DE10297837B4

DE10297837B4 - Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und Befestigungsvorrichtung dafür

Info

Publication number: DE10297837B4
Application number: DE10297837.9T
Authority: DE
Inventors: Shunji Yamada
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: DE10297837T5; WO2004055452A1; US7266954B2; US20060048522A1; JPWO2004055452A1; JP4040626B2

Abstract

Ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42), das die folgenden Schritte aufweist:
Einführen eines Wärmeleitgliedes (72) zwischen eine Kühlstufe (50) der Kühlmaschine (40, 42) und einen Kühlmittelbehälter (12) eines Kühlsystems zum Halten eines Kühlmittelgases, das durch die Kühlstufe (50) kondensiert wird, oder ein Heizrohr (82) oder eine Wärmeabschirmplatte (70); und
In-thermischen-Kontakt-Bringen der Kühlstufe (50) mit dem Kühlmittelbehälter (12), dem Heizrohr (82) oder der Wärmeabschirmplatte (70) über ein Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt, das im Wärmeleitglied (72) gehalten wird,
wobei eine Temperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt gesteuert wird, dass sie während des Austauschs der Kühlmaschine (40, 42) konstant bei einer Schmelztemperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und einer Befestigungsvorrichtung hierfür, durch die eine Kühlstufe der Kühlmaschine abnehmbar an einem Kühlmittelbehälter befestigt wird, der ein Kühlmittelgas enthält, das durch die Kühlstufe eines Kühlsystems kondensiert wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und einer Befestigungsvorrichtung dafür, das bzw. die in geeigneter Weise anwendbar ist für ein Kühlsystem für Kühlleistungsausrüstung, die Hochtemperatur-Supraleiter verwendet mit einer Vielzahl von Kühlmaschinen und bei dem nur eine beschädigte bzw. kaputte Kühlmaschine austauschbar ist ohne den Betrieb des Kühlsystems zu unterbrechen, d. h. ohne Anhalten des Betriebs der anderen ordnungsgemäß funktionierenden Kühlmaschinen und wobei ein zu kühlendes Objekt weiterhin gekühlt werden kann.
Ausgangspunkt
Energie- bzw. Leistungsanlagen, die Hochtemperatur-Supraleiter verwenden, wie beispielsweise Generatoren, ein Motor, ein Spannungswandler und ähnliche arbeiten bei einer Temperatur von ungefähr 30K. Da eine hohe Kühlkapazität notwendig ist zum Kühlen der Energieanlage, wird ein Kühlsystem mit einer Vielzahl von (ungefähr fünf) Gifford-McMahon (GM) Kühlanlagen oder Impulsrohrkühlanlagen (die nachfolgend einfach als „Kühlanlagen“ bezeichnet werden, es sei denn eine genauere Bezeichnung ist notwendig) verwendet.
Für einen stabilen Betrieb der Leistungsanlage für eine lange Zeit muss auch das Kühlsystem zum Kühlen der Anlage stabil für einen langen Zeitraum arbeiten. Wenn sich die Kühlkapazität verringert in Folge der Verschlechterung oder einem Zusammenbrechen der Kühlanlage, die in dem Kühlsystem installiert ist, ist es demgemäß zweckmäßig, dass die Kühlanlage ausgetauscht werden kann.
1 zeigt eine Übersicht eines herkömmlichen Kühlsystems. Das Kühlsystem verwendet ein indirektes Kühlverfahren, bei dem dann, wenn ein zu kühlendes Objekt 10 (zum Beispiel eine Leistungsanlage, die Hochtemperatur-Supraleiter verwendet, zum Beispiel ein Rotor eines Generators) auf ungefähr 30K gekühlt wird, wobei sich in diesem Temperaturbereich Neon verflüssigt, ein Neongas, das als ein Kühlmittelgas eingesetzt wird, einmalig verflüssigt und in einem Behälter 12 für flüssiges Neon gehalten, und zwar zum Kühlen eines Heliumgases, das in Rohren 20 durch das zu kühlende Objekt 10 zirkuliert. Das durch die Rohre 20 zirkulierende Heliumgas wird durch eine Heliumgaszirkulationspumpe 22 bei Umgebungstemperatur ausgesandt und wird durch Wärmeaustausch mit dem zurückkehrenden Heliumgas gekühlt über einen ersten Wärmetauscher 24. Dann wird das Heliumgas ferner auf 30K in einem zweiten Wärmetauscher 26 gekühlt durch das verflüssigte Neon, das in dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon gehalten wird.
