DE3529391C2

DE3529391C2 -

Info

Publication number: DE3529391C2
Application number: DE3529391A
Authority: DE
Inventors: Albert Dr. 7500 Karlsruhe De Hofmann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-08-16
Filing date: 1985-08-16
Publication date: 1987-06-04
Also published as: DE3675844D1; EP0212093A2; JPH0550674B2; US4713942A; EP0212093B1; JPS6241567A; DE3529391A1; EP0212093A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem He lium (He II) und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die abnorm gute Wärmeleitfähigkeit des He II im Temperatur bereich zwischen 1,7 K und 2,1 K und die Suprafluidität sind hervorragende Eigenschaften zur Kühlung supraleitender Ma gnetwicklungen. Bisher konnten solche 1,8 K-gekühlten Spulen nur nach dem Prinzip badgekühlter Wicklungen realisiert wer den. Diese konventionelle Technik hat bekanntlich folgende Nachteile: die Notwendigkeit eines dichten Spulengehäuses, schlechtere mechanische Fixierung des Leiters und schlechte Hochspannungsfestigkeit. Diese Nachteile können durch Über gang von einer derartigen Badkühlung mit Außenkühlung des Leiters zu einer Leiterinnenkühlung mit erzwungener Helium strömung überwunden werden. Mangels geeigneter Pumpen konnte dieses Konzept bisher nicht bei Kühlung mit supra fluidem Helium (He II) realisiert werden.

Bekannt sind Fountainpumpen zur Anregung einer Konvektion von He II in ³He-⁴He-Kühlmaschinen, wie in der niederländi schen Offenlegungsschrift 79 02 438 beschrieben.

Bei allen bekannt gewordenen Anwendungen wird die Pumpwir kung durch zusätzliche elektrische Heizung am warmen Ende des Superfilters erzielt. Da der thermomechanische Wirkungs grad solcher Pumpen von Natur aus sehr gering ist (weniger als 10% der zugeführten Wärme kann in Arbeit umgesetzt werden), führt dieses Verfahren vor allem bei großer umzu wälzenden Heliumrate zu unwirtschaftlich hoher Belastung der Kälteanlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von Objekten, wie z.B. supraleitende Großmagnete, mit flüssigem Helium, effektiver und wirtschaftlicher zu gestalten.

Die Lösung der obigen Aufgabe erfolgt gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeich nenden Merkmale. Die übrigen Patentansprüche geben vorteil hafte Weiterführungen und Ausbildungsformen sowohl des er findungsgemäßen Verfahrens als auch der erfindungsgemäßen Einrichtung zu dessen Durchführung sowie ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung wieder.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verlustwärme des zu kühlenden Objektes zur Erzeugung der Zwangsströmung in dem eigenen Kühlkreislauf genutzt wird, wobei die Verlustwärme derart in eine Fountainpumpe ein gekoppelt wird, daß keine zusätzliche Antriebsleistung benötigt wird und der jeweiligen Belastung entsprechender Durchsatz sich selbständig einstellt. Diese Pumpen haben in besonders vorteilhafterweise keine mechanisch bewegten Teile.

Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, innen gekühlte Leiterkonzepte bei extrem tiefen Temperaturen un terhalb der λ-Linie des flüssigen Heliums, d.h. mit supra fluidem Helium (He II) zu verwirklichen, wobei die unbe strittenen Vorteile einer Kühlung durch Zwangsströmung mit den Vorteilen der extrem guten Kühleigenschaft von He II bei dem Bau großer Supraleiterwicklungen verbunden sind.

Der gegenüber der z.Z. meist üblichen Kühlung bei Tempera turen um 4 K zwangsläufig vergrößerte Aufwand zur Bereit stellung der Kühlleistung wird häufig durch die Verwendung billigerer Materialien (NbTi statt Nb₃Sn) bzw. durch die höheren Magnetfelder und Stromdichten, die bei 1,8 K er reicht werden können, wettgemacht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 6 an einigen Beispielen beschrieben.

