EP3844445A1 - Device for cooling a superconducting element - Google Patents

Device for cooling a superconducting element

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Publication number
EP3844445A1
EP3844445A1 EP19734714.9A EP19734714A EP3844445A1 EP 3844445 A1 EP3844445 A1 EP 3844445A1 EP 19734714 A EP19734714 A EP 19734714A EP 3844445 A1 EP3844445 A1 EP 3844445A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cryostat
cooling medium
heat exchanger
line
superconducting element
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP19734714.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Herzog
Thomas Kutz
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.)
Messer Industriegase GmbH
Messer SE and Co KGaA
Original Assignee
Messer Group GmbH
Messer Industriegase 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 Messer Group GmbH, Messer Industriegase GmbH filed Critical Messer Group GmbH
Publication of EP3844445A1 publication Critical patent/EP3844445A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F25D3/102—Stationary cabinets
    • 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
    • F25B19/00—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour
    • F25B19/005—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour the refrigerant being a liquefied gas
    • 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 device for cooling a superconducting element, with a formed as a closed pressure vessel and via a compensating line with a reservoir for a cryogenic cooling medium flow-connected cryostat, which is thermally connected to the superconducting element.
  • an “superconducting element” is understood here to mean an object built up from superconducting materials or having a superconducting component. For example, it is a superconducting cable, superconducting current limiters or a superconducting apparatus, such as superconducting magnetic coils or detectors based on superconducting components.
  • Superconducting elements must be cooled to an operating temperature that is below half the superconducting transition temperature (transition temperature) of the superconductor (s) used.
  • Liquefied gases are generally used for cooling.
  • the choice of gas depends on the operating temperature of the superconducting element to be cooled; In systems that work on the basis of high-temperature superconductors, cryogenic liquefied nitrogen can be used; classic superconductors are usually cooled with liquid helium.
  • Other liquefied gases such as liquid air, liquefied oxygen, liquefied hydrogen or liquefied argon, can also be used as heat transfer media.
  • the liquefied gases are "supercooled", that is, they are brought to a temperature below the boiling temperature at the prevailing pressure. brings.
  • the absorption of heat initially only causes a temperature increase without a change in the state of the gas.
  • a subcooler for this purpose, for example, a refrigeration machine is used or a heat exchanger in which there is a cooling medium on the heat-dissipating side which evaporates at a temperature which is below the boiling point of the gas to be supercooled on the heat-supplying side.
  • the known cooling systems have disadvantages. Since the cooling medium is circulated, it must either pass through the superconducting element to be cooled both on the way there and back, or it is returned via a line leading to the superconducting element. In the first case, the provision of two flow paths in the supercale element to be cooled complicates its structure, and the pressure loss which occurs over twice the length of the cooling path must be compensated for with correspondingly complex pump and pressure line systems. In the second case, the construction of a complex, heat-insulated return line is required. The pump, which is always necessary in the circuit, introduces additional heat into the cooling medium, which must be removed.
  • superconducting elements can also be cooled by direct or indirect thermal contact with a cooling bath consisting of a cooling medium.
  • the cooling bath is located in a thermally well insulated container, a so-called cryostat, which can also be designed to be pressure-resistant in order to reduce influences of the ambient pressure on the temperature of the bath.
  • Arrangements with cryostats have the disadvantage that a sudden heat input into the system, for example during so-called “quenching", i.e. a transition to the normal conducting state due to a local exceeding of the transition temperature, can lead to a considerable part of the cooling medium in the Evaporated cryostat.
  • quenching i.e. a transition to the normal conducting state due to a local exceeding of the transition temperature
  • the associated sharp rise in pressure in the cryostat can endanger the superconducting element or even the entire apparatus and / or force an emergency shutdown of the system.
  • the object of the present invention is accordingly to provide a device for cooling superconducting elements using a cryostat, which works reliably and with high operational reliability.
  • a device of the type and purpose mentioned at the outset is thus characterized according to the invention in that the cryostat is thermally connected to a heat exchanger surface with a heat exchanger which is flow-connected to the reservoir via a supply line equipped with a relief valve and a gas discharge line for discharging evaporated cooling medium having.
