DE4041603A1 - Verfahren und vorrichtung zum tiefkuehlen elektrischer hohlleiter stromdurchflossener spulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Tiefküh­ len elektrischer Hohlleiter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbeson­ dere elektrische Induktionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie, oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Graphitpartikelzusatz und ist als Ausweitung ein Zusatz zu P 40 31 995.5.

Mittels Tiefkühlung der elektrischen Hohlleiter sollen die ohm­ schen Verluste gesenkt werden, die Stromverlustwärme, die durch den elektrischen Widerstand entsteht.

Der elektrische Widerstand in metallischen Leitern ändert sich proportional mit der Leitertemperatur pro Grad um cirka 4-5 Pro­ mille. Beispielsweise sinkt der elektrische Widerstand durch Tem­ peratursenkung im Leiterkörper bei einer Temperaturdifferenz von 125°C gegenüber der ursprünglichen Temperatur um cirka 50% und bei 168°C Temperaturdifferenz auf nur noch 33%.

Durch Tiefkühlung der elektrischen Hohlleiter ist deshalb eine Steigerung der elektrischen Nutzleistung realisierbar, beziehungs­ weise bei Erhalt der elektrischen Nutzleistung, eine Reduzierung der Stromstärke möglich. Daraus resultiert die physikalische Ei­ genschaft, daß sich die Menge der entstehenden Stromverlustwärme mit dem Quadrat der Stromstärke ändert. Zum Beispiel entsteht im selben elektrischen Leiter, bei Halbierung der Stromstärke nur noch ein Viertel der vorherigen Stromverlustwärme und bei Dritte­ lung der Stromstärke entstehen lediglich noch 11% der vorherigen Menge an Stromverlustwärme, die abgeführt werden müssen zur Erhal­ tung der Tiefkühlung. Zudem ist zu Beginn der im Hohlleiter vorhan­ dene, normale Wärmeinhalt abzuleiten, was bei Kupfermaterial pro kg/°C cirka 0,465 kJ Kühlleistung erfordert.

Bei elektrischen Induktionsöfen muß außerdem die aus der Schmelze absorbierte Wärmemenge abgeführt werden, die jedoch durch eine polierte Leiteraußenfläche erheblich verringert werden kann.

Die Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter mittels kälteverflüssig­ ten Gasen ist bekannt. Helium mit -268°C Verdampfungstemperatur aber nur 25 kJ/kg benötigter Verdampfungswärme ist dazu nicht so gut geeignet wie Stickstoff, der mit - 196°C versiedent, 199 kJ/kg Verdampfungswärme aus der Umgebung benötigt und dessen Gasphase nochmals das gleiche Kältepotential beinhaltet.

Herkömmlich werden dazu flüssige Gase mittels Düse an einem Ende des elektrischen Hohlleiters eingesprüht, versieden kälteerzeugend in der inneren Höhlung und entweichen gasförmig am anderen Ende verlustig in die Atmosphäre.

Nachteilig ist dabei, daß das flüssige Gas schon im Eingangsbereich versiedet und nur dort die effektive Versiegungskälte wirksam wird, während im übrigen Bereich des Hohlleiters lediglich die Gasphase mit geringem Kälteinhalt wirken kann. Durch die nur einmalige An­ wendung des Gases entstehen große Verbrauchsmengen mit erheblichem Kostenaufwand, bedingt durch die Gasverluste.

Aufgabe der Erfindung ist es, Gasverluste zu verhindern und durch gleichmäßige Verteilung des Gases in Flüssigphase im gesamten in­ neren Bereich des elektrischen Hohleiters, eine gleichmäßige Tief­ temperatur zu erzeugen und sicherzustellen, auf wirtschaftlicher Basis, daß eine reibungsarme Elektronenströmung erfolgen kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe damit gelöst, daß, als Kältege­ nerator, ein Gaseverflüssiger einen verschiedenphasigen Gaseum­ lauf bewirkt in einem Kältemittel-Kreislaufröhrensystem, in dem der elekrische Hohlleiter als Verdampferrohr integriert ist und fungiert, daß Gas in Flüssigphase durch einen perforierten Schlauch in die innere Höhlung des elektrischen Hohlleiters eingetragen wird, und daß versiedetes Gas in Gasphase an den Ausgangsöffnungen bei­ der Enden des elektrischen Hohlleiters mittels Hohlleitung, mit zwischenräumlicher elektrischer Isolierstrecke, ab- und dem Gase­ verflüssiger wieder zugeführt wird, in kontinuierlichem Kreislauf.