Fig. 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreis laufes dar;

Fig. 1a zeigt eine erweiterte Version des Kühlkreislaufes nach Fig. 1;

Fig. 2 zeigt die Austrittstemperatur T ₂ in Abhängigkeit von der normierten Belastung bei unterschiedlichen Systemdrücken p₀. Die Eintrittstemperatur ist T ₁ = 1,8 K;

Fig. 2a zeigt den Heliumdurchsatz in Kühlkanälen mit dem Durchmesser D = 4 mm bei unterschiedlichen Längen in Abhängigkeit von der thermischen Belastung Q;

Fig. 2b zeigt den Fountaindruck Δp in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur T ₂;

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Fountainpumpe;

Fig. 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen dar;

Fig. 5 stellt ein Kühlschema für den Fall dar, daß parallele Kühlkanäle 11, 11 a ungleich belastet sind;

Fig. 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei außer der Verlustwärme des zu kühlenden Ob jektes noch andere Wärmequellen zur Verstärkung der Zwangsströmung genutzt werden.

Fig. 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreis laufes dar. Die Figur enthält zum besseren Verständnis auch ein Kühlsystem nach dem Stand der Technik, mit dem die 1,8 K-Betriebstemperatur erzielt wird. Hierbei wird flüssi ges Helium, das in einem Vorratsbehälter 1 unter einem Druck von beispielsweise 1 bar siedet, durch ein als Wärme austauscher ausgebildete Rohr 2 zum Entspannungsventil 3 geführt. Durch Entspannung auf einen Druck von etwa 15 mbar, wird in einem Rückkühlbad 4 eine Betriebstempe ratur von etwa 1,8 K erreicht. Der Dampf wird über die Lei tung 5 abgesaugt und zum Verflüssiger zurückgeführt. Das Rückkühlbad 4 befindet sich über die als Wärmeaustauscher ausgebildete Wand 6 in gutem thermischem Kontakt mit einem Versorgungsbad 7, welches über eine Druckausgleichsleitung 1 a den gleichen Druck annimmt wie im Vorratsbehälter 1. Somit erhält man im Versorgungsbad 7 unterkühltes He II mit einer Temperatur von 1,8 K und dem Druck von beispiels weise 1 bar, wie im Vorratsbehälter 1. Die Druckausgleichs leitung 1 a ist als sogenannte thermische Barriere auszu legen, um so den Wärmestrom vom Vorratsbehälter 1 zum Ver sorgungsbad 7 auf ein zulässiges Maß herabzusetzen.

Das suprafluide Helium (He II) aus dem Versorgungsbad 7 wird mittels einer thermomechanischen Pumpe (Fountainpumpe), die aus einem fein porösen Filter 8 (Superfilter) mit nach geschaltetem Aufwärmbad 9 besteht, nach Rückkühlung in ei nem ersten Wärmeaustauscher 10 auf die Temperatur des Rück kühlbades 4, in einen Kühlkanal 11 des zu kühlenden Objek tes 16, beispielsweise einer supraleitenden Wicklung, ge leitet. In dieser Kühlstrecke 11 nimmt das He II die von dort abzuführende Wärme auf. Das austretende, erwärmte He durchströmt dann einen zweiten Wärmeaustauscher 12, wobei es einen Teil der aufgenommenen Wärme an das Aufwärmbad 9 abgibt.

Aufgrund des thermomechanischen Effektes, eines spezifi schen Effektes, der im He II auftritt, strömt suprafluides He weitgehend dissipationsfrei aus dem Versorgungsbad 7 in das Aufwärmbad 9, wenn in dem Aufwärmbad 9 eine höhere Temperatur als in dem Versorgungsbad 7 vorliegt. Dies wird gerade durch Einkopplung der in der Kühlstrecke 11 aufge nommenen Wärme in das Aufwärmbad 9 der Fountainpumpe be wirkt.

Das Superfilter 8 wirkt als Entropiefilter. Bildlich ge sprochen wird dem He II bei Durchströmen dieses Filters die Wärme abgestreift. Dies hat zur Folge, daß bei Strö mung im Versorgungsbad 7 Wärme entsteht, die durch den Wärmeaustauscher 6 an das Rückkühlbad 4 abgegeben wird. Am Austritt des Superfilters 8 tritt dagegen eine Kühlwir kung auf. Hiermit wird ein Teil der über den Wärmeaustau scher 12 dem Aufwärmbad 9 zugeführte Wärme abgeführt. Das aus dem zweiten Wärmeaustauscher 12 austretende Helium wird dann in einem nachgeschalteten dritten Wärmeaustauscher 13 auf die Ausgangstemperatur rückgekühlt und wieder dem Versorgungsbad 7 zugeführt.