  • the heat exchanger connected to the cryostat via the heat exchanger surface acts in the device according to the invention as a subcooler.
  • the heat exchanger surface transfers heat from the cooling medium in the interior of the cryostat by conduction to the heat exchanger located in the heat exchanger. due to the relaxation on the expansion valve, cooler coolant is transferred. In contrast to the above-mentioned circulation systems, there is no transport of coolant from the cryostat to the heat exchanger for heat transfer or vice versa.
  • the heat exchanger is, for example, a vessel in which a bath of the same cooling medium as the cooling medium is maintained in the storage container when the device is used, but at a lower pressure; but it can also be a tube heat exchanger or a
  • Act pipe coil through which or through which cooling medium from the pre-storage tank is passed at a lower pressure than the pressure in the storage tank.
  • a pressure relief valve is used to reduce the pressure, which is arranged upstream of the heat exchanger in the supply line.
  • the cooling medium is preferably in the heat exchanger at its equilibrium temperature, that is to say the temperature which corresponds to the boiling temperature at the respective pressure in the heat exchanger.
  • the heat exchanger surface is a contact surface via which heat is transported by heat conduction.
  • the heat exchanger surface is measured in such a way that the vast majority of the heat is transferred from the cooling medium in the cryostat to the cooling medium in the heat exchanger.
  • the heat exchanger surface is a common wall section, directly connected wall sections of the cryostat and heat exchanger or a thermally well-conducting element arranged between the walls of the cryostat and heat exchanger, for example a plate or a cable made of a good heat conductor Material like copper.
  • the heat exchanger is arranged outside the otherwise thermally well insulated and pressure-resistant cryostat and is only thermally connected to it via a heat exchanger surface.
  • An alternative embodiment of the invention provides that the heat exchanger is arranged inside the cryostat and the cooling medium present there is subcooled.
  • the heat exchanger area can be of the total Outer walls of the heat exchanger, for example the outer walls of the vessel described above, the tubes or the pipe coil, insofar as they lie within the cryostat.
  • the compensation line / s between the cryostat and the storage container which connects the cooling bath in the interior of the cryostat from liquid cooling medium with a liquid phase and / or a gas phase in the storage container, is always open when the device is used.
  • the cryostat With the exception of this compensating line / s, the cryostat, on the other hand, is pressure-tightly closed, also with respect to the heat exchanger; if the heat exchanger and / or the superconducting element is arranged in the interior of the cryostat, all connecting lines for the heat exchanger and any current or other supply lines for the superconducting element are guided liquid-tight through the walls of the cryostat.
  • the cryogenic cooling medium in the cryostat is in the supercooled state; a heat input initially only leads to a temperature change without changing the state of the aggregate. At least with smaller amounts of heat, there is no evaporation of the cooling medium in the cryostat.
  • the cryostat is designed as a pressure vessel and is sealed off from the ambient atmosphere.
  • the pressure in its interior corresponds essentially to the pressure in the storage tank, in which the cooling medium is stored at a pressure which is higher than the ambient atmosphere, for example 2-5 bar.
  • the comparatively high pressure also increases the boiling point and the cooling medium can absorb more heat without boiling.
  • means for setting a pressure value for example an evaporator, are assigned to the storage tank, by means of which a maximum pressure in the storage container, and thus in the cryo state, can be selected.
  • heat input is removed during operation of the device while being removed from the heat exchanger thermally connected to the cryostat.
  • the supply line leading to the heat exchanger can optionally be designed for this purpose in such a way that means are assigned to the supply line, by means of which the volume flow of cooling medium that is fed to the heat exchanger can be regulated depending on the heat input into the heat exchanger is.
  • at least one bypass line between the storage tank and heat exchanger can be provided, which is switched on or off as a function of a measured heat input by means of a controllable valve and thus allows the supply of additional cooling medium to the heat exchanger if necessary.
  • the compensating line between the cryostat and the storage container is always open during operation of the device, so that in the event of a pressure rise, depending on the selection of the compensating line (s), evaporated cooling medium into the gas phase and / or liquid cooling medium into the liquid phase of the cooling medium stored in the storage container can flow off; the storage container thus acts as an expansion vessel, which protects the cryostat from an excessive rise in pressure.
