kein freies Wellenende der elektrischen Maschine benötigt. Das thermische Kopplungselement kann kompakt ausgeführt werden und in einem axial innenliegenden Bereich der Welle angeordnet werden, beispielsweise zwischen dem Rotor eines Generators und einer der Gas- und/oder Dampfturbinen in einem Kraftwerk. Insbesondere kann die Kühlvorrichtung so ausgestaltet sein, dass in axialer Richtung nur wenig Platz auf der Rotorwelle für die Entwärmung des Welleninneren benötigt wird. Für die erfindungsgemäße Lösung wird weiterhin keine Ein- oder Auskopplung von Kühlmittel zwischen rotierendem und feststehendem System benötigt. Stattdessen kann der Wärmetransport über die Wärmeleitung im Material des thermischen Kopplungselements erfolgen, was wesentlich einfachere und mechanisch robustere Ausgestaltungen ermöglicht. Insbesondere wird kein stehendes Kühlmittelrohr in direkter Nachbarschaft zu schnell drehenden Komponenten eingesetzt, wodurch die damit verbundenen mechanischen Anforderungen und das Ausfallrisiko aufgrund von Schwingungen und ungewolltem mechanischen Kontakt vermieden werden können. Der thermische Kontakt zwischen rotierendem Kopplungssystem und dem feststehenden System wird dabei erfindungsgemäß durch Eintauchen in das Kühlmittelbad geschaffen, so dass hier bei der Drehung nur sehr geringe Reibungsverluste entstehen. Weiterhin werden bei dieser Lösung keine Dichtungen zwischen drehbaren und feststehenden Komponenten benötigt, die in unmittelbarem Kontakt mit tiefkaltem kondensiertem Kühlmittel stehen. A significant advantage of the cooling device according to the invention is that heat can be transported radially outward via the thermal coupling element by its thermal conductivity. By immersing the coupling element in a coolant bath, the heat can be released from a radially outer region of the thermal coupling element to the external environment. In particular, at the point of contact between the coupling element and the coolant bath, heat from the rotating system is effectively transferred to the fixed outer system, namely the coolant located in a fixed reservoir. At any given time or for any given rotational position of the rotor shaft can immerse a given circumferential segment of the thermal coupling element in the liquid coolant. Furthermore, advantageously no free shaft end of the electric machine is required for this cooling system. The thermal coupling element can be made compact and arranged in an axially inner region of the shaft, for example between the rotor of a generator and one of the gas and / or steam turbines in a power plant. In particular, the cooling device can be designed so that only little space in the axial direction the rotor shaft is required for the cooling of the shaft interior. For the solution according to the invention further no coupling or decoupling of coolant between rotating and fixed system is required. Instead, the heat transfer can take place via the heat conduction in the material of the thermal coupling element, which allows much simpler and more mechanically robust designs. In particular, no stationary coolant pipe is used in the immediate vicinity of rapidly rotating components, whereby the associated mechanical requirements and the risk of failure due to vibrations and unwanted mechanical contact can be avoided. The thermal contact between the rotating coupling system and the fixed system is inventively created by immersion in the coolant bath, so that only very small friction losses occur during rotation. Furthermore, this solution requires no seals between rotatable and stationary components that are in direct contact with cryogenic condensed coolant.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und wenigstens eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Die Vorteile einer solchen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Dabei kann der Abtransport von Wärme vorteilhaft mit weiteren Pfaden für die Entwärmung kombiniert werden, beispielsweise mit einem axialen Wärmetransport innerhalb der Rotorwelle und/oder mit einem Wärmetransport innerhalb des Rotors, um Wärme von den darauf angeordneten Komponenten abzuführen. Zweckmäßig weist die elektrische Maschine eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung auf, die über die Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spulenwicklung, insbesondere eine hochtemperatursupraleitende Spulenwicklung sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Generator oder um einen Motor handeln. The electric machine according to the invention has a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central rotor shaft, and at least one cooling device according to the invention. The advantages of such an electric machine are analogous to the described advantages of the cooling device according to the invention. In this case, the removal of heat can be advantageously combined with other paths for cooling, for example, with an axial heat transfer within the rotor shaft and / or with a heat transfer within the rotor to dissipate heat from the components arranged thereon. The electric machine expediently has an electrical coil winding arranged on the rotor, which can be cooled via the cooling device. This coil winding may be a superconducting coil winding, in particular a high-temperature superconducting coil winding. The electric machine may be, for example, a generator or a motor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung vorteilhaft mit den Merkmalen der elektrischen Maschine kombiniert werden. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims 1 and 14 claims. The features of the cooling device can advantageously be combined with the features of the electric machine.

Das thermische Kopplungselement kann ein Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 W/m·K, vorteilhaft wenigstens 20 W/ m·K, insbesondere wenigstens 200 W/m·K aufweisen. Besonders vorteilhaft kann das thermische Kopplungselement im Wesentlichen aus einem derartigen Material gebildet sein. Bei derartigen Ausführungsformen kann die aus dem Inneren der Rotorwelle abzutransportierende Wärme effektiv an das äußere, feststehende Kühlmittelreservoir abgegeben werden, ohne dass eine Ein- und Auskopplung von Kühlmittel benötigt wird. Die Wärmeleitfähigkeit des thermischen Kopplungselements ist hoch genug, um eine ausreichende Entwärmung ohne stofflichen Austausch zwischen feststehendem und rotierendem System zu ermöglichen. Vorteilhafte Materialien für das thermische Kopplungselement sind beispielsweise Kupfer, Kupfer enthaltende Legierungen wie Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierungen und Messing sowie Aluminium und Aluminium enthaltende Legierungen. Weitere vorteilhafte Materialien sind gut wärmeleitfähige Fasern oder Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise Carbonfasern oder Fasern auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren. The thermal coupling element may comprise a material having a specific thermal conductivity of at least 1 W / m · K, advantageously at least 20 W / m · K, in particular at least 200 W / m · K. Particularly advantageously, the thermal coupling element can be essentially formed from such a material. In such embodiments, the heat to be removed from the interior of the rotor shaft can be effectively delivered to the outer, stationary coolant reservoir, without the need for coupling and decoupling of coolant. The thermal conductivity of the thermal coupling element is high enough to allow sufficient cooling without material exchange between fixed and rotating system. Advantageous materials for the thermal coupling element are, for example, copper, copper-containing alloys such as copper-chromium-zirconium alloys and brass as well as aluminum and aluminum-containing alloys. Further advantageous materials are highly thermally conductive fibers or fiber composite materials, for example carbon fibers or fibers based on carbon nanotubes.

