EP2844872A1 - Vorrichtung zur herstellung, verbesserung und stabilisierung des vakuums im gehäuse einer schwungmasse - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung, verbesserung und stabilisierung des vakuums im gehäuse einer schwungmasse

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Publication number
EP2844872A1
EP2844872A1 EP12716234.5A EP12716234A EP2844872A1 EP 2844872 A1 EP2844872 A1 EP 2844872A1 EP 12716234 A EP12716234 A EP 12716234A EP 2844872 A1 EP2844872 A1 EP 2844872A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cold surface
vacuum
flywheel
cold
housing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12716234.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Walter WOLFGANG
Günther SIKLER
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.)
Bilfinger Noell GmbH
Original Assignee
Babcock Noell GmbH
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
Application filed by Babcock Noell GmbH filed Critical Babcock Noell GmbH
Publication of EP2844872A1 publication Critical patent/EP2844872A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/08—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for recovering energy derived from swinging, rolling, pitching or like movements, e.g. from the vibrations of a machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/06—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means
    • F04B37/08—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for evacuating by thermal means by condensing or freezing, e.g. cryogenic pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
    • F16C2361/55—Flywheel systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO

Definitions

  • the invention relates to a device for producing, improving and stabilizing the vacuum in the housing of a flywheel according to the features of the preamble of the first claim.
  • the device and its arrangement are used to manufacture, improve and
  • the invention is suitable for all systems which have a component which requires high cooling to a temperature which is below the temperature at which the portions of the ambient air begin to freeze out.
  • These components may be, for example, superconducting elements such as bearings or power supply.
  • Components are either so-called cryocooler or reservoirs with liquefied gas as a source of cold, the components usually via a line cooling, or so-called heat pipes are connected, or can be introduced directly into the liquefied gas.
  • a cold trap for the production, improvement and stabilization of a vacuum.
  • a vacuum is created by using a common type vacuum pump. This can either remain connected for the entire operating period, or it is disconnected from the system after the vacuum has been created and maintained.
  • CONFIRMATION COPY was attached to the housing, cooled to a low temperature. As a result, the air in the system is sucked into this area and freezes there on the walls, as in
  • DE19632123A 1 or DE10331201A 1 is described and shown. This creates a vacuum. Since only the motor moves in the cryocooler, so the vibration can be reduced. These devices can be purchased as standard products.
  • the aim of the invention is therefore to develop a device in which a negative pressure or vacuum is generated, improved and stabilized in the housing of a high-speed machine passively using a machine own cold source, without a higher technical or economic effort and their own pump power in a fault does not depend on the rotational speed of the rotor.
  • This object is achieved by a device according to the features of the first
  • the subclaims reflect advantageous embodiments of the invention.
  • the invention is a cold trap which uses the same effect as creating so-called cryopumps to create, improve and stabilize a vacuum.
  • a cooled surface in the machine housing is arranged, which is cooled to temperatures below which first portions of the air make a phase transition.
  • parts such as gas particles of the residual gas in the container freeze on this surface.
  • This effect supports the pressure decrease of the residual gas, which already results from the sole cooling of the gas.
  • the further immobilization of these gas components further reduces the pressure in the overall system.
  • immobilization or freezing is Here, the deposition of gas components on the cold surface meant either as a solid or as a liquid drop.
  • the cold surface can basically be arranged at any appropriate point in the vacuum.
  • an arrangement of the cold surface over a part or over the entire circumference of the flywheel can take place.
  • flywheel takes place. It is particularly advantageous if the width of the cold surface is twice the width of the flywheel.
  • Another advantageous arrangement of the cold surface provides for arranging these close to the HTS bearing elements. For example, the cold surface directly at the HTS bearing elements.
  • Cool mount the HTS bearing elements be arranged. It is advantageous to arrange a plurality of cold surfaces on the cooling enclosure of the HTS bearing elements. This arrangement can take place around the HTS bearing element in the region of the magnetic bearing / rotor unit on both sides of the flywheel and at both ends of the shaft of the flywheel.
  • Equally advantageous is an arrangement of the cold surface in a generator with superconducting power supply, wherein the cold surface is then advantageously carried out at the cooling inclusion of the superconducting element at the cold source, which may be in the region of the superconducting power supply and the cryocooler.
  • the cold surface on its back with an insulation.
  • suitable materials can be selected.