  • the gas discharge of the heat exchanger is pressure-connected to the surrounding atmosphere, ie a pressure of approximately 1 bar prevails in the heat exchanger.
  • a vacuum pump to be arranged in the gas discharge line, by means of which the pressure in the heat exchanger can be brought to values below 1 bar, for example 100-200 mbar.
  • the boiling point of liquid nitrogen at a pressure of 150 mbar is only 64K, which means that the liquid nitrogen present in the cryostat as the cooling medium and in thermal contact with the superconducting element can be cooled to 67K or below.
  • the vacuum pump can also be designed in such a way that a pressure in the heat exchanger can be permanently set and / or regulated depending on a measured parameter, for example the temperature of the cooling medium in the cryo.
  • a pressure in the heat exchanger can be permanently set and / or regulated depending on a measured parameter, for example the temperature of the cooling medium in the cryo.
  • the compensation line is either a liquid compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and a liquid phase in the storage container, or a gas compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and the gas phase in the storage container.
  • both types of equalization lines can also be present at the same time, which preferably can be switched on or off in each case.
  • the device according to the invention is suitable for cooling both superconducting devices that work on the basis of classic superconductors and those that work on the basis of flea temperature superconductors.
  • the device according to the invention is suitable for cooling sup raleitician coils, magnets, cables or detectors.
  • a liquefied gas is preferably used as the cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied oxygen, liquefied hydrogen, LNG or a liquefied noble gas, in particular liquid argon or liquid flelium.
  • Liquid nitrogen in particular, is suitable for cooling equipment that works on the basis of flea temperature superconductors.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supra-conducting element is connected to normally conducting power supplies and at least one of these power supplies runs at least in sections within the compensation line (liquid compensation line) carrying the cooling medium or within the supply line to the heat exchanger.
  • the power supply lines via which a significant proportion of the heat is introduced into the cryostat, are cooled by the cooling medium in the respective line.
  • the at least one power supply can be in indirect thermal contact with the equalization line and / or the supply line, and can be wound, for example, between a tube carrying the cooling medium and a thermal insulation of the tube. It proves to be particularly expedient to assign the at least one power supply at least in sections within the feed line upstream to the relief valve, that is to say between the relief valve and the storage container, where it is / are cooled by the liquid nitrogen gas therein.
  • a likewise advantageous embodiment of the invention provides that the Ent voltage valve is arranged inside the cryostat.
  • the power supply line upstream of the expansion valve but still within the cryostat.
  • the superconducting element to be cooled is located inside the cryostat and is flushed with the cooling medium when the device is in use, i.e. is in direct thermal contact with the cooling medium, or the superconducting element is arranged outside the cryostat and is in use with the device with the liquid Cooling medium in the cryostat via a heat exchanger surface in indirect thermal contact.
  • Fig. 1 an inventive device in a first embodiment
  • Fig. 2 an inventive device in a second embodiment.
  • the device 1 shown in Fig. 1 for cooling a superconducting element 2 comprises a cryostat 3 in the form of a thermally well insulated and pressure-resistant container in which the superconducting element 2 is accommodated and in which it is at a temperature below the sup conducting temperature of the material of its superconducting components is maintained.
  • the cryostat 3 the superconducting element 2 is in heat contact with a cooling medium which is stored in a storage container 4.
  • the superconducting element 2 is, for example, an apparatus with superconducting components, for example a cable, a magnetic coil, a current limiter or a detector.
  • the superconducting element 2 is inherently known and not of further interest here to normal conducting Stromzu leads 5, 6, for example cables or massive leads made of a highly conductive material, such as copper, connected, which are liquid-tight through the walls of the cryostat 3.
  • the storage container 4 is a container, for example a standing tank equipped with thermally well-insulated walls, for storing a cryogenic cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied hydrogen or a liquefied noble gas, such as helium or argon.
  • a cryogenic cooling medium for example liquefied nitrogen, liquefied hydrogen or a liquefied noble gas, such as helium or argon.
