EP1485660B1 - Kälteanlage für zu kühlende teile einer einrichtung - Google Patents

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EP1485660B1
EP1485660B1 EP03714661A EP03714661A EP1485660B1 EP 1485660 B1 EP1485660 B1 EP 1485660B1 EP 03714661 A EP03714661 A EP 03714661A EP 03714661 A EP03714661 A EP 03714661A EP 1485660 B1 EP1485660 B1 EP 1485660B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cold
refrigeration plant
plant according
cold head
parts
Prior art date
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EP03714661A
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English (en)
French (fr)
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EP1485660A1 (de
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Michael Frank
Peter Van Hasselt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • 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
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • 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
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/06—Several compression cycles arranged in parallel
    • 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
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/17—Re-condensers
    • 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
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system with a cold head according to the preamble of claim 1.
  • a corresponding refrigeration system is shown in US-A-6,173,761.
  • WO 00/13296 A shows a refrigeration system with a cold head, which is thermally coupled to be cooled parts of a device via a conduit system for a circulating after a thermosiphon effect refrigerant.
  • cryocoolers For cooling windings with HTS conductors, it is preferred to use refrigeration units in the temperature range mentioned in the form of so-called cryocoolers with a closed He pressure gas cycle. Such cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. Corresponding refrigeration units They also have the advantage that the cooling capacity is virtually available at the touch of a button and the user is spared the handling of cryogenic liquids. When such refrigeration units are used, a device of the superconducting technique, such as, for example, a magnet coil or a transformer winding, is indirectly cooled only by heat conduction to a cold head of a refrigerator (cf., for example, also "Proc. 16 th Int Cryog. Engng.Conf. [ICEC 16]" , Kitakyushu, JP, May 20-24, 1996, Elsevier Science, 1997, pages 1109-1129).
  • a device of the superconducting technique such as,
  • a corresponding cooling technique is also provided for the removable from the above WO-A-font superconducting rotor of an electric machine.
  • the rotor contains a winding of HTS conductors, which must be kept well below 77 K at a desired operating temperature by means of a cooling unit designed as a cryocooler.
  • the refrigeration unit includes a cold head located outside the rotor. Its colder side is thermally coupled to the winding via neon as a refrigerant, which circulates by utilizing a thermosiphon effect in a line system, which has in the rotor to the winding protruding parts.
  • the refrigeration unit in particular its cold head, in a repair or replacement of the same, however, the operating condition of the coil to be cooled can hardly be maintained.
  • EP 0 696 380 B1 also discloses a superconducting magnet of an MRI device which, for cooling its superconducting winding, has a refrigeration system which comprises two refrigeration units in the form of cryocoolers.
  • the two cold heads of this cryocooler are thermally coupled to a solid heat conduction body, which is in heat-conducting connection with the parts to be cooled of the winding.
  • the cold heads of the two cryocoolers are each housed in a separate vacuum space, so that during operation of a cryocooler, the second off and / or interchangeable. Because of the good heat conducting executed connection of several cold heads to the same parts to be cooled but usually additional heat conduction losses must be taken by a possibly disconnected cold head in purchasing.
  • Object of the present invention is to design the refrigeration system with the features mentioned above, that to allow for a cooling using a circulating in line parts using a thermosiphon effect refrigerant continuous cooling operation without the risk of significant heat conduction losses on the circulating Refrigerant is given.
  • a refrigeration system with a cold head and at least one conduit system for a circulating after a thermosiphon effect coolant should be equipped.
  • the cold head should be thermally coupled to parts of a device to be cooled via the line system.
  • Another cold head is provided, which is connected in parallel by means of a branch of the conduit system to the first cold head. Between the branch and the two cold heads extending line sections of the conduit system should be at least partially formed in the way poor heat conduction that the heat conduction in the region of the respective cold head is negligible compared to the available cooling capacity of the cold head.
  • the cooling system designed according to the invention therefore comprises a plurality of separate regions on which the recondensation of the refrigerant or of a working gas takes place in a thermosiphon line system.
