-
[Gebiet]
-
Verweis auf eine zugeordnete Anmeldung
-
Die vorliegende Erfindung beansprucht die Prioritätsrechte der
JP-Patentanmeldung 2010-231989 , die am 14. Oktober 2010 in Japan eingereicht worden ist. Der gesamte Inhalt dieser JP-Patentanmeldung mit dem früheren Anmeldetag soll in die vorliegende Anmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen werden.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromleiter zur Supraleitung.
-
[Hintergrund]
-
Um den Wärmeeintrag in einen Stromleiter zu beherrschen, der einen umgebungsbedingungsseitigen Anschluss und einen tieftemperaturseitigen Anschluss, der an eine supraleitende Leitung angeschlossen ist, zu verbinden, hat der vorliegende Erfinder Untersuchungen durchgeführt, um unter Verwendung eines Peltier-Stromleiters (”PCL” für ”Peltier current lead”) die Menge an Wärmeeintrag zu verringern. In Bezug auf diesen Typ von Stromleiter wird insbesondere auf die nachfolgend angeführte Patentliteratur Bezug genommen.
-
Es besteht weiterhin ein Bedarf, den Wärmeeintrag in den Stromleiter weiter zu verringern.
-
1 stellt einen Stromleiter gemäß einer zugehörigen Technik dar. Ein Kupferdraht (Stromleiter) verbindet ein auf Umgebungstemperatur liegendes Ende (300 K) und ein Tieftemperaturende (77 K).
-
Da durch einen Temperaturgradienten ein Wärmefluss verursacht wird, beaufschlagt die gesamte Ohm'sche Wärmeerzeugung in dem Kupferleiter das Tieftemperaturende von 77 K.
-
Falls der Querschnitt des Kupferdrahtes dicker oder die Drahtlänge kürzer ist, nimmt die durch den Strom erzeugte Ohm'sche Wärme ab. Allerdings wird der Wärmeeintrag auf die Tieftemperaturseite durch Wärmeleitung erhöht.
-
Falls der Querschnitt des Kupferdrahtes kleiner oder die Drahtlänge kürzer eingerichtet wird, wird die strominduzierte Ohm'sche Wärmeerzeugung verringert. Allerdings wird der Wärmeeintrag aufgrund von Wärmeleitung erhöht.
-
Somit sollte es Optimalwerte für die Drahtlänge und den Drahtquerschnitt geben.
-
Daher ist es beim Auslegen des Stromleiters erforderlich, eine Gleichung für einen Wärmefluss zu lösen, um eine Optimallösung zu finden. In Anbetracht dessen haben die vorliegenden Erfinder eine Software entwickelt und mehrere Abhandlungen veröffentlicht.
-
[Zitierliste]
-
[Patentliteraturquellen]
-
- [Patentdokument 1] JP Patent Kokai JP-A-08-236342
- [Patentdokument 2] JP Patent Kokai JP-A-2003-51625
- [Patentdokument 3] JP Patent Kokai JP-A-2003-46150
- [Patentdokument 4] JP Patent Kokai JP-A-2004-6859
- [Patentdokument 5] JP Patent Kokai JP-A-2003-217735
-
[Nichtpatentliteratur]
-
-
[Zusammenfassung der Erfindung]
-
[Technisches Problem]
-
Die Gesamtheit der in den vorgenannten Patentdokumenten 1 bis 5 und dem Nichtpatentdokument 1 offenbarten Inhalte wird hiermit durch Bezugnahme umfasst.
-
Nachfolgend findet sich eine Analyse der zugehörigen Technik.
-
Für eine Optimallösung für 1 ist in 2 die Temperaturverteilung in Bezug auf die Längsrichtung eines Leiters dargestellt. In 3 ist der Wärmefluss in Bezug auf die gleiche Richtung gezeigt.
