DE19938985A1 - Einrichtung der Supraleitungstechnik mit einer rotierenden, supraleitenden Wicklung - Google Patents

Abstract

Die Einrichtung enthält eine um eine Rotationsachse (A) drehbare Wicklung mit Supraleitern. Zu deren indirekter Kühlung ist ein Pulsröhrenkühler mit einem mitrotierenden Kaltkopf (20) vorgesehen, der ein Pulsrohr (24) und ein Regeneratorrohr (23) aufweist. Zumindest das Pulsrohr (24) des Kaltkopfes (20) soll schräg um einen vorbestimmten Neigungswinkel (=) bezüglich der Rotationsachse (A) angeordnet sein, derart, daß sein wärmeres Ende (S w ) näher an der Rotorachse liegt als sein kälteres Ende (S k ).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der Supralei­ tungstechnik mit einer Wicklung, welche Leiter mit Supralei­ termaterial enthält und in einen um eine Rotationsachse ro­ tierenden Betriebszustand zu versetzen ist, und mit einem für ein Arbeitsgas ausgelegten Pulsröhrenkühler, der einen mitro­ tierenden Kaltkopf enthält, welcher zwischen einer wärmeren Seite und einer kälteren Seite verlaufend zumindest ein Puls­ rohr und ein Regeneratorrohr aufweist. Dabei sind an der käl­ teren Seite das Pulsrohr und das Regeneratorrohr mittels ei­ ner Überströmleitung für das Arbeitsgas verbunden, welche thermisch an die Wicklung zu deren indirekter Kühlung gekop­ pelt ist. Eine entsprechende Einrichtung geht aus der US 5,482,919 A hervor.

Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate­ rialien wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn, die sehr niedrige Sprung­ temperaturen T_c besitzen und deshalb auch Niedrig(Low)-T_c- Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien genannt werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch-T_c-Supraleitermaterialien oder HTS- Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühl­ technik mit flüssigem Stickstoff (LN₂).

Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Es zeigt sich jedoch, daß bisher bekannte Leiter nur eine verhältnis­ mäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induk­ tionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es erforderlich, daß aus solchen Leitern erstellte Wicklungen trotz der hohen Sprungtemperaturen der verwendeten HTS-Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau, bei­ spielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können. Das Temperaturniveau liegt zwar einerseits deut­ lich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heli­ ums (LHe), mit dem metallische Supraleiter wie NbTi gekühlt werden. Andererseits ist aber eine Kühlung mit LN₂ wegen der hohen Leiterverluste unwirtschaftlich. Andere verflüssigte Gase wie Wasserstoff mit einer Siedetemperatur von 20,4 K oder Neon mit einer Siedetemperatur von 27,1 K scheiden wegen ihrer Gefährlichkeit oder mangelnder Verfügbarkeit aus.

Es kommen deshalb zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kältevorrichtun­ gen in Form von Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgas­ kreislauf zum Einsatz, beispielsweise vom Typ Gifford- McMahon, Stirling oder sogenannte Pulsröhrenkühler. Solche Kältevorrichtungen haben zudem den Vorteil, daß die Kältelei­ stung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwen­ der die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten erspart wird. Bei dieser Kältetechnik wird eine supraleitende Einrichtung wie z. B. eine Magnetspule oder ein Transformator nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B. "Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.5.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).

Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der ein­ gangs genannten US-A-Schrift entnehmbaren supraleitenden Ro­ tor vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels eines besonderen He-Kaltgas- Kryokühlers auf einer gewünschten Betriebstemperatur zwischen 30 und 40 K zu halten ist. Der Kryokühler enthält einen Kalt­ kopf, dessen Teile sich in Achsnähe achsenparallel erstrec­ ken. Geht man von der nicht näher dargestellten Ausführungs­ form als Pulsröhrenkühler aus, dann weist dieser Kaltkopf ein sich in dieser Richtung erstreckendes Pulsrohr sowie parallel dazu ein Regeneratorrohr auf. Da die kältere Seite dieses mitrotierenden Kaltkopfes thermisch an die Wicklung indirekt über wärmeleitende Elemente gekoppelt sein soll, muß für den Fall des Pulsröhrenkühlers eine Überströmleitung für das Kaltgas zwischen dem Pulsrohr und dem Regeneratorrohr ther­ misch mit diesen wärmeleitenden Elementen verbunden sein.