Das thermische Kopplungselement kann thermisch gegen die das thermische Kopplungselement tragenden Bereiche der Rotorwelle isoliert sein. Dies ist vorteilhaft, um einen hohen Temperaturgradienten zwischen dem thermischen Kopplungselement und den übrigen Teilen der Rotorwelle aufrechtzuerhalten. Insbesondere befindet sich das thermische Kopplungselement bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung auf einem tiefkalten Temperaturniveau, da es in das Bad aus flüssigem Kühlmittel eintaucht und über seine eigene hohe thermische Leitfähigkeit in seiner ganzen Ausdehnung an dieses kalte Temperaturniveau angekoppelt ist. Andererseits ist es günstig, wenn sich der übrige Teil der Rotorwelle auf einem deutlich höheren Temperaturniveau in der Nähe der Umgebungstemperatur oder sogar noch deutlich darüber befindet. Eine Kühlung dieser übrigen Teile der Rotorwelle sollte vermieden werden, um unnötige thermische Verluste des Kühlsystems zu vermeiden. Weiterhin sind die mechanischen Eigenschaften der übrigen Teile der Welle, insbesondere zur Drehmomentübertragung bei höheren Temperaturen günstiger. Geeignete Materialien für die thermische Isolation zwischen thermischem Kopplungselement und den benachbarten Teilen der Rotorwelle sind beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Pulverisolation (z.B. Perlit), Isolationsschäume (z.B. Polyurethanschaum), Vakuumräume, auf einer Zwischentemperatur fixierte Strahlungsschirme, Superisolationsfolien, verspiegelte Oberflächen, sowie auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Materialien, bei denen die Röhren nicht entlang der für die Wärmeleitung maßgeblichen Richtung orientiert sind. The thermal coupling element can be thermally isolated from the regions of the rotor shaft carrying the thermal coupling element. This is advantageous in order to maintain a high temperature gradient between the thermal coupling element and the remaining parts of the rotor shaft. In particular, the thermal coupling element is at a cryogenic temperature level during operation of the cooling device, since it dips into the bath of liquid coolant and is coupled via its own high thermal conductivity in its entire extent to this cold temperature level. On the other hand, it is advantageous if the remaining part of the rotor shaft is at a significantly higher temperature level in the vicinity of the ambient temperature or even significantly higher. Cooling of these remaining parts of the rotor shaft should be avoided to avoid unnecessary thermal losses of the cooling system. Furthermore, the mechanical properties of the other parts of the shaft, in particular for torque transmission at higher temperatures are cheaper. Suitable materials for the thermal insulation between the thermal coupling element and the adjacent parts of the rotor shaft are, for example, glass fiber reinforced plastics (GRP), powder insulation (eg perlite), insulation foams (eg polyurethane foam), vacuum spaces, radiation shields fixed on an intermediate temperature, superinsulation foils, mirrored surfaces, as well as on Carbon nanotube based materials where the tubes are not oriented along the direction of heat conduction.

Das thermische Kopplungselement kann als Rad ausgebildet sein, welches insbesondere einen größeren Durchmesser aufweisen kann als ein Durchmesser der Rotorwelle im Bereich des Rades. Dabei kann das Rad eine im Wesentlichen rotationssymmetrische äußere Begrenzung aufweisen, wobei der Außenbereich des Rades wenigstens in einem Teilbereich seines Umfangs in das feststehende Kühlmittelreservoir eintaucht. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch den größeren Durchmesser des Rades im Vergleich zur Rotorwelle nur ein außenliegender Teil des Rades in das flüssige Kühlmittel eintaucht, während der übrige Teil der Rotorwelle nicht in das Kühlmittelbad eintauchen muss. Dies ist besonders vorteilhaft, um einen ungewollten thermischen Kontakt des flüssigen Kühlmittels mit den übrigen Bereichen der Rotorwelle zu vermeiden. Besonders vorteilhaft kann nur ein jeweils unten liegender Bereich des thermischen Kopplungselements in das Kühlmittelbad eintauchen. Bei einer Drehung der Rotorwelle ist dies immer wieder ein anderes Umfangssegment des Rades, jedoch ist über eine im Wesentlichen rotationssymmetrische äußere Begrenzung ein ständiger thermischer Kontakt des Kopplungselements mit dem Kühlmittelbad gegeben. Auch bei einem Stillstand der Rotorwelle taucht ein Teil des Kopplungselementes in das Kühlmittelbad ein, so dass sowohl bei der Drehung als auch beim stehenden System eine ähnlich große Kühlwirkung erreicht wird. Auch bei einer Drehung der Motorwelle sind die verschiedenen nacheinander eintauchenden Bereiche des Kopplungselementes in etwa gleich groß, so dass sich die Kühlwirkung während der Drehung im Wesentlichen nicht ändert und beispielsweise auch höchstens geringfügig von der Drehzahl abhängt. The thermal coupling element may be formed as a wheel, which may in particular have a larger diameter than a diameter of the rotor shaft in the region of the wheel. In this case, the wheel may have an essentially rotationally symmetrical outer boundary, wherein the outer area of the wheel is at least in immersed in a portion of its circumference in the fixed coolant reservoir. A significant advantage of this embodiment is that due to the larger diameter of the wheel in comparison to the rotor shaft, only an outer part of the wheel is immersed in the liquid coolant, while the remaining part of the rotor shaft does not have to dip into the coolant bath. This is particularly advantageous in order to avoid unwanted thermal contact of the liquid coolant with the remaining regions of the rotor shaft. Particularly advantageously, only one respective lower region of the thermal coupling element can dip into the coolant bath. With a rotation of the rotor shaft, this is always another circumferential segment of the wheel, however, is given over a substantially rotationally symmetrical outer boundary constant thermal contact of the coupling element with the coolant bath. Even with a standstill of the rotor shaft, a part of the coupling element dips into the coolant bath, so that a similarly large cooling effect is achieved both in the rotation and in the stationary system. Even with a rotation of the motor shaft, the various successive submerged areas of the coupling element are approximately equal, so that the cooling effect during the rotation substantially does not change and, for example, also at most slightly dependent on the speed.