-
In 2 gibt die horizontale Achse eine normierte Länge eines Kupferleiters und die vertikale Achse die Temperatur in K an. In 3 gibt die horizontale Achse die normierte Länge eines Kupferleiters und die vertikale Achse den Wärmefluss in W an. Der Stromwert wird hier bei 100 A gesetzt und die Drahtlänge ist so normiert, dass sie auf der 77 K-Seite bei einem Ursprung Null ist, wobei die 300 K entsprechende Länge 1 (dimensionsfreier Einheitswert) entspricht. Wenn sich die Temperatur 300 K nähert, geht der Differenzialkoeffizient der Temperaturverteilung gegen Null. Dies minimiert einen Wärmeeintrag aufgrund von Wärmeleitung von außen. Wenn durch den Kupferleiter ein Stromfluss verursacht wird, erfolgt eine Wärmeerzeugung, wobei die Wärme in ihrer Gesamtheit, wie in 3 angedeutet, aufgrund des Temperaturgradienten zu der Tieftemperaturseite fließt.
-
Daher nimmt ein Wärmefluss auf der Tieftemperaturseite zu, und die Summe des Wärmeeintrags auf der Umgebungstemperaturseite sowie der in dem gesamten Stromleiter erzeugten Wärme stellt daher die Wärmelast an einer 77 K-Kühleinheit dar.
-
Gemäß den Ergebnissen einer Optimalauslegung ist der strombezogene Wärmeeintrag Q0 = 42,5 W/kA. Allerdings ist ein herkömmlich verwendeter Auslegungswert 50 W/kA. Daher liegt bei einem Strom von 1 kA der Wärmeeintrag auf 77 K bei 50 W (42,5 W). Unter der Annahme, dass der Leistungskoeffizient (”COP” für ”coefficient of performance”) des Kühlungs/Heizvermögens pro 1 W einer verbesserten Kühleinheit bei 77 K bei 0,1 liegt und dass die Wärme auf die Umgebungstemperaturseite überführt werden muss, wird als Leisung 50/0,1 = 500 [W] verbraucht. Es sei angemerkt, dass für eine Stirling-Kühleinheit mit einem COP von 0,067, hergestellt durch AISIN SEIKI Co., Ltd., eine Leistung von 50/0,067 = 746 [W] verbraucht wird.
-
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Stromleiter anzugeben, bei dem der Wärmeeintrag auf eine Tieftemperaturseite verringert werden kann.
-
[Lösung des Problems]
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromleiter bereitgestellt, bei dem ein Kühlgas zum Wärmeaustausch in einer Leitung von einer Tieftemperaturseite auf eine Hochtemperaturseite strömt, die einen Stromleiter umgibt, der zwischen einem tieftemperaturseitigen Anschluss und einem umgebungstemperaturseitigen Anschluss liegt, und bei dem das an der Umgebungstemperaturseite abgegebene Kühlgas über eine Anzahl von Kühlmitteleinheiten zu der Tieftemperaturseite des Rohres zirkuliert.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Stromleiter ein Peltier-Element(e) auf der Tieftemperaturseite oder sowohl an der Umgebungstemperaturseite als auch an der Tieftemperaturseite.
-
Das oder jedes Peltier-Element absorbiert durch Beaufschlagen mit dem Strom Wärme.
-
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Wärmeeintrag auf eine Tieftemperaturseite verringert werden.
-
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
-
1 ist ein schematisches Schaubild, das eine Anordnung eines Stromleiters gemäß der zugehörigen Technik darstellt.
-
2 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang der Temperaturverteilung in Bezug auf die Leiterlänge darstellt.
-
3 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang der Wärmeflussverteilung in Bezug auf die Leiterlänge darstellt.
-
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung eines zweistufigen Wärmeleiters gemäß der zugehörigen Technik darstellt.
-
5 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang des Wärmeflusses des Kupferleiters in Bezug auf die Temperatur darstellt.
-
6 ist ein schematisches Schaubild, das eine Anordnung eines dreistufigen Stromleiters darstellt.
-
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel (Gaswärmetauscher gemäß einem dreistufigen Stromleitertyp) eines beispielhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
8 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel (Gaswärmetauscher eines doppelstufigen Peltier-Stromleitertyps) eines beispielhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
9 ist eine schematische Ansicht, um das Prinzip einer Kühleinheit darzustellen.
-
10 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel (Stromleiter des Typs mit eingebauter Kühleinheit) eines beispielhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
11 ist ein schematisches Schaubild, das eine Anordnung einer mehrstufigen Brayton-Kühlkreislaufeinheit (Paralleltyp) gemäß der zugehörigen Technik darstellt.