Die Funktion eines entsprechenden Kaltkopfes muß bei Rotation von z. B. 3000 Umdrehungen pro Minute und den dabei herrschen­ den Zentrifugalkräften sichergestellt sein. So beträgt z. B. die Zentrifugalbeschleunigung auf rotierende Kühlerteile bei­ spielsweise bei 5 cm Abstand und 3000 Umdrehungen pro Minute etwa das 500fache der Erdbeschleunigung g. In der US-A- Schrift sind keine Aussagen gemacht, wie der dort vorgeschla­ gene Pulsröhrenkühler unter entsprechenden Bedingungen funk­ tionstüchtig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von die­ sem Stand der Technik die Einrichtung mit den eingangs ge­ nannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß mit ihr ein sicherer Betrieb der Kältevorrichtung auch bei der genannten Drehzahl in einem Temperaturbereich unter 77 K gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumin­ dest das Pulsrohr des Kaltkopfes schräg um einen vorbestimm­ ten Neigungswinkel bezüglich der Rotationsachse angeordnet ist derart, daß das wärmere Ende des Pulsrohres näher an der Rotorachse liegt als das kältere Ende.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß durch die Neigung zumindest des Pulsrohres der natürliche Dichteun­ terschied zwischen wärmerem und kälterem Arbeitsgas genutzt wird, um in jeder Phase des Betriebszyklus' des Pulsröhren­ kühlers einer Kältevorrichtung eine annähernd stabile Tempe­ raturschichtung ohne nennenswerte Konvektion zu erreichen. Durch die Neigung um den Kippwinkel kann nämlich eine ausrei­ chende thermische Trennung zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Pulsrohres sichergestellt werden. D. h., eine für die Kühlleistung schädliche Konvektion zumindest in dem Pulsrohr wird so durch die besondere geometrische Anordnung des Rohres relativ zur Rotationsachse verhindert und dadurch sogar ein positiver Effekt der Rotation ausgenutzt. Eine Neigung des Regeneratorrohres ist dabei nicht unbedingt erforderlich. Denn dieses Rohr eines Pulsröhrenkühlers ist im allgemeinen mit Metallnetzen, -schüttungen oder ähnlichem gefüllt, so daß eine schädliche Gaskonvektion ohnehin stark behindert ist.

Vorteilhaft wird ein Neigungswinkel des Pulsrohres und gege­ benenfalls des Regeneratorrohres des Kaltkopfes zwischen 20 und 160°, beispielsweise von 90° gewählt. Auf diese Weise ist trotz einer zu beobachtenden Temperaturschichtung in den Roh­ ren eine hinreichende thermische Trennung zwischen deren war­ mem und kaltem Ende zu gewährleisten.

Vorteilhaft weist der Pulsröhrenkühler der Kältevorrichtung mehrere Kaltköpfe auf. Es lassen sich dann je nach Wicklungs­ größe größere Kälteleistungen erbringen. Außerdem ist eine Anordnung dieser Kaltköpfe möglich, die Unwuchtprobleme redu­ ziert.

Besonders vorteilhaft kann der Kaltkopf mehrstufig ausgebil­ det sein. Mit seiner ersten Stufe ist dann eine Stromzufüh­ rung oder ein thermischer Strahlungsschild auf eine ver­ gleichsweise höhere Zwischentemperatur zu legen. Mit einem entsprechend ausgelegten Pulsröhrenkühler lassen sich auf einfache Weise verschiedene mitrotierende Teile auf einem für eine effektive Kühlung günstigen Temperaturniveau halten. Ferner lassen sich vorteilhaft mit Pulsröhrenkühlern mit mehrstufigen Kaltköpfen Temperaturniveaus erreichen, die eine Verwendung von LTS-Material ermöglichen.

Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die zu küh­ lende Wicklung bei Verwendung von HTS-Material mittels des in der Überströmleitung des Pulsröhrenkühlers geführten kalten Arbeitsgases auf einer Temperatur unter 77 K, vorzugsweise zwischen 20 und 50 K zu halten ist. Bekannte HTS-Materialien weisen nämlich in diesem mit verhältnismäßig begrenztem Kühlaufwand einzuhaltenden Temperaturbereich eine für übliche Anwendungen hinreichende kritische Stromdichte auf.