Fig. 1a zeigt eine erweiterte Version der Einrichtung nach Fig. 1, wobei den Wärmeaustauschern 10 und 13 ein vierter Wärmeaustauscher 14 und ein fünfter Wärmeaustauscher 15 vorgeschaltet sind, die zum Vorkühlen innerhalb der Abgas leitung 5 geführt sind, um die Wärmebelastung des Rückkühl bades 4 zu reduzieren.

In Fig. 2 ist die errechnete Kühlcharakteristik des er findungsgemäßen Kühlsystems dargestellt. Hierbei ist die Fluidtemperatur T ₂ bei Austritt aus dem mit der Leistung Q beheizten Kühlkanal 11 mit der Länge L, dem Strömungs querschnitt F und dem hydraulischen Durchmesser D über der "normierten" Heizleistung aufgetragen. Die Rechnung ist für zwei verschiedene Systemdrücke (p ₀ = 1,0 und 7,5 bar) durchgeführt worden.

In Fig. 2a ist der Heliumdurchsatz, der sich in Kanälen mit dem Durchmesser von D = 4 mm einstellt, wenn daraus der Wärmestrom Q abgeführt wird. Dies veranschaulicht, daß mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem auch aus langen Kanä len beträchtliche Wärmelasten abgeführt werden können. Die Kühlung setzt auch nicht aus, wenn die Austrittstemperatur T ₂ den He II-Bereich verläßt.

Wie in Fig. 2b dargestellt, nimmt der Förderdruck (Foun taindruck Δ p _F) sogar bis zu einer Austrittstemperatur von T₂ max ≈ 3,5 K zu. Somit ist zu erwarten, daß in einem solchen Kühlsystem ein kontinuierlicher Übergang von He II zur erzwungenen He I-Kühlung stattfindet. Dies kann auch als Vorteil gegenüber einer He II-Badkühlung angesehen werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Foun tainpumpe für eine maximale Förderrate von etwa 10 g/sec bei kleinem Druckabfall und für etwa 0,3 bar maximalen För derdruck bei kleinem Durchsatz. Mit einer solchen Einheit, kann beispielsweise aus einem Kühlkanal von 5 mm Durchmesser und 100 mm Länge, kann eine Leistung von etwa 3 Watt abge führt werden, wenn die Eintrittstemperatur T ₁ 1,8 K und die Austrittstemperatur T ₂ 2,16 K beträgt. Das Superfilter 8 be steht hierbei beispielsweise aus Al₂O₃-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5 µm, das mit einem Füllfaktor von etwa 50% in ein Rohr von etwa 100 mm Länge und 35 mm Durchmesser gepreßt ist. Natürlich können auch andere Ma terialien mit ähnlicher Porosität verwendet werden. Quer schnitt und Länge der Filtereinheiten sind den speziellen Anforderungen bezüglich Massendurchsatz und Förderdruck anzupassen.

Um solche Einrichtungen den jeweiligen Gegebenheiten be züglich abzuführender Wärme sowie Querschnitt und Länge der Kühlkanäle anzupassen, können mehrere Kühlkanäle 11 oder mehrere Pumpeinheiten in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.

Bei derartigen Kombinationen muß der Tatsache Rechnung ge tragen werden, daß der mit solchen Fountainpumpen erreich bare Förderdruck aufgrund physikalischer Effekte zwar auf relativ niedrige Werte von weniger als etwa 0,5 bar begrenzt ist. Der erzielbare Durchsatz hängt jedoch bei gegebenem Filtermaterial nur von der zugeführten Wärme und vom Filter querschnitt ab. Demzufolge können zwar nicht beliebig lange Kühlkanäle betrieben werden, einer Unterteilung in mehrere Parallelkanäle ist dagegen keine physikalische Grenze ge setzt.

Fig. 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen 11 dar, wie es bei großer Wärmelast bzw. engen Kühlkanalquerschnitten möglich ist. Dieses Kühlsystem unter scheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten lediglich dadurch, daß in dem zu kühlenden Objekt (beispielsweise einer supraleitenden Wicklung) der He II-Strom in mehrere Teilströme aufgespalten ist. Der Querschnitt der Kühlkanäle 11 des Superfilters 8 sowie die Wärmeaustauscher 10, 12, 13, 14 und 15 müssen dabei dem erhöhten Durchsatz angepaßt sein. Ein solches System erscheint dann zweckmäßig, wenn alle Parallelzweige gleiche Strömungswiderstände und glei che thermische Belastungen haben.