-
12 ist eine schematische Ansicht, um ein Beispiel (Einbau einer mehrstufigen Brayton-Kühlkreislaufeinheit in einen Stromleiter) eines beispielhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
13 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel (Peltier-Stromleiter mit einer eingebauten Kühleinheit) eines beispielhaften Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
[Beschreibung der Ausführungsbeispiele]
-
In der nachfolgenden Erläuterung werden Voraussetzungen und bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in dieser Reihenfolge erläutert. Untersuchungen zu mehrstufigen Stromleitern werden derzeit durch eine Anzahl von Gruppen einschließlich Minervini beim MIT (Massachusetts Institute of Technology) durchgeführt. 4 zeigt eine derzeit untersuchte Struktur (Nichtpatentdokument 1). Dies ist ein System, bei dem in der Mitte bei einem Stromleiter ein thermischer Anker (TA) installiert ist, durch den ein Kühlmittel (Gas oder Flüssigkeit) zirkuliert. Bei dem vorliegenden Beispiel liegt der TA bei 150 K und ist mit einem Gas bei 150 K aus einer weiteren Kühleinheit versorgt. Das Gas mit einer geringfügig erhöhten Temperatur zirkuliert in dem TA und wird durch die Kühleinheit erneut gekühlt, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Bei einer derartigen Struktur wird jeglicher Wärmeeintrag von einer Temperaturseite, die höher als der TA liegt, in seiner Gesamtheit durch diesen TA absorbiert und stellt die Wärmelast für die Kühleinheit 2 dar.
-
Der Wärmeeintrag durch Ohm'sche Wärme, die in dem Abschnitt des Stromleiters erzeugt wird, bei dem die Temperatur geringer als die vorgenannte Temperatur ist, stellt eine Wärmelast an der 77 K-Kühleinheit dar. Daher wird die Wärmelast an der 77 K-Kühleinheit verringert.
-
Falls die Temperatur erniedrigt wird, wird der elektrische Widerstand von Kupfer verringert, und daher ist die Wärmeerzeugung bei 150 K oder weniger merklich geringer als bei 300 K oder weniger.
-
Andererseits sind eine Menge an Wärmeeintrag Q2 bei 150 K, eine Menge an Wärmeeintrag Q1 bei 77 K und eine Menge an Wärmeeintrag Q0 bei 77 K in 1 durch Q0 = Q1 + Q2 (1) miteinander verknüpft.
-
Auch wenn die Summe der durch die beiden Kühleinheiten absorbierten Wärmelasten unverändert ist, ist der COP einer Kühleinheit mit einer höheren Kühltemperatur größer. Daher ist die Summe der verbrauchten Energiemengen bei den beiden Kühleinheiten verringert. Dieser Effekt wird nachfolgend realistisch abgeschätzt. Der Zusammenhang zwischen dem Wärmefluss in dem Stromleiter und der Temperatur ist in 5 dargestellt, bei der die horizontale Achse die Temperatur und die vertikale Achse den Wärmefluss darstellt. 5 ist durch Überarbeiten der Daten in 2 und 3 erhalten. In 5 liegt der strombezogene Wärmefluss für 77 K bei 42,5 W/kA und der für 123 K bei 40,7 W/kA.
-
Daher liegt bei einem Strom von 1 kA die Wärmelast an der Kühleinheit 1 bei 1,8 (= 42,5 – 40,7) W, während die an der Kühleinheit 2 bei 40,7 W liegt. Der COP der Kühleinheit ändert sich mit der Temperatur derart, dass bei höherer Temperatur der COP größer ist.
-
Beispielsweise ist eine Kühleinheit gemäß Modell Nummer MDF-1156AT (hergestellt durch SANYO Electric Co., Ltd.) in der Lage, auf –152°C (= 123 K) mit einem COP = 0,221 zu kühlen. Ein Modell Nummer MDF-793 ist dazu in der Lage, mit einem COP = 0,75 auf –85°C (= 188 K) zu kühlen. Die Wärmeflüsse bei diesen verschiedenen Temperaturen sind demnach in 5 dargestellt.
