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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Spannungen,
insbesondere im Bereich der Hochspannungstechnik, mit einem Kryostaten,
der einen mit Kühlmitteln
befüllten
und zur Aufnahme eines supraleitenden Transformators eingerichteten
Kälteraum
aufweist, mit einem Kühlaggregat
zum Abkühlen
des Kühlmittels
und mit Druckerzeugungsmitteln zum Erhöhen des Druckes in dem Kälteraum,
wobei eine Pumpe zum Umwälzen des
Kühlmittels
vorgesehen ist.
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Eine
solche Vorrichtung ist aus AIP Conference Proceedings Band 613A,
2002, S. 473–480 "1 ATM Subcooled Liquid
Nitrogen Cryogenic System with GM-Refrigerator for a HTS Power Transformer" der Autoren S. Yoshida,
K. Ohashi, T. Umeno, Y. Suzuki, Y. Kamioka, H. Kimura, K. Tsutsumi,
M. Iwakuma, K. Funaki, T. Bhono und Y. Yagi bereits bekannt. Die
dort offenbarte Vorrichtung weist einen Kryostaten mit einem Kälteraum
auf, in dem ein stehender supraleitender Transformator angeordnet
ist. Zum Abkühlen
des Transformators unter die kritische Temperatur seines supraleitenden
Materials ist der Kälteraum
mit flüssigem
Stickstoff befüllt.
Außerhalb des
Kryostaten sind Druckerzeugungsmittel in Form von Gasdruckflaschen
vorgesehen, mit deren Regelventilen der Innendruck des Kälteraums
eingestellt werden kann. Die vorbekannte Vorrichtung weist ferner
einen zusätzlichen
Pumpenkryostaten auf, in dem ein Pumpenkühlraum eingerichtet ist. Der
Pumpenkühlraum
ist mit flüssigem
Stickstoff befüllt,
der von Kühleinheiten
gekühlt
ist. Eine ebenfalls in dem Pumpenkühlraum angeordnete Pumpe sorgt
für ein Umwälzen des
flüssigen
Stickstoffes in der Vorrichtung. Der durch die Kühleinheiten tiefgekühlte Stickstoff
wird anschließend
mittels der Pumpe über
eine Zuleitung dem Kälteraum
zugeführt.
Aufgrund der von den Druckerzeugungsmitteln erzeugten Druckerhöhung liegt
in dem Kälteraum
unterkühlter
Stickstoff vor. Durch diese Unterkühlung kann der Transformator
den flüssigen
Stickstoff erwärmen,
ohne ihn unmittelbar in die Dampfphase zu überführen, wodurch die Kühlung und
insbesondere die Isolation der Transformatorwindungen deutlich verschlechtert würde. Der
sich bei der Transformatorkühlung
erwärmende
Stickstoffe wird, über
ein Rohrleitung aus dem Kälteraum
in den Pumpenkühlraum
des zusätzlichen Pumpenkryostaten
geleitet.
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Der
vorbekannten Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass zum Abkühlen des
Stickstoffes ein zweiter Kryostat erforderlich ist. Der Einsatz
eines zweiten Kryostaten ist jedoch kostenintensiv und darüber hinaus
im Hinblick auf eine kompakte Bauform nachteilig. Darüber hinaus
ist der durch die Kühlung bedingte
Verlust von Kühlmittel
durch den Zusatz von flüssigem
Stickstoff auszugleichen.
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Die
DE 198 50 911 C2 offenbart
ein Kühlungssystem
zum Kühlen
eines Hochtemperatursupraleiters. Das dort beschriebene Kühlsystem
weist einen Kryostaten mit einem ersten Kühlmittel und einen Versorgungstank
mit einem zweiten Kühlmittel auf.
Ferner ist eine Pumpe zum Umwälzen
des zweiten Kühlmittels
vorgesehen, die in dem Kryostaten angeordnet ist.