  • the cold surface is arranged wholly or partially relative to the peripheral surface of the flywheel, it is advantageous to choose the length of the cold surface so that incident and precipitating gas particles, which are accelerated by the flywheel, reach the cold surface. It can be assumed that the gas particles advantageously leave within an angular range between 120 and 150 degrees from the surface of the flywheel in the direction of the surface of the flywheel.
  • the temperature of the cold surface is in an interval of about 100 Kelvin to the operating temperature of the superconducting element.
  • the area in which superconductivity is detected is below about 120 Kelvin (150 degrees minus).
  • the temperature at which superconductors are operated is usually at most 80 Kelvin (200 degrees minus). This can usually by the for
  • the size is ultimately determined by the available temperature and the pump power to be generated.
  • a cooling can be done by its own source of cold as the connection to the cryocooler or a chamber for liquid nitrogen. It is advantageous to thermally bond the device either to an already cooled component, such as an HTS bearing, or directly to its cold source.
  • the connection of the cold surface to a cold source can take place via a means which either resorts to a conductive heat transport, such as e.g. a copper strip, or on a convective heat transport, as he is, for example, so-called.
  • Heat pipes underlying.
  • the use of the thermoacoustic effect is also possible.
  • the advantageous position of the cooled surface is in the plane of the flywheel.
  • the area is slightly higher than the height of the flywheel interpreted to account for the scattering of the gas particles or particles parallel to the axis of rotation.
  • the height is determined by the distance of the cold surface to the outer wall of the flywheel. In general, the height of the cold surface should be about 1, 25 to 3 times the height of the flywheel.
  • This surface does not have to be formed as a ring, but can also be interrupted, a ring segment and arranged only in a few places in this plane.
  • the surface may also be C-shaped, with the opening facing the flywheel.
  • Other embodiments include artificially enlarging the cooled surface by roughening it, incorporating grooves, or other patterns.
  • Another embodiment would be the introduction of vertical or horizontal cylinder, also to increase the surface.
  • the invention has the advantage that it is a passive system that requires no further control from the outside.
  • the device can utilize existing resources in the system and, in the event of an unwanted intrusion of external gases, provides some security as it can delay a sudden loss of vacuum. Thus, measures to protect the system can be initiated. It also provides a cheaper alternative to devices that need to be permanently attached to the system.
  • Figure 1 Schematic representation of a flywheel storage with superconducting
  • Figure 2 Schematic representation of a generator with superconducting
  • Figure 3 Schematic representation of the flywheel accumulator with cold surface, wherein the
  • HTS bearings are cooled with liquid nitrogen and the cold surface and the
  • Chambers are connected with liquid nitrogen.
  • Figure 4 flywheel storage in a schematic representation, wherein the cold surface is arranged around the flywheel.
  • Figure 5 Section A-A of Fig. 4 in an enlarged view.
  • the figure shows the motor / generator 10, the shaft 6 towards the motor / generator stator unit 17, which is arranged opposite to the shaft 6, the motor / generator rotor unit.
  • the temperature of the cold surface 9 is by the connection of the cold surface 9 to the
  • Cooling enclosure 12 of the HTS bearing element 5 generated. It lies in the present case between at most 80 and 100 degrees Kelvin below zero, wherein the cooling energy generated by the cryocooler 3 and the cooling connection 2 is transmitted to the HTS bearing element 5.
  • the cold surface 9 arranged in an advantageous position relative to the flywheel mass 7 precipitating gas particles freeze in the cold surface as a solid or as a liquid drop, with the result that a decrease in pressure occurs in the vacuum container 1 and thus the vacuum or the vacuum in the vacuum container 1 is improved.
  • FIG. 2 shows the schematic representation of a generator to which the invention in an analogous manner as applicable to a flywheel storage.
  • the generator is with a superconducting power supply 16 and a cold surface 9 equipped with an insulation 8, wherein the cold surface 9 is a cooling connection 15 to the cold source or the cooling connection of the superconducting element.
  • the cooling source from which the cooling connection 2 is supplied with cold, represents the cryocooler 3.
  • the cooling connection 2 cools the superconducting power supply 16 to the motor / generator
  • the cold surface 9 is arranged with its insulation 8 on its rear side off-axis to the flywheel 7.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flywheel storage with a
  • flywheel 7 wherein the HTS bearing is cooled with liquid nitrogen 19 and the cold surface 9 is connected to the chamber 18 with liquid nitrogen 19.