-
Mit Bezug auf 4 ist die Temperatur des Wärmeankers (TA) auf 150 K gesetzt. Zwei Fälle (ein Fall mit einer TA-Temperatur bei 123 K und ein Fall mit einer TA-Temperatur von 188 K) werden nachfolgend gründlich untersucht.
-
Fall 1 (Fall mit einer TA-Temperatur = 123 K)
-
Es sei angenommen, dass die Kühleinheit, die auf 77 K herunterkühlt, eine Stirling-Kühleinheit mit einem COP = 0,067 ist. Aus 5 ist zu erkennen, dass der Wärmefluss herunter zu 123 K bei 40,7 W liegt. Daher liegt die Leistung, die erforderlich ist, um diesen Wärmefluss auf die Umgebungstemperatur zu bringen, bei 40,7/0,221 = 184,2 W.
-
Da andererseits die Wärmelast bei 77 K bei 1,8 W liegt, liegt der Leistungsverbrauch dieser Kühleinheit bei 1,8/0,067 = 26,9 W. Daher wird in Summe insgesamt eine Leistung von 211,1 W verbraucht.
-
Falls das Herunterkühlen lediglich durch eine 77 K-Kühleinheit (bei einem einstufigen Kühlen) durchgeführt wird, liegt die verbrauchte Leistung bei 42,5/0,067 = 634,4 W. Der Leistungsverbrauch von 211,1 W in dem Fall von 4 beträgt etwa ein Drittel von 634,4 W, welches der Wert für ein einstufiges Kühlen ist.
-
Fall 2 (mit TA-Temperatur = 188 K)
-
Da der Wärmefluss herunter auf 188 K bei 35,2 W ist, liegt die zum Erwärmen auf Umgebungstemperatur erforderliche Leistung bei 35,2/0,75 = 46,9 W.
-
Da andererseits die Wärmelast bei 77 K bei 7,3 W liegt, ist der Leistungsverbrauch für diese Kühleinheit 7,3/0,067 = 109 W. Daher wird insgesamt eine Leistung von 155,6 W verbraucht. Daher ist der Leistungsverbrauch auf etwa 24,5% bezüglich eines Falles einer einstufigen Kühlung verringert.
-
Es kann daher erwartet werden, dass eine zunehmende Anzahl an Stufen vorteilhaft ist, um den Leistungsverbrauch zu verringern.
-
Nachfolgend ist eine dreistufige Anordnung beschrieben. Dies bedeutet, dass zwei thermische Anker (TAs) an verschiedenen Abschnitten des Stromleiters vorhanden sind.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 1>
-
6 zeigt eine Anordnung mit einem dreistufigen Stromleiter. Das bedeutet, dass drei Kühleinheiten 1 bis 3 verwendet werden. In diesem Fall liegt die Wärmelast an der Kühleinheit 1 (77 K) bei 1,8 W mit einem Leistungsverbrauch von 26,9 W. Die Wärmelast an der Kühleinheit 3 (188 K) liegt bei 35,2 W mit einem Leistungsverbrauch von 46,9 W.
-
Die Wärmelast an der Kühleinheit 2 (123 K) liegt bei 5,5 W mit einem Leistungsverbrauch von 24,9 (= 5,5/0,221) W. Dementsprechend liegt der gesamte Leistungsverbrauch bei 98,7 W.
-
Dies entspricht 15% des Leistungsverbrauchs, der bei dem Überführen von Wärme von dem Stromleiter auf Umgebungstemperatur gemäß dem Stand der Technik aufzuwenden ist.
-
Auf diese Art und Weise kann der Wärmeeintrag durch eine mehrstufige Anordnung effektiv verringert werden.
-
Ein gasgekühlter Stromleiter wurde zuerst in den 1970er Jahren vorgeschlagen und ermöglichte es erstmals, einen supraleitenden Magneten in einer Laborumgebung zu verwenden. Das vorgeschlagene System war dergestalt, dass ein flüssiges Kühlmittel, welches einen supraleitenden Magneten oder dergleichen kühlt, aufgrund des Wärmeeintrags von dem Stromleiter verdampft wird, wobei das so erzeugte Gas durch die Innenseite des Stromleiters strömt, um über einen Umgebungstemperaturbereich nach außen zu entweichen. Es ist daher erforderlich, das Kühlmittel andauernd zuzuführen, und daher konnte der Stromleiter nicht für ein System wie beispielsweise eine Leistungsübertragungsleitung verwendet werden, auch wenn es als Versuchsausstattung verwendet werden konnte.