  • the associated advantages are to be seen in particular in that a simple way of thermal coupling according to many cold heads is possible.
  • the sufficiently poor heat conduction in the pipe sections of the thermosiphon pipe system then allows with negligible additional heat input also at partial load economical operation, in which not all built-in cold heads must be in operation simultaneously. This is in particular an exchange of a cold head eg maintenance or repair reasons while maintaining the operating temperature of the parts to be cooled of the superconducting device using the or the remaining cold head / cold heads possible.
  • the branched line sections can be designed sufficiently flexible, for example, to allow mechanical compensation of temperature-induced changes in length in the region of bends, which inevitably occur at cold heads at different temperature levels.
  • the poorly heat-conducting line pieces may preferably each consist at least partially of a poorly heat-conductive metallic material or optionally even of a plastic material. This is not only the desired thermal decoupling of the two cold heads of the parts to be cooled on the wall material of the pipe sections to achieve; Also possible expansion problems are so manageable.
  • the device to be cooled may be located in the interior of a vacuum vessel, wherein the cold heads protrude with end portions in the vacuum vessel to which the pipe sections are thermally coupled.
  • a limitation of an undesirable heat introduction into the area of the device to be cooled can be achieved in this way.
  • the cold heads have end-side cold surfaces, are thermally coupled to the end spaces of the pipe sections, in which a cooling or condensation of the refrigerant takes place.
  • a refrigerant flow using the desired thermosyphon effect can be fanned so.
  • the end portions of the cold heads may be surrounded by separate (self-contained) vacuum (part) spaces, in particular to facilitate maintenance or repair operations thereon, such as e.g. can be separated from the rest of the interior of the vacuum vessel in the region of the ends of the cold heads or on the pipe sections by means of poorly heat-conducting, vacuum-tight connecting pieces.
  • the system according to the invention is particularly suitable for parts of the device to be cooled which contain superconducting material, preferably high-T c superconducting material, which is also to be kept at a temperature below 77 K.
  • superconducting material preferably high-T c superconducting material
  • a mixture of a plurality of refrigerant components with different condensation temperatures can be advantageously provided as the refrigerant.
  • the refrigeration system according to the invention can be used everywhere where several refrigeration sources for cooling of also spatially extended parts of any device is provided.
  • their parts to be cooled may be metallic or non-metallic, electrically conductive, in particular superconducting, or non-conductive.
  • the parts to be cooled are a superconducting winding of an electrical machine (cf., for example, the cited WO 00/13296 A or US Pat. No. 5,482,919 A) or a superconducting magnet (eg cf., for example, US Pat. No. 5,396,206 A or US Pat 6,246,308 B1).
  • FIG. 1 Another application may be to operate two cold heads simultaneously to save time during cooling of the parts to be cooled of a device, while in normal operation, only one cold head maintains the operating temperature.
  • a cooling system indicated in FIG. 1 may preferably be provided.
  • the refrigeration system, generally designated 2 is intended to serve for cooling parts 3a of a device 3 which is not detailed in the figure, for example a superconducting magnet.
  • the cooling takes place with the aid of a liquid and / or gaseous refrigerant K or working medium such as He, which circulates in a line system 5 by utilizing a thermosiphon effect.
  • the conduit system 5 can therefore also be referred to as a thermosiphon conduit system.
  • the cooling capacity is provided by two refrigeration units 7a and 8a, of which only the cold heads 7 and 8 are indicated in the figure.
  • These cold heads should be located substantially outside of a vacuum vessel 9, which serves for thermal insulation of the accommodated in its interior 9a device 3 with their parts to be cooled 3a.
  • the cold heads protrude only with thermally well-conductive end portions 7b and 8b in the interior 9a of the vessel and form there at their lower, the device 3 facing ends cold surfaces 7c and 8c.
  • Kondensorschreib 11a and 12a to be considered end spaces of two line sections 11 and 12 of the conduit system 5 thermally coupled.