Das Rad kann vorteilhaft als Speichenrad ausgebildet sein, bei dem eine Mehrzahl von Speichen zwischen einem innerhalb der Rotorwelle liegenden inneren Kontaktstück und einem radial außenliegenden Kopplungsring angeordnet sind. Besonders vorteilhaft kann dann ein äußerer Mantel der Rotorwelle gegen das innere Kontaktstück thermisch isoliert sein und dieses Kontaktstück zumindest in Teilbereichen umgeben. Die Speichen können ebenfalls gegen den äußeren Mantel der Rotorwelle thermisch isoliert sein und diesen an mehreren Stellen durchdringen. Die für die Speichen nötigen Öffnungen im Mantel der Rotorwelle können vorteilhaft nur einen geringen Anteil an der Oberfläche dieses Mantels beanspruchen, so dass die mechanischen Eigenschaften der Rotorwelle, insbesondere die Eigenschaften für die Drehmomentübertragung, durch die Speichen nur geringfügig beeinflusst werden. Bei dieser Ausführungsform bilden die Speichen also auf tiefer Temperatur liegende Kanäle für den Abtransport von Wärme aus dem Inneren der Welle, wobei die Umgebung der Speichen durch das Vorliegen der thermischen Isolation auf einem deutlich höheren Temperaturniveau gehalten werden kann. Insbesondere ist die warme Außenwand der Rotorwelle bei dieser Ausführungsform nicht durch einen vollständigen kalten axialen Abschnitt unterbrochen, sondern sie wird nur von mehreren einzelnen Löchern für die Speichen durchstoßen. Bei einer ausreichend hohen thermischen Leitfähigkeit des Materials der Speichen kann abhängig von der Zahl der Speichen und der Dimensionierung des Querschnitts der einzelnen Speichen trotzdem ein ausreichend hoher Wärmetransport zum Kühlmittelbad hin erreicht werden. The wheel may advantageously be formed as a spoke wheel, in which a plurality of spokes are disposed between an inner contact piece located within the rotor shaft and a radially outer coupling ring. Particularly advantageously, an outer jacket of the rotor shaft can then be thermally insulated against the inner contact piece and surround this contact piece at least in partial areas. The spokes can also be thermally insulated against the outer shell of the rotor shaft and penetrate this at several points. The need for the spokes openings in the shell of the rotor shaft can advantageously claim only a small proportion of the surface of this shell, so that the mechanical properties of the rotor shaft, in particular the properties for torque transmission, are only slightly influenced by the spokes. In this embodiment, therefore, the spokes form low temperature channels for the removal of heat from the interior of the shaft, wherein the environment of the spokes can be kept at a much higher temperature level by the presence of the thermal insulation. In particular, the warm outer wall of the rotor shaft in this embodiment is not interrupted by a complete cold axial section, but it is pierced only by a plurality of individual holes for the spokes. With a sufficiently high thermal conductivity of the material of the spokes, depending on the number of spokes and the dimensioning of the cross section of the individual spokes, nevertheless a sufficiently high heat transport to the coolant bath can be achieved.

Alternativ kann das Rad auch als Scheibenrad ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann auf einfache Weise ein noch höherer Querschnitt für den Wärmetransport zum Kühlmittelbad erreicht werden. Allerdings ist dann die typischerweise größtenteils warme Außenfläche der Rotorwelle in einem vollständigen axialen Abschnitt, der mindestens durch die Dicke des Scheibenrads gegeben ist, unterbrochen. Daher ist gerade bei dieser Ausführungsform eine feste mechanische Verbindung zwischen den benachbarten Bereichen der Rotorwelle besonders wichtig. Beispielsweise kann das Scheibenrad von Verbindungsstiften zur besseren mechanischen Verbindung der benachbarten Wellenbereiche durchbrochen sein. Vorteilhaft ist auch bei dieser Ausführungsform das Scheibenrad gegen die axial benachbarten warmen Bereiche der Rotorwelle und gegebenenfalls auch gegen die Verbindungsstifte thermisch isoliert. Alternatively, the wheel may also be designed as a disk wheel. In this embodiment, an even higher cross-section for the heat transfer to the coolant bath can be achieved in a simple manner. However, then the typically mostly warm outer surface of the rotor shaft is interrupted in a complete axial section, which is given at least by the thickness of the disc wheel. Therefore, especially in this embodiment, a fixed mechanical connection between the adjacent regions of the rotor shaft is particularly important. For example, the disk wheel may be pierced by connecting pins for better mechanical connection of the adjacent shaft portions. Advantageously, the disc wheel is thermally insulated against the axially adjacent warm regions of the rotor shaft and optionally also against the connecting pins in this embodiment.

Unabhängig von der Ausgestaltung als Speichenrad oder Scheibenrad kann das Rad zur thermischen Kopplung sowohl als relativ schmales Rad als auch als eher breites, walzenartiges Rad vorliegen, dessen axiale Breite sogar größer als der Durchmesser des Rades sein kann. Eine solche walzenartige Form kann vorteilhaft sein, um einen hohen Querschnitt für die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung im Kopplungselement zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetransport allgemein auch über mehrere, axial benachbart angeordnete thermische Kopplungselemente erfolgen. Regardless of the configuration as spoked wheel or disc wheel, the wheel for thermal coupling can be present both as a relatively narrow wheel and as a rather wide, roller-like wheel whose axial width can even be greater than the diameter of the wheel. Such a roller-like shape may be advantageous in order to achieve a high cross section for the heat transfer by heat conduction in the coupling element. Alternatively or additionally, the heat transfer can generally also take place via a plurality of axially adjacent thermal coupling elements.

Das erste Kühlmittel in dem feststehenden Reservoir kann Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs sein, wobei das erste Kühlmittel nach einem Abdampfen aus dem Reservoir an einem feststehenden Kaltkopf wieder kondensiert werden kann. Die Wärmeübertragung von dem thermischen Kopplungselement an das äußere Kühlmittelbad führt zu einem permanenten Abdampfen des ersten Kühlmittels. Bei dieser Ausführungsform wird ein damit einhergehender dauerhafter Verlust an Kühlmittel vermieden. Stattdessen wird das Kühlmittel durch Kondensation an dem Kaltkopf einer Kältemaschine ständig zurückgewonnen. Das erste Kühlmittel dient dann also der Übertragung von Wärme zwischen dem sich drehenden thermischen Kopplungselement und einer feststehenden äußeren Kältemaschine. Das erste Kühlmittel kann bevorzugt beispielsweise Stickstoff, Helium und/oder Neon umfassen. The first coolant in the fixed reservoir may be part of a closed cooling circuit, wherein the first coolant may be recondensed after being evaporated from the reservoir at a fixed cold head. The heat transfer from the thermal coupling element to the outer coolant bath leads to a permanent evaporation of the first coolant. In this embodiment, a concomitant permanent loss of coolant is avoided. Instead, the refrigerant is constantly recovered by condensation on the cold head of a refrigerator. The first coolant then serves to transfer heat between the rotating thermal coupling element and a stationary outer chiller. The first coolant may preferably comprise, for example, nitrogen, helium and / or neon.