-
Wenn allerdings das Gas zum Einsatz beim Kühlen rückgeführt wird, kann das System als Dauerbetriebssystem verwendet werden. Bei diesem Konzept erhält der Stromleiter zusätzlich ein höheres elektrisches Potenzial, so dass der TA als Wärmetauscher elektrisch von der Kühleinheit isoliert werden muss und daher in der Struktur komplex wird. Allerdings kann ein derartiges Problem insbesondere bei einem System mit drei oder mehr Stufen gelöst werden.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 2>
-
7 zeigt eine Anordnung eines Gaswärmetauschers des Typs mit einem dreistufigen Stromleiter gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 7 strömt ein von der Kühleinheit 2 bereitgestelltes Kühlgas durch eine Innenseite eines Rohres 12, das einen Stromleiter 11 von einer Tieftemperaturseite in Richtung einer Hochtemperaturseite umgibt, wobei die Kühlgaswärme bei Umgebungstemperatur (300 K) ausgetauscht und abgeführt wird. Es wird dann in einem Pfad durch die Kühleinheit 3 und dann durch die Kühleinheit 2 geführt. Dann ist bei der Kühleinheit 3 wenigstens ein elektrisches Isolieren bei einem Gaskühlpfad überflüssig, während es überflüssig ist, erneut einen thermischen Anker (TA) in einem Hochdruckstromleiter vorzusehen. Daher kann der Stromleiter in seiner Struktur vereinfacht werden. Weiterhin wird das Kühlgas gekühlt, nachdem dessen Temperatur auf Umgebungstemperatur angehoben worden ist, so dass die Wärmetauscher für die Kühleinheiten 2 und 3 in ihrer Größe verringert werden können. Auch wenn daher die Menge an Wärmeeintrag der bei 6 entspricht, kann das gesamte System aus ingenieursmäßiger Sicht vereinfacht werden.
-
Es ist ein weiteres Merkmal des vorangehend beschriebenen Gaszirkulationssystems, dass das System unter Berücksichtigung des Stroms optimal betrieben werden kann, indem die Menge an Gaszirkulation unter Berücksichtigung des Stroms kontrolliert wird.
-
Es ist allgemein bekannt, dass sich bei konstant gehaltener Spannung ein Strom entsprechend mit einer Last an der Anordnung ändert. Daher ändert sich an der Tieftemperaturseite des Stromleiters eintretende Wärme mit einer Temperatur. Ein optimaler Betrieb kann zu jeder Zeit ermöglicht werden, indem eine Menge an Gaszirkulation geändert wird.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 3>
-
Die vorliegende Erfindung kann bei einem Peltier-Stromleiter (”PCL” für ”Peltier current lead”) eingesetzt werden. 8 zeigt ein derartiges Beispiel (Gaswärmetauscher des Typs mit doppelstufigem Peltier-Stromleiter). In einem auf Umgebungstemperatur liegenden Bereich des Stromleiters 11 ist ein Peltier-Material 13 angeordnet. Durch dieses Material (Peltier-Materialabschnitt) fließt ein Strom, um den Wärmeeintrag unter dem Peltier-Effekt zu verringern. Durch dieses System wird ein Kühlgas derart zirkuliert, dass durch den Peltier-Stromleiter (PCL) ein Wärmeeintrag verringert werden kann. Ein derartiges System, das eine Strömungsrate eines zirkulierenden Gases in Abhängigkeit eines Stromwertes einstellt, kann in 7 und 8 eingebaut werden, um in Abhängigkeit des Stromwertes eine Menge an Gas zu erhöhen beziehungsweise zu erniedrigen. Dies kann den Wirkungsgrad des gesamten Systems verbessern.