Ist zwischen dem Regeneratorrohr und dem Pulsrohr eines Puls­ röhrenkühlers eine unmittelbare (direkte) Verbindung möglich, so stellt in diesem Falle diese Verbindung in vorteilhaft einfacher Weise die Überströmleitung dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den restlichen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch wei­ ter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch

deren Fig. 1 einen bekannten Pulsröhrenkühler mit einem Kaltkopf,

deren Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gestaltung des Kaltkopfes eines Pulsröhrenkühlers einer erfindungsgemäßen Einrichtung sowie

deren Fig. 3 bis 9 verschiedene Ausführungsformen von er­ findungsgemäßen Einrichtungen mit rotierenden Wicklungen und einem Pulsröhrenkühler.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung der Supraleitungstechnik umfaßt eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzipi­ ell eine Verwendung von LTS-Material oder HTS-Material ge­ stattet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausfüh­ rungsbeispiele ausgewählt. Eine zur Kühlung dieses Materials erforderliche Kältevorrichtung enthält als einen wesentlichen Teil einen Pulsröhrenkühler. Bei diesem Pulsröhrenkühler wird von an sich bekannten Ausführungsformen ausgegangen (vgl. z. B. "Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Ki­ takyushu, JP, 20.-24.5.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 33 bis 44). Der grundsätzliche Aufbau einer speziellen Ausführungsform eines solchen Pulsröhrenkühlers mit einem zweiten Einlaß und angekoppeltem Reservoir (vgl. z. B. "Cryo­ genics", Vol. 30, 1990, Seiten 514 bis 520) ist in Fig. 1 angedeutet. Der allgemein mit 2 bezeichnete Pulsröhrenkühler umfaßt im wesentlichen die folgenden, Teile, nämlich eine Kom­ pressoreinheit 3, eine auch als Ventiltrieb bezeichnete Ven­ tileinheit 4 mit Ventilen 4a und 4b, einen vertikal ausge­ richteten Kaltkopf 5 sowie Verbindungsleitungen 6, 7a und 7b zwischen diesen Teilen. Die Kompressoreinheit 3 liefert Hoch­ druckgas, im vorliegenden Falle He-Gas, über eine Verbin­ dungsleitung 7a an die Ventileinheit 4, von der über eine Verbindungsleitung 7b Niederdruckgas der Kompressoreinheit zurückgeführt wird. Die Ventile 4a und 4b in den Leitungen 7a bzw. 7b werden über elektrische Motoren oder über Magnetven­ tile gesteuert; dabei ist die Ventileinheit elektrisch mit der Kompressoreinheit verbunden. Ein entsprechendes Steuerka­ bel ist durch eine mit 8 bezeichnete gestrichelte Linie ange­ deutet. Die Ventileinrichtung 4 liefert über die Verbindungs­ leitung 6 einen periodisch, z. B. mit einer Frequenz zwischen 1 und 50 Hz, zwischen Hoch- und Niederdruck geschalteten Gasstrom an den Kaltkopf 5 an dessen warmer Seite S_w. Während der Hochdruckphase strömt das Gas durch ein vertikal ausge­ richtetes Regeneratorrohr 9 von der warmen Seite zur kalten Seite S_k des Kaltkopfes. Das Regeneratorrohr ist mit wärme­ speichernden, gasdurchlässigem Material z. B. in Form von ge­ stapelten Metallsieben, Körnern, Sinterkörpern oder Lochble­ chen gefüllt. Beim Durchströmen des Regeneratorrohres wird das Arbeitsgas vorgekühlt. Anschließend passiert es eine an der kalten Seite S_k befindliche Überströmleitung 10, einen kalten Wärmetauscher 11, in dem Wärme auf dem niedrigen Tem­ peraturniveau aufgenommen werden kann, und strömt dann durch ein parallel zu dem Regeneratorrohr 9 verlaufendes Pulsrohr 12. In diesem Pulsrohr tritt eine Entspannung des Gases ein, die mit einer weiteren Kühlung einhergeht. In dem Pulsrohr nach oben strömend erwärmt sich das Gas zunehmend und kann dann an einem warmen Wärmetauscher 13 Wärme nach außen abge­ ben. Ein kleinerer Teil des Gases strömt direkt durch einen zweiten Einlaß 14 mit einer Düse 15 in das Pulsrohr 12. Fer­ ner ist der Wärmetauscher 13 über eine Düse 16 mit einem Puf­ fervolumen 17 verbunden. Die gezeigten Düsen und das Puffer­ volumen dienen dabei zum Einstellen der Gasströme und zur Si­ cherstellung einer korrekten Funktion des Pulsröhrenkühlers. In einer sich an die vorstehend geschilderte Hochdruckphase anschließenden Niederdruckphase wird entspanntes Gas auf dem umgekehrten Weg wieder aus dem Kaltkopf abgezogen.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform mit zwei Ventilen 4a und 4b sind auch 4-Ventil-Pulsröhrenkühler be­ kannt, bei der vier Ventile die korrekte Gasstromsteuerung übernehmen (vgl. US 5,335,505 A). Ferner können die Kaltköpfe auch zwei oder mehrstufig aufgebaut sein (vgl. z. B. "Cryoge­ nics", Vol. 37, 1997, Seiten 159 bis 164).