  • the storage container 4 is connected to the interior 7 of the cryostat 3 via a liquid compensation line 8 which is connected to a liquid connection 9 of the storage container 4. Via this, the interior 7 of the cryostat 3 is in flow connection with a liquid phase 10 of the cooling medium present in the storage container 4.
  • the interior 7 of the cryostat 3 can be connected via a gas compensation line 11 to a gas connection 12 of the storage container 4 and thus be connected to the gas phase 13 of the cooling medium present in the storage container 4.
  • a cooling medium line 15 branches off from the liquid equalization line 8 downstream of the liquid connection 9.
  • Thedemediumslei device 15 is liquid-tight through a wall of the cryostat 3 and opens into a heat exchanger 16.
  • heat exchanger 16 is in the embodiment shown in Fig. 1 is a container which is arranged within half of the cryostat 3, but is not in flow connection with the interior 7.
  • the heat exchanger 16 is equipped with thermally highly conductive walls which act as a heat exchanger surface 14 for thermal contact with the interior 7.
  • other forms of heat exchangers can also be used, for example one or more coils or one or more tubes / n guided through the interior of the cryostat 3. However, it is always essential that between see the tubes or the cooling coil a thermal connection, but there is no flow connection to the interior 7 of the cryostat 3.
  • a relaxation valve (pressure reducing valve) 17 is arranged in the cooling medium line 15.
  • a gas exhaust line 18 opens out, which releases gaseous cooling medium from the heat exchanger 16, for example into the ambient atmosphere, or into a return line system, not shown here, in which a lower pressure than in the storage container 4 prevails.
  • the interior 7 of the cryostat 3 is first filled with liquid cooling medium from the storage tank 4.
  • the liquid ge cooling medium thus forms a cooling bath which flows around the superconducting element 2 and the heat exchanger 16.
  • the valve of the liquid connection 9 is used to produce pressure equalization between the cryostat 2 and the storage container 4
  • the valve of the gas connection 12 is always open during use of the device 1.
  • the interior 7 of the cryostat 3 there is therefore essentially the same pressure as in the storage container 4. Due to the thermal contact with the liquid cooling medium present in the cryostat 3, the superconducting element 2 is cooled to its operating temperature.
  • Liquid cooling medium is conducted from the storage tank 4 to the heat exchanger 16 via the cooling medium line 15, wherein the pressure on the expansion valve 17 is reduced.
  • the liquefied cooling medium is thus present at a reduced pressure compared to the pressure in the storage tank 4, and thus also at a reduced temperature compared to the temperature of the cooling medium in the storage tank 4.
  • the superconducting element 2 is therefore surrounded by liquid, bubble-free cooling medium.
  • the heat input leads to the liquid cooling medium partially evaporating and via the Gas extraction line 18 is discharged.
  • the evaporated cooling medium is replaced by fresh cooling medium from the reservoir 4.
  • a vacuum pump 19 can be arranged in the gas exhaust line, by means of which the pressure in the gas exhaust line 18, and thus in the heat exchanger 14, to a value below 1 bar, for example 100-200 mbar can be brought.
  • the temperature of the cooling medium present in the interior 7 initially increases. If the boiling temperature is exceeded, part of the cooling medium evaporates in the cryostat 3, with the result of an increase in pressure in the cryostat 3. Via the always open / n liquid compensation line 8 and / or gas compensation line 1 1, this leads to a transport of cooling medium in the reservoir 4, which acts as a surge tank. After the end of the heat input, for example after the superconducting state has been restored, the cooling medium in the interior 7 of the cryostat 3 is rapidly cooled back to its previous operating temperature by the thermal contact on the heat exchanger 14.
  • the device 20 shown in FIG. 2 differs from the device 1 only in that the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 are arranged differently from the cryostat 3.
  • components having the same effect are therefore given the same reference Character provided as in the embodiment of FIG. 1st
  • the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 are not taken up within the cryostat 3, but are located outside the cryostat 3.
  • the heat exchanger 16 is above a heat exchanger surface 21, for example a common, highly heat-conducting wall section , with the interior 7 of the cryostat 3 in heat connection.
