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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf supraleitende Einrichtungen
und genauer auf die Zufuhr von Kälte
oder Kühlung
zu einer supraleitenden Einrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bestimmte
supraleitende Einrichtungen benötigen
eine unterbrechungsfreie Kältezufuhr
bei Temperaturen von unter 30 K, um einen kontinuierlichen Betrieb über ausgedehnte
Zeiträume
hinweg zu ermöglichen.
Die mit dem Bereitstellen einer adäquaten Kühlung verbundenen Zuverlässigkeitsprobleme und
hohen Kosten haben die Verwendung eines Teils der kommerziellen
Kühltechnologie
ausgeschlossen. In der Vergangenheit wurden redundante Kryokühlerkomponenten
verwendet, um eine hohe Zuverlässigkeit
mit einer bestehenden Kryokühlerausrüstung zu bewerkstelligen.
Diese Kryokühler
wurden typischerweise an Kryogenumwälzsysteme mit geschlossenen
Kreisläufen
gekoppelt. Der Bedarf an redundanten Komponenten einschließlich Kryokühlern und Umwälzkompressoren
erhöht
die Kosten. Ein alternatives Verfahren zum Kühlen einer supraleitenden Einrichtung
besteht in der direkten Verwendung von flüssigem Helium. Dieses Helium
wird verdampft und muss zur Minimierung der Kosten wiedergewonnen werden.
Eine Heliumwiederverflüssigung
wirft signifikante Probleme bezüglich
der Zuverlässigkeit
auf und erfordert eine signifikante Menge an Energie.
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Dementsprechend
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines
verbesserten Systems zum Kühlen
einer supraleitenden Einrichtung, die weniger kostspielig und verlässlicher
als bislang verfügbare
Systeme ausfällt
und die den Bedarf nach mechanischen Kühlsystemen vermeidet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
obige und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann anhand dieser
Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren
einer Aspekt in einem Verfahren zum Kühlen einer supraleitenden Einrichtung
besteht, wobei:
- (A) Heliumgas verdichtet und
das verdichtete Heliumgas mittels indirektem Wärmeaustausch mit flüssigem Wasserstoff
zur Erzeugung von gekühltem
Helium und gas förmigem
Wasserstoff gekühlt wird;
- (B) das gekühlte
Helium zu einer supraleitenden Einrichtung übergeleitet wird, um der supraleitenden
Einrichtung Kälte
zuzuführen;
und
- (C) der gasförmige
Wasserstoff abgezogen wird.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einer Vorrichtung
zum Kühlen
einer supraleitenden Einrichtung, versehen mit:
- (A)
einem Kompressor, einem Wärmetauscher, und
einer Anordnung zum Überleiten
von Helium von dem Kompressor zu dem Wärmetauscher;
- (B) einem Speicherbehälter,
einer Anordnung zum Überleiten
von flüssigem
Wasserstoff von dem Speicherbehälter
zu dem Wärmetauscher, und
einer Anordnung zum Abziehen von gasförmigem Wasserstoff von der
Vorrichtung; und
- (C) einer supraleitenden Einrichtung, einer Anordnung zum Überleiten
von Helium von dem Wärmetauscher
zu der supraleitenden Einrichtung, und einer Anordnung zum Überleiten
von Helium von der supraleitenden Einrichtung zu dem Kompressor.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Kühlen einer
supraleitenden Einrichtung, wobei:
- (A) flüssiger Wasserstoff
von einem Speicherbehälter
zu der supraleitenden Einrichtung übergeleitet wird;
- (B) der flüssige
Wasserstoff verdampft wird, um der Einrichtung Kälte zuzuführen und gasförmigen Wasserstoff
zu erzeugen; und
- (C) der gasförmige
Wasserstoff abgezogen wird.
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Wie
hier verwendet bezieht sich der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" auf das Verbringen
von Stoffen in eine Wärmeaustauschbeziehung
ohne irgendeinen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der
Stoffe miteinander.
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Wie
hier verwendet bezieht sich der Begriff "supraleitende Einrichtung" auf eine Vorrichtung,
die supraleitendes Material benutzt. Beispiele einer supraleitenden
Einrichtung beinhalten elektrische Generatoren, elektrische Motoren,
Elektromagnete und Transformatoren.
