EP0212093A2 - Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (HeII) und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0212093A2
EP0212093A2 EP86107337A EP86107337A EP0212093A2 EP 0212093 A2 EP0212093 A2 EP 0212093A2 EP 86107337 A EP86107337 A EP 86107337A EP 86107337 A EP86107337 A EP 86107337A EP 0212093 A2 EP0212093 A2 EP 0212093A2
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EP
European Patent Office
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bath
heat
heat exchanger
cooling
cooled
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EP86107337A
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EP0212093A3 (en
EP0212093B1 (de
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Albert Dr. Hofmann
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution

Definitions

  • the present invention relates to a method for cooling an object using superfluid helium (He II) and a device for carrying out the method according to the preamble of patent claim 1.
  • He II superfluid helium
  • the pump effect is achieved by additional electrical heating at the warm end of the super filter. Because of the thermomechanical effects Due to the fact that such pumps are inherently very low (less than 10% of the heat supplied can be converted into work), this process leads to an uneconomically high load on the refrigeration system, especially when the helium rate is to be circulated.
  • the invention has for its object the cooling of objects, such as superconducting large magnets, with liquid helium, to make them more effective and economical.
  • the particular advantage of the invention is that the heat loss of the object to be cooled is used to generate the forced flow in the own cooling circuit, the heat loss being coupled into a fountain pump in such a way that no additional drive power is required and the throughput corresponding to the load is independent sets. In a particularly advantageous manner, these pumps have no mechanically moving parts.
  • the invention creates the possibility of realizing internally cooled conductor concepts at extremely low temperatures below the ⁇ line of the liquid helium, ie with superfluid helium (He II), with the undisputed advantages of cooling by forced flow with the advantages of the extremely good cooling properties of He II when building large superconductor windings.
  • FIG. 1 shows the diagram of the cooling circuit according to the invention.
  • the figure also contains a cooling system according to the prior art, with which the 1.8 K operating temperature is achieved.
  • Liquid helium which boils in a storage container 1 under a pressure of, for example, 1 bar, is guided through a tube 2 designed as a heat exchanger to the expansion valve 3.
  • a pressure of about 15 mbar By relaxing to a pressure of about 15 mbar, an operating temperature of about 1.8 K is reached in a recooling bath 4.
  • the steam is drawn off via line 5 and returned to the condenser.
  • the recooling bath 4 is in good thermal contact with the supply bath 7 via the wall 6, which is designed as a heat exchanger, and which takes on the same pressure as in the storage container 1 via a pressure compensation line 1a.
  • the pressure compensation line 1a is to be designed as a so-called thermal barrier so as to reduce the heat flow from the storage container 1 to the supply bath 7 to an acceptable level.
  • the superfluid helium (He II) from the supply bath 7 is brought up to the temperature of the recooling bath 4 by means of a thermomechanical pump (fountain pump), which consists of a fine porous filter 8 (super filter) with a downstream heating bath 9, after recooling in a first heat exchanger 10, into a cooling channel 11 of the object 16 to be cooled, for example a superconducting winding.
  • a thermomechanical pump fine porous filter 8 (super filter) with a downstream heating bath 9, after recooling in a first heat exchanger 10, into a cooling channel 11 of the object 16 to be cooled, for example a superconducting winding.
  • the He II absorbs the heat to be dissipated from there.
  • the emerging, heated He then flows through a second heat exchanger 12, wherein it gives off part of the heat absorbed to the heating bath 9.
  • thermomechanical effect Due to the thermomechanical effect, a specific effect that occurs in the He II, superfluid He flows largely dissipation-free from the supply bath 7 into the heating bath 9 when the heating bath 9 has a higher temperature than in the supply bath 7. This is achieved by coupling the heat absorbed in the cooling section 11 into the heating bath 9 of the fountain pump.
  • the super filter 8 acts as an entropy filter. Figuratively speaking, the heat is stripped off the He II when it flows through this filter. The result of this is that when there is a flow in the supply bath 7, heat is generated which is released by the heat exchanger 6 to the recooling bath 4. On the other hand, a cooling effect occurs at the outlet of the super filter 8. Part of the heat supplied via the heat exchanger 12 to the heating bath 9 is hereby removed. The helium emerging from the second heat exchanger 12 is then recooled to the initial temperature in a downstream third heat exchanger 13 and returned to the supply bath 7.
