EP1483822A1 - Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende, supraleitende wicklung angekoppelten kaltkopf einer kälteeinheit mit thermosyphoneffekt - Google Patents

Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende, supraleitende wicklung angekoppelten kaltkopf einer kälteeinheit mit thermosyphoneffekt

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Publication number
EP1483822A1
EP1483822A1 EP03711844A EP03711844A EP1483822A1 EP 1483822 A1 EP1483822 A1 EP 1483822A1 EP 03711844 A EP03711844 A EP 03711844A EP 03711844 A EP03711844 A EP 03711844A EP 1483822 A1 EP1483822 A1 EP 1483822A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
cavity
winding
cold head
heat pipe
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03711844A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Frank
Wolfgang Nick
Peter Van Ha Elt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10211363A external-priority patent/DE10211363A1/de
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1483822A1 publication Critical patent/EP1483822A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • 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
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • Superconducting device with a rotor rotatably mounted about an axis of rotation, which has at least one superconducting winding with conductors arranged in a heat-conducting winding carrier and a refrigeration unit in which at least one cold head is thermally coupled to the winding using thermosiphon effects via heat-conducting parts.
  • Superconductor materials such as NbTi or Nb 3 Sn, which have very low transition temperatures T c and are therefore also called low (low) -T c superconductor materials or LTS materials, have been known since 1987 as metal oxide superconductor materials with transition temperatures of over 77 K. The latter materials are also referred to as high (high) T c superconductor materials or HTS materials and in principle enable cooling technology with liquid nitrogen (LN 2 ).
  • cryocoolers with a closed He compressed gas circuit are used in the temperature range mentioned.
  • cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers.
  • Such cooling units also have the advantage that the cooling capacity is available at the push of a button and the user is spared the handling of cryogenic liquids.
  • a superconducting device such as a magnetic coil or a transformer winding is only indirectly cooled by heat conduction to a cold head of a refrigerator (cf., for example, "Proc. 16 th Int. Cryog. Engng. C nf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, May 20-24, 1996, Elsevier Science Verlag, 1997, pages 1109 to 1129).
  • a corresponding cooling technology is also provided for a superconducting rotor of an electrical machine which can be found in US Pat. No. 5,482,919 A.
  • the rotor contains a rotating winding made of HTS conductors, which by means of a
  • the refrigeration unit contains, in a special embodiment, a co-rotating cold head, the cold side of which is thermally coupled to the winding indirectly via heat-conducting elements.
  • the refrigeration unit of the known machine contains a compressor unit located outside its rotor, which supplies the cold head to a corresponding transfer unit with the required working gas via a rotating coupling, which is not detailed.
  • Coupling also supplies the valve unit of the refrigeration unit, which is integrated in the cold head, with the necessary electrical energy via two slip rings.
  • This concept makes it necessary for at least two gas connections to be guided coaxially in the transfer unit and for at least two electrical slip rings to be provided.
  • the accessibility of the rotating parts of the refrigeration unit and in particular of the valve train in the rotor of the machine is impeded, since the rotor housing has to be opened when maintenance is required.
  • the function of a conventional valve train with fast rotation as is the case with synchronous motors or generators, is not ensured.
  • the winding support should be equipped with a central, cylindrical cavity extending in the axial direction, to which a lateral cavity leading out of the winding support is connected.
  • the cold head should be stationary outside the rotor and be thermally connected to a condenser unit for condensing a refrigerant,
  • a fixed heat pipe should be coupled to the condenser unit, which axially in the co-rotating side
  • Cavity protrudes into it and is sealed radially from this space, as well
  • the heat pipe, the side cavity and the central cavity should be filled with the refrigerant, with condensed refrigerant using the thermosiphon effect via the heat pipe into the side cavity and from there into the central cavity and there evaporating refrigerant back over the side cavity and that Heat pipe reaches the condenser unit.
  • the entire refrigeration unit with its possibly movable parts is consequently arranged outside the rotor and is therefore easily accessible at all times.
  • the cooling capacity or the heat transfer is provided by a fixed cold head in the rotor via the heat pipe, which ensures the transport of the refrigerant without mechanically moving parts.
  • the refrigerant is condensed in a cycle on a condenser unit, which is connected to the cold head with good heat conduction, with heat being given off.
  • the liquid condensate then runs through the heat pipe into the side cavity and from there into the central cavity of the rotor.
  • the condensate is transported through the heat pipe under the influence of gravity due to a so-called thermosiphon effect and / or through the capillary force of the inner wall of the heat pipe.
  • this tube acts in a manner known per se as a "wick".
  • This function can be further optimized by suitable design or lining of the inner wall.
  • the condensate from this lateral cavity in the central cavity located in the area of the winding is at least partially evaporated there. The refrigerant thus evaporated while absorbing heat then flows through the interior of the heat pipe back into the condenser device.
  • the backflow is driven by a slight overpressure in the central cavity acting as an evaporator part relative to the parts of the condenser unit acting as a condenser.
  • This negative pressure generated by the formation of gas in the evaporator and the liquefaction in the condenser leads to the desired refrigerant backflow.
  • Corresponding refrigerant flows are known from so-called "heat pipes”.
  • the refrigeration unit can be easily adapted to the different requirements of a machine installation.
  • a heat pipe many meters long can be provided, so that, for example, a chiller can be installed in an accessible location to make maintenance easier, while the actual motor or generator is difficult is installed accessible.
  • the heat transfer or the provision of the cooling capacity is therefore particularly simple and economical in the embodiment according to the invention, in particular since only a relatively simple seal is required.
  • thermosiphon When a superconducting rotor cools from room temperature to the operating temperature with a cold head coupled via only one thermosiphon, as is provided in the proposed superconducting device, the performance of the cold head at the low working temperature of the thermosiphon is typically low, typically around 30 K. The consequence of this is correspondingly long cooling times.