  • the superconducting element 2 is on a bathtau shear surface 22 with the interior 7 of the cryostat 3 in thermal connection.
  • both the heat exchanger 16 and the superconducting element are equipped with thermally well-insulating walls.
  • the cooling of the superconducting element 2 and the subcooling of the cooling medium present in the interior space 7 of the cryostat 3 is thus carried out by heat conduction via the heat exchanger surfaces 21, 22.
  • At least one of the power supply lines 5, 6 can run within the liquid equalization line 8 or the cooling medium line 15 or be in indirect thermal contact with them in order to cool the power supply line with the cooling medium present there.
  • this is not shown in the drawings for reasons of clarity.

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Abstract

The invention relates to a device for cooling a superconducting element (2), which device comprises a cryostat (3) that is designed as a closed pressure vessel, is thermally connected to the superconducting element and is fluidically connected to a reservoir (4) for a cryogenic cooling medium by means of a liquid balancing line (8, 11). A heat exchanger (16) is provided in the cryostat or is thermally connected to the cyrostat at a heat exchanger surface (14), which heat exchanger is fluidically connected to the reservoir by means of a supply line equipped with an expansion valve (17) and in which heat exchanger there is a lower pressure than in the surrounding cryostat. In this way, the cooling medium in thermal contact with the superconducting element is subcooled; in the event of a sudden pressure increase in the cryostat, for example because of quenching of the superconductor, the reservoir acts as an expansion vessel.

Description

Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements  Device for cooling a superconducting element
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements, mit einem als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Aus gleichsleitung mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kühlmedium strö mungsverbundenen Kryostaten, der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist. The invention relates to a device for cooling a superconducting element, with a formed as a closed pressure vessel and via a compensating line with a reservoir for a cryogenic cooling medium flow-connected cryostat, which is thermally connected to the superconducting element.
Als„supraleitendes Element“ wird hier ein aus supraleitenden Werkstoffen aufge bauter oder ein supraleitendes Bauteil aufweisender Gegenstand verstanden. Bei spielsweise handelt es sich dabei um ein supraleitendes Kabel, supraleitende Strombegrenzer oder eine supraleitende Apparatur, wie etwa supraleitende Ma gnetspulen oder auf supraleitenden Bauelementen basierende Detektoren. Supra leitende Elemente müssen auf eine Betriebstemperatur gekühlt werden, die unter halb der supraleitenden Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) des oder der verwendeten Supraleiter/s liegt. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von Tc < 10 K bei klassischen metallischen Su praleitern wie beispielsweise Blei, Niob oder Nb-Legierungen bis zu Werten von Tc >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, wie beispielsweise Y- Ba2Cu307 oder Bi2Sr2CanCun+i02n+6. An “superconducting element” is understood here to mean an object built up from superconducting materials or having a superconducting component. For example, it is a superconducting cable, superconducting current limiters or a superconducting apparatus, such as superconducting magnetic coils or detectors based on superconducting components. Superconducting elements must be cooled to an operating temperature that is below half the superconducting transition temperature (transition temperature) of the superconductor (s) used. Crack temperatures of superconductors vary within a wide range and range from T c <10 K for classic metallic super conductors such as lead, niobium or Nb alloys to values of T c > 100 K for ceramic high temperature superconductors such as Y-Ba 2 Cu 3 0 7 or Bi 2 Sr 2 Ca n Cun + i 02n +6 .
Um supraleitende Elemente auf ihre Betriebstemperatur zu kühlen, werden sie mit einem Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht. Zur Kühlung kommen dabei in der Regel verflüssigte Gase zum Einsatz. Die Wahl des Gases hängt von der Betrieb stemperatur des zu kühlenden supraleitenden Elements ab; bei Systemen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, kann tiefkalt verflüssigter Stickstoff eingesetzt werden, klassische Supraleiter werden in der Regel mit flüs sigem Helium gekühlt. Andere verflüssigte Gase, wie beispielsweise flüssige Luft, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff oder verflüssigtes Argon, sind ebenfalls als Wärmeübertragungsmittel einsetzbar. In order to cool superconducting elements to their operating temperature, they are brought into thermal contact with a cooling medium. Liquefied gases are generally used for cooling. The choice of gas depends on the operating temperature of the superconducting element to be cooled; In systems that work on the basis of high-temperature superconductors, cryogenic liquefied nitrogen can be used; classic superconductors are usually cooled with liquid helium. Other liquefied gases, such as liquid air, liquefied oxygen, liquefied hydrogen or liquefied argon, can also be used as heat transfer media.