Das feststehende Reservoir für das erste Kühlmittel kann innerhalb eines feststehenden Außengehäuses, insbesondere eines vakuumisolierten Außengehäuses angeordnet sein. Das Außengehäuse dient dazu, den Bereich des ersten Kühlmittels gegen die äußere Umgebung gasdicht abzuschließen. Durch das Außengehäuse wird somit ein Gasraum vorgegeben, innerhalb dessen sich verdampftes, gasförmiges Kühlmittel befindet, und von dem aus dieses gasförmige Kühlmitte an dem Kaltkopf wieder kondensieren kann. Vom Kaltkopf aus kann das verflüssigte Kühlmittel beispielsweise in das Reservoir tropfen oder fließen. Dazu kann das Reservoir vorteilhaft geodätisch tiefer angeordnet sein als der Kaltkopf. Außerdem dient ein vakuumdichtes Außengehäuse zu einer thermischen Isolation des insgesamt auf einer niedrigen Temperatur vorliegenden Gasraumes gegen die warme äußere Umgebung. Alternativ oder zusätzlich zu einer Vakuumisolation kann das Außengehäuse auch durch thermisch schlecht leitende Materialien gegen die äußere Umgebung isoliert sein. The fixed reservoir for the first coolant may be within a fixed outer housing, in particular a vacuum-insulated Be arranged outside the housing. The outer housing serves to seal off the area of the first coolant against the external environment in a gastight manner. By the outer housing thus a gas space is given, within which vaporized, gaseous coolant is located, and from which this gaseous coolant can condense on the cold head again. From the cold head, the liquefied coolant may drip or flow into the reservoir, for example. For this purpose, the reservoir can advantageously be arranged geodetically lower than the cold head. In addition, a vacuum-tight outer housing is used for thermal insulation of the total present at a low temperature gas space against the warm outer environment. As an alternative or in addition to a vacuum insulation, the outer housing can also be insulated from the external environment by materials having poor thermal conductivity.

Die Rotorwelle kann mittels Drehdichtungen gegen das feststehende Außengehäuse abgedichtet sein. Zweckmäßig ist die Rotorwelle axial wesentlich länger ausgedehnt als das Außengehäuse, so dass die Rotorwelle das Außengehäuse mindestens auf einer Seite, vorteilhaft aber auf beiden Seiten durchdringt. Die genannten Drehdichtungen ermöglichen eine gasdichte Abdichtung der Rotorwelle gegen das Außengehäuse, so dass ein Verlust an verdampftem Kühlmittel bei diesen Durchführungen vermieden wird. Beispielsweise können hierfür Ferrofluiddichtungen zum Einsatz kommen. Alternativ können die Dichtungen auch als Kevlar-Bürstendichtungen oder Labyrinth-Dichtungen ausgestaltet sein. Diese Drehdichtungen stehen vorteilhaft nicht in direktem Kontakt mit dem flüssigen Kühlmittelbad. Sie müssen daher nicht flüssigkeitsdicht für tiefkalte Flüssigkeiten, sondern nur gasdicht ausgeführt werden. The rotor shaft can be sealed by rotary seals against the fixed outer housing. Suitably, the rotor shaft is axially extended much longer than the outer housing, so that the rotor shaft penetrates the outer housing at least on one side, but advantageously on both sides. Said rotational seals allow a gas-tight seal of the rotor shaft against the outer housing, so that a loss of vaporized coolant is avoided in these bushings. For example, ferrofluid seals can be used for this purpose. Alternatively, the seals may also be designed as Kevlar brush seals or labyrinth seals. These rotary seals are advantageously not in direct contact with the liquid coolant bath. They must therefore not be liquid-tight for cryogenic liquids, but only gas-tight.

Die Rotorwelle kann wenigstens in einem Teilbereich einen inneren Hohlraum aufweisen, in dem ein zweites Kühlmittel nach dem Prinzip eines Wärmerohres zirkuliert, wobei das thermische Kopplungselement in thermischem Kontakt mit einem Kondensorbereich des inneren Hohlraums steht. Das im Inneren der Rotorwelle vorliegende zweite Kühlmittel kann also Wärme von einem axial entfernt liegenden Bereich der Rotorwelle zum Bereich des thermischen Kopplungselementes transportieren. Insbesondere kann die Wärme von einem axialen Bereich, auf dem der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist, auf diese Weise abtransportiert werden. Es handelt sich dann also um eine Serienschaltung von Wärmetransport in axialer Richtung nach dem Wärmerohr- oder Thermosiphon-Prinzip und einem Wärmetransport in radialer Richtung durch Wärmeleitung im thermischen Kopplungselement. Die Zirkulation des zweiten Kühlmittels im Inneren des Wärmerohrs kann dabei beispielsweise durch Kapillarkräfte, durch Zentrifugalkräfte, durch die Schwerkraft, durch Druckunterschiede und/oder durch Konvektion unterstützt werden. Ein Verdampferbereich des Wärmerohrs kann vorteilhaft im thermischen Kontakt mit zu kühlenden Komponenten des Rotors, beispielsweise zu einer elektrischen Spulenwicklung, stehen. Auch das zweite Kühlmittel kann bevorzugt Stickstoff, Helium und/oder Neon umfassen. Erstes und zweites Kühlmittel können chemisch gleich sein oder auch verschieden zusammengesetzt sein. The rotor shaft may have, at least in a partial region, an internal cavity in which a second coolant circulates on the principle of a heat pipe, wherein the thermal coupling element is in thermal contact with a condenser region of the internal cavity. The second coolant present in the interior of the rotor shaft can therefore transport heat from an axially remote region of the rotor shaft to the region of the thermal coupling element. In particular, the heat from an axial region, on which the rotor of the electric machine is arranged, can be transported away in this way. It is then a series connection of heat transfer in the axial direction of the heat pipe or thermosiphon principle and a heat transfer in the radial direction by heat conduction in the thermal coupling element. The circulation of the second coolant in the interior of the heat pipe can be assisted, for example, by capillary forces, by centrifugal forces, by gravity, by pressure differences and / or by convection. An evaporator region of the heat pipe may advantageously be in thermal contact with components of the rotor to be cooled, for example to form an electrical coil winding. The second coolant may also preferably comprise nitrogen, helium and / or neon. First and second coolant may be chemically the same or may be composed differently.