Fig. 5 zeigt eine Kühleinrichtung für den Fall, daß pa rallele Kühlkanäle 11 und 11 a ungleich belastet sind und ungleiche Strömungswiderstände aufweisen. Jeder der Kühl kanäle 11 und 11 a hat eine eigene Pumpe, wodurch gewähr leistet ist, daß sich in jedem Kühlkanal 11 und 11 a ein der jeweiligen Belastung entsprechender Durchsatz einstellt.

Das aus der Mitte der Wicklung 16 (oder auch von einer be liebigen Zwischenstelle abgeführte, erwärmte He wird zu nächst durch den zweiten Wärmeaustauscher 12 geführt und regt somit einen ersten Massenstrom 17 an, der nach Rück kühlung in den Wärmeaustauschern 15 und 10 den Kühlkanal 11 der Wicklung 16 durchströmt. Nach Austritt aus dem Wärmeaustauscher 12 wird das He in einen sechsten Wärme austauscher 12 a einer zweiten Fountainpumpe geführt. Wegen der bereits teilweise abgesenkten Temperatur des Kälte mittels bei Eintritt in diese zweite Pumpe, kann dort nur ein vergleichsweise geringerer zweiter Massenstrom 17 a an geregt werden als in der ersten Pumpe. Dieser Heliumstrom wird nach Rückkühlung in den Wärmeaustauschern 15 a und 10 a durch den zweiten Kühlkanal 11 a der Wicklung 16 geführt.

Somit erhält man ein selbst angeregtes Kühlsystem, mit dem in den beiden Wicklungsteilen unterschiedliche Kühlmittel ströme 17 und 17 a erzeugt werden. Nach dem gleichen Prinzip können auch mehr als zwei parallele Kühlkreise aufgebaut werden.

Derartige Kühlkreise mit abgestuften Kälteleistungen können insbesondere für Wicklungen mit inhomogener thermischer Belastung interessant sein. Ein solcher Fall liegt z.B. bei einer Toroidalfeldspule eines TOKAMAK-Fusionsreaktors vor. Hierbei tritt in den Wicklungslagen, die dem Plasma am nächsten sind, aufgrund der Absorption von Neutronen, eine beträchtlich höhere Belastung auf als weiter außen. Bezogen auf das in Fig. 5 dargestellte Kühlsystem würde man in diesem Fall den größeren Massenstrom 17 durch die inneren Windungen führen.

Fig. 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei die Zirkulation des He II nicht nur durch die vom Kühlobjekt zur Fountainpumpe zurückgekoppelte Wärme ange regt wird, sondern auch zusätzlich durch andere Wärmeströme, die an anderen Stellen des Gesamtkühlsystems zwischen dem Temperaturniveau des He I-Vorratsbehälters 1 und des He II- Aufwärmbades 9 fließen. Bei den hier diskutierten Beispielen sind das zwei Anteile:

a) ein erster Wärmestrom 18, durch die als thermische Barriere auszubildende Druckausgleichsverbindung 1 a zwi schen dem He I und dem He II-System, und
b) ein zweiter Wärmestrom 19, der mit dem vom He I-Vorrats behälter 1 über einen achten Wärmeaustauscher 2 a zum Rückkühlbad 4 einströmenden He verknüpft ist.

Beide Wärmeströme 18 und 19 belasten das Aufwärmbad 9 und liefern somit einen Beitrag zur verstärkten Konvektion. Durch diese Maßnahme wird die thermische Belastung des Rück kühlbades 4 verringert. Wenn eine Druckleitung 21, die über einen Wärmeaustauscher 20 mit dem Versorgungsbad 1 thermisch gekoppelt ist, anstelle der Druckausgleichsleitung 1 a hy draulisch von dem Vorratsbad 1 entkoppelt ist, kann dem He II-System 4 über diese Druckleitung 21 ein beliebiger Druck aufgeprägt werden.