  • thermosiphon pipe system 5 is provided with a plurality of separate Kondensorclu 11a, 12a, in which the refrigerant K can recondense in the context of a thermosiphon process.
  • the pipe sections 11 and 12 merge at a branch 13 of the pipe system 5 into a common pipe part 14, which leads into the region of the device 3 to be cooled.
  • the pipe sections 11 and 12 should be at least partially sufficiently poorly thermally conductive. In this way, mutual thermal decoupling of the two cold heads is possible, so that a single condenser space 11a or 12a e.g. can be warmed up to room temperature, without any appreciable heat supply to the parts to be cooled or to the located in the interior of the conduit system refrigerant K occurs.
  • the line pieces 11 and 12 can be advantageously designed so that a different expansion compensation is possible.
  • the pipe sections 11 and 12 each made of poorly heat-conductive metals such. B. made of special steels or Cu alloys.
  • special low-temperature plastic materials which may also be fiber-reinforced, or even ceramic materials come into question. It is also possible to provide different materials and / or different design forms for these line sections.
  • the line pieces may e.g. Bends, such as spiral shapes, have to compensate for the thermally induced changes in length.
  • the second could take over after a cooling (emergency) cooling, during which you can then warm up the first, replace or repair without the cooling of the System is affected.
  • a cooling (emergency) cooling during which you can then warm up the first, replace or repair without the cooling of the System is affected.
  • a corresponding embodiment is shown in FIG. In the indicated and denoted by 20 refrigeration system, the two end portions 7b and 8b of their cold heads 7 and 8 are advantageous in each case in a separate vacuum part space 15a and 15b.
  • thermosiphon pipe system 5 and the cold heads 7 and 8 is advantageously carried out as poor as possible thermally conductive. According to FIG. 2, this connection is made between the warm vacuum vessel 9 and the thermosyphone conduit system 5, which is cold during operation, in the region of its condenser spaces 11a and 12a.
  • this connection can be provided directly to the pipe system at other locations of the pipe sections 11 and 12 at a much smaller diameter.
  • a corresponding separation can, for example, after the cross-sectionally extended end spaces 11a and 12a plan.
  • thermosyphon piping systems of which at least one is a parallel circuit of two cold heads must have by means of a branching of this system.
  • Several such systems can be used in parallel with different refrigerants and thus depending on the application requirements according to graduated operating temperatures, eg for a pre-cooling, a quasi-continuous thermal coupling or quasi-continuous thermal coupling by overlapping operating temperature ranges of the refrigerant.
  • either Kondensorschreib with separate condensation areas for the various work equipment or more individual Kondensorschreib be attached to a cold head or the cold heads.
  • the refrigerant K consists only of a single component such as He or Ne. But just as well as mixtures of at least two refrigerant components such as N 2 + Ne with different condensation temperatures can be provided as a refrigerant. Then, with a gradual cooling, at least one of the cold heads can first condense the gas with the highest condensation temperature and form a closed circuit for heat transfer to the parts of the device to be cooled. After a pre-cooling of these parts up to the triple point temperature of this gas, it will freeze out in the region of the condenser chambers, whereupon at least one cold head is cooled to the condensation temperature of the next gas mixture component.
  • the individual components of the gas mixture can be selected so that advantageously a quasi-continuous cooling with optimal utilization of the cooling capacity of the respective cold head is to be realized.
  • the operation of a cold head at a higher temperature at the beginning of the cooling phase leads namely to a correspondingly greater cooling capacity and thus allows much shorter cooling times.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage mit einem Kaltkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine entsprechende Kälteanlage ist der US-A-6 173 761 zu entnehmen. WO 00/13296 A zeigt eine Kälteanlage mit einem Kaltkopf, welcher thermisch an zu kühlende Teile einer Einrichtung über ein Leitungssystem für ein nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel angekoppelt ist.
  • Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb3Sn, die sehr niedrige Sprungtemperaturen Tc besitzen und deshalb auch als Niedrig (Low)-Tc-Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien bezeichnet werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen Tc von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch (High)-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet.
  • Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Wegen ihrer bislang noch verhältnismäßig geringen Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern insbesondere mit Induktionen im Tesla-Bereich werden vielfach 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, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können.
  • Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern kommen in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Entsprechende 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 Einrichtung der Supraleitungstechnik wie z.B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z.B. auch "Proc. 16th Int. Cryog. Engng.Conf. [ICEC 16]", Kitakyushu, JP, 20. - 24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).
  • Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der eingangs WO-A-Schrift entnehmbaren supraleitenden Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als Kryokühler gestalteten Kälteeinheit auf einer gewünschten Betriebstemperatur deutlich unter 77 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält einen außerhalb des Rotors befindlichen Kaltkopf. Dessen kältere Seite ist thermisch an die Wicklung über Neon als Kältemittel gekoppelt, das unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes in einem Leitungssystem zirkuliert, welches in den Rotor bis zur Wicklung hineinragende Teile aufweist. Bei einem Störungsfall der Kälteeinheit,insbesondere ihres Kaltkopfes, bei einer Reparatur oder einem Austausch desselben kann jedoch der Betriebszustand der zu kühlenden Wicklung kaum aufrecht erhalten werden.
  • Aus der EP 0 696 380 B1 geht ferner ein supraleitender Magnet einer MRI-Einrichtung hervor, der zur Kühlung seiner supraleitenden Wicklung eine Kälteanlage aufweist, die zwei Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern umfasst. Die beiden Kaltköpfe dieser Kryokühler sind dabei thermisch an einen massiven Wärmeleitungskörper angekoppelt, der in wärmeleitender Verbindung mit den zu kühlenden Teilen der Wicklung steht. Die Kaltköpfe der beiden Kryokühler sind dabei jeweils in einem eigenen Vakuumraum untergebracht, so dass während des Betriebs des einen Kryokühlers der zweite abschaltbar und/oder austauschbar ist. Wegen der gut wärmeleitend ausgeführten Verbindung mehrerer Kaltköpfe zu den gleichen zu kühlenden Teilen müssen jedoch im Regelfall zusätzliche Wärmeleitungsverluste durch einen eventuell abgeschalteten Kaltkopf in Kauf genommen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kälteanlage mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass bei einer Kühlung unter Verwendung eines in Leitungsteilen unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkulierenden Kältemittels einen kontinuierlichen Kühlbetrieb zu ermöglichen, ohne dass die Gefahr von wesentlichen Wärmeleitungsverlusten über das zirkulierende Kältemittel gegeben ist.
  • Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll eine Kälteanlage mit einem Kaltkopf und mindestens einem Leitungssystem für ein nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kühlmittel ausgestattet sein. Der Kaltkopf soll thermisch an zu kühlende Teile einer Einrichtung über das Leitungssystem angekoppelt sein. Ein weiterer Kaltkopf ist vorgesehen, der mittels einer Verzweigung des Leitungssystems zu dem ersten Kaltkopf parallel geschaltet ist. Zwischen der Verzweigung und den beiden Kaltköpfen verlaufende Leitungsstücke des Leitungssystems sollen zumindest teilweise in der Weise schlecht wärmeleitend ausgebildet sein, dass die Wärmeleitung in den Bereich des jeweiligen Kaltkopfes vernachlässigbar gering im Vergleich zur verfügbaren Kälteleistung des Kaltkopfs ist.