Nach dem Hindurchgehen durch einen dritten Wärmetauscher 28 zum Kühlen des zu kühlenden Objekts 10 tritt das Heliumgas in den ersten Wärmetauscher 24 ein, in dem sich die Temperatur auf Umgebungstemperatur erhöht und kehrt dann zu der Zirkulationspumpe 22 zurück.
Ein Kryostat 30 des Kühlsystems als ein Vakuumisolationsbehälter ist mit Kühlanlagenbefestigungshülsen 32 versehen, in die ein Zylinder 44 einer Vielzahl (zwei in der Zeichnung) von Kühlanlagen 40 und 42 direkt eingepasst ist, die vorgesehen sind, um eine hohe Kühlkapazität zu erhalten. Obwohl die zwei Kühlanlagen in der Zeichnung vorgesehen sind, ist die Anzahl der Kühlanlagen veränderbar auf eine oder mehr als drei.
Ein Kühlanlagenbefestigungsflansch 46 zum Befestigen der Kühlanlagen 40 und 42 an dem Kryostat 30 ist mit einem Dicht-O-Ring 48 versehen um zu verhindern, dass Neongas nach außen leckt und um zu verhindern, dass Luft nach innen gelangt. Der O-Ring ist in dem Flansch 46 der Kühlanlage in der Zeichnung vorgesehen, kann aber in dem Kryostat 30 vorgesehen sein. Ein Abdichtglied ist nicht auf den O-Ring beschränkt, so lange das Glied das Gas abdichten kann.
Eine Vielzahl von (zwei in der Zeichnung) Rohren 14, die in dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon vorgesehen sind, sind mit den Kühlmittelbefestigungshülsen 32 verbunden, die darüber angeordnet sind. Der Innendurchmesser des Rohres 14 interferiert nicht mit der Zirkulation des Neongases.
Da das Neongas in dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon abgedichtet ist, verringert sich die Temperatur einer Tieftemperaturkühlstufe 50 der Kühlanlage (eine zweite Kühlstufe, die nachfolgend einfach als „Kühlstufe“ bezeichnet wird) auf eine Kondensationstemperatur (eine Verflüssigungstemperatur) von Neon, wenn die Kühlanlage arbeitet, so dass das Neongas kondensiert und in den darunter angeordneten Behälter 12 tropft. Ein Tieftemperaturteil von 30K, der sicher gegenüber Wärme isoliert ist, ist im Allgemeinen innerhalb des Vakuumisolationsbehälters (dem Kryostat 30 in der Zeichnung) angeordnet. Es sei vermerkt, dass das Vakuumabsaugsystem in der Zeichnung weggelassen wurde.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 52 einen Kompressor der Kühlanlage.
Nehmen wir einen Fall an, bei dem sich die Kühlanlagen verschlechtern oder aus irgendeinem Grund ausfallen. In diesem Fall kann bei einem herkömmlichen Kühlsystem die sich verschlechternde oder die ausgefallene Kühlanlage nicht ausgetauscht werden ohne den Betrieb des Kühlsystems anzuhalten, um die Temperatur des gesamten Kühlsystems zu erhöhen. Der Grund hierfür liegt darin, dass dann, wenn die Kühlanlage zum Austausch unter Betriebsbedingungen des Kühlsystems abgenommen wird (die anderen normalen Kühlanlagen arbeiten ohne Wiedergewinnung des Neongases weiter), Neongas aus dem offenen Behälter 12 zum Abdichten des Neongases verloren geht (leckt) und Luft und Feuchtigkeit in den Behälter 12 gelangen, was die Temperatur erhöht, so dass es unmöglich wird weiter zu kühlen. Demgemäß wird, bevor die Kühlanlage abgenommen wird, das Kühlsystem gestoppt, um das Neongas wiederzugewinnen (ein Neongaswiedergewinnungssystem ist in 1 weggelassen) und die Temperatur des Systems wird auf Umgebungstemperatur erhöht.