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Aus
dem in Supercond. Sci. Technol., 13 (2000), 60–67 erschienen Beitrag "Recent activities for
applications to HTS transformers in Japan" der Autoren K. Funaki und M. Iwakuma
ist eine Vorrichtung mit einem Kryostaten bekannt, der einen mit flüssigem Stickstoff
befüllten
Kälteraum
sowie einen stehend in dem flüssigen
Stickstoff angeordneten supraleitenden Transformator aufweist. Darüber hinaus ist
ein Pumpenkryostat vorgesehen, in dessen mit flüssigem Stickstoff befülltem Pumpenkühlraum eine Umwälzpumpe
befestigt ist. Zum Abkühlen
des flüssigen
Stickstoffes unter 77 Kelvin ist ein dritter Wärmeaustauschkryostat mit einem
Tiefkühlraum
vorgesehen. Der Tiefkühlraum
ist teilweise mit flüssigem Stickstoff
befüllt,
wobei eine Vakuumpumpe in der Gasphase des Stickstoff einen Unterdruck
erzeugt. Durch das adiabatische Verdampfen des flüssigen Stickstoffs
im Tiefkühlraum
kühlt sich
dieser auf 65 Kelvin ab. Der den Transformator aufnehmende Kälteraum
ist über
eine Zuleitung mit dem Pumpenkühlraum
verbunden, wobei die Zuleitung spiralförmig durch den Tiefkühlraum geführt ist,
so dass der durch die Zuleitung gepumpte Stickstoff auf seinem Wege zum
Kälteraum
ebenfalls auf 65 Kelvin abkühlt.
Im Kälteraum
herrscht Normaldruck, so dass eine Unterkühlung des Kühlmittels bereitgestellt ist.
Der durch den HTS-Transformator erwärmte Stickstoff wird über eine
Ableitung dem Pumpenkühlraum
zugeführt.
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Auch
bei dieser vorbekannten Vorrichtung sind mehrere raumgreifende Kryostaten
erforderlich. Durch das adiabatische Verdampfen des Stickstoff muss
der Vorrichtung darüber
hinaus stetig Stickstoff zugeführt
werden. Insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz der Vorrichtung
in Fahrzeugen ist ein fortwährendes
Auftanken mit Stickstoff jedoch unerwünscht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
bereitzustellen, die in ihrem Aufbau kompakt ist und bei der ein
Nachtanken mit Kühlmittel
vermieden ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe dadurch, dass die Pumpe und die Druckerzeugungsmittel
in dem Kryostaten angeordnet und Teil eines von dem Kühlaggregat
gekühlten
Rohrleitungssystems sind, das sich geschlossen zwischen einer Einströmöffnung und
einer Ausströmöffnung erstreckt,
die jeweils in dem Kälteraum
angeordnet sind, und dass der Transformator liegend in dem Kälteraum
angeordnet ist und die Ausströmöffnung zum
Entgasen des Kälteraums
vorgesehen ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist lediglich einen einzigen Kryostaten auf, in dem sowohl der
supraleitende Transformator, die Pumpe als auch die Druckerzeugungsmittel
angeordnet sind. Dabei sind Pumpe und Druckerzeugungsmittel Teil
eines geschlossenen Rohrleitungssystems, das zum Umwälzen des
Kühlmittels
zwischen dem Kälteraum
und dem Kühlaggregat
vorgesehen ist. Im Hinblick auf einen Einsatz in Fahrzeugen ist
eine niedrige Bauhöhe mit
tief liegendem Schwerpunkt vorteilhaft. Der supraleitende Transformator
ist daher liegend in dem Kälteraum
angeordnet. Mit anderen Worten ist die Längsachse der Wicklungen des
Transformators im Wesentlichen parallel zum Boden des Kälteraums ausgerichtet.