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Wie
hier verwendet bezieht sich der Begriff "Ausstoßvorrichtung" auf eine Vorrichtung,
die keine beweglichen Teile aufweist, sondern ein erstes Fluid unter
Verwendung der kinetischen Energie eines zweiten Fluids derart pumpt,
dass das aus der Vorrichtung austretende Fluid ein Gemisch aus dem
ersten und dem zweiten Fluid ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die ein Doppelkreislaufsystem mit einem geschlossenen Kreislauf
für eine
Heliumströmung
und einem offenen Kreislauf für
eine Wasserstoffströmung
aufweist.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Doppelkreislauf-Kühlsystems
dieser Erfindung für
eine supraleitende Einrichtung.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die ein Wasserstoffströmungssystem mit einem einzelnen
offenen Kreislauf verwendet.
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Ausführliche
Beschreibung
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Allgemein
weist die Erfindung die Verwendung von flüssigem Wasserstoff in einem
offenen Kreislauf anstatt eines Kryokühlers auf, um einer supraleitenden
Einrichtung indirekt oder direkt Kälte bei Temperaturen zuzuführen, die
signifikant unter derjenigen Temperatur liegen, die durch flüssigen Stickstoff
bereitgestellt werden kann. In dem Verfahren und der Vorrichtung
dieser Erfindung wird keine Kältemaschine
oder ein anderer Kryokühler
verwendet.
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Auf 1 Bezug
nehmend wird Heliumgas, das in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird,
mittels Durchleitung durch einen Kompressor 11 auf einen Druck
verdichtet, der allgemein in dem Bereich von 17 bis 50 Pfund pro
Quadratzoll (psia) liegt. Sich ergebendes verdichtetes Heliumgas 1 wird
zu einem Wärmetauscher 10 geleitet,
wo es durch indirekten Wärmeaustausch
mit verdampfendem flüssigem Wasserstoff
gekühlt
wird, was im Folgenden ausführlicher
beschrieben werden wird. Das gekühlte
Helium wird in einer Leitung 2 von dem Wärmetauscher 10 zu
einer supraleitenden Einrichtung 9 wie z.B. einem Generator
geleitet. Das gekühlte
Heliumgas in der Leitung 2 weist eine Temperatur von weniger
als 30 K und typischerweise eine Temperatur in dem Bereich von 20
bis 25 K auf.
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Das
gekühlte
Helium führt
der supraleitenden Einrichtung Kälte
zu und wird in dem Verfahren erwärmt.
Das erwärmte
Helium, das allgemein bei einer Temperatur in dem Bereich von 21
bis 30 K liegt, wird in einer Leitung 3 von der supraleitenden
Einrichtung 9 zu dem Wärmetauscher 10 geführt, wo
es mittels indirektem Wärmeaustausch
mit dem kühlenden
verdichteten Helium weiter erwärmt
wird. Sich ergebendes erwärmtes
Heliumgas 4 wird von dem Wärmetauscher 10 zu
dem Kompressor 11 geleitet wodurch sich der geschlossene
Heliumkreis schließt.
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Flüssiger Wasserstoff
wird in einer Leitung 30 von einem Speicherbehälter 14 durch
ein Ventil 15 und anschließend in einer Leitung 5 bei
einer Temperatur zu dem Wärmetauscher 10 geführt, die
in dem Bereich von 1 bis 5 K unter der Temperatur des aus dem Wärmetauscher 10 austretenden
gekühlten
Heliums liegt. Innerhalb des Wärmetauschers 10 wird der
flüssige
Wasserstoff verdampft, um durch indirekten Wärmeaustausch Kälte zur
Erzeugung des oben erwähnten
gekühlten
Heliums bereitzustellen. Die Systemkühlleistung wird durch die automatische
Einstellung des Steuerventils 15 reguliert, das auf der Basis
der Temperatur des supraleitenden Rotors gesteuert werden kann (der
Temperatursensor ist nicht dargestellt). Der resultierende verdampfte
Wasserstoff wird von dem Wärmetauscher 10 in
einer Leitung 6 abgezogen und von dem System, d.h. der
Vorrichtung und dem Verfahren dieser Erfindung abgeführt. Der
abgezogene Wasserstoff kann abgefackelt oder anderweitig an die
Atmosphäre
entlüftet
werden, oder er kann weiterverwendet werden, z.B. zur Kühlung oder
Verbrennung, oder als Brennstoff für eine Brennstoffzelle. Bei
der in 1 veranschaulichten Anordnung ist ein Teil 7 des
verdampften Wasserstoffs 6 gezeigt, der eine Temperatur
im allgemeinen in dem Bereich von 20 bis 29 K aufweist und der zur
Verwendung als ein Kühlmittel
weitergeleitet wird, wie z.B. um als Nachschub in einem wasserstoffgekühlten Stromerzeuger
zu dienen. Ein anderer Teil 31 wird mittels Durchleitung
durch einen Umgebungsluft-Wärmetauscher 12 erwärmt und
in einer Leitung 8 zu einem Elektrizitäts- und/oder Dampferzeugungssystem 13 geführt, wo
er verbrannt und sein Brennwert genutzt wird. In allen Fällen wird
das Wasserstoffgas nicht weiter dazu benutzt, der supraleitenden
Einrichtung Kälte
zuzuführen.