Pulsröhrenkühler haben einen besonders hohen Wirkungsgrad, wenn ihr kaltes Ende nach unten weist. Dadurch werden Konvek­ tionszellen im Pulsrohr verhindert, die durch Dichteunter­ schiede des Gases im Temperaturgradienten zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Pulsrohres entstehen. Dabei gilt nach dem Gay-Lussac'schen Gesetz für Gas vom Volumen V und der Temperatur T bei konstantem Druck p:

V₁/V₂ = T₁/T₂.

Dementsprechend ist ein Volumen V₁ einer kleinen Gasmenge am kalten Ende des Pulsrohres bei T₁ = 20 K um einen Faktor 20 K/300 K = 1/15 kleiner als bei T₂ = 300 K am warmen Ende des Pulsrohres. Die entsprechend 15 mal höhere Dichte des kalten Gases verursacht Konvektion, sofern der Temperaturgradient und die Beschleunigung beispielsweise durch Schwere oder Ro­ tation, nicht gegeneinander gerichtet sind und für eine sta­ bile Schichtung sorgen.

Konvektion verringert die Kälteleistung eines Pulsröhrenküh­ lers drastisch, speziell bei verhältnismäßig niedrigen Be­ triebsfrequenzen f < 10 Hz, die für leistungsstarke Pulsröh­ renkühler erforderlich sind. Eine deutliche Verringerung der Kälteleistung durch Konvektion tritt schon bei Kippwinkeln von wenigen 10° aus der bevorzugten senkrechten Anordnung mit kaltem Ende nach unten auf. Bei 90°, also horizontaler Anord­ nung, würde z. B. die Endtemperatur eines einstufigen Pulsröh­ renkühlers gemäß Fig. 1 bei 4,6 Hz von ca. 30 K auf 65 K er­ höht werden.

Außerdem ist zu beobachten, daß bei hohen Zentrifugalbe­ schleunigungen von z. B. 500 g in einem rotierenden Kühler der Einfluß der Konvektion durch Dichteunterschiede im Gas so groß ist, daß die Funktion eines herkömmlichen Pulsröhrenküh­ lers praktisch nicht mehr möglich ist. Anstelle eines Tempe­ raturprofils entlang des Pulsrohres würde die Rotation eine Temperaturverteilung quer zur Rohrachse begünstigen und damit eine normale Funktion weitgehend verhindern. Entsprechende Probleme treten beim Stand der Technik gemäß der eingangs ge­ nannten US-A-Schrift auf.