Um die Ausbildung von Gasblasen, beispielsweise bei ruckartigen
Bewegungen einer mobil aufgestellten Vorrichtung, an den Transformatorwicklungen
zu vermeiden, ist die Ausströmöffnung so
in dem Kälteraum
angeordnet, dass gasförmiges
Kühlmittel
durch eine ansteigende Flüssigphase
nahezu vollständig
aus dem Kälteraum
verdrängt
werden kann. Hierzu ist die Ausströmöffnung möglichst in einem oberen Bereich
des Kälteraums,
also möglichst weit
vom Boden des Kälteraums
entfernt, in diesem angeordnet. Bei hinreichend starker Kühlung steigt der
Anteil der flüssigen
Phase des Kühlmittels
durch die Kondensation stetig an und verdrängt die gasförmige Phase
nahezu vollständig
aus dem Kälteraum bis
ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.
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Das
Kühlmittel
wird im gasförmigen
und/oder flüssigen
Zustand mittels der Pumpe durch das Rohrleitungssystem befördert und
gelangt über
die Ausströmöffnung wieder
zurück
in den Kälteraum,
in dem der Transformator angeordnet ist. Auf dem Wege zwischen Einströmöffnung und
Ausströmöffnung bildet
das Rohrleitungssystem einen Kaltkopf des Kühlaggregats aus. Hierzu sind
aus dem Kryostaten geführte
Rohrabschnitte des Rohrlei tungssystems mittels zweckmäßiger Rohrverbindungsmittel
mit dem Kaltkopf des Kühlaggregats
verbunden. Mit anderen Worten wird dem Kühlmittel an diesem Kaltkopf
Wärme entzogen.
Erfindungsgemäß ist das
Kühlmittel somit
in einem geschlossenen System angeordnet, so dass Verluste an Kühlmittel
vermieden sind. Darüber
hinaus vereinfacht die geschlossene Ausgestaltung die konzeptionelle
Auslegung der Vorrichtung, da das Kühlmittel des Kälteraums
sich nicht mit dem im Kühlaggregat
verwendeten Kühlmittel
vermischt. So kann der Transformator beispielsweise in flüssigem Stickstoff
angeordnet sein, während
im Kühlaggregat
zur Kühlung
des Kaltkopfes Helium oder ein sonstiges zweckmäßiges Kühlmittel eingesetzt ist.
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Vorteilhafterweise
wird als Kühlmittel
Stickstoff eingesetzt. Dabei weist der supraleitende Transformator
Windungen aus einem sogenannten Hochtemperatursupraleiter auf, dessen
kritische Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Stickstoffs liegt.
Hochtemperatursupraleiter sind als Stand der Technik bereits bestens
bekannt. Typischerweise werden oxidische Keramiken zu deren Herstellung verwendet.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weisen die Druckerzeugungsmittel einen Druckbehälter auf,
der über
eine Phasentrenneinrichtung zum Trennen einer gasförmigen Phase
von einer flüssigen
Phase des Kühlmittels
verfügt,
wobei elektrische Heizmittel zum Heizen der flüssigen Phase vorgesehen sind.
Gemäß dieser
vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist eine einfache
und genaue Druckkontrolle innerhalb des Kälteraumes ermöglicht,
die darüber
hinaus nur geringe Temperaturschwankungen innerhalb des Kälteraumes
verursacht. Zweckmäßigerweise
wirken die Druckerzeugungsmittel mit geeigneten Druckaufnehmern
und Reglern zusammen.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung mündet das
Rohrleitungssystem mit einer Einströmöffnung in einen Kühlkanal,
der von dem Transformator ausgebildet ist. Durch die liegende Anordnung
des Transformators kann das Kühlmittel vom
Kaltkopf direkt zum Transformator und beispielsweise zu Kanälen, die
durch Transformatorwicklungen ausgebildet sind, geführt werden,
so dass die Kühlwirkung
des Kühlmittels
im Bereich der supraleitenden Transformatorwicklung am größten ist.
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Zweckmäßigerweise
ist das Rohrleitungssystem mit einem aus dem Kryostaten herausgeführten Einführstutzen
zum Einleiten des Kühlmittels
verbunden. Mittels des Einführstutzens
kann das Kühlmittel
beispielsweise gasförmig
bei Raumtemperatur zugeführt
werden. Das gasförmige
Kühlmittel
wird anschließend
durch die Pumpe umgewälzt,
wobei am Kaltkopf des Rohrleitungssystems ein Wärmeentzug stattfindet. Das
Kühlmittel
kondensiert schließlich
im Kälteraum,
bis der Transformator vollständig in
flüssigem
Kühlmittel
eingebracht ist und lediglich eine kleine Blase von gasförmigem Kühlmittel
im Kälteraum
verbleibt.