  • the structure of this flywheel accumulator in the vacuum container 1, in which the vacuum 4 is located, is similar to the structure shown in FIG. However, instead of the cryocooler 3 for cooling the HTS bearing element 5, a chamber 18 for liquid nitrogen 19 is arranged, which has an insulation 20 for suspension 13 of the HTS bearing, wherein the cold surface 9 is disposed on both sides of the chamber 18 for the nitrogen 19 and is cooled by this. At the flywheel 7 side facing away from the cold surface 9, their insulation 8 is arranged. In order for a heat radiation of the cold surface 9 is avoided, so that it can work more effectively.
  • the cold surfaces 9 are arranged on both sides in the longitudinal direction of the flywheel 7, with the result that a higher vacuum can occur or the vacuum can be stabilized with higher intensity.
  • FIG. 4 shows a further advantageous embodiment of the invention, wherein the figure shows a schematic representation of a flywheel storage, consisting of the
  • FIG. 5 shows the detail AA of FIG. 4, in which it becomes clear how incident and precipitating gas particles 22, 23 are reflected by the flywheel 7 on the cold surface 9, wherein the reflection is in an angle range ⁇ 24 in a range between 110 and 160 degrees takes place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums (4) im Gehäuse schnell rotierender Maschinen, bestehend aus der Schwungmasse (7) im Gehäuse mit dem Vakuum (4), der Welle (6), der Schwungmasse (7) und dem supraleitenden Lager der Welle (6), wobei in einer vorteilhaften Position zur Schwungmasse (7) eine Kaltfläche (9) angeordnet ist, an der ausfallende Gaspartikel (23) anfrieren. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass es sich um ein passives System handelt, das keiner weiteren Regelung von Außen bedarf. Die Vorrichtung kann im System bereits bestehende Ressourcen nutzen und bietet für den Fall eines ungewollten Einbruchs von äußeren Gasen ein gewisses Sicherheitssystem, da es einen plötzlichen Verlust des Vakuums verzögern kann. Somit können Maßnahmen zum Schutze des Systems eingeleitet werden. Im Weiteren bietet es eine kostengünstigere Alternative zu Vorrichtungen, die ständig am System angebracht sein müssen.

Description

Vorrichtung zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung des Vakuums im Gehäuse einer Schwungmasse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung des Vakuums im Gehäuse einer Schwungmasse nach den Merkmalen des Oberbegriffes des ersten Patentanspruches.
Die Vorrichtung und deren Anordnung dienen der Herstellung, Verbesserung und
Stabilisierung eines Vakuums im Inneren eines Gehäuses einer Maschine. Sehr schnell drehende Maschinen, wie z.B. Schwungräder, profitieren davon die Luftreibung der
Rotoreinheit durch das Erzeugen von Unterdruck oder eines Vakuums herabzusetzen. Die Erfindung eignet sich für alle Systeme, die eine Komponente aufweisen, bei der es einer starken Kühlung auf eine Temperatur bedarf, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Anteile aus der Umgebungsluft anfangen auszufrieren. Diese Komponenten können zum Beispiel supraleitende Elemente, wie Lager oder Stromzuführung sein. Für diese
Komponenten dienen entweder sogenannte Kryokühler oder Reservoirs mit verflüssigtem Gas als Kältequelle, wobei die Komponenten meist über eine Leitungskühlung, oder sogenannte heat pipes angebunden werden, oder direkt im Flüssiggas eingebracht sein können. In diesen Systemen mit rotierenden Komponenten ist es vorteilhaft die hier vorgeschlagene Erfindung, einer Kältefalle zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums, anzuwenden.
In der Regel wird ein Vakuum durch Verwendung einer Vakuumpumpe gängigen Typs erzeugt. Diese kann entweder für den gesamten Betriebszeitraum angeschlossen bleiben, oder sie wird nach Entstehen des Vakuums und unter dessen Aufrechterhaltung vom System getrennt.