Diese Probleme werden mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Kaltkopfes eines Pulsröhrenkühlers vermieden. In Fig. 2 sind diese Gestaltungsmerkmale angedeutet. Die Figur zeigt von einem Pulsröhrenkühler nur dessen um eine Rotationsachse A drehbaren Kaltkopf 20, der an seiner warmen Seite S_w mit einer nicht näher ausgeführten Anschlußeinheit 21 verbunden ist. Diese warmseitige Einheit umfaßt insbesondere ein Puf­ fervolumen, Ventile und diesbezügliche Verbindungsleitungen z. B. gemäß Fig. 1. An diese Einheit 21 sind ebenfalls nicht näher ausgeführte, zu einer externen Kompressoreinheit füh­ rende Gasverbindungsleitungen 22 angeschlossen. Der Kaltkopf 20 ist thermisch über Wärmeleitungsteile (sogenannter "Wärme­ bus) mit einer nicht dargestellten, rotierenden Spulenwick­ lung einer elektrischen Maschine verbunden und soll deren HTS-Leiter auf einer Betriebstemperatur von insbesondere un­ ter 77 K, beispielsweise auf einem Temperaturniveau zwischen 10 und 50 K, halten können. Als Arbeitsgas des Pulsröhrenküh­ lers kommt deshalb in erster Linie He-Gas in Frage.

Der in Fig. 2 angedeutete Kaltkopf 20 muß um die Rotati­ onsachse A mitrotieren. Um eine Funktionsfähigkeit auch bei Rotation zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß zumindest das wenigstens eine Pulsrohr 24 des Kaltkopfes so gegen die Rota­ tionsachse A um einen Kippwinkel α geneigt, daß das warme Ende des Pulsrohres an der Seite S_w näher an der Rotations­ achse liegt als das kalte Ende an der kalten Seite S_k. Ein Überströmrohr 25 für das kalte Arbeitsgas zwischen dem Rege­ neratorrohr 23 und dem Pulsrohr 24 ist mit einem thermischen Kontaktkörper 26 wärmeleitend verbunden, an den die zu küh­ lenden Teile der Wicklung thermisch angekoppelt sind. Wegen der geneigten Anordnung des Pulsrohres 24 wird der natürliche Dichteunterschied zwischen warmem und kaltem Gas genutzt, um in jeder Phase des Betriebszyklus' des Pulsröhrenkühlers eine annähernd stabile Temperaturschichtung ohne nennenswerte Kon­ vektion zu erreichen. Es ergibt sich dann in dem in dem Puls­ rohr 24 befindlichen Gas ein durch eine gepfeilte Linie ange­ deuteter Temperaturgradient 26 mit einer durch gestrichelte Linien 27 angedeuteten Temperaturschichtung bei Rotation.

Dabei wird vorteilhaft der Kippwinkel α so groß gewählt, daß trotz der Temperaturschichtung 27 eine ausreichende thermi­ sche Trennung zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Pulsrohres sichergestellt wird. Sofern die Länge des Pulsroh­ res mit einem Durchmesser D gleich L beträgt, wird vorteil­ haft der Kippwinkel so bestimmt, daß folgende Beziehung ein­ gehalten wird:

α < arctan(D/3L).

Im allgemeinen liegt α zwischen 20° und 160° bzw. |α| zwischen 20° und 90°.

Fig. 3 zeigt ein Längsschnitt durch einen Rotor einer Syn­ chronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kaltkopf 20 nach Fig. 2. Der mit 30 bezeichnete Rotor enthält ein rotierendes Vakuumgefäß 31 an einer um eine Rotationsachse A drehbaren Welle 32. Innerhalb mindestens eines Vakuumraums 33 des Gefä­ ßes ist an Halterungselementen 34 ein vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material erstellter Wicklungsträger 36 zur Aufnahme einer supraleitende Wicklung 35 befestigt, die mit Leitern aus einem der bekannten HTS-Materialien wie z. B. YBa₂Cu₃O_7-x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x oder (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x aufgebaut ist. Die Leiter sind dann insbesondere auf einem Temperatur­ niveau unter 77 K, vorzugsweise zwischen 20 und 50 K, bei­ spielsweise zwischen 30 und 40 K mittels einer Kältevorrich­ tung zu halten. Hierzu enthält die Kältevorrichtung zur indi­ rekten Kühlung der Wicklung 35 einen Pulsröhrenkühler mit ei­ nem Kaltkopf 20 nach Fig. 2. Dessen Regeneratorrohr 23 er­ streckt sich dabei in axialer Richtung im Bereich der Achse A, während sein Pulsrohr 24 demgegenüber mit einem Kippwinkel α schräg nach außen zu einem thermischen Kontaktkörper 26 reicht, der in wärmeleitender Verbindung mit der Wicklung 35 über den Wicklungsträger 36 dieser Wicklung steht. Von diesem Kontaktkörper 26 führt eine kalte Überstromleitung 25 radial nach innen zu dem Regeneratorrohr 23. Die warmseitige An­ schlußeinheit 21 ist über zentrale Verbindungsleitungen 22, 6 und eine Kupplung 38 mit einer nicht-rotierenden, externen Kompressoreinheit 3 verbunden. Zur Auswuchtung der asymme­ trisch zur Rotorachse liegenden Teile des Kaltkopfes 20 ist ein Auswuchtgewicht 39 an dem Wicklungsträger 36 angebracht.