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Vorteilhafterweise
ist der Kälteraum
mit einer Berstscheibe versehen. Dabei bildet die Berstscheibe eine
Sollbruchstelle aus, die im Falle einer explosionsartigen Druckentwicklung,
beispielsweise durch ein plötzliches
Aufheizen der Transformatorwicklungen, die entstehende Druckwelle
an einer vordefinierten Stelle freigibt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist
einen Kryostaten 2 auf, in dessen Inneren ein Kälteraum 3 vorgesehen
ist, der mit flüssigem
Stickstoff 4 befüllt
ist. In dem Kälteraum 3 und
in der flüssigen
Phase des Stickstoffes 4 ist ein supraleitender Transformator 5 liegend
angeordnet. Die Längsachse
der hohlzylindrisch ausgestalteten Wicklung des Transformators ist
also parallel zur Bodenwandung des Kälteraums 3 ausgerichtet.
Die elektrischen Anschlüsse
des Transformators 5 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht gezeigt.
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Um
eine möglichst
hohe Wärmeisolation
des Kälteraumes 3 zu
gewährleisten,
ist zwischen der Außenwandung
des Kryostaten 2 und dem Kälteraum 3 eine Vakuumkammer 6 vorgesehen,
in der ein Vakuum angelegt ist. In der Vakuumkammer 6 des
Kryostaten 2 sind eine Pumpe 7 und Druckerzeugungsmittel 8 vorgesehen,
die jeweils über
ein Zuleitungsrohr 9 mit Einströmöffnung sowie ein Ableitungsrohr 10 mit
Ausströmöffnung mit
dem Kälteraum 3 verbunden sind.
Das Zuleitungsrohr 9 und das Ableitungsrohr 10 sind
Teile eines Rohrleitungssystems 11, das aus dem Kryostaten 2 herausgeführt ist,
wobei außerhalb des
Kryostaten 2 im Wesentlichen wärmeisolierte Transferleitungen 12 vorgesehen
sind. Ferner sind Schließventile 13 erkennbar,
die eine Steuerung des Kühlmittelflusses
ermöglichen.
Ein Teil des Rohrleitungssystems 11 bildet einen Kaltkopf 14 eines
Kühlaggregats 15 aus.
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Zum
Bereitstellen definierter Sollbruchstellen an dem Rohrleitungssystem 11,
dem Kälteraum 3 und
der Vakuumkammer 6 sind Berstscheiben 16 vorgesehen,
wobei der Druck der Vakuumkammer 6 über eine zweckmäßige Druckaufnehmer 17 kontrollierbar
ist.
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Innerhalb
des Kryostaten 2 ist weiterhin ein Schließventil 13 erkennbar,
das über
einen Motor 18 betätigt
werden kann, so dass beispielsweise in einem Störfall das gesamte Rohrleitungssystem 11 und
damit der Kälteraum 3 zum
Atmosphärendruck hin
geöffnet
werden kann.
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Das
in diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingesetzte Kühlaggregat 15 ist
eine Sterlingmaschine und weist einen Kühlmotor 19 auf. Selbstverständlich ist
es im Rahmen der Erfindung möglich,
ein hiervon abweichendes Kühlaggregat 15 einzusetzen.
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Eine
einfache Stickstoffflasche 20, die außerhalb des Kryostaten 2 angeordnet
ist, dient zur bedarfsweisen Einspeisung von gasförmigen Stickstoff.
Zur Betriebsaufnahme der Vorrichtung wird die Sterlingmaschine 15 in
Gang gesetzt und das der Stickstoffflasche 20 zugeordnete
Schließventil 13 geöffnet, so
dass gasförmiger
Stickstoff in das Rohrleitungssystem 11 eingeleitet wird.