-
Bei einem derartigen Fall ist das Peltier-Material in seiner Dicke dünn ausgestaltet. Allerdings wird ein Temperaturunterschied im Bereich von 100 K erzeugt. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es für ein Gas schwierig wird, in dem Peltier-Material 13 einen ausreichenden Wärmeaustausch vorzunehmen. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es bevorzugt, ein zirkulierendes Gas zu verflüssigen, da eine Flüssigkeit in der Rate eines Wärmeübertrags gegenüber einem Gas um nahezu zwei Größenordnungen höher liegt. Insbesondere entspräche es üblicher Praxis, ein unter Druck gesetztes Freon-basiertes oder Kohlenwasserstoff-basiertes Kühlmittel zu verwenden. In der in 4 dargestellten Struktur gibt es keinen Hinweis auf eine Herkunft des auf 150 K gekühlten Gases (kaltes Gas). Daher gibt es keine Beschreibung bezüglich einer Gaszirkulation in irgendeiner Abhandlung einschließlich denjenigen des MIT, die bis jetzt publiziert worden sind. Aus diesem Grund ist eine Zirkulation von Kühlgas im Detail in 7 und 8 der vorliegenden Erfindung angegeben. Allerdings kann eine derartige Zirkulation auch in der Innenseite der Kühleinheiten selbst durchgeführt werden.
-
<Kühleinheit>
-
Nunmehr wird eine beispielhafte Kühleinheit beschrieben, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 9 stellt das Prinzip einer Kühleinheit der zugehörigen Technik dar. Die Kühleinheit ist mit einem Kompressor, mit einem Expansionsventil und mit zwei Wärmetauschern aufgebaut. Der Kompressor erzeugt ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck, welches dann durch die Wärmetauscher bei hohem Druck auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Das Hochdruckgas wird dann durch das Expansionsventil im Druck herabgesetzt, wobei die Temperatur zur gleichen Zeit verringert wird. Dieser Vorgang, der als ein Prozess gleicher Enthalpie bezeichnet wird, ist ein Vorgang mit adiabatischer Expansion. Das in der Temperatur erniedrigte Gas kühlt ein Objekt zum Kühlen über die Wärmetauscher. Es sei angemerkt, dass die Richtung der 'Wärmeübertrag' anzeigenden Pfeile in 9 umgekehrt ist. Die erläuterte Kühleinheit unterliegt einem Problem, dass das Niederdruckgas, welches an der Tieftemperaturseite Wärme austauscht, und das immer noch niedrige Temperatur hat, durch den Kompressor in ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck überführt wird. Es wäre wünschenswert, das Gas zu verwenden, bis es bei einer Umgebungstemperatur ist, falls dies möglich ist. Allerdings wäre dies nicht mit der Aufgabe als Kühleinheit verträglich. Daher wird ein Verlust an Exergie auftreten, um den Wirkungsgrad des Kühleinheitsystems zu verringern. Falls allerdings 7 und 8 aus einer derartigen Sicht betrachtet werden, ist die Zufuhr zu der Kühleinheit ein Gas auf Umgebungstemperatur.
-
Falls daher das durch die Kühleinheit zirkulierende Kühlmittel direkt durch den Stromleiter geführt wird, tritt das vorgenannte Problem nicht auf, und daher kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Da zusätzlich die in der Kühleinheit verwendeten Wärmetauscher entbehrlich sein können, kann der Wärmetauscherverlust verringert werden, um den Wirkungsgrad des gesamten Systems zu verbessern.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 4>
-
10 zeigt ein Beispiel eines beispielhaften Ausführungsbeispiels 4 gemäß der vorliegenden Erfindung. Aus 10 ist ersichtlich, dass eine Kühleinheit selbst in den Stromleiter eingebaut ist. Das bedeutet, dass ein Wärmetauscher 15 auf einer Tieftemperaturseite zugleich die Aufgabe eines Wärmetauschers in einem Stromleiter 11 erfüllt. Ein an einem Umgebungstemperaturende abgegebenes Kühlgas wird in einem Kompressor 14 in Temperatur sowie Druck erhöht und in dem Wärmetauscher 15 in der Temperatur gesenkt. Das Gas wird in einem Expansionsventil 16 in eine Gas mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur umgewandelt, welches dann einem Rohr 12 eines Stromleiters 11 zugeführt wird. Falls daher beispielsweise ein Gas mit hohem Druck auf Umgebungstemperatur von einem Hochdruckstickstoffgaszylinder zu einem kommerziell erhältlichen Expansionsventil nach Art eines JT-(Joule-Thomson-)Ventils zugeführt wird, kann ein Tieftemperaturgas mit einer Temperatur im Bereich von –120°C einfach hergestellt werden. Daher ist es bei einem derartigen Kompressor lediglich erforderlich, dass er verwendet wird, um ein Stickstoffgas in einem kommerziell erhältlichen Stickstoffgasdruckzylinder zu bevorraten.