  • a cooling time on the scale of about one to several weeks - depending on the cold mass and cooling capacity - must be tolerated; or to pre-cool the rotor, the thermosiphon must be temporarily filled with another working gas, which allows a higher working temperature. The latter procedure would require several hours of service in a cooling process. However, this should be avoided for logistical and cost reasons.
  • the gas with the highest condensation temperature can therefore initially cool off the cold head condense and form a closed circuit for heat transfer to the parts of the rotor to be cooled. After precooling these rotor parts to the triple point temperature of this gas, this will freeze out in the region of the condenser unit, whereupon it is cooled down to the condensation temperature of the next gas mixture component.
  • the individual components of the gas mixture can be selected in such a way that a quasi-continuous cooling can be advantageously realized with optimal utilization of the cooling capacity of the cold head.
  • the operation of the cold head at a higher temperature at the start of cooling leads to a correspondingly higher cooling capacity and thus allows significantly shorter cooling times.
  • a sealing device with rotating parts. At least one seal from the group of ferrofluid seals, labyrinth seals and gap seals is preferably used as the sealing device.
  • Cryocoolers are preferably provided, in particular with a closed He compressed gas circuit, since they have a simple structure and are particularly suitable for indirect cooling technology, such as in the superconducting device according to the invention are.
  • Corresponding coolers also referred to as regenerative cryocoolers, have a regenerator or regenerative working cycle in accordance with the usual classification of the cryocoolers (cf., for example, the aforementioned proceedings volume, pages 33 to 44).
  • the cold head can be designed particularly advantageously in several stages. With its first stage, parts of a power supply or a thermal radiation shield in particular are then at a comparatively higher level
  • the winding to be cooled and thus its superconductor material is to be kept at a temperature below 77 K by means of the cold head, preferably between 20 and 50 K when using HTS material.
  • HTS materials have a critical current density sufficient for conventional applications in this temperature range to be observed with a relatively limited cooling expenditure.
  • the required cooling capacity is in the invention
  • Superconducting device to apply easily. It lies e.g. in the range of a few 10 W at 20 K to 30 K for a synchronous machine of the size class from about 1 to 20 MW mechanical power.
  • the heat pipe is designed as a drip edge at its end which projects into the lateral cavity or into the central cavity. This facilitates the entry of the respective condensate into the cavity.
  • the configuration can also be made such that the gas movement in the rotating Interior due to the wind of the gaseous part of the refrigerant while dripping is supported.
  • the lateral cavity widens in the direction of the central cavity. Then gravity or centrifugal force can possibly be used to support the transport of the refrigerant, in that the transport path of the refrigerant is thus inclined outward towards the axis of rotation.
  • FIG. 2 Superconducting device with rotor and associated cooling unit, and FIG. 2 thereof, a special embodiment of this device according to FIG. 1.
  • Superconducting devices can each be a synchronous motor or a generator.
  • the superconducting device comprises a rotating, superconducting winding, which in principle uses metallic LTS material
  • the winding can consist of a coil or a system of coils in a 2-, 4- or other multi-pole arrangement.
  • the basic structure of such a superconducting device, for example forming a synchronous machine, is shown in FIG. 1, with known embodiments of such machines being used as a starting point (cf. for example the aforementioned US Pat. No. 5,482,919 A).
  • the device generally designated 2, comprises a stationary outer housing 3, which is at room temperature, with a stator winding 4. Inside the outer housing and surrounded by the stator winding 4, a rotor 5 is rotatably supported about a rotation axis A in bearings 6, which one side on one side Corresponding bearing mounted massive axial rotor shaft part 5a.
  • the bearings 6 can be conventional mechanical bearings or magnetic bearings.
  • the rotor has a vacuum vessel 7, in which e.g. Hollow cylindrical, torque-transmitting suspension elements 8, a winding support 9 is held with an HTS winding 10. In this winding support, concentric to the axis of rotation A, there is a cylindrical cavity which extends in the axial direction and is referred to below as the central cavity 12.
  • the winding support is designed to be vacuum-tight with respect to this cavity. It closes this on the side facing the rotor shaft part 5a.
  • the central cavity 12 is connected to a lateral cavity 13 with a comparatively smaller diameter. This lateral cavity leads from that
  • a tubular rotor shaft part enclosing this lateral cavity 13 and supported in one of the bearings 6 is designated 5b.
  • the superconducting device 2 also has an indirect cooling of its winding 10 via heat-conducting elements a refrigeration unit, of which only a cold head 16 is shown.
  • the refrigeration unit can in particular be a Gifford-McMahon type cryocooler.
  • a pulse tube cooler or split-Stirling cooler is preferably selected as a regenerative cryocooler.
  • Pressure relief valves for protecting the system against overpressure during warm-up are not shown in the figure, but are generally known.
  • the cold part of the cold head 16 arranged, for example, 0.5 to several meters laterally from the rotor 5 is in a vacuum vessel 23 via a
  • Heat transfer body 17 in good thermal contact with a refrigerant condenser unit or condenser unit 18.
  • a vacuum-insulated, fixed heat pipe 20 is connected to this condenser unit, which projects laterally in an axial region into the lateral, rotating cavity 13 or the central cavity 12.
  • a sealing device 21 with at least one sealing element, which is not shown in the figure, is used to seal the heat pipe 20 with respect to the lateral cavity 13, which can be designed as a ferrofluid seal and / or a labyrinth seal and / or a gap seal.
  • the central cavity 12 is connected to the heat exchange region of the condenser unit 18 in a gas-tight manner to the outside via the heat pipe 20 and the lateral cavity 13.
  • a refrigerant enclosed in these rooms should consist of a mixture of several, at least two different elementary components with different boiling or condensation temperatures T.
  • a first of the two mixture components should have a first condensation temperature Tki, which is generally below the operating temperature provided for continuous operation of the superconducting winding.
  • first condensation temperature Tki which is generally below the operating temperature provided for continuous operation of the superconducting winding.
  • hydrogen is more critical for this first mixture component (condensation temperature 20.4 K at normal pressure, triple point at 14 K)
  • the second elementary mixture component should have a comparatively higher condensation temperature T k2 .