Der perforierte Schlauch besteht aus einer elastischen, kältefe­ sten Kunststoffröhre, deren Ende verschlossen ist mittels Stopfen, durch deren Wände Perforationen angebracht sind und daß dieser perforierte Schlauch innen im elektrischen Hohlleiter, längs der inneren Höhlung einliegend, angeordnet ist. Im Querschnitt ist er kleiner als die innere Höhlung des elektrischen Hohlleiters, in der Länge jedoch passend. Er wird von dem Gaseverflüssiger gespeist mit Gas in Flüssigphase und/oder aus einem Vorratsbehälter, der gegebenenfalls auch die Notversorgung übernimmt und ist mit diesen Gasquellen verbunden mit wärmeisolierter Zuleitung, erfor­ derlichenfalls über eine Regeleinrichtung mit Pufferbehälter.

Zum Einführen und hermetischen Befestigen des, nur im Innenbereich der inneren Höhlung des elektrischen Hohlleiters perforierten Schlauchs, ist an einem Ende des elektrischen Hohlleiters, zu ei­ nem Abzweiganschluß für die gasförmige Abführung, eine verschraub­ bare Einführdichtung angeordnet.

Bei einer Ausweitung der Erfindung ist, zwecks Nutzung der Abwär­ me aus den induktiv erhitzten Stoffen zur Kälteerzeugung, ein Heiß­ gasmotor (Stirling-Motor) mit der Beheizungshaube des Zylinderkopfs in einer Öffnung im Deckel eines Induktionsofens angeordnet, der, beispielsweise gekoppelt mit einem Stromgenerator, Antriebshilfs­ energie für den Gaseverflüssiger erzeugt, oder dessen Antrieb mit­ tels Hydraulikpumpe und Hydromotor, oder mittels biegsamer Welle bewirkt beziehungsweise unterstützt.

Zur Installation des Heißgasmotors ist vertikal im Deckel des In­ duktionsofens eine entsprechende Öffnung durchgehend angebracht, in welche die Beheizungshaube hineinragt, abschließend mit dem Deckelboden.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß bei der Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter keine Gasverluste ent­ stehen, daß das Gas mittels perforiertem Schlauch in Flüssigphase gleichmäßig im gesamten Bereich der inneren Höhlung des elektri­ schen Hohlleiters verteilt wird und an der Innenfläche versiedent, überall die gleiche Tieftemperatur erzeugt, ohne partielle Tempe­ raturdifferenzen. Damit wird eine reibungsarme Elektronenströmung ermöglicht, ohne hemmende höhere Temperaturbereiche. Durch Abfüh­ ren der Gasphase an mindestens beiden Enden des elektrischen Hohl­ leiters wird ein Druckstau im Inneren verhindert, der ansonsten durch die 800fache gasförmige Versiedungsexpansion entsteht und die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit behindert.

Zur Verbesserung der Energiebilanz ist es von Vorteil, daß mit der Abwärme aus den in Induktionsöfen erhitzten Stoffen, mittels Heiß­ luftmotor Antriebsenergie für den Gaseverflüssiger erzeugt wird.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der elektrische Hohlleiter (4) ist dabei überdimensioniert darge­ stellt.