-
Wenn daher eine Gasspeicherausrüstung wie ein Gasvorrat, beispielsweise ein Hochdruckgaszylinder, der in 10 nicht dargestellt ist, zwischen einem Wärmetauscher und einem Expansionsventil bereitgestellt ist und ein anderes Reservoir für ein Gas an einem umgebungstemperaturseitigen Ende bereitgestellt ist, wird es überflüssig, andauernd einen Kompressor zu betreiben. In diesem Fall kann das gesamte System bezüglich einer betrieblichen Zuverlässigkeit verbessert werden. Es sei angemerkt, dass, auch wenn die Temperatur des bei dem Stromleiter eintretenden Gases in 10 bei 188 K liegt, es in der Tat bestimmt wird, dass der COP der Kühleinheit als auch der Wärmeeintrag in den Stromleiter berücksichtigt wird. Das Expansionsventil 16 kann daher selbstverständlich mit einem Mechanismus gekoppelt sein, der über den Strom eine Kontrollfunktion ausübt. Dies bedeutet, dass die Menge an Kühlmittelzirkulation unter Berücksichtigung des Wärmeflusses verändert wird, die mit dem Stromwert variiert. Auf diese Art und Weise kann das gesamte System bezüglich des Wirkungsgrades verbessert werden.
-
Gemäß den vorangehenden Erläuterungen sind die Kühleinheit 1 und die Kühleinheit zum Abkühlen des Stromleiters als getrennte Einrichtungen bereitgestellt. Unter den Kühleinheiten mit hohem Wirkungsgrad gibt es mehrstufige Brayton-Kühleinheiten.
-
<Mehrstufige Brayton-Kühleinheit>
-
11 stellt ein Beispiel einer mehrstufigen Brayton-Kühleinheit dar. Insbesondere stellt 11 einen Paralleltyp genannten Typ dar, bei dem Qr ein Wärmetauscherteil ist, der Wärme bei einer tiefen Temperatur absorbiert. Ein Wärmestrahler ist ebenfalls ein Wärmetauscher. Es sind zwei Expansionseinheiten vorhanden, eine für eine tiefe Temperatur und eine weitere für eine mittlere Temperatur, um zu optimieren. Bei einer Kühleinheit für eine extrem tiefe Temperatur wurde das nach dem Wärme-Qr zirkulierende Gas durch einen Tieftemperaturwärmetauscher absorbiert und ist weiterhin auf einer tiefen Temperatur. Daher wird das Hochdruckgas vor einer Expansion durch Wärmetauscher (3), (2) und (1) gekühlt.
-
Dies verbessert den Wärmewirkungsgrad der Kühleinheit. Dies bedeutet bei dem vorliegenden, auch eine Kühleinheit genannten Beispiel, dass dessen interne Konfiguration so ist, dass ein Wärmeaustausch bei einer Vielzahl von Temperaturen erfolgt. Eine derartigen Anordnung wird üblicherweise für eine Kühleinheit bei einer tiefen Temperatur verwendet.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 5>
-
Hier wird eine in 12 dargestellte Kühleinheit als ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel 5 der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen. 12 ist ein Schaubild, das einen Aufbau einer mehrstufigen Brayton-Kühlkreislaufeinheit in einem Stromleiter darstellt. Eine Expansionseinheit (2) kühlt auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herab, um ein System zu kühlen, dass ein supraleitendes Kabel von einem Tieftemperaturende eines Stromleiters aufweist. Das bedeutet, dass die Expansionseinheit der Kühleinheit 1 von 6 entspricht.