  • refrigerant mixtures are the neon component pair (T k ⁇ of 27.1 K) argon (T k2 of 87.3 K) or the neon nitrogen component pair (T 2 of 77.4 K), if one
  • Operating temperature should be provided, which is below T k2 and is about 30 K, for example.
  • both components of the refrigerant mixture enclosed in the refrigerant spaces are condensed in a cycle on the condenser unit cooled by the cold head 16, giving off heat.
  • the condensate thus liquefied, denoted by k and indicated in the figure by a reinforced line then flows through the heat pipe 20 first into the lateral cavity 13 and from there into the central cavity 12.
  • Condensate through the heat pipe occurs by means of a thermosiphon effect under the influence of gravity and / or a capillary force of the inner wall of the heat pipe, which functions as a "wick".
  • the function of such a wick can be done by appropriate design as with the help of
  • Longitudinal ribs or channels can be optimized to increase the surface or by lining the inner wall.
  • the condensate k then drips into the cavity 13 or 12, whereby this process can be reinforced by forming a drip edge at the end 20a of the tube.
  • the shape can also be designed such that dripping is supported by a gas movement in the rotating interior due to a wind of the gaseous part of the refrigerant while rotating.
  • the first component k with the condensation temperature Ti, or the neon, of the liquid refrigerant mixture or condensate k is then evaporated inside the rotor.
  • This now vaporous refrigerant component is designated k ⁇ .
  • the second component remains liquid or is frozen out. Gravity or centrifugal force may still be used to transport the refrigerant mixture if the refrigerant's transport path is inclined outwards towards the axis of rotation.
  • the lateral cavity 13 is designed as a tube widening in diameter in the direction of the central cavity 12.
  • the refrigerant component k evaporated while absorbing heat then flows through the interior of the heat pipe 20 back into the condenser unit 18.
  • the backflow is driven relative to the condenser unit by a slight overpressure in the cavity 12 acting as an evaporator, which is caused by the formation of gas in the evaporator and liquefaction is caused in the condenser unit.
  • a heat pipe is therefore provided which is coupled to a refrigerator in a stationary manner.
  • a transfer of the refrigerant into the cryogenic area is provided, the transition between fixed and rotating parts being carried out by dripping liquid and the return path being carried out by flowing gas.
  • the cooling process during the cooling phase is explained below:
  • the second component with the maximum condensation temperature (here: T k2 ) will first condense and a closed circuit as in the case of the first component during normal
  • the winding body 9 should be sufficiently thermally conductive; that is, it has heat-conducting parts between its wall to the central cavity 12 and the winding 10. In this way, the winding is thermally coupled to the cold head 16 of the cooling unit in a simple manner via the winding body 9, the refrigerant k and k, the condenser unit 18 and the heat transfer body 17.
  • the heat exchange surfaces can be provided with measures increasing the ⁇ gamma refrigerant, for example ribbing in the circumferential direction on the winding carrier wall of the central cavity 12.
  • this can still be equipped in a manner known per se with internals in the form of the “wick” mentioned, for example with a stainless steel wire sponge or a surface enlarged by grooves.
  • internals in the form of the “wick” mentioned for example with a stainless steel wire sponge or a surface enlarged by grooves.
  • Insulation foam can be provided.
  • the vacuum enclosed by the vacuum vessel 7 is designated V. It also surrounds the tube which surrounds the lateral cavity 13 and extends as far as the seal 21.
  • the vacuum enclosing the heat pipe 20 and the condenser device 18 and the heat transfer body 17 is denoted by V ⁇ . If necessary, a negative pressure can also be generated in the space 22 surrounding the rotor 5 and enclosed by the outer housing 3.
  • one-time filling with gaseous refrigerant k is provided. If the refrigeration unit is switched off and the cold parts warm up, the pressure in the pipe or cavity system will increase due to the evaporation of the refrigerant. The final pressure depends on the enclosed volume and the amount of refrigerant in the system. If, for example, neon at about 1 bar and 27 K and a minimal amount of liquid k is used as the first component of the refrigerant mixture, it can be assumed that after a warm-up to room temperature of about 300 K the pressure will be over 12 bar. Since this pressure loads the rotating seal 21, it may be advantageous to provide an external, warm buffer volume.
  • FIG. 2 shows a corresponding design of the superconducting device according to FIG. 1.
  • 2 denotes the entire superconducting device, PV the buffer volume, 25 a filling valve, from which the system is to be filled with gaseous refrigerant k via a filling capillary 24, and at 26 a pressure relief valve.
  • the remaining parts of the machine correspond to those of the embodiment of the superconducting device 2 according to FIG. 1.

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Abstract

Die Supraleitungseinrichtung (2) enthält einen um eine Rotationsachse (A) drehbaren Rotor (5) mit einer supraleitenden Wicklung (10) in einem wärmeleitenden Wicklungsträger (9). Dieser Wicklungsträger (9) weist einen zentralen Kältemittel-Hohlraum (12) auf, an den ein aus dem Wicklungsträger (9) heraus führender seitlicher Hohlraum (13) angeschlossen ist. Ausserhalb des Rotors (5) ist ein Kaltkopf (16) einer Kälteeinheit mit einer Kältemittel (k, k') kondensierenden Kondensatoreinheit (18) verbunden ist. Ein das Kältemittel (k, k') führendes, feststehendes Wärmerohr (20) ist an die Kondensatoreinheit (18) gekoppelt, ragt axial in den mitrotierenden seitlichen Hohlraum (13) hinein und ist gegenüber diesem Raum abgedichtet. Das Kältemittel soll ein Gemisch aus mehreren Komponenten mit unterschiedlicher Kondensationstemperatur sein.