Eine Außenwand des inneren Hohlraums der Rotorwelle kann dabei vorteilhaft thermisch gegen einen den Hohlraum umgebenden Bereich der Rotorwelle isoliert sein. Dies kann vorteilhaft sein, um die Außenwand der Rotorwelle möglichst axial durchgehend auf einem warmen Temperaturniveau zu halten und/oder um diese Außenwand der Rotorwelle aus einem einheitlichen, durchgehenden Material auszubilden. Dies kann insbesondere für eine stabile Übertragung von hohen Drehmomenten vorteilhaft sein. Die thermische Isolierung des Wärmerohrs gegen die radial äußeren Bereiche der Rotorwelle kann beispielsweise über eine Vakuumisolation erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann thermisch schlecht leitfähiges Material zwischen der Außenwand des inneren Hohlraums und einem äußeren Mantel der Rotorwelle angeordnet sein. An outer wall of the inner cavity of the rotor shaft can advantageously be insulated thermally against a region of the rotor shaft surrounding the cavity. This can be advantageous in order to keep the outer wall of the rotor shaft as axially as possible at a warm temperature level and / or to form this outer wall of the rotor shaft from a uniform, continuous material. This can be advantageous in particular for a stable transmission of high torques. The thermal insulation of the heat pipe against the radially outer regions of the rotor shaft can be done for example via a vacuum insulation. Alternatively or additionally, thermally poorly conductive material may be arranged between the outer wall of the inner cavity and an outer jacket of the rotor shaft.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung der Rotorwelle mit Wärmerohr kann die Rotorwelle in ihrem Inneren ein axiales Wärmeleitungselement aufweisen. Mit anderen Worten kann die Rotorwelle in ihrem Inneren ein massives Element mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen, beispielsweise aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 50 W/m·K. Auch das axiale Wärmeleitungselement kann vorteilhaft gegen den umgebenden Bereich der Rotorwelle thermisch isoliert sein. Die Vorteile dieser thermischen Isolation ergeben sich analog zu der thermischen Isolation des Wärmerohres gegen den äußeren Bereich der Rotorwelle. Alternatively or in addition to the design of the rotor shaft with heat pipe, the rotor shaft may have an axial heat conduction element in its interior. In other words, the rotor shaft may have in its interior a solid element with high thermal conductivity, for example of a material with a specific thermal conductivity of at least 50 W / m · K. The axial heat conduction element can also be thermally insulated against the surrounding area of the rotor shaft. The advantages of this thermal insulation are analogous to the thermal insulation of the heat pipe against the outer region of the rotor shaft.

Im Bereich des Rotors kann der Verdampferbereich des Wärmerohres beziehungsweise ein Endbereich des axialen Wärmeleitungselements vorteilhaft thermisch mit der zu kühlenden Komponente oder den zu kühlenden Komponenten des Rotors verbunden sein. Diese weitere thermische Verbindung kann wiederum entweder über ein weiteres kaskadiertes Wärmerohr beziehungsweise eine andere Art von Thermosiphon-System oder aber über Wärmeleitung in thermisch hoch leitfähigen Materialien ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann beispielsweise ein radialer Wärmetransport aus radial weiter außenliegenden Bereichen des Rotors zum Inneren der Rotorwelle oder auch eine Kombination von axialem und radialem Wärmetransport erreicht werden. In the region of the rotor, the evaporator region of the heat pipe or an end region of the axial heat conduction element can advantageously be thermally connected to the component to be cooled or to the components of the rotor to be cooled. This further thermal connection can in turn be configured either via a further cascaded heat pipe or another type of thermosiphon system or else via heat conduction in thermally highly conductive materials. In this way, for example, a radial heat transfer from radially outer regions of the rotor to the interior of the rotor shaft or a combination of axial and radial heat transfer can be achieved.

Mit den beschriebenen Ausführungsformen kann insgesamt ein Wärmetransport von den zu entwärmenden Komponenten des Rotors über das thermische Kopplungselement zu einem feststehenden Kühlmittelreservoir erreicht werden, welches axial neben dem eigentlichen Rotor angeordnet ist. With the described embodiments, a total of heat transfer can be achieved from the components of the rotor to be Entwärmenden via the thermal coupling element to a fixed coolant reservoir, which is arranged axially adjacent to the actual rotor.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kühlvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, 1 shows a schematic longitudinal section through a cooling device according to a first embodiment,

2 einen schematischen Querschnitt durch ein thermisches Kopplungselement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt und 2 shows a schematic cross section through a thermal coupling element according to a second embodiment, and

3 einen schematischen Längsschnitt eines Teils einer Kühlvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt. 3 shows a schematic longitudinal section of a part of a cooling device according to a third embodiment.

In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen Teil eines Rotors 3 einer elektrischen Maschine und eine Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein axialer und radialer Ausschnitt eines Rotors 3, der auf einer Rotorwelle 7 um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 umfasst mehrere elektrische Spulenwicklungen in radial weiter außenliegenden Bereichen, von denen eine schematisch durch das Bezugszeichen 4 wiedergegeben ist. Diese Spulenwicklung 4 ist im vorliegenden Beispiel eine supraleitende Spulenwicklung mit einem hochtemperatursupraleitenden Leitermaterial. Die Betriebstemperatur des Supraleiters kann beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 20 K und 100 K insbesondere zwischen 63 K und 100 K liegen. Die Kühlvorrichtung 1 wird dazu verwendet, um die supraleitende Spulenwicklung auf diese kryogene Betriebstemperatur zu kühlen. Hierzu ist auf der Rotorwelle 7 ein thermisches Kopplungselement 9 axial von dem Rotor 3 beabstandet angebracht. Das Kopplungselement 9 dreht sich zusammen mit der Rotorwelle 7 um die Rotationsachse. Das thermische Kopplungselement 9 taucht in ein Reservoir 11 mit einem flüssigen ersten Kühlmittel 13, beispielsweise in verflüssigten Stickstoff. Durch diesen direkten Kontakt wird dem thermischen Kopplungselement 9 ständig Wärme entzogen. Das thermische Kopplungselement 9 ist aus einem thermisch hoch leitfähigen Material, in diesem Beispiel aus einer Kupferlegierung ausgebildet, so dass sich innerhalb des Kopplungselements 9 ein radialer Wärmefluss ergibt. Im ersten Ausführungsbeispiel ist das thermische Kopplungselement 9 als Scheibenrad 17a ausgebildet, welches einen deutlich höheren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Rotorwelle 7 in dem Bereich, in dem sie das thermische Kopplungselement 9 trägt. Ein radial außenliegender Bereich des Rades 17a kann so in das flüssige Kühlmittel 13 eintauchen, wobei durch eine Drehung der Rotorwelle 7 wechselnde Umfangssegmente nacheinander mit dem ersten Kühlmittel 13 in Berührung kommen. So kann während der Drehung, aber auch während eines Stillstandes ein möglichst einheitlicher Wärmetransport über das thermische Kopplungselement 9 an das flüssige Kühlmittel 13 bewirkt werden. In 1 is a schematic longitudinal section through a portion of a rotor 3 an electric machine and a cooling device 1 shown according to a first embodiment of the invention. Shown is an axial and radial section of a rotor 3 standing on a rotor shaft 7 around a rotation axis 5 is rotatably mounted. The rotor 3 comprises a plurality of electrical coil windings in radially outer regions, one of which schematically by the reference numeral 4 is reproduced. This coil winding 4 is in the present example, a superconducting coil winding with a high-temperature superconducting conductor material. The operating temperature of the superconductor may be, for example, in a temperature range between 20 K and 100 K, in particular between 63 K and 100 K. The cooling device 1 is used to cool the superconducting coil winding to this cryogenic operating temperature. This is on the rotor shaft 7 a thermal coupling element 9 axially from the rotor 3 spaced apart. The coupling element 9 rotates together with the rotor shaft 7 around the axis of rotation. The thermal coupling element 9 dives into a reservoir 11 with a liquid first coolant 13 For example, in liquefied nitrogen. This direct contact turns the thermal coupling element 9 constantly deprived of heat. The thermal coupling element 9 is made of a highly thermally conductive material, in this example of a copper alloy, so that within the coupling element 9 gives a radial heat flow. In the first embodiment, the thermal coupling element 9 as a disc wheel 17a formed, which has a significantly higher diameter than the diameter of the rotor shaft 7 in the area where it is the thermal coupling element 9 wearing. A radially outboard area of the wheel 17a can so in the liquid coolant 13 immerse, whereby by a rotation of the rotor shaft 7 changing circumferential segments successively with the first coolant 13 come in contact. Thus, during the rotation, but also during a standstill possible uniform heat transfer through the thermal coupling element 9 to the liquid coolant 13 be effected.