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2 veranschaulicht
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in der eine wirtschaftlich verfahrende Ausstoßvorrichtung
zur Reduzierung von Wärmeverlusten
verwendet wird. Die Bezugszeichen in 2 entsprechen
für die
gemeinsamen Elemente den Bezugszeichen aus 1, wobei diese
gemeinsamen Elemente nicht erneut ausführlich beschrieben werden.
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Nun
auf 2 Bezug nehmend wird gekühltes Helium 2 von
dem Wärmetauscher 10 zu
einer Ausstoßvorrichtung 21 geleitet.
Ein Teil des erwärmten
Heliumgases in der Leitung 3 wird in einer Leitung 32 zu
der Ausstoßvorrichtung 21 geführt und
zur Ausbildung eines Heliumstroms 33 mit dem gekühlten Heliumgas
kombiniert. Dieser Heliumstrom 33 wird anschließend mittels
Durchleitung durch einen Wärmetauscher 16 weiter
gekühlt,
und das resultierende, weiter gekühlte Heliumfluid wird in einer
Leitung 34 zu der supraleitenden Einrichtung 9 geführt, um
ihr Kälte
zuzuführen.
Flüssiger
Wasserstoff aus dem Ventil 15 wird in der Leitung 5 zu
Wärmetauscher 16 geleitet,
wo er durch indirekten Wärmeaustausch
das weiter kühlende
Heliumfluid abkühlt.
Sich ergebender Wasserstoff, der erwärmt wurde, wird in einer Leitung 35 von
dem Wärmetauscher 16 zu
dem Wärmetauscher 10 geleitet,
wo er wie zuvor beschrieben verdampft wird.
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3 illustriert
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, in der flüssiger
Wasserstoff direkt der supraleitenden Einrichtung zugeführt wird.
In dieser Ausführungsform
wird ein einzelner Wasserstoffstrom im offenen Kreislauf ohne einen
intervenierenden Heliumstrom in einem geschlossenen Kreislauf verwendet.
Die Bezugszeichen in 3 sind für die gemeinsamen Elemente
die gleichen wie in 1, wobei diese allgemeinen Elemente
nicht erneut ausführlich
beschrieben werden. In der in 3 illustrierten
Ausführungsform
der Erfindung wird flüssiger
Wasserstoff in einem Strom 5 zu einer supraleitenden Einrichtung 9 geleitet,
wo er verdampft wird, um der supraleitenden Einrichtung durch direkten oder
indirekten Wärmeaustausch
Kälte zuzuführen. Das
sich ergebende Wasserstoffgas in einem Strom 40 wird von
dem System abgezogen. Wie in 3 dargestellt,
kann das Wasserstoffgas auf eine ähnliche wie im Zusammenhang
mit 1 beschriebene Weise zur Kühlung, als Brennstoff und/oder
zur Verbrennung verwendet werden.
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Obgleich
die Erfindung ausführlich
mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden
ist, versteht sich für
den Fachmann, dass weitere Ausführungsformen
der Erfindung in den Rahmen der Ansprüche fallen. Beispielsweise
versteht sich, dass obgleich der Wärmetauscher 10 als
ein unitäres
Bauteil dargestellt ist, dieser ebenso in zwei oder mehreren getrennten
Abschnitten vorliegen könnte.
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Zusammenfassung
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Ein
System zum Kühlen
einer supraleitenden Einrichtung (9), bei welchem eine
Verdampfung von flüssigem
Wasserstoff in einem offenen Kreislauf eingesetzt wird, wodurch
eine supraleitende Einrichtung gekühlt wird oder wodurch Helium
gekühlt
wird, das in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, der die supraleitende
Einrichtung kühlt,
wobei keine Kältemaschine
verwendet wird und wobei der sich ergebende gasförmige Wasserstoff ferner zum
Kühlen, als
Brennstoff oder zur Verbrennen verwendet werden kann.