Description

Beschreibung
Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende, supraleitende Wicklung angekoppelten Kaltkopf einer Kälteeinheit mit Thermosyphoneffekt
Gegenstand der nicht-vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung 100 57 664.8 vom 21.11.2000 mit dem Titel „Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende, supraleitende Wicklung angekoppelten Kaltkopf einer Kälteeinheit" ist eine besondere
Supraleitungseinrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung mit in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger angeordneten Leitern sowie eine Kälteeinheit aufweist, bei welcher mindestens ein Kaltkopf unter Ausnutzung eines Thermosyphoneffektes thermisch über wärmeleitende Teile an die Wicklung angekoppelt ist.
Neben den seit langem bekannten metallischen
Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb3Sn, die sehr niedrige Sprungtemperaturen Tc besitzen und deshalb auch Niedrig (Low) -Tc-Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien genannt werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch (High) -Tc- Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik 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 verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induktionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es vielfach erforderlich, dass die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt zwar einerseits deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe) , mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien wie Nb3Sn 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 wegen mangelnder Verfügbarkeit aus.
Es kommen deshalb zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern, in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreis- lauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Solche Kälteeinheiten haben zudem den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird eine supraleitende Einrichtung wie z.B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z.B. "Proc. 16th Int. Cryog. Engng. C nf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20. - 24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129) .
Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für einen aus der US 5,482,919 A entnehmbaren supraleitenden Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als
Stirling- oder Gifford-McMahon- oder Pulsröhrenkühler ausgelegten Kälteeinheit auf einer gewünschten Betriebstemperatur zwischen 30 und 40 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält hierzu in einer speziellen Ausführungsform einen mitrotierenden, in der Schrift nicht weiter ausgeführten Kaltkopf, dessen kältere Seite thermisch an die Wicklung indirekt über wärmeleitende Elemente gekoppelt ist. Ferner enthält die Kälteeinheit der bekannten Maschine eine außerhalb ihres Rotors befindliche Kompressoreinheit, die den Kaltkopf über eine rotierende, nicht näher ausgeführte Kupplung einer entsprechenden Transfereinheit das erforderliche Arbeitsgas zuführt. Die
Kupplung versorgt außerdem über zwei Schleifringe auch einen Ventiltrieb der Kälteeinheit, der in den Kaltkopf integriert ist, mit der nötigen elektrischen Energie. Dieses Konzept macht es erforderlich, dass in der Transfereinheit mindestens zwei Gasverbindungen koaxial geführt und mindestens zwei elektrische Schleifringe vorgesehen werden müssen. Zudem ist die Zugänglichkeit der mitrotierenden Teile der Kälteeinheit und insbesondere des Ventiltriebs in dem Rotor der Maschine behindert, da bei erforderlichen Wartungen das Rotorgehäuse geöffnet werden muss. Des Weiteren ist die Funktion eines herkömmlichen Ventiltriebs bei schneller Rotation, wie sie bei Synchronmotoren oder Generatoren gegeben ist, nicht gesichert .
Um einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb einer
Kälteeinheit sowohl im Stillstand als auch bei Rotation des Rotors in einem Temperaturbereich unter 77 K bei vergleichsweise vermindertem apparativen Aufwand zu gewährleisten, sind in der DE-Patentanmeldung 100 57 664.8 für die Supraleitungseinrichtung der eingangs genannten Art folgende Merkmale vorgeschlagen:
- Der Wicklungsträger soll mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum ausgestattet sein, an den ein aus dem Wicklungsträger herausführender seitlicher Hohlraum angeschlossen ist, - der Kaltkopf soll sich feststehend außerhalb des Rotors befinden und thermisch mit einer Kondensatoreinheit zur Kondensation eines Kältemittels verbunden sein,
- ein feststehendes Wärmerohr soll an die Kondensatoreinheit gekoppelt sein, das axial in den mitrotierenden seitlichen
Hohlraum hinein ragt und radial gegenüber diesem Raum abgedichtet ist, sowie
- das Wärmerohr, der seitliche Hohlraum und der zentrale Hohlraum sollen mit dem Kältemittel gefüllt sein, wobei unter Ausnutzung eines Thermosyphoneffektes kondensiertes Kältemittel über das Wärmerohr in den seitlichen Hohlraum und von dort in den zentralen Hohlraum sowie dort verdampfendes Kältemittel zurück über den seitlichen Hohlraum und das Wärmerohr zu der Kondensatoreinheit gelangt .
Bei dieser Ausgestaltung der vorgeschlagenen Supraleitungseinrichtung ist folglich die gesamte Kälteeinheit mit ihren eventuell beweglichen Teilen außerhalb des Rotors angeordnet und somit jederzeit leicht zugänglich. Die Bereitstellung der Kälteleistung bzw. der Wärmetransfer erfolgt von einem feststehenden Kaltkopf in den Rotor über das Wärmerohr, das ohne mechanisch bewegte Teile den Transport des Kältemittels sicherstellt. Dabei wird das Kältemittel in einem Kreisprozess an einer Kondensatoreinheit, die gut wärmeleitend mit dem Kaltköpf verbunden ist, unter Wärmeabgabe kondensiert. Anschließend rinnt das flüssige Kondensat durch das Wärmerohr in den seitlichen Hohlraum und von dort in den zentralen Hohlraum des Rotors. Der Transport des Kondensats durch das Wärmerohr geschieht unter dem Einfluss der Schwerkraft aufgrund einer sogenannten Thermosyphon-Wirkung und/oder durch die Kapillarkraft der Innenwand des Wärmerohrs. Hierzu wirkt dieses Rohr in an sich bekannter Weise als ein "Docht". Diese Funktion kann durch passende Ausgestaltung oder Auskleidung der Innenwand noch optimiert werden. Am Ende des Wärmerohrs tropft das Kondensat in den seitlichen Hohlraum. Das von diesem seitlichen Hohlraum in den zentralen, sich im Bereich der Wicklung befindlichen Hohlraum gelangte Kondensat wird dort zumindest teilweise verdampft. Das so unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittel strömt dann durch das Innere des Wärmerohres zurück in die Kondensatoreinrichtung. Der Rückstrom wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Hohlraum relativ zu den als Kondensator wirkenden Teilen der Kondensatoreinheit. Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen im Kondensator erzeugte Unterdruck führt zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Entsprechende Kältemittelströmungen sind von sogenannten "Heat-Pipes" her bekannt.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung sind unter anderem darin zu sehen, dass keine bewegten Teile wie z.B. Ventilatoren oder Pumpen zur Umwälzung des Kältemittels erforderlich sind. Ferner ist nur ein einziges, verhältnismäßig dünn auszuführendes, thermisch isoliertes Wärme (transport) röhr zur Zirkulation des Kältemittels erforderlich. Dies vermindert die Komplexität besonders an der rotierenden Dichtung, die den Gasraum des Kältemittels gegenüber dem Außenraum des Rotors abdichtet. Eine somit nur verhältnismäßig kleine Dichtung ist auf Grund der geringeren Umfangsgeschwindigkeit zuverlässiger und wartungsärmer. Dabei beeinflussen Gasverluste des Kältemittels aus dem Innenraum in den Außenraum die Funktion des Wärmerohrs nur unwesentlich, da die Flüssigkeitsmenge in dem System nur wenig betroffen wird. Durch einen ausreichenden Vorrat sind folglich lange Standzeiten möglich. Außerdem kann die Kälteeinheit an die unterschiedlichen Anforderungen einer Maschinenaufstellung leicht angepasst werden. Insbesondere lässt sich je nach Auslegung ein viele Meter langes Wärmerohr vorsehen, so dass z.B. eine Kältemaschine zur Erleichterung ihrer Wartung an einer zugänglichen Stelle montiert sein kann, während der eigentliche Motor bzw. Generator schwer zugänglich eingebaut ist. Der Wärmetransfer bzw. die Bereitstellung der Kälteleistung ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung also besonders einfach und wirtschaftlich, insbesondere da nur eine verhältnismäßig einfache Abdichtung erforderlich ist.
Bei einer Abkühlung eines supraleitenden Läufers von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur mit einem über nur einen Thermosyphon angekoppelten Kaltkopf, wie dies bei der vorgeschlagenen Supraleitungseinrichtung vorgesehen ist, ist die Leistung des Kaltkopfes bei der niedrigen Arbeitstemperatur des Thermosyphons von typisch etwa 30 K verhältnismäßig gering. Die Folge davon sind entsprechend lange Abkühlzeiten. Denn in einem Kühlsystem mit nur einem Thermosyphon muss entweder eine Abkühlzeit auf der Skala von etwa ein bis mehreren Wochen - je nach Kaltmasse und Kälteleistung - toleriert werden; oder der Thermosyphon muss zur Vorkühlung des Läufers vorübergehend mit einem anderen Arbeitsgas gefüllt werden, welches eine höhere Arbeitstemperatur erlaubt. Letzteres Vorgehen würde bei einem Abkühlvorgang einen mehrstündigen Serviceeinsatz erfordern. Dies sollte jedoch aus Logistik- und Kostengründen vermieden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die vorgeschlagene Supraleitungseinrichtung dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend aufgezeigten Probleme zumindest vermindert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll als Kältemittel ein Gemisch aus mindestens zwei Kältemittel-Komponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen sein.
Bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung kann folglich bei einer allmählichen Abkühlung des Kaltkopfes zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile des Rotors ausbilden. Nach einer Vorkühlung dieser Rotorteile bis zur Tripelpunktstemperatur dieses Gases wird dieses im Bereich der Kondensatoreinheit ausfrieren, worauf diese bis zur Kondensationstemperatur der nächsten Gasgemischkomponente abgekühlt wird. Die einzelnen Komponenten den Gasgemischs lassen sich dabei so auswählen, dass vorteilhaft eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Ausnutzung der Kälteleistung des Kaltkopfes zu realisieren ist. Der Betrieb des Kaltkopfes bei einer höheren Temperatur zu Beginn der Abkühlung führt nämlich zu einer entsprechend größeren Kälteleistung und erlaubt damit wesentlich kürzere Abkühlzeiten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor .
So ist eine besonders einfache Abdichtung des
Kältemittelraumes dadurch zu erreichen, dass der zentrale Hohlraum auf einer Seite durch den Wicklungsträger abgeschlossen ist und der seitliche Hohlraum an der dem Kaltkopf zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung mit mitrotierenden Teilen abgedichtet wird. Dabei kommt als Dichtungseinrichtung vorzugsweise zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddichtung, Labyrinthdichtung, Spaltdichtung in Frage .
Als Kälteeinheit lassen sich praktisch alle Typen von Kältemaschinen vorsehen, die einen auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau zu legenden Kaltkopf aufweisen. Bevorzugt werden Kryokühler insbesondere mit geschlossenem He- Druckgaskreislauf vorgesehen, da diese einen einfachen Aufbau aufweisen und für eine indirekte Kühltechnik wie bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung besonders geeignet sind. Entsprechende, auch als regenerative Kryokühler bezeichnete Kühler weisen einen Regenerator bzw. regenerativen Arbeitszyklus entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler auf (vgl. z.B. den genannten Proceedings-Band, Seiten 33 bis 44) .
Besonders vorteilhaft kann der Kaltkopf mehrstufig ausgebildet sein. Mit seiner ersten Stufe sind dann insbesondere Teile einer Stromzuführung oder ein thermischer Strahlungsschild auf eine vergleichsweise höhere
Zwischentemperatur zu legen. Mit einem entsprechend konzipierten Kaltkopf lassen sich so auf einfache Weise feststehende Teile der Supraleitungseinrichtung jeweils auf einem für eine effektive Kühlung günstigen Temperaturniveau halten.
Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die zu kühlende Wicklung und damit ihr Supraleitermaterial mittels des Kaltkopfes auf einer Temperatur unter 77 K, im Falle einer Verwendung von HTS-Material 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. Die erforderliche Kälteleistung ist bei der erfindungsgemäßen
Supraleitungseinrichtung ohne weiteres aufzubringen. Sie liegt z.B. im Bereich von einigen 10 W bei 20 K bis 30 K für eine Synchronmaschine der Größenklasse von etwa 1 bis 20 MW mechanischer Leistung.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Wärmerohr an seinem in den seitlichen Hohlraum oder in den zentralen Hohlraum hinein ragenden Ende als Tropfkante ausgebildet ist. Der Eintritt des jeweiligen Kondensats in den Hohlraum wird dadurch erleichtert. Desgleichen kann die Ausgestaltung auch so vorgenommen sein, dass durch die Gasbewegung im rotierenden Innenraum aufgrund des Windes des gasförmigen Teils des Kältemittels unter Rotation das Abtropfen unterstützt wird.
Darüber hinaus ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn der seitliche Hohlraum sich in Richtung auf den mittleren Hohlraum erweitert. Dann kann nämlich zum Transport des Kältemittels eventuell noch die Schwerkraft oder Fliehkraft unterstützend ausgenutzt werden, indem der Transportweg des Kältemittels somit gegen die Rotationsachse nach außen zeigend geneigt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen in einem Längsschnitt jeweils schematisch deren Figur 1 eine Ausführungsform einer
Supraleitungseinrichtung mit Rotor und zugehörender Kälteeinheit sowie deren Figur 2 eine spezielle Ausgestaltung dieser Einrichtung nach Figur 1.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei den nachfolgend an Hand der Figuren aufgezeigten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen
Supraleitungseinrichtungen kann es sich jeweils insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Die Supraleitungseinrichtung umfasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material
(Niedrig-Tc-Supraleitermaterial) oder oxidischem HTS-Material (Hoch-Tc-Supraleitermaterial) gestattet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ausgewählt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer 2-, 4- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen z.B. eine Synchronmaschine bildenden Supraleitungseinrichtung geht aus Figur 1 hervor, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Maschinen ausgegangen wird (vgl. z.B. die genannte US 5,482,919 A) .
Die allgemein mit 2 bezeichnete Einrichtung umfasst ein feststehendes, auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert, der auf einer Seite einen in dem entsprechenden Lager gelagerten, massiven axialen Rotorwellenteil 5a umfasst. Bei den Lagern 6 kann es sich um konventionelle mechanische Lager oder auch um Magnetlager handeln. Der Rotor weist ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z.B. hohlzylindrischen, Drehmoment übertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS- Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender, zylindrischer Hohlraum vorhanden, der nachfolgend als zentraler Hohlraum 12 bezeichnet ist. Der Wicklungsträger ist dabei vakuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt. Er schließt diesen auf der dem Rotorwellenteil 5a zugewandten Seite ab. Auf der anderen Seite ist der zentrale Hohlraum 12 an einen seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durchmesser angeschlossen. Dieser seitliche Hohlraum führt von dem
Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus. Ein diesen seitlichen Hohlraum 13 umschließender, in einem der Lager 6 gelagerter, rohrförmiger Rotorwellenteil ist mit 5b bezeichnet.
Die Supraleitungseinrichtung 2 weist zu einer indirekten Kühlung ihrer Wicklung 10 über wärmeleitende Elemente ferner eine Kälteeinheit auf, von der lediglich ein Kaltkopf 16 dargestellt ist. Bei der Kälteeinheit kann es sich insbesondere um einem Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon handeln. Vorzugsweise wird als ein regenerativer Kryokühler ein Pulsröhrenkühler oder Split-Stirling-Kühler gewählt.
Dabei soll sich der Kaltkopf 16 und damit alle wesentlichen, weiteren Teile der Kälteeinheit außerhalb des Rotors 5 und des Außengehäuses 3 befinden. Für die zu verwendende Kälteeinheit mit dem Kaltkopf erforderliche Zusatzteile wie z.B. warme Druckausgleichsbehälter, Füllkapillaren,
Überdruckventile zur Absicherung des Systems gegen Überdruck bei Aufwärmen sind in der Figur nicht dargestellt, jedoch allgemein bekannt. Das Kaltteil des beispielsweise 0,5 bis etliche Meter seitlich von dem Rotor 5 angeordneten Kaltkopfes 16 steht in einem Vakuumgefäß 23 über einen
Wärmeübertragungskörper 17 in gutem thermischen Kontakt mit einer Kältemittelkondensatoreinheit bzw. - kondensationseinheit 18. An diese Kondensatoreinheit ist ein vakuumisoliertes, ortsfestes Wärmerohr 20 angeschlossen, das seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohlraum 13 oder den zentralen Hohlraum 12 hinein ragt. Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 gegenüber dem seitlichen Hohlraum 13 dient eine in der Figur nicht näher ausgeführte Dichtungseinrichtung 21 mit mindestens einem Dichtungselement, die als eine Ferrofluiddichtung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdichtung ausgebildet sein kann. Über das Wärmerohr 20 und den seitlichen Hohlraum 13 ist der zentrale Hohlraum 12 mit dem Wärmetauschbereich der Kondensatoreinheit 18 gasdicht nach außen abgedichtet verbunden.
Ein in diesen Räumen eingeschlossenes Kältemittel soll erfindungsgemäß aus einem Gemisch aus mehreren, zumindest zwei verschiedenen elementaren Komponenten mit unterschiedlicher Siede- bzw. Kondensationstemperatur T bestehen. Dabei soll eine erste der beiden Gemisch- Komponenten eine erste Kondensationstemperatur Tki aufweisen, die im Allgemeinen unterhalb der für einen Dauerbetrieb der supraleitenden Wicklung vorgesehenen Betriebstemperatur liegt. Je nach Betriebstemperatur kommt für diese erste Gemisch-Komponente z.B. Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 14 K, kritischer
Punkt bei 30 K und 8 bar), Neon (Kondensationstemperatur 27,1 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 25 K, kritischer Punkt bei 42 K und 20 bar), Stickstoff (Kondensatlonstemperatur 77,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 65 K, kritischer Punkt bei 125 K und 22 bar) oder Argon (Kondensatlonstemperatur 87,3 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 85 K, kritischer Punkt bei 145 K und 38 bar) in Frage. Die zweite elementare Gemisch- Komponente soll hingegen eine vergleichsweise höhere Kondensationstemperatur Tk2 besitzen. Entsprechende Beispiele für Kältemittel-Gemische sind das Komponentenpaar Neon (Tkι von 27,1 K) -Argon (Tk2 von 87,3 K) oder das Komponentenpaar Neon-Stickstoff (T2 von 77,4 K) , falls eine
Betriebstemperatur vorgesehen sein soll, die unter Tk2 liegt und beispielsweise etwa 30 K beträgt.
