DE1942894A1 - Verfahren zur Kuehlmittelzirkulation - Google Patents

Description

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Societe Generale de Constructions Electriques et Mecaniques (ALSTHOM), Paris 16, Avenue Kleber 38 (Prankreich)

"Verfahren zur Kühlmittelzirkulation"

Französische Priorität vom 29. August 1968 aus der französi schen Patentanmeldung Nr. 164 628 (Seine)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer Kühlmittelzirkulation in einem in dieses Kühlmittel eingetauchten Körper.

Wenn ein Körper, beispielsweise eine elektrische Spule, in ein Kühlmittel wie etwa Helium, Wasserstoff oder Stickstoff eintaucht, ist es mitunter nötig oder sehr wünschenswert,eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit im Inneren des eingetauchten Körpers herbeizuführen.

Ebenso verhält es sich bei einem supraleitenden Magneten, wo die Qualität, die Sicherheit und die Beständigkeit des Betriebes in erster Linie von der Güte seiner Stabilisierung abhängen, die auch zum Teil seinen Preis und seine tatsächliche Leistungsfähigkeit beeinflußt. Nun hängt die Stabilisierung Ihrerseits von dem Wärdmeaustauschkoeffizienten zwischen dem

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stabilisierten Leiter und dem flüssigen Helium, ab. Bekanntlich wächst dieser Koeffizient schnell mit der Zirkulationsgeschwindigkeit des flüssigen Heliums, das sich mit dem Leiter in Kontakt befindet.

Derzeit werden supraleitende Spulen in einem stehenden Bad flüssigen Heliums gekühlt und die Zirkulation setzt erst bei Änderung der physikalischen Phase des Kühlmittels ein, wenn also das durch die Phasenänderung hervorgerufene Gasen mit einer nicht unerheblichen Verzögerung eine Konvektionsbewegung auslöst Es wäre außerordentlich vorteilhaft, wenn wenigstens während der Erzeugung eines Feldes das Helium dauernd durch die Kühlkanäle zirkulieren würde, doch besteht die Schwierigkeit, daß es derzeit keine Pumpe für flüssiges Helium gibt, was auf die sehr geringe Verdampfungswärme dieser Flüssigkeit und ihre Neigung zur Kavitation zurückzuführen ist. Es wurden zwar Versuche mit Pumpen, die bei geringer Förderleistung mit relativ hohen Druck arbeiten, angestellt, aber die üblicherweise angewendete Technik für die Konstruktion supraleitender Magneten fordert im Gegenteil eine hohe Förderleistung von Helium unter einem sehr niedrigen Druck.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzielung einer Zirkulation eines vorzugsweise flüssigen Kühlmittels im Inneren eines in diese Flüssigkeit eintauchenden Körpers zu schaffen, welches die Kavitationsgefahr vermeidet.

Diese Aufgabe ist bei dem Verfahren der einleitend angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in dem Kühlmittelbad eine aus nach oben zusammenlaufenden Wänden bestehende Haube angebracht ist, in die das gasförmige, unter Überdruck stehende Kühlmittel einströmt und dabei das in dem eingetauchten Körper enthaltene, flüssige Kühlmittel mitreißt.

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Das gasförmige Kühlmittel, das man in die Haube einströmen läßt, kann einem gesonderten Verflüssiger an geeigneter Stelle entnommen sein. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver- ' fahrens erlaubt es jedoch, dieses gasförmige Kühlmittel im Inneren des Kühlbehälters selbst zu erzeugen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung die Teilung des Kühlbehälters in zwei konzentrische Behälter vor, deren innerer den Körper enthält, und dessen äußerer der Entnahme des Kühlgases von der Oberfläche des Bades dient, das sich unter erhöhtem Druck befindet, was auf das Eindringen von Wärme über die Wände des Kühlbehälters und, wenn es sich um ein elektrisches Gerät handelt, über die elektrischen Verbindungen zurückzuführen ist.

Im letzteren Falle wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Wärmetauscher auf den elektrischen Verbindungen, dort wo sie durch die Kühlflüssigkeit- im äußeren Behälter hindurchführen, anzubringen. Eine weitere Maßnahme zur Regulierung besteht" darin, daß man die Verbindungen von einem regelbaren Anteil des Kühlgases, das aus dem inneren Behälter der Kühleinrichtung entweicht, umströmen läßt.