  • Die erfindungsgemäß ausgeführte Kälteanlage umfasst also mehrere getrennte Bereiche, an denen in einem Thermosyphon-Leitungssystem die Rekondensation des Kältemittels bzw. eines Arbeitsgases stattfindet. Die damit verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass auf einfache Weise eine thermische Ankopplung entsprechend vieler Kaltköpfe ermöglicht wird. Die hinreichend schlechte Wärmeleitung in den Leitungsstücken des Thermosyphon-Leitungssystems erlaubt dann bei vernachlässigbarer zusätzlicher Wärmeeinleitung auch einen bei Teillast wirtschaftlich Betrieb, bei dem nicht alle eingebauten Kaltköpfe gleichzeitig in Betrieb sein müssen. Damit wird insbesondere ein Austausch eines Kaltkopfes z.B. aus Wartungs- oder Reparaturgründen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur an den zu kühlenden Teilen der Supraleitungseinrichtung mit Hilfe des oder der verbleibenden Kaltkopfes/Kaltköpfe ermöglicht. Außerdem können wegen der Verzweigung von Leitungsteilen die verzweigten Leitungsstücke hinreichend flexibel gestaltet werden, um z.B. im Bereich von Biegungen einen mechanischen Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen zu ermöglichen, die sich bei Kaltköpfen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zwangsläufig einstellen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • So können die schlecht-wärmeleitenden Leitungsstücke bevorzugt jeweils zumindest teilweise aus einem schlecht-wärmeleitenden metallischen Werkstoff oder gegebenenfalls sogar aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Damit ist nicht nur die gewünschte thermische Entkopplung der beiden Kaltköpfe von den zu kühlenden Teilen über das Wandmaterial der Leitungsstücke zu erreichen; auch eventuelle Dehnungsprobleme sind so beherrschbar.
  • Ferner kann sich die zu kühlende Einrichtung im Innenraum eines Vakuumgefäßes befinden , wobei die Kaltköpfe mit Endteilen in das Vakuumgefäß hineinragen, an denen die Leitungsstücke thermisch angekoppelt sind. Eine Begrenzung einer unerwünschten Wärmeeinleitung in den Bereich der zu kühlenden Einrichtung ist so zu erreichen.
  • Dabei können vorteilhaft die Kaltköpfe endseitige Kaltflächen aufweisen, an die Endräume der Leitungsstücke thermisch angekoppelt sind, in denen eine Abkühlung bzw. Kondensation des Kältemittels erfolgt. Ein Kältemittelfluss unter Ausnutzung des gewünschten Thermosyphon-Effektes lässt sich so anfachen.
  • Die Endteile der Kaltköpfe können insbesondere zur Erleichterung von Wartungs-oder Reparatureingriffen an diesen von separaten (eigenen) Vakuum(teil)räumen umgeben sein, wobei diese z.B. im Bereich der Enden der Kaltköpfe oder an den Leitungsstücken mittels schlecht-wärmeleitender, vakuumdichter Verbindungsstücke gegenüber dem restlichen Innenraum des Vakuumgefäßes abtrennbar sein können.
  • Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Anlage für zu kühlenden Teile der Einrichtung, die supraleitendes Material, vorzugsweise Hoch-Tc-Supraleitermaterial, enthalten, das auch auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist.
  • Im Hinblick auf eine effektive Abkühlung der zu kühlenden Teile der Einrichtung kann vorteilhaft als Kältemittel ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen werden. Stattdessen oder zusätzlich kann man auch mehrere Thermosyphon-Leitungssysteme mit unterschiedlichen Kältemitteln einplanen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele von Kälteanlagen nach der Erfindung für eine insbesondere supraleitende Einrichtung an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch in einem Längsschnitt deren Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Kälteanlage sowie
    deren Figur 2 eine besondere Weiterbildung dieser Anlage.
    In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die erfindungsgemäße Kälteanlage kann überall dort zum Einsatz kommen, wo mehrere Kältequellen zur Kühlung von auch räumlich ausgedehnten Teilen einer beliebigen Einrichtung vorgesehen wird. Dabei können ihre zu kühlenden Teile metallisch oder nicht-metallisch, elektrisch leitend, insbesondere supraleitend, oder auch nicht-leitend sein. In einem speziellen Anwendungsfall handelt es sich bei den zu kühlenden Teilen um eine supraleitende Wicklung einer elektrischen Maschine (vgl. z.B. die genannten WO 00/13296 A oder die US 5,482,919 A) oder einen supraleitenden Magneten (z.B. vgl. z.B. US 5,396,206 A oder US 6,246,308 B1).