Obwohl in JP 3 265 139 B2 und JP H09-113048 A ein Wärmeschalter für eine rasche Vorkühlung zwischen einer Hochtemperaturkühlstufe und einer Tieftemperaturkühlstufe eines Kühlanlagenzylinders vorgesehen ist zwischen einem zu kühlenden Objekt und einem Wärmeschild zum Abdecken eines Tieftemperaturteils oder zwischen dem zu kühlenden Objekt und der Kühlanlage, besitzt das Kühlsystem nur eine Kühlmaschine, so dass niemals in Betracht gezogen wird, dass eine oder einige der Vielzahl von Kühlmaschinen abgenommen wird.
DE 699 29 494 T2 offenbart ein Druckkontrollsystem für einen supraleitenden Magneten ohne Verdampfungsverluste. Die durch Kryokältemittel gekühlte, rückkondensierende Magnetanordnung weist einen Kryokältemittel-Druckbehälter, einen Vakuumbehälter, einen Kryokühler, eine Rückkondensationseinrichtung, eine Einrichtung, um das rückkondensierte flüssige Kryokältemittel an den Druckbehälter zurückzuführen, eine Druckregeleinrichtung und einen Temperatursensor auf.
US 4 765 153 A zeigt einen Kryostaten mit Strahlungsschutzvorrichtungen, der mittels einer Kühlmaschine gekühlt wird.
JP 2001 - 143 922 A offenbart einen supraleitenden Magneten sowie einen thermischen Schutz bietenden Kühlkreislauf hierfür.
JP 2000 - 283 578 A zeigt eine Speichereinheit für verflüssigtes Gas, eine Einheit zum Rückverflüssigung sowie ein Verfahren zum Rückverflüssigen für verflüssigten Stickstoff.
Die Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist aufgebaut zum Lösen des vorhergehenden Problems und ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Austausch nur einer kaputten Kühlmaschine zu ermöglichen ohne den Betrieb eines Kühlsystems zu unterbrechen (ohne die anderen ordnungsgemäß arbeitenden Kühlmaschinen zu unterbrechen) und wobei die Kühlung eines zu kühlenden Objekts aufrecht erhalten wird, wenn sich die Kühlkapazität in einer der Kühlmaschinen, die in dem Kühlsystem installiert ist sich verringert in Folge einer Verschlechterung oder eines Zusammenbrechens.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine nach Anspruch 1, durch eine Befestigungseinrichtung für eine Kühlmaschine nach Anspruch 7 sowie durch eine Leistungsanlage nach Anspruch 12. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines herkömmlichen Kühlsystems zeigt;
2 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
3 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
4 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
5 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;
6 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt;
7 ist eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.

Die beste Art, die Erfindung auszuführen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in einem Kühlsystem, gemäß 2, das ähnlich zu dem Kühlsystem gemäß 1 ist, ein Kryostat 30 als ein Vakuumisolationsbehälter vorgesehen mit einer Vielzahl von Kühlmaschinenbefestigungshülsen 32 (die nachfolgend einfach als „Hülsen“ bezeichnet werden) in die ein Zylinder 44 jeder Kühlmaschine direkt eingepasst ist. Eine Vielzahl von Rohren 14, die in einem Behälter 12 zum Halten von verflüssigtem Neon vorgesehen sind, sind mit den jeweiligen Hülsen 32, die darüber angeordnet sind, verbunden. Die Hülse 32 ist aus einem Material mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit wie beispielsweise rostfreiem Stahl und ähnlichem hergestellt. Ein Trennglied 60 als ein Wärmeleitglied, das aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit (zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung) hergestellt ist, ist in einem unteren Teil der Hülse 32 angeordnet. Eine Kondensierlamelle oder -rippe 60F ist an der Unterseite des Trenngliedes 60 angeordnet. Die Kondensierlamelle 60F kann weggelassen werden.
Wenn die Kühlmaschinen 40 und 42 in die Hülsen 32 eingesetzt sind, ist das Trennglied 60 derart angeordnet, dass eine Kühlstufe 50 an einem Ende der Kühlmaschine in Kontakt damit kommt oder einen schmalen Spalt dazwischen lässt (es wird bevorzugt, dass die Breite des Spalts unter 5 mm ist und insbesondere gleich oder kleiner als 1 mm ist). Der Spalt, der in der Zeichnung absichtlich groß dargestellt ist, ist mit einer Ausnehmung 60U versehen, in die ein Metall 62 mit einem niedrigen Schmelzpunkt (nachfolgend beschrieben) aufgenommen ist. Das Trennglied 60 ist luftdicht an der Hülse 32 befestigt durch Hartlöten, Schweißen, Bonden bzw. Verkleben oder Schrauben.