Sind von den HTS-Materialien der Wicklung einer Einrichtung nach der Erfindung nur Stromdichten gefordert, die eine Küh­ lung auf Temperaturen über 77 K zulassen, so kann die Kälte­ vorrichtung der Einrichtung selbstverständlich auch für ein entsprechendes Temperaturniveau ausgelegt werden.

Für die Fig. 4 bis 6, 8 und 9 der Zeichnung ist jeweils eine Fig. 3 entsprechende Darstellung gewählt.

Der in Fig. 4 gezeigte Rotor 40 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 3 lediglich dadurch, daß auch das Regneratorrohr 41 eines erfindungsgemäßen Kaltkopfes 42 ge­ genüber der Rotationsachse A geneigt angeordnet ist. Da das Regeneratorrohr mit Metallnetzen, -schüttungen oder ähnlichem gefüllt ist, wird in ihm ohnehin eine Gaskonvektion stark un­ terdrückt. Mit der schrägen Anordnung des Regeneratorrohrs kann zudem ein gewisser Unwuchtausgleich erreicht werden, so daß gegebenenfalls auf ein besonderes Auswuchtgewicht wie im Falle der Ausführungsform nach Fig. 3 verzichtet werden kann.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Rotor 50 ist ein erfindungsgemä­ ßer Kaltkopf 52 vorgesehen, dessen Regeneratorrohr 53 und Pulsrohr 54 gestreckt gegeneinander unter Einschluß eines Winkels β von ≅ 180° - 2α angeordnet sind. Die kaltseitige, direkte Verbindung zwischen dem Regeneratorrohr 53 und dem Pulsrohr 54 wird bei dieser Ausführungsform als Überströmlei­ tung angesehen, die Teil eines Wärmekontaktkörpers 56 ist. Über diesen Wärmekontaktkörper erfolgt die indirekte Kühlung der Wicklung 35. Die Überströmleitung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Pulsröhrenkühlers kann also auch nur eine mini­ male Länge aufweisen. Vom warmen Ende des Pulsrohres 54 führt ein zentraler Überströmkanal 57 zu der Anschlußeinheit 21 zu­ rück. Die an diesem warmen Ende abzuführende Wärmeleistung wird bei der dargestellten Ausführungsform an das linke Wel­ lenende durch Festkörperwärmeleitung über einen zentralen Wärmeleitungskörper 58, der Teil der zentralen Welle 32 sein kann und zur Aufhängung des Pulsrohres an dessen warmen Ende und des Überströmkanals 57 dient, übertragen.

Der Neigungswinkel α zumindest des Pulsrohres 24 gemäß Fig. 2 kann insbesondere auch 90° betragen. Fig. 6 zeigt eine entsprechende Ausführungsform eines Rotors 60. Ein für die Kühlung der supraleitenden Wicklung 35 vorgesehener Pulsröh­ renkühler enthält einen Kaltkopf 62. Dessen Regeneratorrohr 63 und Pulsrohr 64 sind dabei radial angeordnet, wobei einer Überströmleitung 65 am kalten Ende des Kaltkopfes in thermi­ scher Verbindung mit dem Trägerkörper 36 und damit mit der Wicklung 35 steht. Ein Auswuchtgewicht 39 ist hier wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 5 vorgesehen.