Im Kältemittel-Kreislaufröhrensystem vorhandenes Gas wird mittels Gaseverflüssiger (1) verflüssigt und mit Druck durch die wärmeiso­ lierte Zuleitung (2) in den perforierten Schlauch (3) geführt, der im elektrischen Hohlleiter (4) einliegend angeordnet ist. Der Hinterdruck pflanzt sich in der tiefkalten Flüssigkeit fort und ist in allen Bereichen des perforierten Schlauches (3) gleich stark. Dadurch wird die tiefkalte Flüssigkeit überall gleichmäßig fein versprüht aus den Perforationen (5) ausgetrieben und beaufschlagt die Innenfläche des elektrischen Hohlleiters (4), wo es versiedent Verdampfungskälte erzeugt und die dazu nötige Verdampfungswärme dem elektrischen Hohlleiter entzieht. Daß der perforierte Schlauch dabei stellenweise an der Innenfläche aufliegt, beeinträchtigt nicht. Die mit der Versiedung entstehende Gasphase, die ebenfalls noch tiefkalt ist, durchströmt kühlend den vorhandenen Freiraum (14) zwischen perforiertem Schlauch (3) und Innenfläche und entweicht aus beiden Enden (6) des elektrischen Hohlleiters (4) in die Hohl­ leitung (7) und wird, vom Gaseverflüssiger (1) angesaugt, diesem wie­ der zugeführt durch die Hohlleitung (7), in der erforderlichenfalls ein Pufferbehälter integriert ist (nicht gezeichnet).

Im Deckel (8) des Induktionsofens (13) ist vertikal ein Loch (10) durch­ gehend angebracht. Der Heißgasmotor (9) ist so am Deckel (8) instal­ liert, daß dessen Beheizungshaube (11) in dieses Loch (10) hinein­ ragt, abschließend mit der Deckelunterseite. Auf dem Heißgasmotor (9) ist ein Stromgenerator (12) befestigt, der, mit dem Heißgasmo­ tor (9) impulsiert, Antriebsenergie für den Gaseverflüssiger (1) er­ zeugt. Impulsiert wird der Heißgasmotor (9) mit der Wärmeenergie aus der Strahlen- und Abwärme der induktiv erhitzten Stoffen, die im Anbringungsbereich übermäßig vorhanden ist mit Temperaturen bis zu 1500°C. Die Kühlung der Aggregate erfolgt durch Zwangsbe­ lüftung mittels Frischluft durch ein Rohr von außen (nicht gezeich­ net).

Mit beispielsweise Stickstoff als Kältemittel, der dabei im Kreis­ lauf zur Anwendung verflüssigt wird mittels Gaseverflüssiger, sind Leitertemperaturen bis -150°C realisierbar, jedoch kostenträch­ tig und materialschädigend. Die Leitertieftemperatur wird durch die Menge der Eintragung geregelt, in Abhängigkeit vom Hinterdruck, den der Gaseverflüssiger erzeugt und cirka 1,5-3 bar beträgt. Er muß den Druck der Gasphase im elektrischen Hohlleiter überstei­ gen. Die Leitertemperatur sollte -80°C nicht unterschreiten.

Claims (3)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohl­ leiter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbesondere elektrische Induk­ tionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Gra­ phitpartikelzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaseverflüssiger (1) einen verschiedenphasigen Gaseumlauf bewirkt in einem Kältemittel-Kreislaufröhrensystem, in dem der elektrische Hohlleiter (4) als Verdampferrohr integriert ist und fungiert, daß Gas in Flüssigphase durch einen perforierten Schlauch (3) in die innere Höhlung des elektrischen Hohlleiters (4) eingetragen wird und daß versiedetes Gas in Gasphase an den Ausgangsöffnungen (6) beider Enden des elektrischen Hohlleiters (4) mittels Hohlleitung (7) ab- und dem Gaseverflüssiger (1) wie­ der zugeführt wird, in kontinuierlichem Kreislauf.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der perforierte Schlauch (3) aus einer elastischen, kälte­ festen Kunststoffröhre besteht, deren Ende verschlossen ist und durch deren Wände Perforationen (5) angebracht sind und daß der perforierte Schlauch (3) innen im elektrischen Hohlleiter (4), längs der inneren Höhlung einliegend, angeordnet ist.

3. Vorrichtung zum Erzeugen von Antriebsenergie für den Gasever­ flüssiger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heißgasmotor (9) mit der Beheizungshaube (11) des Zylinder­ kopfes in einer Öffnung (10) im Deckel (8) eines Induktionsofens (13) angebracht ist.