Lässt man eine Vakuumpumpe auch während der Zeit des Betriebes an das System angeschlossen, so führt das zu einer Erhöhung der laufenden, sowie der Investitionskosten. Desweiteren muss Platz für die Pumpe zur Verfügung stehen. Da die Pumpe Schwingungen erzeugt, könnten sich diese auf das System übertragen, was zu Beeinträchtigungen des Betriebs führen kann. Für den Fall, dass die Vakuumpumpe nach Erzeugung des Vakuums vom System getrennt wird, ist das Behältnis der Maschine so auszuführen, dass die Leckrate, die mit der Luft in das Gehäuse kommt, möglichst klein ist. Werden die
Druckbedingungen der Umgebung des Rotors nicht mehr erfüllt, kann auch dies den Betrieb beeinträchtigen. Eine solche Ausführung des Gehäuses kann ebenfalls zu einer Steigerung der Kosten führen. Im Fall der Schwingungen kann man beispielsweise auch auf eine sogenannte Kryopumpe zurück greifen. Hier wird mittels eines Kryokühlers ein Bereich der
BESTÄTIGUNGSKOPIE an das Gehäuse angebracht wurde, auf eine tiefe Temperatur abgekühlt. Dadurch wird die Luft im System in diesen Bereich gesaugt und friert dort an den Wänden fest, wie in
DE19632123A 1 oder DE10331201A 1 beschrieben und gezeigt wird. Dadurch wird ein Vakuum erzeugt. Da sich nur der Motor im Kryokühler bewegt, kann so die Schwingung vermindert werden. Diese Vorrichtungen kann man als Standardprodukte erwerben.
Allerdings handelt es sich auch in diesem Fall um eine aktive eigenständige Komponente des Systems, deren Verwendung die oben beschriebenen Nachteile mit sich bringt.
Es ist erstrebenswert diese Funktion des Aufrechterhaltens des Vakuums möglichst unter Nutzung bestehender Komponenten passiv im System zu integrieren. Hier kann man sich beispielsweise die schnelle Drehung des Systems zu Nutze machen. Nun muss allerdings der Rotor diese Funktion mittragen. Lösungen dieser Problemstellung sind beispielsweise in DE19714549A1 und US005462402A dargestellt. Das ist allerdings mechanisch und damit auch wirtschaftlich sehr aufwendig, sofern das überhaupt in einer Maschine umgesetzt werden kann. Ein weiterer Nachteil dieser mechanischen Lösungen liegt darin, dass im Falle eines Vakuumbruchs der Rotor abgebremst und damit auch die Pumpwirkung verringert wird. Deshalb ist eine Vorrichtung wünschenswert, deren Pumpwirkung nicht von der Drehgeschwindigkeit der Welle abhängt.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zu entwickeln, bei der im Gehäuse einer schnell drehenden Maschine ein Unterdruck oder Vakuum passiv unter Verwendung einer der Maschine eigenen Kältequelle erzeugt, verbessert und stabilisiert wird, ohne dass ein höherer technischer oder wirtschaftlicher Aufwand entsteht und deren eigene Pumpleistung bei einem Störfall nicht von der Drehgeschwindigkeit des Rotors abhängt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des ersten
Patentanspruches gelöst.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Bei der Erfindung handelt es sich um eine Kältefalle, die zur Erzeugung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums denselben Effekt nutzt, wie sogenannte Kryopumpen.
Dabei wird eine gekühlte Fläche im Maschinengehäuse angeordnet, die auf Temperaturen abgekühlt wird, unterhalb derer erste Anteile der Luft einen Phasenübergang vollziehen. Dadurch frieren Teile wie Gaspartikel des Restgases im Behälter auf dieser Oberfläche fest. Dieser Effekt unterstützt die Druckabnahme des Restgases, die bereits durch das alleinige Abkühlen des Gases entsteht. Durch die darüber hinaus gehende Immobilisierung dieser Gasanteile sinkt der Druck im Gesamtsystem weiter. Mit Immobilisierung oder Anfrieren ist hier das Ablagern von Gaseinteilen an der kalten Oberfläche entweder als Feststoff oder auch als Flüssigkeitstropfen gemeint.
Die Kaltfläche kann grundsätzlich an jeder dafür sinnvollen Stelle im Vakuum angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann eine Anordnung der Kaltfläche über einen Teil oder über den gesamten Umfang der Schwungmasse erfolgen.
Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Kaltfläche zumindest über die Breite der gesamten
Schwungmasse erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Breite der Kaltfläche die doppelte Breite der Schwungmasse beträgt.
Eine weitere andere vorteilhafte Anordnung der Kaltfläche sieht vor, diese nahe der HTS- Lagerelemente anzuordnen. So kann beispielsweise die Kaltfläche direkt an der
Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, mehrere Kaltflächen an der Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente anzuordnen. Diese Anordnung kann um das HTS-Lagerelement im Bereich der Magnetlager/Rotoreinheit beidseitig der Schwungmasse und an beiden Enden der Welle der Schwungmasse erfolgen.