Bei entsprechenden Rotoren von Generatoren mit 1 bis 3 MW Leistung ist der Rotoraußendurchmesser verhältnismäßig klein und liegt typischerweise bei etwa 30 cm. Dann ist aber der Einbauraum in senkrechter (= radialer) Richtung bezüglich der Rotationsachse entsprechend beschränkt. Um dennoch eine hin­ reichende Pulsrohrlänge von beispielsweise 10 bis 30 cm zu ermöglichen, wie sie für Kälteleistungen von einigen Watt bis zu einigen zig Watt typisch ist, können das Pulsrohr und/oder das Regeneratorrohr auch gekrümmt ausgeführt werden. Auch hier ist darauf zu achten, daß kältere Teile der Rohre radial weiter außen liegen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Rotors 70 ist als Querschnitt in Fig. 7 dargestellt. Ein Kaltkopf 71 seines Pulsröhrenkühlers enthält ein gekrümm­ tes Regeneratorrohr 72 und ein gekrümmtes Pulsrohr 73. Das warme Ende S_w des Kaltkopfes mit Puffern und Ventilen ist wiederum im Bereich der zentralen Achse A angeordnet, während das kalte Ende S_k mit einer Überströmleitung und einem ther­ mischen Kontaktkörper 56 gemäß Fig. 5 radial außen thermisch mit dem Wicklungsträger 36 verbunden ist. Der Kontaktkörper kann auch Teil des Wicklungsträgers 36 bzw. in diesen inte­ griert sein. Selbstverständlich können die gekrümmten Rohre auch in einer um einen Winkel α ≠ 90° gegenüber der Rotati­ onsachse A geneigten Ebene liegen.

In Abwandlung der Ausführungsform des Rotors 60 nach Fig. 6 weist die Kältevorrichtung des in Fig. 8 dargestellten Ro­ tors 80 zwei Pulsröhrenkühler mit senkrecht zur Rotorachse A stehenden Kaltköpfen 62 und 82 auf. Mit einer diagonalen An­ ordnung dieser Kaltköpfe wird so ein Unwuchtausgleich ge­ schaffen. Außerdem zeigt diese Ausführungsform die für jede erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kältevorrichtung beste­ hende Möglichkeit, daß bei nicht ausreichender Kälteleistung eines einzigen Kaltkopfes je nach Motorgröße auch mehrere Kaltköpfe vorgesehen werden können. In der Figur sind die Kaltgas führenden Überströmleitungen mit 65 bzw. 85 bezeich­ net.

Wie bereits erwähnt, kann eine erfindungsgemäß gestaltete Kältevorrichtung mit wenigstens einem Pulsröhrenkühler nach der Erfindung auch zwei- oder mehrstufig ausgeführte Kaltköp­ fe besitzen. Damit läßt sich z. B. vorteilhaft mit einer er­ sten Stufe eine Stromzuführung auf ein bestimmtes Temperatur­ niveau legen. Außerdem kann die Temperatur an einer zweiten Stufe niedriger liegen als die eines einstufigen Kaltkopfes, so daß dann niedrigere Betriebstemperaturen erreichbar sind. Fig. 9 zeigt eine entsprechende Ausführungsform eines zwei­ stufigen Kaltkopfes 91 eines Pulsröhrenkühlers für einen Ro­ tor 90. Dabei dient eine erste Stufe 91a zur Kühlung einer Stromzuführung 92 der rotierenden Wicklung 35 auf einem höhe­ ren Zwischentemperaturniveau. Ebensogut könnte auch mit der ersten Stufe ein Wärmestrahlungsschild thermisch abgefangen werden. Eine zweite Stufe 91b ist thermisch mit der Wicklung 35 verbunden. Der Strom wird der Wicklung durch Schleifringe 94 an der Welle 32 zugeführt. Eine Wärmeankopplung der ersten Stufe 91a am kalten Ende eines Pulsrohres 96 der ersten Stufe an die Stromzuführung 92 mittels eines Wärmekontaktkörpers ist mit 97 bezeichnet. In entsprechender Weise ist an einem Wärmekontaktkörper 100 das kalte Ende eines Pulsrohres 99 der zweiten Stufe 91b an den Wicklungsträger 36 bzw. die Wicklung 35 thermisch angekoppelt. In der Figur sind ferner die Rege­ neratorrohre der ersten und zweiten Stufe 91a bzw. 91b mit 95 bzw. 98 und die zugehörenden kalten Überströmleitungen mit 101 bzw. 102 bezeichnet.