Das Trennglied 60 umfasst ferner eine elektrische Heizeinrichtung 64 und einen Temperatursensor 66.
Eine ordnungsgemäße Menge des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt (zum Beispiel Indium, Lötmaterial mit niedrigem Schmelzpunkt, Woods Metall, Quecksilber oder ähnliches) ist in dem oberen Teil des Trenngliedes 60 angesammelt (die Menge des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt ist ausreichend dafür, dass die Kühlstufe 50 an dem Ende der Kühlmaschine in befriedigender Weise gute Wärmeverbindungen mit dem Trennglied 60 herstellt). Um gute Wärmeverbindungen herzustellen ist es zweckmäßig, dass die Oberseite des Trenngliedes 60 und die Oberfläche der Kühlstufe 50 der Kühlmaschine vorab mit dem Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt plattiert bzw. beschichtet sind.
Beim Zusammenbau des Kühlsystems wird die elektrische Heizeinrichtung 64 erregt um das Trennglied 60 zu erwärmen, um das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen, und die Kühlmaschine 40, 42 wird an dem geschmolzenen Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt befestigt, so dass es möglich ist eine gute Wärmeverbindung zwischen dem Trennglied 60 und der Kühlmaschine 40, 42 zu erhalten.
Der Temperatursensor 66 wird verwendet zum Messen der Temperatur um eine Überhitzung zu verhindern, wenn die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das Trennglied 60 erwärmt. Es wird bevorzugt, dass eine Temperatursteuerung verwendet wird um die Temperatur des Trenngliedes konstant auf einer Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu halten.
Wenn die Kühlmaschinen 40 und 42 befestigt sind, ist es, da der Raum zwischen der Außenseite des Kühlmaschinenzylinders 44 und der Innenseite der Hülse 32 mit dem O-Ring 48 und ähnlichem abgedichtet ist, um zu Verhindern, dass Luft durch den Kühlmittelbefestigungsflansch 46 hindurchgeht, unnötig den Raum auf ein Vakuum zu evakuieren oder den Raum mit Heliumgas, Neongas oder ähnlichem zu füllen. Natürlich kann der Raum auf ein Vakuum evakuiert werden oder mit Gas gefüllt werden.
Ein unteres Ende jeder Hülse 32 ist mit dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon verbunden, der mit dem Rohr 14 versehen ist, dessen Größe nicht mit der Zirkulation des Neongases, das zur Kühlung verwendet wird, interferiert. Das Rohr 14 besitzt eine geeignete Länge in einer Vertikalrichtung, um nicht übermäßige Wärme zu dem darunter angeordneten Behälter 12 mit verflüssigtem Neon zu leiten (in der Länge, Wärme, die durch eine Rohrwand und Gas in Längsrichtung geleitet wird, fällt unter einen erlaubbaren Wert), wenn das Trennglied auf die Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt erwärmt wird, um die Kühlmaschinen 40 und 42 zu lösen.
Der Behälter 12 ist mit Neongas gefüllt (in einem Fall, bei dem das zu kühlende Objekt 10 auf ungefähr 30K gekühlt wird). Die Kühlstufe 50 der Kühlmaschine stellt sicher Wärmeverbindungen zu dem Trennglied 60 her über das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt (zum Beispiel beträgt der thermische Widerstand zur Wärmeleitung von ungefähr 100W nur 1K oder weniger).
Wenn der Betrieb der Kühlmaschine die Temperatur des Trenngliedes 60 auf die Kondensationstemperatur von Neongas absenkt, beginnt das Neongas sich zu verflüssigen und von der Unterseite des Trenngliedes 60 (der Kondensierlamelle 60F) abzutropfen. Das verflüssigte und abgetropfte Neon wird durch Wärmeaustausch mit Heliumgas zum Kühlen der Energieanlage verdampft und kehrt wieder zu der Unterseite des Trenngliedes 60 zurück, so dass das Neongas die Zirkulation von Verdampfung und Kondensation wiederholt.
Jede der Vielzahl von installierten Kühlmaschinen 40 und 42 führt die Wärmeleitung (Kühlung) mittels der Zirkulation von Neongas durch.
Dieselben Strukturen, die in 1 zu sehen sind, werden mit den selben Bezugszeichen versehen und eine detaillierte Beschreibung dieser Strukturen wird weggelassen.