  • Ein weiterer Anwendungsfall kann sein, zur Zeitersparnis während einer Abkühlung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung zwei Kaltköpfe gleichzeitig zu betreiben, während im normalen Betrieb nur ein Kaltkopf die Betriebstemperatur aufrecht erhält. Für einen entsprechenden Anwendungsfall kann bevorzugt eine in der Figur 1 angedeutete Kälteanlage vorgesehen werden. Die allgemein mit 2 bezeichnete Kälteanlage soll zur Kühlung von Teilen 3a einer in der Figur nicht näher ausgeführten Einrichtung 3 wie z.B. eines supraleitenden Magneten dienen. Die Kühlung erfolgt mit Hilfe eines flüssigen und/oder gasförmigen Kältemittels K bzw. Arbeitsmediums wie z.B. He, das in einem Leitungssystem 5 unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert. Das Leitungssystem 5 kann deshalb auch als Thermosyphon-Leitungssystem bezeichnet werden. Die Kälteleistung wird von zwei Kälteeinheiten 7a und 8a erbracht, von denen in der Figur jeweils nur deren Kaltköpfe 7 bzw. 8 angedeutet sind. Diese Kaltköpfe sollen sich dabei im Wesentlichen außerhalb eines Vakuumgefäßes 9 befinden, das zur thermischen Isolation der in seinem Innenraum 9a untergebrachten Einrichtung 3 mit ihren zu kühlenden Teilen 3a dient. Bei der speziellen Ausführungsform nach Figur 1 ragen die Kaltköpfe nur mit thermisch gut-leitenden Endteilen 7b bzw. 8b in den Innenraum 9a des Gefäßes hinein und bilden dort an ihren unteren, der Einrichtung 3 zugewandten Enden Kaltflächen 7c bzw. 8c aus. Unmittelbar an diese Kaltflächen sind als Kondensorräume 11a bzw. 12a anzusehende Endräume von zwei Leitungsstücken 11 bzw. 12 des Leitungssystems 5 thermisch angekoppelt. Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Kälteanlage 2 ist also ein Thermosyphon-Leitungssystem 5 mit mehreren getrennten Kondensorräumen 11a,12a vorhanden, in denen das Kältemittel K im Rahmen eines Thermosyphon-Prozesses rekondensieren kann. Die Leitungsstücke 11 und 12 gehen an einer Verzweigung 13 des Leitungssystems 5 in einen gemeinsamen Leitungsteil 14 über, der in den Bereich der zu kühlenden Einrichtung 3 führt. Man kann so von einer Parallelschaltung der beiden Kaltköpfe 7 und 8 mittels der Verzweigung 13 und der beiden Leitungsstücke 11 und 12 sprechen.
  • Erfindungsgemäß sollen die Leitungsstücke 11 und 12 zumindest teilweise hinreichend schlecht-wärmeleitend ausgebildet sein. Auf diese Weise ist eine gegenseitige thermische Entkopplung der beiden Kaltköpfe möglich, so dass ein einzelner Kondensorraum 11a oder 12a z.B. bis auf Raumtemperatur aufgewärmt werden kann, ohne dass eine nennenswerte Wärmezufuhr zu den zu kühlenden Teilen bzw. zu dem in dem Inneren des Leitungssystems befindlichen Kältemittel K erfolgt. Dabei lassen sich die Leitungsstücke 11 und 12 vorteilhaft so ausgestalten, dass auch ein unterschiedlicher Dehnungsausgleich ermöglicht ist. Beispielsweise können die Leitungsstücke 11 und 12 jeweils aus schlecht-wärmeleitenden Metallen wie z. B. aus speziellen Stählen oder Cu-Legierungen bestehen. Gegebenenfalls kommen auch besondere tieftemperaturtaugliche Kunststoffmaterialien, die auch faserverstärkt sein können, oder auch keramische Materialien in Frage. Für diese Leitungsstücke lassen sich dabei auch unterschiedliche Materialien und/oder unterschiedliche Gestaltungsformen vorsehen. So können die Leitungsstücke z.B. Biegungen, beispielsweise Spiralformen, aufweisen, die thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen gestatten.