Ebenso vorteilhaft ist ein Anordnen der Kaltfläche in einem Generator mit supraleitender Stromzuführung, wobei die Kaltfläche dann vorteilhafterweise an der Kühleinbindung des supraleitenden Elementes an der Kältequelle erfolgt, was im Bereich der supraleitenden Stromzuführung und des Kryokühlers sein kann.
Weiterhin ist es von Vorteil, die Kaltfläche auf ihrer Rückseite mit einer Isolierung zu versehen. Dafür können geeignete Materialien gewählt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kaltfläche an einer Kammer für flüssigen Stickstoff anzuordnen, mit der das HTS- Lagerelement gekühlt wird.
Für den Fall, dass die Kaltfläche ganz oder teilweise gegenüber der Umfangfläche der Schwungmasse angeordnet ist, ist es vorteilhaft, die Länge der Kaltfläche so zu wählen, dass einfallende und ausfallende Gaspartikel, die durch die Schwungmasse beschleunigt werden, zur Kaltfläche gelangen. Dabei ist davon auszugehen, dass die Gaspartikel vorteilhafterweise innerhalb eines Winkelbereiches zwischen 120 und 150 Grad von der Oberfläche der Schwungmasse in Richtung auf die Oberfläche der Schwungmasse verlassen.
Der in geringen Mengen in der Luft enthaltene Wasserdampf friert bereits effektiv bei wenigen Grad unter Null aus. Besser ist es allerdings Gase, die große Anteile der Luft bilden festzufrieren, wie zum Beispiel Stickstoff. Hierfür werden Temperaturen unterhalb von 77 Kelvin benötigt. In einem System, das supraleitende Elemente (z.B. HTS - Lager)
verwendet, liegt die Temperatur der Kaltfläche in einem Intervall von etwa 100 Kelvin um die Betriebstemperatur des supraleitenden Elementes. Typischerweise liegt der Bereich in dem Supraleitung nachgewiesen wird unterhalb von ca. 120 Kelvin (150 Grad minus). In technischen Anwendungen beträgt die Temperatur, bei der Supraleiter betrieben werden, meist höchstens 80 Kelvin (200 Grad Minus). Damit kann in der Regel durch die zur
Verfügung zu stellende Kühlleistung auch die Kaltfläche auf eine Temperatur gebracht werden, bei der man ein Absinken des Druckes beobachten kann.
Durch die Größe der Fläche, sowie deren Temperatur kann die Stärke dieses Effektes eingestellt werden. Somit kann bestimmt werden, ob die Vorrichtung selbst alleinig einen Unterdruck oder ein Vakuum erzeugt, oder ob die Vorrichtung einen bestehenden
Unterdruck oder ein Vakuum verbessern soll, oder ob die Vorrichtung dazu dienen soll einen Unterdruck oder Vakuum zu stabilisieren, in dem durch ein Leck eindringende Atmosphäre an der gekühlten Oberfläche aufgenommen wird. Die Größe wird letztlich durch die zur Verfügung stehende Temperatur und die zu erzeugende Pumpleistung festgelegt.
Dabei kann eine Kühlung durch eine eigene Kältequelle wie der Anschluss zum Kryokühler oder einer Kammer für flüssigen Stickstoff erfolgen. Vorteilhaft ist es die Vorrichtung thermisch entweder an ein bereits gekühltes Bauteil, wie ein HTS - Lager, oder direkt an dessen Kältequelle anzubinden. Die Anbindung der Kaltfläche an eine Kältequelle kann dabei über ein Mittel erfolgen, das entweder auf einen konduktiven Wärmetransport zurückgreift, wie z.B. einem Kupferband, oder auf einen konvektiven Wärmetransport, wie er beispielsweise sog. Heat Pipes zu Grunde liegt. Auch die Nutzung des thermoakustischen Effektes ist möglich.