In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist das Scheibenrad 17a durch eine thermische Isolation 15 aus einem schlecht wärmeleitenden Material gegen die axial benachbarten Abschnitte der Rotorwelle 7 isoliert. Hierdurch wird auch bei dem direkten Kontakt des Kopplungselements 9 mit dem tiefkalten ersten Kühlmittel 13 eine starke Erwärmung der benachbarten Teile der Rotorwelle 7 wirksam vermieden. In dem in der 1 rechts vom Kopplungselement 9 dargestellten axialen Abschnitt 7a der Rotorwelle 7 ist die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet. In ihrem Inneren befindet sich also ein innerer Hohlraum 35, in dem ein zweites Kühlmittel nach dem Prinzip eines Wärmerohres zirkulieren kann. Angrenzend an das thermische Kopplungselement 9 weist der innere Hohlraum 35 dazu einen Kondensorbereich 35a auf, in dem das zweite Kühlmittel bei gleichzeitiger Wärmeübertragung an das Kopplungselement 9 kondensieren kann. In einem innerhalb des Rotors 3 angeordneten Verdampferbereich 35b wird Wärme von den zu entwärmenden Komponenten des Rotors 3 auf das zweite Kühlmittel übertragen, wobei dieses von der flüssigen Phase in die Gasphase übergeht. Um im Inneren des Hohlraums 35 einen geschlossenen Kreislauf von zweitem Kühlmittel aufrecht zu erhalten, wird dabei verflüssigtes Kühlmittel vom Kondensorbereich 35a zum Verdampferbereich 35b und gasförmiges zweites Kühlmittel vom Verdamperbereich 35b zum Kondensorbereich 35a transportiert. Hierdurch ergibt sich in dem als Hohlwelle ausgebildeten Bereich 7a ein durch das zweite Kühlmittel vermittelter axialer Wärmetransport, der mit einem radialen Wärmetransport durch das thermische Kopplungselement 9 in Serie geschaltet ist. Der innere Hohlraum 35 der Rotorwelle 7 ist thermisch ebenfalls gegen einen ihn umgebenden äußeren Mantel der Hohlwelle isoliert. Diese thermische Isolation ist im gezeigten Beispiel als Vakuumisolation ausgebildet, wobei ein Vakuum V im Bereich zwischen einer Außenwand 37 des inneren Hohlraums 35 und der inneren Wand der Rotorwelle 7 vorliegt. In this first embodiment, the disc wheel 17a through a thermal insulation 15 from a poorly heat-conductive material against the axially adjacent portions of the rotor shaft 7 isolated. As a result, even with the direct contact of the coupling element 9 with the cryogenic first coolant 13 a strong heating of the adjacent parts of the rotor shaft 7 effectively avoided. In the in the 1 right from the coupling element 9 illustrated axial section 7a the rotor shaft 7 the rotor shaft is designed as a hollow shaft. In its interior there is thus an inner cavity 35 , in which a second coolant can circulate on the principle of a heat pipe. Adjacent to the thermal coupling element 9 points the inner cavity 35 plus a condenser area 35a in which the second coolant with simultaneous heat transfer to the coupling element 9 can condense. In one inside the rotor 3 arranged evaporator area 35b Heat is absorbed by the components of the rotor that are to be heat-treated 3 transferred to the second coolant, wherein this passes from the liquid phase into the gas phase. To get inside the cavity 35 To maintain a closed loop of second coolant, thereby becomes liquefied coolant from the condenser area 35a to the evaporator area 35b and gaseous second coolant from the evaporator region 35b to the condenser area 35a transported. This results in the area designed as a hollow shaft 7a a mediated by the second coolant axial heat transfer, with a radial heat transfer through the thermal coupling element 9 connected in series. The inner cavity 35 the rotor shaft 7 is also thermally insulated against a surrounding outer shell of the hollow shaft. This thermal insulation is formed in the example shown as a vacuum insulation, wherein a vacuum V in the region between an outer wall 37 of the internal cavity 35 and the inner wall of the rotor shaft 7 is present.

Im Verdampferbereich 35b des Wärmerohres ist das zweite Kühlmittel thermisch an ein weiteres Wärmeleitungselement 47 angekoppelt, das in diesem Beispiel als ein radial ausgedehntes Wärmeleitungselement aus thermisch hoch leitfähigem Material, hier wiederum aus einer Kupferlegierung ausgebildet ist. Über dieses weitere Wärmeleitungselement 47 wird Wärme aus den elektrischen Spulenwicklungen 4 des Rotors 3 an das zweite Kühlmittel im Wärmerohr abgeführt. Das weitere Wärmeleitungselement 47 kann zusätzlich zu dem hier gezeigten radialen Abschnitt auch ein oder mehrere axial ausgedehnte Abschnitte aufweisen, um Wärme von anderen Bereichen beziehungsweise weiteren Komponenten des Rotors 3 abzutransportieren. Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform kann der radiale und/oder axiale Wärmetransport innerhalb des Rotors 3 auch beispielsweise über ein weiteres in Serie geschaltetes Wärmerohr beziehungsweise einen Thermosiphon erfolgen. In the evaporator area 35b of the heat pipe, the second coolant is thermally connected to another heat conduction element 47 coupled, which is formed in this example as a radially expanded heat conduction element made of highly thermally conductive material, here in turn made of a copper alloy. About this further Heat conduction member 47 heat gets out of the electrical coil windings 4 of the rotor 3 discharged to the second coolant in the heat pipe. The further heat conduction element 47 For example, in addition to the radial portion shown here, one or more axially extended portions may be included to absorb heat from other portions or other components of the rotor 3 evacuate. As an alternative to the embodiment shown here, the radial and / or axial heat transfer within the rotor 3 also be done for example via another series connected heat pipe or a thermosyphon.