  • Bei einem eventuellen Ausfall eines der Kaltköpfe könnte der zweite nach einer Abkühlungszeit eine (Not-) Kühlung übernehmen, währenddessen man den ersten dann in Ruhe aufwärmen, austauschen bzw. reparieren kann, ohne dass die Kühlung des Systems beeinträchtigt wird. Für diesen Fall der möglichen Ausführung von Wartungsarbeiten an einem Kaltkopf ohne Beeinträchtigung der Kühlung sollten die zur thermischen Isolation im Regelfall erforderlichen Vakuumräume für einerseits das Thermosyphon-Leitungssystem und andererseits die Kaltköpfe voneinander abgetrennt werden können. Dann kann jeder Kaltkopf einzeln demontiert werden, ohne die thermische Isolierung des restlichen Thermosyphon-Leitungssystems zu beeinträchtigen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel geht aus Figur 2 hervor. Bei der angedeuteten und mit 20 bezeichneten Kälteanlage befinden sich die beiden Endteile 7b und 8b ihrer Kaltköpfe 7 bzw. 8 vorteilhaft jeweils in einem separaten Vakuumteilraum 15a bzw. 15b. Diese Teilräume werden nachfolgend dem Vakuumgefäßes 9 zugerechnet, obwohl sie auch an dieses Gefäß angefügt sein können. Auf alle Fälle sind diese Vakuumteilräume gegenüber dem restlichen, die zu kühlende Einrichtung 3 aufnehmenden Innenraum 9a des Vakuumgefäßes z.B. im Bereich der Kaltflächen 7c bzw. 8c mittels vakuumdichter Verbindungsstücke 16 und 17 abgetrennt. Die erforderliche vakuumdichte Verbindung zwischen dem Thermosyphon-Leitungssystem 5 und den Kaltköpfen 7 und 8 wird dabei vorteilhaft möglichst schlecht wärmeleitend ausgeführt. Gemäß der Figur 2 ist diese Verbindung zwischen dem warmen Vakuumgefäß 9 und dem im Betrieb kalten Thermosyhon-Leitungssystem 5 im Bereich seiner Kondensorräume 11a und 12a ausgeführt. Gegebenenfalls kann aber auch zur Optimierung der an dieser Kalt-Warm-Verbindung auftretenden thermischen Verluste diese Verbindung direkt an dem Rohrsystem auch an anderen Stellen der Leitungsstücke 11 und 12 bei deutlich kleinerem Durchmesser vorgesehen werden. Wie in der Figur durch gestrichelte, mit 16' bzw. 17' bezeichnete Linien angedeutet sein soll, lässt sich eine entsprechende Abtrennung beispielsweise nach den querschnittsmäßig erweiterten Endräumen 11a bzw. 12a einplanen.
  • Selbstverständlich lässt sich eine erfindungsgemäße Kälteanlage auch mit mehreren Thermosyphon-Leitungssystemen konzipieren, von denen mindestens eines eine Parallelschaltung von zwei Kaltköpfen mittels einer Verzweigung dieses Systems aufweisen muss. Mehrere solcher Systeme können mit unterschiedlichen Kältemitteln und damit je nach Anforderung der Anwendung entsprechend abgestuften Arbeitstemperaturen, z.B. für eine Vorkühlung, eine quasi kontinuierliche thermische Ankopplung oder eine quasi kontinuierliche thermische Ankopplung durch überlappende Arbeitstemperaturbereiche der Kältemittel parallel eingesetzt werden. Hierzu werden entweder Kondensorräume mit voneinander getrennten Kondensationsbereichen für die verschiedenen Arbeitsmittel oder mehrere einzelne Kondensorräume an einem Kaltkopf bzw. den Kaltköpfen angebracht.