Bei den vorstehend ausgewählten Ausführungsformen von erfin­ dungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen wurde davon ausgegan­ gen, daß deren supraleitende Wicklung mit HTS-Leitern aufge­ baut ist. Eine Beschränkung auf solche Materialien ist jedoch nicht erforderlich. Da nämlich insbesondere mit mehrstufigen Pulsröhrenkühlern auch Temperaturbereiche von unter 20 K zu erreichen sind, können diese ebenso auch zur Kühlung von LTS- Leitern wie z. B. NbTi-Leitern konzipiert werden. Die supra­ leitende Wicklung kann also auch Leiter mit metallischem Su­ praleitermaterial aufweisen.

Claims (14)

1. Einrichtung der Supraleitungstechnik

• - mit einer Wicklung, welche Leiter mit Supraleitermaterial enthält und in einen um eine Rotationsachse rotierenden Betriebszustand zu versetzen ist, und
• - mit einem für ein Arbeitsgas ausgelegten Pulsröhrenkühler, der einen mitrotierenden Kaltkopf enthält, welcher zwi­ schen einer wärmeleitenden Seite und einer kälteren Seite verlaufend zumindest ein Pulsrohr und ein Regeneratorrohr aufweist, wobei an der kälteren Seite das Pulsrohr und das Regeneratorrohr mittels einer Überströmleitung für das Kältemedium verbunden sind, welche thermisch an die Wick­ lung zu deren indirekter Kühlung gekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Pulsrohr (24, 54, 64, 73, 96, 99) des Kaltkopfes (20) schräg um einen vorbestimmten Neigungswinkel (α) bezüglich der Rotationsachse (A) angeordnet ist derart, daß das wärmere Ende (S_w) des Pulsrohres näher an der Rotorachse liegt als das kältere Ende (S_k).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für den Neigungswinkel (α) folgende Beziehung erfüllt ist:
α < arctan(D/3L),
wobei D der Durchmesser und L die Länge des Pulsrohres (24, 54, 64, 73, 96, 99) sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen Neigungswinkel (α) des Puls­ rohres (24, 54, 64, 73, 96, 99) zwischen 20° und 160°.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Neigungswinkel (α) zumindest des Pulsrohres (64, 73) des Kaltkopfes (62, 71) be­ züglich der Rotationsachse (A) von 90°.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Regeneratorrohr (41, 53, 63, 72) des Kaltkopfes (42 bzw. 52 bzw. 62) bezüglich der Rotationsachse (A) geneigt angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Puls­ rohr (73) und/oder das Regeneratorrohr (72) des Kaltkopfes (71) gekrümmt ausgebildet sind/ist.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Pulsröhrenkühler mit mehreren Kaltköpfen (62, 82).

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Ausbil­ dung des Kaltkopfes (91).

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kaltkopf (91) zwei Käl­ testufen (91a, 91b) aufweist, wobei die erste Stufe (91a) thermisch mit einer Stromzuführung (92) oder einem Strah­ lungsschild und die zweite Stufe (91b) mit der supraleitenden Wicklung (35) verbunden sind.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ strömleitung durch eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Regeneratorrohr (53, 72) und dem Pulsrohr (54, 73) gebildet ist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ strömleitung (25, 102) mit einem Wärmekontaktkörper (26, 56, 100) thermisch verbunden ist, über den die indirekte Kühlung der Wicklung (35) erfolgt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmekontaktkörper Teil eines die Wicklung (35) aufnehmenden Wicklungsträgers (36) ist.

13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ ter der Wicklung (35) metallisches Niedrig-T_c-Supraleiter­ material oder metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthalten.

14. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wick­ lung (35) bei Verwendung von Hoch-T_c-Supraleitermaterial mit­ tels des in der Überströmleitung (25, 65, 85, 102) geführten Arbeitsgases auf einer Temperatur unter 77 K, vorzugsweise zwischen 20 K und 50 K zu halten ist.