Die der Außenseite des Systems zugewandte Seite der Kaltfläche wirkt durch den
Temperaturunterschied zwischen Außenwand, die in der Regel Raumtemperatur besitzt, und Kaltfläche wie eine Antenne für Wärmestrahlung. Dieser Effekt würde einen erheblichen zusätzlichen Eintrag von Wärme auf die Kaltfläche bedeuten, der die Effektivität der
Vorrichtung mindert und letztlich auch die Kältequelle zusätzlich belastet. Folglich ist es nützlich die der Außenwand des Behälters zugewandte Seite der Kaltfläche gegen diese
Wärmestrahlung zu schirmen. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz reflektierender oder isolierender Mittel geschehen. Ein weiterer Aspekt gilt hier auch einer möglichst vorteilhaften Positionierung der Kaltfläche, um deren Größe, und somit auch den Wärmeeintrag durch Strahlung möglichst gering zu halten. Hierzu ist eine besondere Positionierung im System, bei der die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass ein Restgasteilchen auf die Fläche trifft, von großem Vorteil. Im Falle einer Schwungmasse mit einem radialen Konturmaximum, wie es zum Beispiel die Schwungmasse eines Schwungradspeichers sein kann, ist eine solche vorteilhafte Position, wie folgt zu finden. Bei ausreichend hohen Drehgeschwindigkeiten hat der Impuls eines Gasteilchens oder -partikels nach einem Stoßprozess mit der äußeren Wand der Schwungmasse, die die höchste Geschwindigkeit aufweist, eine Vorzugsrichtung tangential zur Drehbewegung der Schwungmasse. Somit ist die vorteilhafte Position der gekühlten Oberfläche in der Ebene der Schwungmasse. Dabei ist die Fläche etwas höher als die Höhe der Schwungmasse auszulegen, um der Streuung der Gasteilchen oder -partikel parallel zur Drehachse Rechnung zu tragen. Die Höhe ist dabei vom Abstand der Kaltfläche zur äußeren Wand der Schwungmasse bestimmt. Generell sollte die Höhe der Kaltfläche etwa das 1 ,25-fache bis 3-fache der Höhe der Schwungmasse betragen. Diese Fläche muss nicht als Ring ausgebildet sein, sondern kann auch unterbrochen, ein Ringsegment und nur an einigen wenigen Stellen in dieser Ebene angeordnet sein.
Als weitere Ausführung kann die Fläche auch C-förmig geformt sein, wobei die Öffnung zur Schwungmasse zeigt. Weitere Ausführungen beinhalten die künstliche Vergrößerung der gekühlten Oberfläche durch Aufrauhen selbiger, das Einarbeiten von Riefen, oder anderen Mustern. Eine weitere Ausführungsvariante wäre das Einbringen senkrechter oder waagrechter Zylinder, ebenfalls zur Vergrößerung der Oberfläche.
Weiter ist es vorteilhaft diese Flächen mit der Möglichkeit auszustatten selbige zu erwärmen, um so die Gasteilchen schneller zu lösen und das Vakuum so schneller aufzuheben. Das kann durch eine Heizung in oder auf der gekühlten Oberfläche durchgeführt werden, was zum Beispiel durch einen beheizbaren Draht hergestellt werden kann, oder einen anderen elektrischen Widerstand der sich bei Bestromung erwärmt.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass es sich um ein passives System handelt, das keiner weiteren Regelung von Außen bedarf. Die Vorrichtung kann im System bereits bestehende Ressourcen nutzen und bietet für den Fall eines ungewollten Einbruchs von äußeren Gasen ein gewisses Sicherheitssystem, da es einen plötzlichen Verlust des Vakuums verzögern kann. Somit können Maßnahmen zum Schutze des Systems eingeleitet werden. Im Weiteren bietet es eine kostengünstigere Alternative zu Vorrichtungen, die ständig am System angebracht sein müssen.
Im Folgenden ist die Erfindung an Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen: Figur 1 : Schematische Darstellung eines Schwungrad-Speichers mit supraleitenden
Magnetlagern, an die die Kaltfläche angebunden ist.
Figur 2: Schematische Darstellung eines Generators mit supraleitenden
Stromzuführungen und einer Kaltfläche zur Unterstützung des Vakuums.
Figur 3: Schematische Darstellung des Schwungradspeichers mit Kaltfläche, wobei die
HTS-Lager mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und die Kaltfläche und die
Kammern mit flüssigem Stickstoff angeschlossen sind.
Figur 4: Schwungradspeicher in schematischer Darstellung, wobei die Kaltfläche um die Schwungmasse angeordnet ist.