Um zu verhindern, dass das verflüssigte Gas aufgrund eines Wärmeeintrags im Kryostaten siedet, werden die verflüssigten Gase dabei„unterkühlt“, also auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck ge- bracht. Bei einem unterkühlten verflüssigten Gas bewirkt die Aufnahme von Wär me zunächst nur eine Temperaturerhöhung, ohne dass eine Änderung des Aggre gatzustandes eintritt. Als Unterkühler zu diesem Zweck kommt beispielsweise eine Kältemaschine zum Einsatz oder ein Wärmeaustauscher, in welchem auf der wärmeabführenden Seite ein Kühlmedium vorliegt, das bei einer Temperatur ver dampft, die unterhalb der Siedetemperatur des auf der wärmezuführenden Seite vorliegenden, zu unterkühlenden Gases liegt. In order to prevent the liquefied gas from boiling due to the introduction of heat in the cryostat, the liquefied gases are "supercooled", that is, they are brought to a temperature below the boiling temperature at the prevailing pressure. brings. In the case of a supercooled liquefied gas, the absorption of heat initially only causes a temperature increase without a change in the state of the gas. As a subcooler for this purpose, for example, a refrigeration machine is used or a heat exchanger in which there is a cooling medium on the heat-dissipating side which evaporates at a temperature which is below the boiling point of the gas to be supercooled on the heat-supplying side.
Kryogene Kühlsysteme werden beispielsweise in den Druckschriften EP 3 017 238 A1 , US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 und US Cryogenic cooling systems are described, for example, in the publications EP 3 017 238 A1, US 6 732 536 B1, WO 2007/005091 A1, EP 1 850 354 A1 and US
2006/0150639 A1 beschrieben. All diese Gegenstände weisen einen Kühlkreislauf auf, in dem ein unterkühltes verflüssigtes Gas als Kühlmedium in Wärmekontakt mit einem supraleitenden Element, beispielsweise einem supraleitenden Kabel, gebracht wird. Zwar besitzen supraleitende Elemente im ordnungsgemäßen Ein satz keinen ohmschen Widerstand, jedoch treten beim Durchleiten insbesondere von Wechselstrom durch supraleitende Elemente geringfügige Verluste auf; zu dem erfolgt ein geringer Wärmeeintrag in das Kühlmedium über Kontakte oder Isolationen. Nach dem Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element ist es da her erforderlich, das Kühlmedium erneut einem Unterkühler zuzuführen, um die beim Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element aufgenommene Wärme ab zuführen und das Kühlmedium im unterkühlten Zustand zu halten. 2006/0150639 A1. All of these objects have a cooling circuit in which a supercooled liquefied gas as cooling medium is brought into thermal contact with a superconducting element, for example a superconducting cable. Although superconducting elements in proper use have no ohmic resistance, minor losses occur when AC, in particular, is passed through superconducting elements; in addition, there is little heat input into the cooling medium via contacts or insulation. After the thermal contact with the superconducting element, it is therefore necessary to supply the cooling medium to a subcooler again in order to remove the heat absorbed during thermal contact with the superconducting element and to keep the cooling medium in the supercooled state.