Nehmen wir nunmehr einen Fall an, bei dem eine der Kühlmaschinen sich verschlechtert oder aus irgendeinem Grund ausfällt. Beim Stoppen des Betriebs der ausgefallenen Kühlmaschine stoppt die Kondensation des Neongases, da die Kühlkapazität der Kühlmaschine verloren geht. Dann erwärmt die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das Trennglied 60, um das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen. Der Temperatursensor 66 wird verwendet zum Messen der Temperatur, um eine Überhitzung zu verhindern, wenn die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das Trennglied 60 erwärmt. Es wird bevorzugt, dass die Temperatursteuerung verwendet wird, um die Temperatur des Trenngliedes 60 konstant auf einer Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu halten.
Wenn das Trennglied 60 auf die Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt erwärmt ist, besitzt das Rohr 14, das die Hülse 32 zum Installieren der Kühlmaschine an dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon verbindet, eine ordnungsgemäße Länge, die bewirkt, dass Wärme, die durch die Rohrwand und Gas geleitet wird, unter einen erlaubbaren Wert fällt, so dass eine Größe der Wärmeleitung zu dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon in einem erlaubbaren Maß bzw. klein ist, und zwar selbst in diesem Zustand.
Zu diesem Zeitpunkt ist es, da die Temperatur der Kühlstufe 50 die verschlechterte oder ausgefallene Kühlmaschine auf die Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt erhöht wird, möglich die Kühlmaschine sofort zu lösen. Ein oberer Bereich des Trenngliedes 60 ist wärmer als die Umgebungstemperatur, so dass ein Problem einer Frost- oder Reifbildung nicht auftritt.
Nach dem Einpassen einer ordnungsgemäß funktionierenden Kühlmaschine in die Hülse 32, aus der die ausgefallene Kühlmaschine gelöst wurde, beginnt die Kühlmaschine sofort zu arbeiten. Da die anderen korrekt funktionierenden Kühlmaschinen in Betrieb gehalten wurden und Neongas verflüssigt haben, kann das zu kühlende Objekt 10 kontinuierlich in einem gekühlten Zustand auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wurde eine Wärmeabschirmplatte weggelassen, da Kühlmaschinen mit relativ hoher Kühlkapazität verwendet wurden, um die Leistungsanlage auf die relativ hohe Temperatur von 30K zu kühlen. Wenn es jedoch notwendig ist, kann dieselbe Struktur verwendet werden zum Kühlen der Wärmeabschirmplatte 70 wie als zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Hülse 32 zum Installieren der Kühlmaschinen mit einer Wärmeleitplatte 72 versehen um noch weiter ein Stickstoffgas (oder ein Argongas) in einer Hochtemperaturstufe (die nachfolgend als „eine erste Stufe“ bezeichnet wird) 54 der Kühlmaschine zu kondensieren, und die Wärmeleitplatte 72 besitzt ein Rohr 74, in dem Stickstoffgas in einem kondensierten Zustand zirkuliert.
Die Wärmeleitplatte 72 ist thermisch mit der ersten Stufe 54 der Kühlmaschine verbunden über das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt. Eine Kondensierlamelle 72F zum Fördern der Kondensation des Stickstoffgases ist in dem Rohr 74 der Wärmeleitplatte 72 vorgesehen. Die Kondensierlamelle 72F kann weggelassen werden.
Das Rohr 74 zum Zirkulieren des Stickstoffgases in einem kondensierten Zustand ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit hergestellt (zum Beispiel rostfreiem Stahl und ähnlichem). Der Innendurchmesser des Rohres 74 interferiert nicht mit der Zirkulation des Stickstoffgases. Ein Behälter 76 für verflüssigten Stickstoff zum Kühlen der Wärmeabschirmplatte 70 ist unter dem Rohr 74 vorgesehen (wenn es kein Problem gibt, ist es möglich ein Rohr für den Behälter 76 zu substituieren, um das Stickstoffgas zu zirkulieren). Der Behälter 76 für verflüssigten Stickstoff ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit (es wird Kupfer oder eine Kupferlegierung bevorzugt) hergestellt. Der Behälter 76 für verflüssigten Stickstoff ist an der Wärmeabschirmplatte 70 befestigt durch ein Verfahren mit ausreichend niedrigem thermischen Widerstand (zum Beispiel Hartlöten, Löten, Bonden bzw. Kleben, Schrauben oder ähnlichem).