Figur 5: Ausschnitt A-A aus Fig. 4 in vergrößerter Darstellung.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Schwungmasse 7 eines
Schwungradspeichers im Vakuumbehälter 1 , welcher das Vakuum 4 enthält, wobei die Schwungmasse 7 sich um die Welle 6 dreht, die beidseitig in einem HTS-Lager ruht, welches aus HTS-Lagerelementen 5 besteht, die eine Kühleinfassung 12 aufweisen, wobei das HTS- Lager im Vakuumbehälter 1 mittels HTS-Aufhängung 13 aufgehängt ist und die Welle 6 an beiden Enden ein Magnetlager Rotoreinheit 21 aufweist. Die Kühleinfassung 12 ist über eine Kühlanbindung 2 mit dem Kühler 3 verbunden, in dem die Kälte für die Kühleinfassung 12 erzeugt wird. An der Kühleinfassung 12 ist die Kaltfläche 9 angeordnet. Diese Anordnung der Kaltfläche befindet sich versetzt entlang der Welle 6 zur Schwungmasse 7. Die Kaltfläche 9 weist auf ihrer zur Schwungmasse 7 abgewandten Seite die Isolation 8 der Kaltfläche 9 auf. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass die Kaltfläche 9 in unmittelbaren Nähe der Kühlung angeordnet ist, so dass Energieverluste gering sind.
Weiterhin zeigt die Figur den Motor/Generator 10, der zur Welle 6 hin die Motor/Generator Statoreinheit 17 aufweist, der gegenüber an der Welle 6 die Motor/Generator Rotoreinheit angeordnet ist.
Die Temperatur der Kaltfläche 9 wird durch die Anbindung der Kaltfläche 9 an die
Kühleinfassung 12 des HTS-Lagerelementes 5 erzeugt. Sie liegt im vorliegenden Fall zwischen höchstens 80 und 100 Grad Kelvin unter Null, wobei die Kälteenergie durch den Kryokühler 3 erzeugt und die Kühlanbindung 2 auf das HTS-Lagerelement 5 übertragen wird. Durch die in vorteilhafter Position zur Schwungmasse 7 angeordnete Kaltfläche 9 frieren ausfallende Gaspartikel in der Kaltfläche als Feststoff oder als Flüssigkeitstropfen an, was zur Folge hat, dass eine Druckabnahme im Vakuumbehälter 1 entsteht und somit der Unterdruck oder das Vakuum im Vakuumbehälter 1 verbessert wird.
Die Figur 2 zeigt die schematische Darstellung eines Generators auf den die Erfindung in analoger Weise wie für einen Schwungrad-Speicher anwendbar ist. Der Generator ist mit einer supraleitenden Stromzuführung 16 und einer Kaltfläche 9 mit einer Isolation 8 ausgestattet, wobei die Kaltfläche 9 eine Kühlanbindung 15 an die Kältequelle oder die Kühlanbindung des supraleitenden Elementes 2.
Die Kältequelle, von der die Kühlanbindung 2 mit Kälte versorgt wird, stellt der Kryokühler 3 dar. Die Kühlanbindung 2 kühlt die supraleitende Stromzuführung 16 zum Motor/Generator
10 an der Motor/Generator Statoreinheit 17, die beidseitig der Motor/Generator Rotoreinheit
1 1 auf der Welle 6 im Vakuum angeordnet ist.
Auch im vorliegenden Fall ist die Kaltfläche 9 mit ihrer Isolation 8 auf ihrer Rückseite achsverschoben zur Schwungmasse 7 angeordnet.
Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Schwungradspeicher mit einer
Schwungmasse 7, wobei das HTS-Lager mit flüssigem Stickstoff 19 gekühlt wird und die Kaltfläche 9 an die Kammer 18 mit flüssigem Stickstoff 19 angeschlossen ist. Der Aufbau dieses Schwungradspeichers im Vakuumbehälter 1 , in dem sich das Vakuum 4 befindet, ist ähnlich wie der Aufbau, der in Figur 1 gezeigt ist. Allerdings ist statt des Kryokühlers 3 zur Kühlung des HTS-Lagerelementes 5 eine Kammer 18 für flüssigen Stickstoff 19 angeordnet, die eine Isolation 20 zur Aufhängung 13 des HTS-Lagers aufweist, wobei die Kaltfläche 9 beidseitig der Kammer 18 für den Stickstoff 19 angeordnet ist und von dieser gekühlt wird. An der der Schwungmasse 7 abgewandten Seite der Kaltfläche 9 ist ihre Isolation 8 angeordnet. Damit wird eine Wärmeeinstrahlung der Kaltfläche 9 vermieden, so dass diese effektiver arbeiten kann. Die Kaltflächen 9 sind in Längsrichtung zur Achse beidseitig zur Schwungmasse 7 angeordnet, was zur Folge hat, dass ein höheres Vakuum entstehen kann oder das Vakuum mit höherer Intensität stabilisierbar ist.