  • Bei den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen von Kälteanlagen 2 oder 20 wurde ferner davon ausgegangen, dass das Kältemittel K nur aus einer einzigen Komponente wie z.B. He oder Ne besteht. Ebensogut können aber auch als Kältemittel Gemische aus mindestens zwei Kältemittel-Komponenten wie z.B. aus N2+Ne mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen werden. Dann kann folglich bei einer allmählichen Abkühlung wenigstens eines der Kaltköpfe zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile der Einrichtung ausbilden. Nach einer Vorkühlung dieser Teile bis zur Tripelpunktstemperatur dieses Gases wird dieses im Bereich der Kondensorräume ausfrieren, worauf zumindest ein Kaltkopf 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 jeweiligen Kaltkopfes zu realisieren ist. Der Betrieb eines Kaltkopfes bei einer höheren Temperatur zu Beginn der Abkühlungsphase führt nämlich zu einer entsprechend größeren Kälteleistung und erlaubt damit wesentlich kürzere Abkühlzeiten.

Claims (12)

  1. Kälteanlage mit einem Kaltkopf (7, 8) und einem Leitungssystem für ein nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kühlmittel, wobei der Kaltkopf thermisch an zu kühlende Teile einer Einrichtung (3) über das Leitungssystem angekoppelt ist, und wobei wenigstens ein weiterer Kaltkopf (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Kaltkopf mittels einer Verzweigung (13) des Leitungssystems (5) zu dem ersten Kaltkopf (7) parallel geschaltet ist, wobei zwischen der Verzweigung (13) und den beiden Kaltköpfen (7 bzw. 8) verlaufende Leitungsstücke (11 bzw. 12) des Leitungssystems (5) jeweils zumindest teilweise in der Weise schlecht wärmeleitend ausgebildet sind, dass die Wärmeeinleitung in den Bereich des jeweiligen Kaltkopfes vernachlässigbar gering im Vergleich zur im Vergleich zur verfügbaren Kälteleistung des Kaltkopfs (7, 8) ist.
  2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlecht-wärmeleitenden Leitungsstücke (11, 12) jeweils zumindest teilweise aus einem schlecht-wärmeleitenden metallischen Werkstoff oder einem Kunststoff bestehen.
  3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage ein Vakuumgefäß (9) aufweist in dessen Innenraum die Einrichtung (3) angeordnet ist, und die Kaltköpfe (7, 8) mit Endteilen (7b bzw. 8b) in das Vakuumgefäß (9) hineinragen, an die die Leitungsstücke (11, 12) thermisch angekoppelt sind.
  4. Kälteanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltköpfe (7, 8) endseitige Kaltflächen (7c bzw. 8c) aufweisen, an die Endräume (11a bzw. 12a) der Leitungsstücke (11, 12) thermisch angekoppelt sind, in denen eine Abkühlung bzw. Kondensation des Kältemittels (K) erfolgt.
  5. Kälteanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endräume (11a, 12a) querschnittsmäßig erweitert sind.
  6. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Endteile (7b, 8b) der Kaltköpfe (7, 8) von separaten Vakuumräumen (15a, 15b) umgeben sind, die mittels schlecht-wärmeleitender, vakuumdichter Verbindungsstücke (16, 17 bzw. 16', 17') gegenüber dem Innenraum (9a) des Vakuumgefäßes (9) abgetrennt sind.
  7. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbindungsstücke (16, 17) zwischen endseitigen Kaltflächen (7c bzw. 8c) der Endteile (7b, 8b) und dem Vakuumgehäuse (9) erstrecken (Figur 1).
  8. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verbindungsstücke (16', 17') zwischen den Leitungsstücken (11, 12) und dem Vakuumgehäuse (9) erstrecken (Figur 2).
  9. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel (K) ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen ist.
  10. Verwendung der Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kühlung von Teilen (3a) der Einrichtung (3), welche supraleitendes Material enthalten.
  11. Verwendung der Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material Hoch-Tc-Supraleitermaterial ist.
  12. Verwendung der Anlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Material auf einer Temperatur von unter 77 K zu halten ist.
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