Nachfolgend sei zunächst der Kühlvorgang im normalen Betriebszustand der Supraleitungseinrichtung beschrieben: Hierbei werden beide Komponenten des in den Kältemittelräumen eingeschlossenen Kältemittel-Gemischs in einem Kreisprozess an der von dem Kaltkopf 16 gekühlten Kondensatoreinheit unter Wärmeabgabe kondensiert. Anschließend fließt das so verflüssigte, mit k bezeichnete und in der Figur durch eine verstärkte Linie angedeutete Kondensat dann durch das Wärmerohr 20 zunächst in den seitlichen Hohlraum 13 und von dort in den zentralen Hohlraum 12. Der Transport des
Kondensats durch das Wärmerohr geschieht dabei mittels einer Thermosyphon-Wirkung unter Einfluss der Schwerkraft und/oder einer Kapillarkraft der Innenwand des Wärmerohres, das als ein "Docht" funktioniert. Die Funktion eines solches Dochtes kann durch passende Ausgestaltung wie mit Hilfe von
Längsrippen oder Kanälen zur Vergrößerung der Oberfläche oder durch Auskleidung der Innenwand optimiert werden. An dem in den seitlichen Hohlraum 13, gegebenenfalls auch in den zentralen Hohlraum 12 hinein ragenden Ende 20a des Wärmerohres 20 tropft dann das Kondensat k in den Hohlraum 13 bzw. 12, wobei dieser Prozess durch Ausformung einer Tropfkante an dem Ende 20a des Rohres verstärkt werden kann. Desgleichen kann die Ausformung auch so gestaltet werden, dass durch eine Gasbewegung im rotierenden Innenraum auf Grund eines Windes des gasförmigen Teils des Kältemittels unter Rotation das Abtropfen unterstützt wird.
Im Inneren des Rotors wird dann nur die erste Komponente k mit der Kondensationstemperatur Ti, bzw. das Neon, des flüssigen Kältemittel-Gemischs bzw. Kondensats k verdampft. Diese nunmehr dampfförmige Kältemittel-Komponente ist mit kΛ bezeichnet . Die zweite Komponente bleibt dabei nach wie vor flüssig oder ist ausgefroren. Zum Transport des Kältemittel- Gemischs kann eventuell noch die Schwerkraft oder Fliehkraft ausgenutzt werden, wenn der Transportweg des Kältemittels gegen die Rotationsachse nach außen zeigend geneigt ist. Hierzu ist der seitliche Hohlraum 13 als ein sich in Richtung auf den zentralen Hohlraum 12 bezüglich seines Durchmessers erweiterndes Rohr gestaltet. Die unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittelkomponente k strömt dann durch das Innere des Wärmerohres 20 zurück in die Kondensatoreinheit 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leichten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Hohlraum 12 relativ zu der Kondensatoreinheit getrieben, der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in der Kondensatoreinheit verursacht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung wird also ein Wärmerohr vorgesehen, das stationär an eine Kältemaschine gekoppelt ist. Hierbei ist eine Übertragung des Kältemittels in den kryogenen Bereich vorgesehen, wobei der Übergang zwischen feststehenden und rotierenden Teilen durch abtropfende Flüssigkeit und der Rückweg durch strömendes Gas erfolgt . Nachfolgend wird der Kühlvorgang während der Abkühlphase erläutert :
Da erfindungsgemäß ein Kältemittel aus einem Gemisch von mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen
Kondensationstemperaturen vorgesehen ist, wird bei einer allmählichen Abkühlung des Kaltkopfes zunächst die zweite Komponente mit der höchstens Kondensationstemperatur ( hier: Tk2) kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf wie im Falle der ersten Komponente während des normalen
Betriebszustandes zur Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile des Rotors ausbilden. Nach einer entsprechenden Vorkühlung dieser Teile bis zur Tripelpunkttemperatur dieser zweiten Komponente wird diese dann im Bereich der Kondensatoreinheit ausfrieren, worauf diese bis zur Kondensationstemperatur der nächsten (ersten) Kältemittelkomponente abgekühlt wird. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl des Gemischs der Kältemittelkomponenten eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Ausnutzung der Kälteleistung des Kaltkopfes realisiert werden.
Der Wicklungskörper 9 soll hinreichend wärmeleitend ausgeführt sein; d.h., er weist gut wärmeleitende Teile zwischen seiner Wand zum zentralen Hohlraum 12 und der Wicklung 10 auf. Auf diese Weise ist die Wicklung über den Wicklungskörper 9, das Kältemittel k und k , die Kondensatoreinheit 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 auf einfache Weise thermisch an den Kaltkopf 16 der Kälteeinheit angekoppelt. Zur Verbesserung des Wärmeübertrags können gegebenenfalls die Wärmeaustauschflächen bezüglich des gasförmigen Kältemittels kλ vergrößernde Maßnahmen, beispielsweise eine Rippung in Umfangsrichtung an der Wicklungsträgerwand des zentralen Hohlraums 12, vorgesehen sein.
Zu einer besseren Förderung der flüssigen Phase des Kältemittels k innerhalb des Wärmerohres 20 kann dieses noch in an sich bekannter Weise mit Einbauten in Form des erwähnten "Dochtes", z.B. mit einem Edelstahldrahtschwamm oder eine durch Rillen vergrößerte Oberfläche, ausgestattet sein. Neben dem in der Figur dargestellten Transport der flüssigen Phase im horizontalen Teil des Wärmerohrs 20 ist selbstverständlich auch eine Förderung gegen die Schwerkraft möglich.