In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch ein alternatives thermisches Kopplungselement 9 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses alternative thermische Kopplungselement 9 kann in einem Kühlsystem 1 zum Einsatz kommen, das im Übrigen beispielsweise ähnlich wie das in 1 als Längsschnitt gezeigte Kühlsystem ausgestaltet ist. Das thermische Kopplungselement 9 der 2 ist wiederum als Rad ausgebildet, aber in diesem zweiten Ausführungsbeispiel als Speichenrad 17b mit vier Speichen 23, die ein inneres Kontaktstück 25 des Kopplungselements 9 mit einem äußeren Kopplungsring 27 verbinden. Bei einer Drehung der Rotorwelle 7 tauchen wiederum wechselnde Umfangssegmente des Kopplungsrings 27 nacheinander in das flüssige erste Kühlmittel 13 ein, so dass ständig eine Wärmeübertragung an die äußere Umgebung erfolgen kann. Das innere Kontaktstück 25 steht auch hier in thermischem Kontakt mit einem Kondensorbereich 35a eines innerhalb der Rotorwelle 7 angeordneten Wärmerohres 35 und ist durch eine Wärmeisolation 29 von anderen, wärmeren Teilen der Rotorwelle 7 getrennt. Die vier Speichen 23 sind in Durchführungen einer Außenwand der Rotorwelle 7 angeordnet, wobei jede Speiche 23 von thermisch isolierendem Material 29 umgeben ist, das die mit kryogenem Kühlmittel 13 in thermischem Kontakt stehenden Teile des Kopplungselements 9 von den benachbarten warmen Bereichen der Rotorwelle isoliert. Bei der Ausführungsform mit einem Speichenrad 17b ist die thermische Isolation der kalten Teile gegen die warmen Bereiche der Rotorwelle 7 wesentlich leichter zu erreichen, ohne dass das den Hauptteil der Rotorwelle bildende Material der Rotorwelle 7 in einem ganzen axialen Teilbereich durch ein anders Material unterbrochen werden muss. Hierdurch kann im Vergleich zur Ausgestaltung als Scheibenrad eine wesentlich höhere mechanische Festigkeit der Rotorwelle 7 erreicht werden. Im Übrigen ist die Funktionsweise des thermischen Kopplungselements 9 und der übrigen Teile des Kühlsystems 1 analog zum beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Alternativ zu den gezeigten vier Speichen kann das Speichenrad 17b auch nur mit ein, zwei oder drei Speichen ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine symmetrische Anordnung von vier oder mehr Speichen, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeübertragung bei verschiedenen Rotationsstellungen der Rotorwelle 7 und auch bei einem Stillstand des Systems zu erreichen. In 2 is a schematic cross section through an alternative thermal coupling element 9 shown according to a second embodiment of the invention. This alternative thermal coupling element 9 can in a cooling system 1 For example, similar to the one in 1 designed as a longitudinal section cooling system is designed. The thermal coupling element 9 of the 2 is again designed as a wheel, but in this second embodiment as a spoked wheel 17b with four spokes 23 that is an inner contact piece 25 of the coupling element 9 with an outer coupling ring 27 connect. Upon rotation of the rotor shaft 7 turn turn changing perimeter segments of the coupling ring 27 successively in the liquid first coolant 13 so that a heat transfer to the external environment can always take place. The inner contact piece 25 is also in thermal contact with a condenser area 35a one inside the rotor shaft 7 arranged heat pipe 35 and is through a heat insulation 29 from other, warmer parts of the rotor shaft 7 separated. The four spokes 23 are in bushings of an outer wall of the rotor shaft 7 arranged, each spoke 23 of thermally insulating material 29 surrounded with cryogenic coolant 13 in thermal contact parts of the coupling element 9 isolated from the adjacent warm areas of the rotor shaft. In the embodiment with a spoked wheel 17b is the thermal insulation of the cold parts against the warm areas of the rotor shaft 7 much easier to achieve, without that the main part of the rotor shaft forming material of the rotor shaft 7 must be interrupted by a different material in a whole axial portion. In this way, in comparison to the configuration as a disk wheel, a much higher mechanical strength of the rotor shaft 7 be achieved. Incidentally, the operation of the thermal coupling element 9 and the remaining parts of the cooling system 1 analogous to the described first embodiment. As an alternative to the four spokes shown, the spoked wheel 17b be designed with only one, two or three spokes. However, a symmetrical arrangement of four or more spokes is particularly advantageous in order to achieve the most uniform possible heat transfer at different rotational positions of the rotor shaft 7 and also to reach at a standstill of the system.

In 3 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist wiederum ein axialer Ausschnitt einer Rotorwelle 7, der hier jedoch den Bereich des axial benachbart angeordneten Rotors 3 der elektrischen Maschine nicht mit einschließt. Auf der Rotorwelle 7 ist wiederum ein als Rad 17 ausgebildetes thermisches Kopplungselement 9 angeordnet, welches in ein Reservoir 11 mit verflüssigtem ersten Kühlmittel 13 eintaucht. Dieses feststehende Kühlmittelreservoir 11 ist innerhalb eines feststehenden vakuumisolierten Außengehäuses 31 angeordnet, in dem weiterhin ein Kaltkopf 14 einer Kältemaschine angeordnet ist. Bei einer Übertragung von Wärme aus dem Rotor über die Rotorwelle 7 und das Kopplungselement 9 auf das flüssige erste Kühlmittel 13a verdampft ein Teil dieses Kühlmittels. Das entstehende gasförmige Kühlmittel 13b wird in einem durch das Außengehäuse 31 vorgegebenen Gasraum festgehalten und kann an dem Kaltkopf 14 wieder kondensieren und von dort in flüssiger Form in das Kühlmittelreservoir 11 tropfen oder anderweitig dorthin geleitet werden, wodurch ein geschlossener Kühlmittelkreislauf entsteht. Durch das Vakuum V zwischen den beiden Wänden des Außengehäuses 31 ist der Raum für das dampfförmige Kühlmittel auch thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert. In 3 is a schematic longitudinal section of a cooling device 1 shown according to a third embodiment of the invention. Shown again is an axial section of a rotor shaft 7 However, here the area of the axially adjacent rotor 3 not including the electric machine. On the rotor shaft 7 is again as a wheel 17 formed thermal coupling element 9 Arranged in a reservoir 11 with liquefied first coolant 13 dips. This fixed coolant reservoir 11 is inside a fixed vacuum-insulated outer casing 31 arranged, in which further a cold head 14 a chiller is arranged. In a transfer of heat from the rotor via the rotor shaft 7 and the coupling element 9 on the liquid first coolant 13a Part of this coolant evaporates. The resulting gaseous coolant 13b is in one through the outer casing 31 fixed gas space and can on the cold head 14 condense again and from there in liquid form in the coolant reservoir 11 drop or otherwise be directed there, creating a closed coolant circuit. Due to the vacuum V between the two walls of the outer casing 31 the space for the vaporous coolant is also thermally isolated from the external environment.