Die bekannten Kühlsysteme sind mit Nachteilen behaftet. Da das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird, muss es entweder das zu kühlende supraleitende Element sowohl auf dem Hin- als auch Rückweg durchlaufen, oder es wird über eine paral lel zum supraleitenden Element führende Leitung zurückgeführt. Im ersten Fall verkompliziert das Vorsehen von zwei Strömungswegen im zu kühlenden supralei tenden Element dessen Aufbau, und der über die doppelte Länge des Kühlweges auftretende Druckverlust muss mit entsprechend aufwändig ausgelegten Pump- und Druckleitungssystemen kompensiert werden. Im zweiten Falle ist der Bau ei ner aufwändigen, wärmeisolierten Rückleitung erforderlich. Durch die im Kreislauf stets notwendige Pumpe wird zusätzliche Wärme in das Kühlmedium eingetragen, die abgeführt werden muss. Anstelle eines Kühlkreislaufs können supraleitende Elemente auch durch direkten oder indirekten Wärmekontakt mit einem aus Kühlmedium bestehenden Kühlbad gekühlt werden. Das Kühlbad befindet sich dabei in einem thermisch gut isolierten Behälter, einem sogenannten Kryostaten, der zudem druckfest ausgebildet sein kann, um Einflüsse des Umgebungsdrucks auf die Temperatur des Bades zu re duzieren. The known cooling systems have disadvantages. Since the cooling medium is circulated, it must either pass through the superconducting element to be cooled both on the way there and back, or it is returned via a line leading to the superconducting element. In the first case, the provision of two flow paths in the supercale element to be cooled complicates its structure, and the pressure loss which occurs over twice the length of the cooling path must be compensated for with correspondingly complex pump and pressure line systems. In the second case, the construction of a complex, heat-insulated return line is required. The pump, which is always necessary in the circuit, introduces additional heat into the cooling medium, which must be removed. Instead of a cooling circuit, superconducting elements can also be cooled by direct or indirect thermal contact with a cooling bath consisting of a cooling medium. The cooling bath is located in a thermally well insulated container, a so-called cryostat, which can also be designed to be pressure-resistant in order to reduce influences of the ambient pressure on the temperature of the bath.
Anordnungen mit Kryostaten weisen den Nachteil auf, dass ein plötzlicher Wär meeintrag in das System, etwa beim sogenannten„Quenchen“, also einem Über gang in den normalleitenden Zustand infolge einer lokalen Überschreitung der Sprungtemperatur, dazu führen kann, dass ein erheblicher Teil des Kühlmediums im Kryostaten verdampft. Der damit verbundene heftige Druckanstieg im Kryosta ten kann das supraleitende Element oder sogar die gesamte Apparatur gefährden und/oder eine Notabschaltung des Systems erzwingen. Arrangements with cryostats have the disadvantage that a sudden heat input into the system, for example during so-called "quenching", i.e. a transition to the normal conducting state due to a local exceeding of the transition temperature, can lead to a considerable part of the cooling medium in the Evaporated cryostat. The associated sharp rise in pressure in the cryostat can endanger the superconducting element or even the entire apparatus and / or force an emergency shutdown of the system.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung zum Kühlen von supraleitenden Elementen unter Verwendung eines Kryostaten zu schaffen, die zuverlässig und mit hoher Betriebssicherheit arbeitet. The object of the present invention is accordingly to provide a device for cooling superconducting elements using a cryostat, which works reliably and with high operational reliability.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmals kombinationen der Unteransprüche. This object is achieved by a device having the features of claim 1. Advantageous refinements result from the combinations of features of the subclaims.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfin dungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat an einer Wärme tauscherfläche mit einem Wärmetauscher thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspannungsventil ausgerüstete Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und eine Gasableitung zum Ausleiten von verdampftem Kühlmedium aufweist. A device of the type and purpose mentioned at the outset is thus characterized according to the invention in that the cryostat is thermally connected to a heat exchanger surface with a heat exchanger which is flow-connected to the reservoir via a supply line equipped with a relief valve and a gas discharge line for discharging evaporated cooling medium having.
Der über die Wärmetauscherfläche mit dem Kryostaten verbundene Wärmetau scher wirkt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Unterkühler. Über die Wärmetauscherfläche wird Wärme von dem im Innenraum des Kryostaten vorlie genden Kühlmedium durch Wärmeleitung auf das im Wärmetauscher befindliche, aufgrund der Entspannung am Entspannungsventil kühlere Kühlmedium übertra gen. Im Unterschied zu den vorgenannten Kreislaufsystemen erfolgt zur Wärme übertragung kein Transport von Kühlmedium aus dem Kryostaten zum Wärmetau scher oder umgekehrt. The heat exchanger connected to the cryostat via the heat exchanger surface acts in the device according to the invention as a subcooler. The heat exchanger surface transfers heat from the cooling medium in the interior of the cryostat by conduction to the heat exchanger located in the heat exchanger. due to the relaxation on the expansion valve, cooler coolant is transferred. In contrast to the above-mentioned circulation systems, there is no transport of coolant from the cryostat to the heat exchanger for heat transfer or vice versa.