Mittels der Pumpwirkung der Pumpe 7 wird der gasförmige Stickstoff durch
das Rohrleitungssystem 11 transportiert und in dem Kaltkopf 14 des
Kühlaggregats 15 abgekühlt. Dieser
Vorgang wird kontinuierlich fortgesetzt, bis der Stickstoff in dem
Kühlmittelbehälter 3 kondensiert und
der supraleitende Transformator 5 vollständig in flüssigem Stickstoff
angeordnet ist. Die Druckerzeugungsmittel 8 weisen einen
Druckbehälter
auf, in dem ein Phasenabscheider, beispielsweise ein Drahtgeflecht,
eine Glasspirale oder dergleichen, angeordnet sind. Der Phasenabscheider
bewirkt die Kondensation des gasförmigen Stickstoffs und die Ausbildung
einer flüssigen
Phase innerhalb des Druckgasbehälters
der Druckerzeugungsmittel 8. Die Druckerzeugungsmittel 8 verfügen weiterhin über Heizmittel,
beispielsweise über
eine elektri sche Heizschlange, die in der flüssigen Phase des Stickstoffs innerhalb
des Druckbehälters
angeordnet sind. Durch kontrolliertes und geregeltes Heizen wird
innerhalb des Druckbehälters
Stickstoff verdampft, der dann zu einer Druckerhöhung innerhalb des Kälteraumes 3 führt. Das
Kühlaggregat 15,
in diesem Fall die Sperlingmaschine, erzeugt am Kaltkopf 14 des Rohrleitungssystems 11 flüssigen Stickstoff
mit einer Temperatur von 65°Kelvin.
Dieser tiefgekühlte
Stickstoff wird über
das Zuleitungsrohr 9 direkt zwischen die Wicklungen, beispielsweise
zwischen die Unterspannungs- und Oberspannungswicklungen des supraleitenden
Transformators 5 geführt.
Durch die liegende Anordnung des Transformators 5 ist es
somit möglich,
die durch die Pumpe 7 erzeugte erzwungene Konvektion innerhalb
des flüssigen
Stickstoffs auszunutzen und den Stickstoff vom Kaltkopf 14 direkt
zu den zu kühlenden
Wicklungen des supraleitenden Transformators 5 zu führen.
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Durch
die Kühlung
des flüssigen
Stickstoffs wird der in dem Kühlraum 3 befindliche
flüssige
Stickstoff 4 insgesamt auf eine Temperatur von 67 Kelvin abgesenkt.
Im Gleichgewichtszustand würde
sich daher in dem Kälteraum 3 ein
gegenüber
der Außenatmosphäre abgesenkter
Dampfdruck des Stickstoffs einstellen. Durch Aufheizen des flüssigen Stickstoffs in
dem Druckbehälter
der Druckerzeugungsmittel 8 wird jedoch ein gegenüber dem
Gleichgewichtsdruck überhöhter Dampfdruck
bereitgestellt, so dass der Stickstoff 4 des Kälteraums 3 unterkühlt ist.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Dampfdruck des Kälteraums 3 1
bar, so dass der Stickstoff vor seinem Verdampfen um 10 Kelvin erwärmt werden
müsste.
Dies ist insbesondere bei plötzlichen
Stromstößen vorteilhaft,
da flüssiger
Stickstoff nicht mehr unmittelbar unter Verlust seiner Isolierwirkung
in dampfförmigen
Stickstoff umgewandelt wird. Darüber
hinaus ist durch die Unterkühlung
auch eine längere
stromlose Phase ermöglicht, ohne
dass der flüssige
Stickstoff in dem Kälteraum 3 verdampft.
Die Vorrichtung bleibt somit auch bei kürzeren Stromunterbrechungen
ohne längere
Ausfallzeiten funktionstüchtig.
Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz der Vorrichtung in einem
Bahnfahrzeug, wo kurze Stromunterbrechungen nicht unüblich sind, von
großem
Vorteil.