Selbstverständlich müssen die das Kältemittel k bzw. kλ umschließenden Teile/Behältnisse gegen Wärmeeinleitung geschützt sein. Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenenfalls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzliche noch Isolationsmittel wie z.B. Superisolation oder
Isolationsschaum vorgesehen werden können. In Figur 1 ist das von dem Vakuumgefäß 7 eingeschlossene Vakuum mit V bezeichnet. Es umgibt außerdem das den seitlichen Hohlraum 13 umschließende, sich bis zu der Dichtung 21 erstreckende Rohr. Das das Wärmerohr 20 sowie die Kondensatoreinrichtung 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 umschließende Vakuum ist mit VΛ bezeichnet. Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Raum 22 ein Unterdruck erzeugt werden.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführung einer Supraleitungseinrichtung 2 mit Rotor 5 ist eine Einmalbefüllung mit gasförmigem Kältemittel k vorgesehen. Sofern die Kälteeinheit abgeschaltet wird und sich die kalten Teile aufwärmen, wird der Druck im Rohr- bzw. Hohlraumsystem durch Verdampfen des Kältemittels ansteigen. Dabei hängt der Enddruck von den eingeschlossenen Volumina und der Menge des Kältemittels im System ab. Sofern z.B. Neon bei etwa 1 bar und 27 K und minimaler Flüssigkeitsmenge k als erste Komponente des Kältemittelgemischs benutzt wird, ist davon auszugehen, dass nach einem Aufwärmen auf Raumtemperatur von etwa 300 K der Druck bei über 12 bar liegen wird. Da dieser Druck die rotierende Dichtung 21 belastet, kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, ein externes, warmes Puffervolumen vorzusehen. Sofern dieses Volumen PV das n-Fache des kalten Volumens des Kältemittels k, kΛ beträgt, kann der Drückanstieg im Warmen auf das 1 : (n+1) -Fache auf diese Weise reduziert werden. Figur 2 zeigt eine entsprechende Ausbildung der Supraleitungseinrichtung nach Figur 1. Es sind dort bezeichnet mit 2 die gesamte Supraleitungseinrichtung, mit PV das Puffervolumen, mit 25 ein Füllventil, von dem aus das System über eine Füllkapillare 24 mit gasförmigem Kältemittel k zu befüllen ist, sowie mit 26 ein Überdruckventil. Die übrigen Teile der Maschine entsprechen denen der Ausführungsform der Supraleitungseinrichtung 2 nach Figur 1.

Claims

Patentansprüche
1. Supraleitungseinrichtung (2)
- mit einem um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Rotor (5) , der mindestens eine supraleitende Wicklung
(10) aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger (9) angeordnet sind, der mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum (12) ausgestattet ist, an den ein aus dem Wicklungsträger (9) heraus führender seitlicher Hohlraum angeschlossen ist, und
- mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch über wärmeübertragende Teile an die Wicklung (9) angekoppelten Kaltkopf (16) aufweist, der sich feststehend außerhalb des Rotors (5) befindet und thermisch mit einer Kondensatoreinheit (18) zur Kondensation eines Kältemittels (k, kλ) verbunden ist, wobei • ein feststehendes Wärmerohr (20) an die Kondensatoreinheit (18) gekoppelt ist, das axial in den mitrotierenden seitlichen Hohlraum (13) hinein ragt und radial gegenüber diesem Raum abgedichtet ist sowie • das Wärmerohr (20) , der seitliche Hohlraum (13) und der zentrale Hohlraum (12) mit dem Kältemittel (k, kλ) gefüllt sind, wobei unter Ausnutzung eines Thermosyphoneffektes kondensiertes Kältemittel (k) über das Wärmerohr (20) in den seitlichen Hohlraum (13) und von dort in den zentralen Hohlraum (12) sowie dort verdampfendes Kältemittel (kΛ) zurück über den seitlichen Hohlraum (13) und das Wärmerohr (20) zu der Kondensatoreinheit (18) gelangt, nach Patent , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Kältemittel ein Gemisch aus mindestens zwei Kältemittel-Komponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen (Tkι bzw. Tk2) vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zentrale Hohlraum (12) auf einer Seite durch den Wicklungsträger (9) abgeschlossen ist und der seitliche Hohlraum (13) an der dem Kaltkopf (18) zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung (21) mit mitrotierenden Teilen abgedichtet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dichtungseinrichtung (21) zumindest eine Dichtung aus der Gruppe
Ferrofluiddichtung, Labyrinthdichtung, Spaltdichtung aufweist .
4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die den Kaltkopf (16) umfassende Kälteeinheit mindestens einen insbesondere regenerativen Kryokühler aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Kryokühler ein
Pulsröhrenkühler oder ein Split-Stirling-Kühler oder ein Gifford-McMahon-Kühler ist.
6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch eine mehrstufige
Ausbildung des Kaltkopfes.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kaltkopf zwei Kältestufen aufweist, wobei die erste Stufe thermisch mit einer Stromzuführung oder einem Strahlungsschild und die zweite Stufe thermisch mit dem Kondensator (18) verbunden sind.
8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die supraleitende Wicklung (10) mittels des Kaltkopfes (16) auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leiter der Wicklung (10) metallisches Niedrig-Tc-Supraleitermaterial oder metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthalten.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Wärmerohr (20) an seinem in den seitlichen Hohlraum (13) oder zentralen Hohlraum (12) hinein ragenden Ende (20a) als Tropfkante ausgebildet ist.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der seitliche Hohlraum (13) sich in Richtung auf den zentralen Hohlraum (12) erweiternd ausgebildet ist.
12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest die kalten Teile des Rotors (5) und das Wärmerohr (20) vakuumisoliert sind.
13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Kältemittelgemisch aus dem Komponentenpaar Neon-Argon oder Neon-Stickstoff.
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