Der Behälter 76 mit verflüssigtem Stickstoff ist mit dem Stickstoffgas geladen. Eine Stickstoffgasversorgung- (oder Wiedergewinnungs-) Einheit, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann vorgesehen sein, wenn dies notwendig ist.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 78 eine elektrische Heizeinrichtung für die erste Kühlstufe 54 der Kühlmaschine und das Bezugszeichen 80 bezeichnet einen Temperatursensor davon.
Da die anderen Strukturen der Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kühlt der durch die Wärmeleitplatte 72 kondensierte Stickstoff die Wärmeabschirmplatte 70.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich zu dem Neongas die Wärmeabschirmplatte 70 durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gekühlt.
In jedem der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele sind die Neongas- und Stickstoffgasbehälter 12 und 76 mit einer Vielzahl von (zwei) Kühlmaschinen 40 und 42 gekoppelt, aber jede Kühlmaschine kann einen unabhängigen Behälter besitzen. Zu diesem Zeitpunkt besitzt jeder Bereich, in dem die Kondensation und Verdampfung wiederholt werden, eine Struktur, die als ein Wärmerohr bezeichnet wird.
In einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Wärmerohr verwendet für die Wärmeleitung jeder Kühlmaschine und dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Bodenende jedes Wärmerohrs 82 mit einem gemeinsamen Wärmeleitglied 84 verbunden und ein darin verflüssigtes Gas tauscht Wärme mit einem Heliumgas aus, das durch die Rohre 20 zirkuliert.
In dieser Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 86 einen Neongasversorgungs- und -wiedergewinnungstank. Im Allgemeinen ist der Neongasversorgungs- und -wiedergewinnungstank 86 ein Tank, der eine ordnungsgemäße Menge an Gas enthalten kann, aber es kann eine Neongasversorgungs- (oder Wiedergewinnungs-) -einheit (nicht gezeigt) außerhalb des Tanks installiert sein, für den Fall, dass die Neongasmenge innerhalb der Heizrohre 82 zu gering ist.
Gemäß der Zeichnung besitzen die oberen und unteren Teile des Heizrohrs 82 einen großen Durchmesser, aber der Durchmesser des Heizrohrs 82 kann auch gleichmäßig sein, wenn dies zulässig ist. Beim Austauschen der Kühlmaschine wird die Temperatur eines oberen Trenngliedes 60 auf die Schmelztemperatur eines Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt erhöht. Da eine Heizrohrwand und das Gas innerhalb des Heizrohrs einen Temperaturgradienten besitzen, gilt, dass die an einen Tieftemperaturteil angelegte thermische Last größer ist, desto größer der Durchmesser des Rohrs ist. Wenn die Kühlmaschine arbeitet zum Kondensieren des innen befindlichen Gases, gibt es keine Temperaturdifferenz in den oberen und unteren Teilen des Heizrohrs, so dass ein Wärmeverlust in dem Heizrohr nicht auftritt.
In der Zeichnung sind kurze Wärmeleitlamellen 82F (eine lange Lamelle ist bedeutungslos, da eine Wärmetransferrate zur Kondensation und Verdampfung extrem hoch ist) in den oberen und unteren Teilen des Heizrohrs angeordnet, aber die Lamellen können weggelassen werden in Abhängigkeit von einer Größe der Wärmeleitung.
Es wird bevorzugt, dass das Wärmeleitglied 84, das unter dem Heizrohr angeordnet ist, aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
In der Zeichnung sind die sich vertikal nach unten erstreckenden Heizrohre 82 mit dem großen Wärmeleitglied 84 verbunden, aber die Heizrohre 82, die in schräger Richtung angeordnet sind, können mit einem relativ kleinen Wärmeleitglied 84 verbunden sein. Hierdurch wird in dem Fall einer indirekten Kühlung wie in der Zeichnung dargestellt ist, der Temperaturgradient in dem Wärmeleitglied verringert. In dem Fall einer direkten Kühlung eines großen zu kühlenden Objektes sind andererseits die unteren Enden der Heizrohre separat angeordnet, um das zu kühlende Objekt gleichmäßig zu kühlen.