-
Andererseits sind der Wärmetauscher (2) bei einer mittleren Temperatur und der Wärmetauscher (1) so ausgelegt, dass sie jeweils den Kühleinheiten 2 und 3 entsprechen. Die Wärmetauscher sind in der Größe geringfügig vergrößert, und die Wärmetauscherabschnitte, die somit in der Größe vergrößert sind, sind dazu ausgelegt, ebenfalls als eine Kühleinheit zu arbeiten, um einen mittleren Abschnitt des Stromleiters zu kühlen, das heißt ein thermischer Anker (TA) zu sein. Insbesondere ist zwischen dem thermischen Anker (TA) des Stromleiters 11 und dem Wärmetauscher ein Kühlmittel zirkuliert.
-
Als ein alternatives Verfahren kann das Arbeitsgas selbst der Brayton-Kühlkreislaufeinheit verwendet werden, unmittelbar in den thermischen Anker (TA) des Stromleiters zur Zirkulation zu fließen. In diesem Fall kann eine einzige Kühleinheit konform für mehrere, in 6 dargestellte Kühleinheiten verwendet werden.
-
Wie oben beschrieben, kann in dem Wärmetauscher (2), in dem die Menge an Tieftemperaturgas durch die Expansionseinheit (1) vergrößert ist, die Wärmeabsorption in dem Expansionsabschnitt erhöht werden, was einem ingenieurmäßigen vernünftigen Handeln entspricht.
-
Das vorliegende beispielhafte Ausführungsbeispiel ist mit Bezug auf ein Beispiel einer Brayton-Kühlkreislaufeinheit eines Paralleltyps beschrieben. Es können jedoch auch Kühleinheiten eines Reintyps und eine Kühleinheit wie ein mehrstufiger Vorkühler nach Art eines Claude-Kühlkreislaufkühlers (Kühleinheit des Typs nach Collins) verwendet werden, die zusätzlich zu einer Expansionseinheit ein JT-Ventil ausnutzen.
-
<Beispielhaftes Ausführungsbeispiel 6>
-
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel 6 ist BiSb mit einem Hochleistungsindex bei einer niedrigen Temperatur als ein Peltier-Material verwendet, welches in den Leistungsdaten lediglich bei tiefen Temperaturen verbessert ist (ein derartiges Material nutzt in an sich bekannter Art und Weise Supergitter aus). Bei einer derartigen Konfiguration kann ein optimales Auslegen durch Ändern der Menge an strömendem Gas realisiert werden. 13 ist ein Schaubild, das die Konfiguration des vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispieles darstellt. Wie in 13 dargestellt, ist ein Peltier-Material 2 (17) an der Tieftemperaturseite des Stromleiters 11 bereitgestellt. Ansonsten ist das vorliegende beispielhafte Ausführungsbeispiel ähnlich der Konfiguration gemäß 8. An einer Umgebungstemperaturseite des Stromleiters 11 ist ein Peltier-Material 1 (13) bereitgestellt.
-
Die Offenbarungen der zugehörigen Patentdokumente werden durch Bezugnahme hiermit umfasst. Die spezifischen beispielhaften Ausführungsbeispiele oder Beispiele können innerhalb des Umfangs der gesamten Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der Patentansprüche basierend auf dem grundlegenden technischen Konzept der Erfindung modifiziert oder angepasst werden. Weiterhin können eine Vielzahl von Kombinationen oder eine Auswahl von Elementen einschließlich von Elementen der Ansprüche, beispielhaften Ausführungsbeispiele oder Zeichnungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche vorgenommen werden. Die vorliegende Erfindung kann zahlreiche Modifikationen oder Änderungen umfassen, die den Fachleuten auf diesem Gebiet gemäß der gesamten Offenbarung und des technischen Konzepts einschließlich der Ansprüche und des technischen Konzepts der Erfindung in den Sinn kommen.
-
-
Bezugszeichenliste
-
- 11
- Stromleiter
- 12
- Rohr
- 13, 17
- Peltier-Materialien
- 14
- Kompressor
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Expansionseinheit
- Q0 bis Q4, Q6
- Wärmeflüsse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