  • FIG. 1 a shows an expanded version of the device according to FIG. 1, the heat exchangers 10 and 13 being preceded by a fourth heat exchanger 14 and a fifth heat exchanger 15, which are precooled within the exhaust gas line 5 in order to reduce the thermal load on the cooling bath 4.
  • the calculated cooling characteristic of the cooling system according to the invention is shown in FIG.
  • the fluid temperature T2 is exited from the cooling channel 11 heated with the power Q with the length L, the flow cross section F and the hydraulic diameter D over the "normalized” heating power.
  • the delivery pressure (bottom pressure ⁇ p F ) increases even up to an outlet temperature of T2 max ⁇ 3.5 K. It is therefore to be expected that a continuous transition from He II to forced He I cooling takes place in such a cooling system. This can also be seen as an advantage over He II bath cooling.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a typical fountain pump for a maximum delivery rate of about 10 g / sec with a small pressure drop and for about 0.3 bar maximum delivery pressure with a low throughput.
  • a typical fountain pump for a maximum delivery rate of about 10 g / sec with a small pressure drop and for about 0.3 bar maximum delivery pressure with a low throughput.
  • the super filter 8 consists for example of Al203 powder with an average particle size of 1.5 microns, which is pressed with a fill factor of about 50% in a tube of about 100 mm in length and 35 mm in diameter.
  • the cross section and length of the filter units must be adapted to the special requirements with regard to mass throughput and delivery pressure.
  • cooling channels 11 or several pump units can be combined with one another in a suitable manner.
  • FIG. 4 shows a cooling diagram with cooling ducts 11 connected in parallel, as is possible with a large heat load or narrow cooling duct cross sections.
  • This cooling system differs from that shown in FIG. 1 only in that in the object to be cooled (for example a superconducting winding) the He II current is split into several partial flows.
  • the cross section of the cooling channels 11 of the super filter 8 and the heat exchangers 10, 12, 13, 14 and 15 must be adapted to the increased throughput. Such a system appears expedient if all parallel branches have the same flow resistances and the same thermal loads.
  • FIG. 5 shows a cooling device in the event that parallel cooling channels 11 and 11a are unequally loaded and have unequal flow resistances.
  • Each of the cooling channels 11 and 11a has its own pump, which ensures that a throughput corresponding to the respective load is established in each cooling channel 11 and 11a.
  • the heated He discharged from the center of the winding 16 (or also from any intermediate point is first passed through the second heat exchanger 12 and thus stimulates a first mass flow 17 which, after recooling in the heat exchangers 15 and 10, the cooling duct 11 of the winding 16 After exiting the heat exchanger 12, the He is passed into a sixth heat exchanger 12a of a second fountain pump because of the already partially lowered temperature of the refrigerant when it enters this second pump, only a comparatively lower second mass flow 17a can be excited there than in that After recooling in the heat exchangers 15a and 10a, this helium flow is passed through the second cooling channel 11a of the winding 16. A self-excited cooling system is thus obtained, with which different coolant flows 17 and 17a are generated in the two winding parts. Using the same principle, more than two parallel cooling circuits can be set up.
  • Such cooling circuits with graded cooling capacities can be of particular interest for windings with inhomogeneous thermal loads.
  • a case is e.g. with a toroidal field coil of a TOKAMAK fusion reactor.
  • the larger mass flow 17 would be conducted through the inner windings in this case.

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Abstract

Ein Verfahren zum Kühlen eines Ob­jektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (He II), wobei eine Fountainpumpe (8) zur Erzeugung einer Zwangsströ­mung des He II verwendet wird und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die abnorm gute Wärmeleitfähigkeit des He II im Temperaturbereich zwischen 1,7 K und 2,1 K und die Suprafluidität sind hervorragende Eigenschaften zur Kühlung supraleitender Magnetwicklungen. In dem Verfahren wird in vorteilhafter Weise die Verlustwärme des zu kühlenden Objektes (16) zur Erzeugung der Zwangsströmung in dem eigenen Kühlkreislauf genutzt, wobei die Verlustwärme derart in eine thermomechanische Pumpe (8) eingekoppelt wird, daß keine zusätzliche Antriebsleistung benötigt wird und der Durchsatz sich entsprechend der jeweiligen Belastung selbständig einstellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem He­lium (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 Ma­gnetwicklungen. Bisher konnten solche 1,8 K-gekühlten Spulen nur nach dem Prinzip badgekühlter Wicklungen realisiert wer­den. Diese konventionelle Technik hat bekanntlich folgende Nachteile: die Notwendigkeit eines dichten Spulengehäuses, schlechtere mechanische Fixierung des Leiters und schlechte Hochspannungsfestigkeit. Diese Nachteile können durch Über­gang von einer derartigen Badkühlung mit Außenkühlung des Leiters zu einer Leiterinnenkühlung mit erzwungener Helium­strömung überwunden werden. Mangels geeigneter Pumpen konnte dieses Konzept bisher nicht bei Kühlung mit supra­fluidem Helium (He II) realisiert werden.