Gemäß 5 wird ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine elektrische Heizeinrichtung 64 und ein Temperatursensor 66 nachträglich beim Befestigen oder Lösen der Kühlmaschinen 40 und 42 angebracht wird, in größerer Einzelheit beschrieben.
Bei einem ähnlichen Kühlsystem wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel unterbricht die Kühlmaschine 42 die auf der rechten Seite der Zeichnung ihren Betrieb zur Befestigung (oder zum Lösen). Die Zeichnung zeigt eine Situation, bei der die elektrische Heizeinrichtung 64 und der Temperatursensor 66 in ein Trennglied 60 durch Rohre 92 und 94 eingeführt werden, um das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen.
Die Kühlmaschine 40, die auf der linken Seite dargestellt ist, fährt mit dem Betrieb zum Kondensieren und Verflüssigen von Neon fort.
Zu diesem Zeitpunkt sind die elektrische Heizeinrichtung und der Temperatursensor gelöst und ein Deckel 96 deckt die oberen Enden der Rohre 92 und 94 ab, um zu verhindern dass Luft dorthinein gelangt.
Die vorhergehende Beschreibung betrifft einen Fall eines indirekten Kühlverfahrens, aber wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel kann wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben ist, ein zu kühlendes Objekt 10 in einem Behälter 12 für verflüssigtes Neon angeordnet sein, um das zu kühlende Objekt 10 direkt mit dem verflüssigten Neongas zu kühlen.
In diesem Fall ist es nicht notwendig, eine Heliumgaszirkulationspumpe, einen Wärmetauscher und ähnliches außerhalb des Behälters 12 vorzusehen.
Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurden GM-Kühlmaschinen als die Kühlmaschine verwendet, aber die Art der Kühlmaschine ist im Wesentlichen nicht eingeschränkt. Pulsröhrenkühler 100 und 102 können verwendet werden, wie in einem sechsten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wird.
Da die Pulsröhrenkühler bzw. Pulsationsrohrkühler (Pulse Tube Refrigerator) im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Zylindern (ein Rohr 104 zum Laden eines Speichermediums und ein Expansionsrohr 106) aufgebaut sind, wird eine Kühlmaschinenbefestigungshülse 32 im Vergleich zu dem Fall einer GM-Kühlmaschine groß.
Obwohl Neongas bei dem obigen Ausführungsbeispiel in Folge einer Kühltemperatur von 30K verwendet wird, kann ein Argongas (90-140K), ein Stickstoffgas (70-120K), ein Wasserstoffgas (14-30K) und ein Heliumgas (5K) gemäß einer Zielkühltemperatur eingesetzt werden.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen wurde die vorliegende Erfindung für das Kühlen einer Leistungsanlage, die Hochtemperatursupraleiter verwendet, angelegt. Ein zu kühlendes Objekt ist jedoch nicht darauf begrenzt, vielmehr ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf eine Kryopumpe, einen supraleitenden Magneten, Materialeigenschaftsmesseinrichtungen und ähnliches anwendbar.
Industrielle Anwendbarkeit
Bei dem herkömmlichen Verfahren ist es notwendig, das Kühlsystem zu unterbrechen und die Temperatur des gesamten Kühlsystems auf Umgebungstemperatur zu erhöhen durch Wiedergewinnen eines Kühlmittelgases bevor die Kühlmaschine abgenommen wird. Dem gemäß kann ein zu kühlendes Objekt (zum Beispiel eine Leistungsanlage) während des Austausches der Kühlmaschine oder bevor das Kühlsystem wieder auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird, nicht arbeiten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es andererseits möglich eine ausgefallene Kühlmaschine auszutauschen ohne die Kühlung des zu kühlenden Objekts zu unterbrechen. Der thermische Widerstand zwischen einem Trennglied und einer Kühlstufe der Kühlmaschine ist gering, da es dem Widerstand des dünnen Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt entspricht, so dass die Temperaturdifferenz extrem gering wird trotz einer großen Wärmeleitmenge (Kühlkapazität).
Insbesondere in einem Fall, bei dem eine elektrische Heizeinrichtung und ein Temperatursensor an dem Trennglied befestigt sind, wird, da die Heizeinrichtung das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt auf die Schmelztemperatur erwärmt, der gesamte Bereich, der bei dem Austausch betroffen ist, auf Umgebungstemperatur oder etwas höher angehoben, so dass es möglich ist, die Kühlmaschine leicht zu befestigen und zu lösen ohne aufwendige Vorgänge wie ein Defrosten und ähnliches. Wenn eine Temperatursteuerung die Temperatur des Trenngliedes konstant auf einer Schmelztemperatur des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt hält, wird der Befestigungs- und Lösevorgang noch weiter vereinfacht.