Die Figur 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wobei die Figur in schematischer Darstellung einen Schwungradspeicher zeigt, bestehend aus der
Schwungmasse 7 auf der Welle 6, wobei Kaltflächen 9 mit einer Isolation 8 über dem Umfang der Schwungmasse 7 angeordnet sind, und die Kühlanbindung 15 der Kaltfläche 9 an die Kältequelle oder das supraleitende Element, das HTS-Lagerelement 5 oder dessen Kühleinfassung 12 erfolgt. Der Schwungradspeicher ist grundsätzlich so ausgebaut, wie das bereits in den Darstellungen 1 und 3 beschrieben wurde. Die Länge der Kaltfläche 9 beträgt in etwa das Doppelte wie die Länge oder die Breite der Schwungmasse 7, so dass ausfallende und einfallende Gaspartikel 22, 23 mit hoher Wahrscheinlichkeit von der Schwungmasse 7 auf die Kaltfläche 9 treffen und an dieser anfrieren, was das Vakuum 4 im Vakuumbehälter 1 verbessert oder stabilisiert. In Figur 5 ist der Ausschnitt A-A von Figur 4 gezeigt, in dem deutlich wird, wie einfallende und ausfallende Gaspartikel 22, 23 von der Schwungmasse 7 auf die Kaltfläche 9 reflektiert werden, wobei die Reflektion in einem Winkelbereich α 24 in einem Bereich zwischen 1 10 und 160 Grad stattfindet.
16
Bezugszeichenliste:
I Vakuumbehälter
2 Kühlanbindung des supraleitenden Elementes an die Kältequelle
3 Kryokühler
4 Vakuum
5 HTS-Lagerelemente
6 Welle
7 Schwungmasse
8 Isolation Kaltfläche
9 Kaltfläche
10 Motor/Generator
I I Motor/Generator Rotoreinheit
12 Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente
13 HTS-Lager Aufhängung
14 Aufhängung Motor/Gehäuse
15 Kühlanbindung Kaltfläche an Kältequelle oder supraleitendes Element
16 Supraleitende Stromzuführung
17 Motor/Generator Statoreinheit
18 Kammer für flüssigen Stickstoff
19 Flüssiger Stickstoff
20 Isolation der Kammer mit flüssigem Stickstoff zur Aufhängung
21 Magnetlager Rotoreinheit
22 Einfallendes Gaspartikel
23 Ausfallendes Gaspartikel nach Impulsübertrag an der Schwungmasse
24 Winkel Alpha als Kennzeichnung des Reflexionsbereiches

Claims

9
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums (4) im Gehäuse schnell rotierender Maschinen, aus einem Gehäuse mit dem Vakuum (4), der Welle (6), und einem supraleitenden Element (5,16),
gekennzeichnet dadurch, dass
in einer vorteilhaften Position zur Welle (6) eine Kaltfläche (9) angeordnet ist, an der ausfallende Gaspartikel (23) anfrieren. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) ganz oder teilweise in einem Abstand über einen Teil oder den gesamten Umfang einer Schwungmasse (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kaltfläche (9) der doppelten Breite der Schwungmasse (7) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) seitlich der Schwungmasse (7) angeordnet ist. 5. Vorrichtung nach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der
Kaltfläche (9) zwischen minus 170 und minus 220 Grad liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) mit einem HTS-Lagerelement (5) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) mit der Kühleinfassung des HTS-Lagerelementes verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) mit der Kältequelle des HTS-Lagerelementes (5) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältequelle flüssiger Stickstoff (19) in einer Kammer (18) für flüssigen Stickstoff darstellt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltfläche (9) mit der Kammer (18) des flüssigen Stickstoffes (19) als
Kältequelle verbunden ist. 10
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die der Schwungmasse (7) abgewandte Seite der Kaltfläche (9) eine Isolation (8) aufweist. 12. Vorrichtung Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in der Kaltfläche (9) eine Heizung angeordnet ist.
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