Der Druck im äußeren Behälter kann dadurch erhöht und gegebenenfalls geregelt werden, daß man eine regelbare Heizeinrichtung in der Kühlflüssigkeit, die er enthält, vorsieht.

In der Zeichnung ist das Verfahren der erfindungsgemäßen Art 'anhand einer seine Durchführung ermöglichenden Vorrichtung in einer beispielsweise wiedergegebenen Ausführungsform schematisch veranschaulicht* Es zeigen:

Pig. 1: Ansicht einer kühleinrichtung, die mit einer Vorrichtung zur Erzielung einer Zirkulation des Kühlmittels nach dem erfindungegemäßen Verfahren versehen ist.

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Pig.-2 "und 3: Teilansichten des Innenraums dieser Kühleinrichtung zur Veranschaulichung möglicher Ausführung»formen.

1 veranschaulicht eine Kühleirtrichtunp; _s deren Wand in üblicherweise so aufgebaut ist, daß ein Zwischenraum 1 sich unter Vakuum befindet, ein Zwischenraum 2 mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist und ein Zwischenraum 3 wiederum eich unter Vakuum befindet. Das Innere der Kühleinrichtung ist durch die Wand 4 In swei Behälter geteilt: Einen inneren Behälter 5» indem sich ein Körper 6, beispielsweise eine supraleitende Spule befindet, der in flüssiges Helium eingetaucht ist; einen Süßeren Behälter 7, ebenfalls mit flüssigem Helium gefüllt. Die supraleitende Spüle 6 1st über elektrische Leitungen 8 mit der Umgebung außerhalb dee Kühlbehälters verbunden. Diese Leitungen enthalten Wärmetauscher 9, die in das flüssige Helium des Behälters 7 eintauchen. Der obere Teil der supraleitenden Spule ist mlt einer Haube 10 abgedeckt, deren Wände sich gi einer mit ihrer Öffnung, nach oben neigenden Düse 11 verengen, in der eine Reihe von Injektoren 12 angeordnet let, von denen lediglieh ein einsigexjdargestellt 1st. Aus diesen Injektoren entweicht das gasförmige, unter Druck stehende Helium und reiÄt das in der Haube 10 enthaltene flüssige Helium mit sieh und erseugt so «in· Zirkulation des flüssigen Helium« in den Kanfilen 13, »it denen dl« supraleitende Spul· 6 versehen 1st. Das gasförmige HeIlim, das durch die Injektoren 12 austritt, wird diesen über einen Kanal 14 von einem Punkt oberhalb der Plüssigkeitsoberfltche In des äußeren Behälter 7 «ug·führt.

Das HelluicgaSj das sowohl den Injektoren 12 «ntitsjnt, als auch von der Flüesigkeitseberfläeh· d*s Inneren Behfllfcers 5 verdaepftp kann, wi· die Pf «11· 15 andeuten, durch dl* gegen den B«hllter 7 dicht« Leitung 16, dl· ·1η·η Teil d»r elektrisehen Leitungen 8 umgibt uisd durch dl· AualaÄleitung 17, die

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ein direktes Ausströmen des Heliumgases zuläßt, entweichen. Die Führung des Heliumgases um die Leitungen 8 herum in der Leitung 16 bewirkt die Verminderung der unerwünschten Wärmezufuhr durch diese Leitungen. Ein elektromagnetisches oder elektropneumatisches Ventil 18 gestattet den Anteil des Kühlgases zu regeln, der durch die Leitung 16 bzw. durch die Auslaßleitung 17 abströmt.

Der Druck im Behälter 7 soll unterhalb des kritischen Druckes bleiben, soll aber hinreichend hoch sein, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit des flüssigen Heliums in den Kanälen 13 eine gute Kühlung zuläßt. Der Druck in dem Behälter 7 wird über ein Manometer 19 gemessen, dessen jeweiliger Anzeigewert auf einen Regler 20 gelangt. Der Regler 20 steuert dass^ileßen des Ventiles 18, wenn der Druck im Behälter 7 einen Maximalwert überschreitet. Hierdurch wird die Heliumgasmenge, die die elektrischen Leitungen 8 umspült, vermehrt und dadurch die über diese Leitungen 8 zugeführte Wärme vermindert, was wiederum eine geringere Verdampfung im Behälter 7 zur Folge hat. Wenn der Druck in diesem Behälter 7 unter einen Minimalwert fällt, steuert der Regler 20 die Versorgung eines elektrischen Widerstandes 21. Anstelle des elektrischen Widerstandes 21 kann eine andere Einrichtung zur regelbaren Aufheizung, wie z.B. eine mehr oder weniger tief abgesenkte Kupferröhre, ein warmer He^liumgasstrahl etc. vorgesehen werden.