Das Außengehäuse 31 umgibt die Rotorwelle 7 nur in einem axialen Teilbereich. Beispielsweise kann diese gesamte Vorrichtung zur Auskopplung von Wärme aus der Rotorwelle 7 axial zwischen einem Generator und einer Turbine angeordnet sein, die durch eine gemeinsame Rotorwelle 7 mechanisch verbunden sind. Dazu muss die Rotorwelle 7 das Außengehäuse 31 in zwei gegenüberliegenden Bereichen durchdringen. Die Verbindung zwischen Rotorwelle 7 und Außengehäuse ist hier durch Drehdichtungen 41, beispielsweise Ferrofluiddichtungen gasdicht gegen die äußere Umgebung gekapselt. The outer housing 31 surrounds the rotor shaft 7 only in one axial section. For example, this entire device for the extraction of heat from the rotor shaft 7 be arranged axially between a generator and a turbine, through a common rotor shaft 7 mechanically connected. This requires the rotor shaft 7 the outer casing 31 penetrate in two opposite areas. The connection between rotor shaft 7 and outer housing is here by rotary seals 41 , For example, ferrofluid seals gas-tightly encapsulated against the external environment.

Im dritten Ausführungsbeispiel wird der axiale Wärmetransport innerhalb der Rotorwelle 7 nicht durch ein Wärmerohr (wie in 1), sondern durch ein massives axiales Wärmeleitungselement 43, beispielsweise durch einen Kupferstab bewirkt. Auch dieses axiale Wärmeleitungselement 43 ist thermisch gegen den umgebenden Außenmantel der Rotorwelle 7 isoliert, beispielsweise durch ein thermisch schlecht leitendes Material 45. Alternativ kann auch hier eine Vakuumisolation zwischen axialem Wärmeleitungselement und umgebendem Außenmantel zum Einsatz kommen. Auch beim dritten Ausführungsbeispiel ist das axiale Wärmeleitungselement in einem hier nicht gezeigten axialen Bereich des Rotors thermisch an die zu entwärmenden Komponenten angekoppelt, die hier nur schematisch durch das Bezugszeichen 33 wiedergeben sind. In the third embodiment, the axial heat transfer within the rotor shaft 7 not through a heat pipe (as in 1 ), but by a solid axial heat conduction element 43 For example, caused by a copper rod. Also, this axial heat conduction element 43 is thermally against the surrounding outer shell of the rotor shaft 7 isolated, for example, by a thermally poorly conductive material 45 , Alternatively, a vacuum insulation between the axial heat conducting element and the surrounding outer jacket can also be used here. Also in the third embodiment, the axial heat conduction element is in an axial region of the rotor, not shown here, thermally coupled to the components to be Entwukenden, which here only schematically by the reference numeral 33 are playing.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2603968 A1 [0003]

Claims

Cooling device ( 1 ) for cooling an electric machine with a rotation axis ( 5 ) rotatably mounted rotor ( 3 ) mounted on a rotatable central rotor shaft ( 7 ) is arranged, comprising - at least one on the rotatable rotor shaft ( 7 ) arranged thermal coupling element ( 9 ) for removing heat from a radially inner region into a radially outer region, which at least in a portion of its circumference in a fixed reservoir ( 11 ) with a condensed first coolant ( 13 immersed).

Cooling device ( 1 ) according to claim 1, wherein the thermal coupling element ( 9 ) between the radially inner region and the radially outer region of a material having a specific thermal conductivity of at least 1 W / m · K has.

Cooling device ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, in which the thermal coupling element ( 9 ) thermally against the thermal coupling element ( 9 ) bearing areas of the rotor shaft ( 7 ) is isolated.

Cooling device ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the thermal coupling element ( 9 ) as a wheel ( 17 ), which has a larger diameter ( 19 ) has a diameter ( 21 ) of the rotor shaft ( 7 ) in the area of the wheel ( 17 ).

Cooling device ( 1 ) according to claim 4, in which the wheel ( 17 ) is designed as a spoked wheel, wherein at least one spoke ( 23 ) between one within the rotor shaft ( 7 ) lying inner contact piece ( 25 ) and a radially outer coupling ring ( 27 ) is arranged.

Cooling device ( 1 ) according to claim 4, wherein the wheel is designed as a disc wheel.

Cooling device ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the first coolant ( 13 ) in the fixed reservoir ( 11 ) Is part of a closed cooling circuit, wherein the first coolant ( 13 ) after evaporation from the reservoir ( 11 ) on a stationary cold head ( 14 ) is condensed again.

Cooling device ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the fixed reservoir ( 11 ) for the first coolant ( 13 ) within a fixed vacuum-insulated outer casing ( 31 ) is arranged.

Cooling device ( 1 ) according to claim 8, wherein the rotor shaft ( 7 ) by rotary seals ( 41 ) against the stationary outer casing ( 31 ) is sealed.

Cooling device ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the rotor shaft ( 7 ) at least in a partial area an inner cavity ( 35 ), in which a second coolant circulates on the principle of a heat pipe, wherein the thermal coupling element ( 9 ) in thermal contact with a condenser region ( 35a ) of the internal cavity ( 35 ) stands.

Cooling device ( 1 ) according to claim 10, wherein an outer wall ( 37 ) of the internal cavity ( 35 ) thermally against a surrounding area ( 7a ) of the rotor shaft ( 7 ) is isolated.

Cooling device ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, in which the rotor shaft ( 7 ) in its interior an axial heat conduction element ( 43 ) having.

Cooling device ( 1 ) according to claim 12, wherein the axial heat conduction element ( 43 ) thermally against a surrounding area ( 7a ) of the rotor shaft ( 7 ) is isolated.

Electric machine with one around a rotation axis ( 5 ) rotatably mounted rotor ( 3 ) mounted on a central rotor shaft ( 7 ) is arranged with a cooling device ( 1 ) according to any one of the preceding claims.

Electric machine according to Claim 14, in which the rotor ( 3 ) at least one superconducting electrical coil winding ( 4 ) having.