  • Bekannt sind Fountainpumpen zur Anregung einer Konvektion von He II in ³He- ⁴He-Kühlmaschinen, wie in der niederländi­schen Offenlegungsschrift 7902438 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 umzu­wälzenden 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 kennzeich­nenden Merkmale. Die übrigen Patentansprüche geben vorteil­hafte Weiterführungen und Ausbildungsformen sowohl des er­findungsgemäßen 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 ein­gekoppelt 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, innen­gekühlte Leiterkonzepte bei extrem tiefen Temperaturen un­terhalb der λ-Linie des flüssigen Heliums, d.h. mit supra­fluidem Helium (He II) zu verwirklichen, wobei die unbe­strittenen 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 Tempera­turen um 4 K zwangsläufig vergrößerte Aufwand zur Bereit­stellung der Kühlleistung wird häufig durch die Verwendung billigerer Materialien (NbTi statt Nb₃Sn) bzw. durch die höheren Magnetfelder und Stromdichten, die bei 1,8 K er­reicht werden können, wettgemacht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 6 an einigen Beispielen beschrieben.
    • Figur 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreis­laufes dar;
    • Figur 1a zeigt eine erweiterte Version des Kühlkreislaufes nach Figur 1;
    • Figur 2 zeigt die Austrittstemperatur T₂ in Abhängigkeit von der normierten Belastung bei unterschiedlichen Systemdrücken p₀. Die Eintrittstemperatur ist T₁ = 1,8 K;
    • Figur 2a zeigt den Heliumdurchsatz in Kühlkanälen mit dem Durchmesser D = 4 mm bei unterschiedlichen Längen in Abhängigkeit von der thermischen Belastung Q;
    • Figur 2b zeigt den Fountaindruck Δp in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur T₂;
    • Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Fountainpumpe;
    • Figur 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen dar;
    • Figur 5 stellt ein Kühlschema für den Fall dar, daß parallele Kühlkanäle 11, 11a ungleich belastet sind;
    • Figur 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei außer der Verlustwärme des zu kühlenden Ob­jektes noch andere Wärmequellen zur Verstärkung der Zwangsströmung genutzt werden.
  • Figur 1 stellt das Schema des erfindungsgemäßen Kühlkreis­laufes 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 flüssi­ges Helium, das in einem Vorratsbehälter 1 unter einem Druck von beispielsweise 1 bar siedet, durch ein als Wärme­austauscher ausgebildete Rohr 2 zum Entspannungsventil 3 geführt. Durch Entspannung auf einen Druck von etwa 15 mbar, wird in einem Rückkühlbad 4 eine Betriebstempe­ratur von etwa 1,8 K erreicht. Der Dampf wird über die Lei­tung 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 1a den gleichen Druck annimmt wie im Vorratsbehälter 1. Somit erhält man im Versorgungsbad 7 unterkühltes He II mit einer Temperaur von 1,8 K und dem Druck von beispiels­weise 1 bar, wie im Vorratsbehälter 1. Die Druckausgleichs­leitung 1a ist als sogenannte thermische Barriere auszu­legen, um so den Wärmestrom von Vorratsbehälter 1 zum Ver­sorgungsbad 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 nach­geschaltetem Aufwärmbad 9 besteht, nach Rückkühlung in ei­nem ersten Wärmeaustauscher 10 auf die Temperatur des Rück­kühlbades 4, in einen Kühlkanal 11 des zu kühlenden Objek­tes 16, beispielsweise einer supraleitenden Wicklung, ge­leitet. 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 spezifi­schen 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 aufge­nommenen Wärme in das Aufwärmbad 9 der Fountainpumpe be­wirkt.