Das Aufkochen des Kühlmittels im Körper 6 muß vermieden werden. Bei bestimmten Einrichtungen kann e+ötig sein, zwischen den Behältern 5 und 7 eine weitere thermisch isolierende Ummantelung 22 anzuordnen, um das Helium, das sich im Behälter befindet, stärker kühlen zu können. Eine entsprechende Anordnung zeigfcFig. 2. Die mit flüssigem Helium gefüllte Ummantelung 22 kann zur Herabsetzung des Druckes gegebenenfalls mit einer Pumpe verbunden sein.

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Bei der Aus führung's form nach Fig. 3 ist die Haube 10 durch eine Haube 23 ersetzt, die nicht an der Spule 6 befestigt ist, sondern oberhalb davon. Die Spule befindet sich in einer getrennten Kammer 24, ist vom Kühlmittel umspült und mit dem übrigen Teil des Behälters 5 über die Kanäle 13 verbunden, die im unteren Teil der Spule angeordnet sind, sowie über den Kanal 25, welcher im oberen Teil der Kammer über der Haube 23 vorgesehen ist. Das von den Injektoren 12 in der Haube 23 mitgerissene flüssige Helium steigt im Kanal 25 auf und gelangt in den mittleren Teil des Behälters 5. Es muß vermieden werden, daß der Heliumspiegel in der Kammer 24 unter die Injektoren 12 und die Haube 23 fällt. Dazu kann man beispielsweise einen Niveaufühler anordnen, der, sobald der Flüssigkeitsspiegel ein Minimum unterschreitet, die öffnung eines Ventiles steuert, das die Entspannung des GasVolumens gestattet, das im oberen Teil der Kammer 24 enthalten ist. Eine solche Einrichtung ist nicht dargestellt, da sie in bekannter Weise ausgeführt werden kann.

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Claims (5)

Dipl.-Ing. Dipl. oec. pt.-bl. DIETRICH LSWiNSKY _<*. 22, Aug. 1969 PATcNiANWALT Mönchen 21 - CoUhardstr. 81 . 5671-IV/He. Telefon 561762 Societe Generale de Constructions Electriques et Mecaniques (Alsthom), Paris 16, Avenue Kleber 38 (Frankreich) Patentansprüche:

1.j Verfahren zur Erzielung einer Kühlmittelzirkulation in einem in dieses Kühlmittel eingetauchten Körper, dadurch gekennzeichnet _s daß in dem Kühlmittelbad eine aus nach oben zusammenlaufenden Wänden bestehende Haube (10) angebracht ist, in die das gasförmige, unter überdruck stehende Kühlmittel einströmt und dabei das in dem eingetauchten Körper (6) enthaltene flüssige Kühlmittel mitreißt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelbad auf zwei,konzentrische Behälter (5, 7) verteilt ist, deren innerer (5) den Körper (6) enthält, und daß das gasförmige unter überdruck stehende Kühlmittel über der Oberfläche des Bades im äußeren Behälter (7) entnommen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Behälter (7) eine regelbare Heizeinrichtung (21) für das Kühlmittel angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bezogen auf ein den eingetauchten Körper bildendes elektrisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß in den den Körper (6) mit der Umgebung verbindenden elektrischen Leitungen (8) , dort wo sie das Kühlbad des äußeren Behälters (7) durchqueren, Wärmetauscher (9) vorgesehen sind.

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5. Vorrichtung naoh Anspruch 2, bezogen auf ein den eingetauchten Körper bildendes elektrisches Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein regelbarer Teil des aus dem inneren Behälter (5) abströmenden Kühlgases,die den Körper mit der Umwelt verbindenden elektrischen Leitungen umspült.

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