Bezugszeichenliste 1 Vorratsbehälter
2 Rohr
2 a achter Wärmeaustauscher
3 Entspannungsventil
4 Rückkühlbad
5 Abgasleitung
6 Wand
7 Versorgungsbad
8 Superfilter
9 Aufwärmbad
10 erster Wärmeaustauscher
11 Kühlkanal/Kühlstrecke
12 zweiter Wärmeaustauscher
12 a sechster Wärmeaustauscher
13 dritter Wärmeaustauscher
14 vierter Wärmeaustauscher
15 fünfter Wärmeaustauscher
16 zu kühlende Objekt
17 erster Massenstrom
17 a zweiter Massenstrom
18 erster Wärmestrom
19 zweiter Wärmestrom
20 siebter Wärmeaustauscher
21 Druckleitung

Claims

1. Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (He II), bei welchem eine Fountain pumpe zur Erzeugung einer Zwangsströmung des He II ver wendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsströmung dadurch angeregt wird, daß die dem zu kühlenden Objekt (16) zu entziehende Wärme in die Fountainpumpe eingekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) dem im zu kühlenden Objekt (16) von der Eintritts temperatur T ₁ auf die Austrittstemperatur T ₂ auf gewärmten Helium in dem Aufwärmbad (9) der Fountain pumpe Wärme entzogen wird, worauf es in einem Rück kühlbad (4) weiter rückgekühlt und dem Versorgungs bad (7) der Fountainpumpe zugeführt wird, und daß
b) das derart im Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe er wärmte und unter Druck stehende Helium entnommen und, nachdem es im Rückkühlbad (4) auf die Eintrittstem peratur T ₁ zurückgekühlt wurde, dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß das dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe ent nommene He II in mehrere, dem Objekt (16) an verschie denen Stellen zuzuführende He II-Teilströme (17, 17 a) aufgeteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) bei zwei oder mehreren He II-Teilströmen (17, 17 a) mit unterschiedlicher Wärmelast jeder Teilstrom (17, 17 a) einer eigenen, der jeweiligen Wärmelast ange paßten Fountainpumpe entnommen und dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird, und daß
b) die He-Teilströme (17, 17 a) nach der Wärmeaufnahme im zu kühlenden Objekt (16) zu einem He-Gesamtstrom (17, 17 a) zusammengefaßt werden, der die Aufwärmbäder (9) der Fountainpumpen nacheinander, entsprechend der Wärmelast der zugehörigen Teilströme zur Anregung der Zwangsströmung versorgt, wobei die Fountainpumpe des Teilstromes mit der jeweils größeren Wärmelast Vor rang hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufwärmebad (9) der Fountainpumpe neben der dem zu kühlenden Objekt (16) entzogene Wärme zur Verstärkung der Zwangsströmung Wärme aus dem He I-Vorratsbehälter (1) eingekoppelt wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Kompo nenten in Reihe zu einem geschlossenen Heliumkreislauf angeordnet sind: Ein erster Wärmeaustauscher (10) in einem Rückkühlbad (4), der mit einem Kühlkanal (11) des zu kühlenden Objektes (16) verbunden ist; ein zweiter Wärmeaustauscher (12) für das Aufwärmbad (9) einer Fountainpumpe, der mit dem Ausgang des Kühlkanals (11) verbunden ist; ein dritter Wärmeaustauscher (13) im Rückkühlbad (4) dessen Eingang mit dem zweiten Wärmeaus tauscher (12) verbunden ist, mündet im Versorgungsbad (7), das das Superfilter (8) der Fountainpumpe mit He II versorgt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Wärmeaustauscher (12) und den dritten Wärmeaustauscher (13) ein vierter Wärmeaustau scher (14) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) des Rückkühlbades (4) steht.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeich net, daß zwischen das Aufwärmbad (9) und den ersten Wärmeaustauscher (10) ein fünfter Wärmeaustauscher (15) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgas leitung (5) steht.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Vorratsbehälter (1) mit dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe über einen sechsten Wärmeaustau scher (2 a) thermisch gekoppelt ist, dessen Ein- und Aus gang mit je einem im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) stehenden Rohr (2 b und 2 c) verbunden ist, dessen Ende mit einem Entspannungsventil (3) im Rückkühlbad (4) mündet.

10. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß eine Druckausgleichsverbindung (1 a), die nor malerweise zwischen dem Vorratsbehälter (1) und dem Ver sorgungsbad (7) besteht, direkt im Aufwärmbad (9) mün det.

11. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß anstelle der Druckausgleichsverbindung (1 a) über einen siebten Wärmetauscher (20) im Vorratsbehälter (1), eine Druckleitung (21) im Aufwärmbad (9) mündet.