  • Das Superfilter 8 wirkt als Entropiefilter. Bildlich ge­sprochen wird dem He II bei Durchströmen dieses Filters die Wärme abgestreift. Dies hat zur Folge, daß bei Strö­mung im Versorgungsbad 7 Wärme entsteht, die durch den Wärmeaustauscher 6 an das Rückkühlbad 4 abgegeben wird. Am Austritt des Superfilters 8 tritt dagegen eine Kühlwir­kung auf. Hiermit wird ein Teil der über den Wärmeaustau­scher 12 dem Aufwärmbad 9 zugeführte Wärme abgeführt. Das aus dem zweiten Wärmeaustauscher12 austretende Helium wird dann in einem nachgeschalteten dritten Wärmeaustauscher 13 auf die Ausgangstemperatur rückgekühlt und wieder dem Versorgungsbad 7 zugeführt.
  • Figur 1a zeigt eine erweiterte Version der Einrichtung nach Figur 1, wobei den Wärmeaustauschern 10 und 13 ein vierter Wärmeaustauscher 14 und ein fünfter Wärmeaustauscher 15 vorgeschaltet sind, die zum Vorkühlen innerhalb der Abgas­leitung 5 geführt sind, um die Wärmebelastung des Rückkühl­bades 4 zu reduzieren.
  • In Figur 2 ist die errechnete Kühlcharakteristik des er­findungsgemäßen Kühlsystems dargestellt. Hierbei ist die Fluidtemperatur T₂ bei Austritt aus dem mit der Leistung Q beheizten Kühlkanal 11 mit der Länge L, dem Strömungs­querschnitt F und dem hydraulischen Durchmesser D über der "normierten" Heizleistung aufgetragen. Die Rechnung ist für zwei verschieden Systemdrücke (p₀ = 1,0 und 7,5 bar) durchgeführt worden.
  • In Figur 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 Kanä­len beträchtliche Wärmelasten abgeführt werden können. Die Kühlung setzt auch nicht aus, wenn die Austrittstemperatur T₂ den He II-Bereich verläßt.
  • Wie in Fig. 2b dargestellt, nimmt der Förderdruck (Foun­taindruck ΔpF) sogar bis zu einer Austrittstemperatur von T₂max ≈ 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.
  • Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer typischen Foun­tainpumpe für eine maximale Förderrate von etwa 10 g/sec bei kleinem Druckabfall und für etwa 0,3 bar maximalen För­derdruck 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 abge­führt werden, wenn die Eintrittstemperatur T₁ 1,8 K und die Austrittstemperatur T₂ 2,16 K beträgt. Das Superfilter 8 be­steht hierbei beispielsweise aus Al₂0₃-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 Ma­terialien mit ähnlicher Porosität verwendet werden. Quer­schnitt und Länge der Filtereinheiten sind den speziellen Anforderungen bezüglich Massendurchsatz und Förderdruck anzupassen.
  • Um solche Einrichtung den jeweiligen Gegebenheiten be­züglich 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 ge­tragen werden, daß der mit solchen Fountainpumpen erreich­bare 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 Filter­querschnitt ab. Demzufolge können zwar nicht beliebig lange Kühlkanäle betrieben werden, einer Unterteilung in mehrere Parallelkanäle ist dagegen keine physikalische Grenze ge­setzt.
  • Figur 4 stellt ein Kühlschema mit parallel geschalteten Kühlkanälen 11 dar, wie es bei großer Wärmelast bzw. engen Kühlkanalquerschnitten möglich ist. Dieses Kühlsystem unter­scheidet sich von dem in Figur 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 glei­che thermische Belastungen haben.
  • Figur 5 zeigt eine Kühleinrichtung für den Fall, daß pa­rallele Kühlkanäle 11 und 11a ungleich belastet sind und ungleiche Strömungswiderstände aufweisen. Jeder der Kühl­kanäle 11 und 11a hat eine eigene Pumpe, wodurch gewähr­leistet ist, daß sich in jedem Kühlkanal 11 und 11a ein der jeweiligen Belastung entsprechender Durchsatz einstellt.
  • Das aus der Mitte der Wicklung 16 (oder auch von einer be­liebigen Zwischenstelle abgeführte, erwärmte He wird zu­nächst durch den zweiten Wärmeaustauscher 12 geführt und regt somit einen ersten Massenstrom 17 an, der nach Rück­kühlung 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 Wärme­austauscher 12a einer zweiten Fountainpumpe geführt. Wegen der bereits teilweise abgesenkten Temperatur des Kälte­mittels bei Eintritt in diese zweite Pumpe, kann dort nur ein vergleichsweise geringerer zweiter Massenstrom 17a an­geregt werden als in der ersten Pumpe. Dieser Heliumstrom wird nach Rückkühlung in den Wärmeaustauschern 15a und 10a durch den zweiten Kühlkanal 11a der Wicklung 16 geführt. Somit erhält man ein selbst angeregtes Kühlsystem, mit dem in den beiden Wicklungsteilen unterschiedliche Kühlmittel­ströme 17 und 17a 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 Figur 5 dargestellte Kühlsystem würde man in diesem Fall den größeren Massenstrom 17 durch die inneren Windungen führen.