Claims

Ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42), das die folgenden Schritte aufweist: Einführen eines Wärmeleitgliedes (72) zwischen eine Kühlstufe (50) der Kühlmaschine (40, 42) und einen Kühlmittelbehälter (12) eines Kühlsystems zum Halten eines Kühlmittelgases, das durch die Kühlstufe (50) kondensiert wird, oder ein Heizrohr (82) oder eine Wärmeabschirmplatte (70); und In-thermischen-Kontakt-Bringen der Kühlstufe (50) mit dem Kühlmittelbehälter (12), dem Heizrohr (82) oder der Wärmeabschirmplatte (70) über ein Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt, das im Wärmeleitglied (72) gehalten wird, wobei eine Temperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt gesteuert wird, dass sie während des Austauschs der Kühlmaschine (40, 42) konstant bei einer Schmelztemperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt liegt.
Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 1, wobei das Wärmeleitglied ein Trennglied (60) zum Abtrennen der Kühlstufe (50) vom Kühlmittelbehälter (12) ist.
Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 1, wobei das Wärmeleitglied (72) zwischen die Kühlstufe (50) und das Heizrohr (82) eingeführt ist.
Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 1, wobei das Wärmeleitglied (72) zwischen die Kühlstufe (50) und die Wärmeabschirmplatte (70) eingeführt ist.
Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 1, wobei das Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt Indium, Lötmaterial mit niedrigem Schmelzpunkt oder Woods Metall ist.
Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlmaschine (40, 42) eine GM-Kühlmaschine oder ein Pulsröhrenkühler ist.
Befestigungseinrichtung für eine Kühlmaschine (40, 42) zum lösbaren Befestigen einer Kühlstufe (50) der Kühlmaschine (40, 42) an einem Kühlmittelbehälter (12) zum Halten eines Kühlmittelgases, das durch die Kühlstufe (50) kondensiert wird, an einem Heizrohr (82) oder an einer Wärmeabschirmplatte (70), wobei die Befestigungsvorrichtung Folgendes aufweist: ein Wärmeleitglied (72), das zwischen die Kühlstufe (50) und den Kühlmittelbehälter (12), das Heizrohr (82) oder die Wärmeabschirmplatte (70) eingeführt ist; ein Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt, das im Wärmeleitglied (72) gehalten wird, wobei das Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt die Kühlstufe (50) in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittelbehälter (12) bringt; eine Heizeinrichtung (64) zum Heizen des Wärmeleitgliedes (72); und einen Temperatursensor (66) zum Messen einer Temperatur des Wärmeleitgliedes (72).
Befestigungseinrichtung für eine Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 7, wobei eine Kondensierlamelle (60F; 72F) im Wärmeleitglied (72) auf einer Seite des Kühlmittelbehälters (12) oder der Wärmeabschirmplatte (70) vorgesehen ist.
Befestigungseinrichtung für eine Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 7, die ferner Folgendes aufweist: ein Rohr (74) zum Verbinden einer Kühlmaschinenbefestigungshülse (32), die die Kühlstufe (50), das Metall (62) mit niedrigem Schmelzpunkt und das Wärmeleitglied (72) enthält, mit dem Kühlmittelbehälter (12) oder mit der Wärmeabschirmplatte (70), wobei das Rohr (74) eine Länge besitzt, die ausreicht, um zu erlauben, dass Wärme von einer Rohrwand und einem Kühlmittelgas geleitet wird.
Befestigungsvorrichtung für eine Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 7, wobei die Heizeinrichtung (64) und der Temperatursensor (66) abnehmbar sind.
Befestigungsvorrichtung für eine Kühlmaschine (40, 42) gemäß Anspruch 7, die ferner Folgendes aufweist: Temperatursteuermittel, um eine Temperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt konstant bei einer Schmelztemperatur des Metalls (62) mit niedrigem Schmelzpunkt während eines Austauschs der Kühlmaschine (40, 42) zu halten.
Leistungsanlage (10), die Folgendes aufweist: eine Kühlmaschine (40, 42), die durch die Befestigungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 befestigt ist.