  • Figur 6 zeigt eine weitere Konzeption eines Kühlsystems, wobei die Zirkulation des He II nicht nur durch die vom Kühlobjekt zur Fountainpumpe zurückgekoppelte Wärme ange­regt 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 1a zwi­schen dem He I und dem He II-System, und
    • b) ein zweiter Wärmestrom 19, der mit dem vom He I-Vorrats­behälter 1 über einen achten Wärmeaustauscher 2a 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 Rück­kühlbades 4 verringert. Wenn eine Druckleitung 21, die über einen Wärmeaustauscher 20 mit dem Versorgungsbad 1 thermisch gekoppelt ist, anstelle der Druckausgleichsleitung 1a hy­draulisch 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
    • 2a 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
    • 12a sechster Wärmeaustauscher
    • 13 dritter Wärmeaustauscher
    • 14 vierter Wärmeaustauscher
    • 15 fünfter Wärmeaustauscher
    • 16 zu kühlende Objekt
    • 17 erster Massenstrom
    • 17a zweiter Massenstrom
    • 18 erster Wärmestrom
    • 19 zweiter Wärmestrom
    • 20 siebter Wärmeaustauscher
    • 21 Druckleitung

Claims (11)

1. Verfahren zum Kühlen eines Objektes mit Hilfe von suprafluidem Helium (He II), bei welchem eine Fountain­pumpe zur Erzeugung einer Zwangsströmung des He II ver­wendet 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 Eintritts­temperatur T₁ auf die Austrittstemperatur T₂ auf­gewärmten Helium in dem Aufwärmbad (9) der Fountain­pumpe Wärme entzogen wird, worauf es in einem Rück­kühlbad (4) weiter rückgekühlt und dem Versorgungs­bad (7) der Fountainpumpe zugeführt wird, und daß
b) das derart im Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe er­wärmte und unter Druck stehende Helium entnommen und, nachdem es im Rückkühlbad (4) auf die Eintrittstem­peratur T₁ zurückgekühlt wurde, dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­net, daß das dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe ent­nommene He II in mehrere, dem Objekt (16) an verschie­denen Stellen zuzuführende He II-Teilströme (17, 17a) aufgeteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
a) bei zwei oder mehreren He II-Teilströmen (17, 17a) mit unterschiedlicher Wärmelast jeder Teilstrom (17, 17a) einer eigenen, der jeweiligen Wärmelast ange­paßten Fountainpumpe entnommen und dem zu kühlenden Objekt (16) zugeführt wird, und daß
b) die He-Teilströme (17, 17a) nach der Wärmeaufnahme im zu kühlenden Objekt (16) zu einem He-Gesamtstrom (17, 17a) 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 Vor­rang 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 An­spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Kompo­nenten 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 Wärmeaus­tauscher (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 Wärmeaustau­scher (14) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) des Rückkühlbades (4) steht.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeich­net, daß zwischen das Aufwärmbad (9) und den ersten Wärmeaustauscher (10) ein fünfter Wärmeaustauscher (15) eingebracht ist, der im Wärmeaustausch mit der Abgas­leitung (5) steht.
9. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeich­net, daß der Vorratsbehälter (1) mit dem Aufwärmbad (9) der Fountainpumpe über einen sechsten Wärmeaustau­scher (2a) thermisch gekoppelt ist, dessen Ein- und Aus­gang mit je einem im Wärmeaustausch mit der Abgasleitung (5) stehenden Rohr (2b und 2c) verbunden ist, dessen Ende mit einem Entspannungsventil (3) im Rückkühlbad (4) mündet.
10. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeich­net, daß eine Druckausgleichsverbindung (1a), die nor­malerweise zwischen dem Vorratsbehälter (1) und dem Ver­sorgungsbad (7) besteht, direkt im Aufwärmbad (9) mün­det.
11. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeich­nt, daß anstelle der Druckausgleichsverbindung (1a) über einen siebten Wärmetauscher (20) im Vorratsbehälter (1), eine Druckleitung (21) im Aufwärmbad (9) mündet.
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