Beim Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um ein Gefäß, in dem im Einsatz der Vorrichtung ein Bad aus dem gleichen Kühlmedium wie das Kühlme dium im Vorratsbehälter aufrecht erhalten wird, jedoch bei einem niedrigeren Druck; es kann sich aber auch um einen Röhrenwärmetauscher oder eine The heat exchanger is, for example, a vessel in which a bath of the same cooling medium as the cooling medium is maintained in the storage container when the device is used, but at a lower pressure; but it can also be a tube heat exchanger or a
Rohrschlange handeln, durch den bzw. die hindurch Kühlmedium aus dem Vor ratstank mit einem niedrigeren Druck als dem Druck im Vorratsbehälter geleitet wird. Zur Druckreduzierung kommt dabei ein Entspannungsventil zum Einsatz, das stromauf zum Wärmetauscher in der Zuleitung angeordnet ist. Das Kühlmedium liegt im Wärmetauscher bevorzugt bei seiner Gleichgewichtstemperatur vor, also bei der Temperatur, die der Siedetemperatur beim jeweiligen Druck im Wärmetau scher entspricht. Act pipe coil through which or through which cooling medium from the pre-storage tank is passed at a lower pressure than the pressure in the storage tank. A pressure relief valve is used to reduce the pressure, which is arranged upstream of the heat exchanger in the supply line. The cooling medium is preferably in the heat exchanger at its equilibrium temperature, that is to say the temperature which corresponds to the boiling temperature at the respective pressure in the heat exchanger.
Bei der Wärmetauscherfläche handelt es sich um eine Kontaktfläche, über die ein Wärmetransport durch Wärmeleitung erfolgt. Die Wärmetauscherfläche ist so be messen, dass über sie der weitaus überwiegende Teil des Wärmetransports vom Kühlmedium im Kryostaten auf das Kühlmedium im Wärmetauscher erfolgt. Bei spielsweise handelt es sich bei der Wärmetauscherfläche um einen gemeinsamen Wandabschnitt, um direkt miteinander verbundene Wandabschnitte von Kryostat und Wärmetauscher oder um ein zwischen den Wänden von Kryostat und Wärme tauscher angeordnetes thermisch gut leitendes Element, beispielsweise eine Plat te oder ein Kabel aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer. The heat exchanger surface is a contact surface via which heat is transported by heat conduction. The heat exchanger surface is measured in such a way that the vast majority of the heat is transferred from the cooling medium in the cryostat to the cooling medium in the heat exchanger. For example, the heat exchanger surface is a common wall section, directly connected wall sections of the cryostat and heat exchanger or a thermally well-conducting element arranged between the walls of the cryostat and heat exchanger, for example a plate or a cable made of a good heat conductor Material like copper.
Für die Anordnung des Wärmetauschers bestehen verschiedene Möglichkeiten: In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher außerhalb des im Übrigen thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Kryostaten angeord net und ist mit diesem lediglich über eine Wärmetauscherfläche thermisch verbun den. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetau scher innerhalb des Kryostaten angeordnet ist und das dort vorliegende Kühlme dium unterkühlt. In diesem Fall kann die Wärmetauscherfläche von den gesamten Außenwänden des Wärmetauschers, beispielsweise den Außenwänden des oben beschriebenen Gefäßes, der Röhren oder der Rohrschlange, soweit sie innerhalb des Kryostaten liegen, gebildet sein. There are various possibilities for the arrangement of the heat exchanger: In a first embodiment of the invention, the heat exchanger is arranged outside the otherwise thermally well insulated and pressure-resistant cryostat and is only thermally connected to it via a heat exchanger surface. An alternative embodiment of the invention provides that the heat exchanger is arranged inside the cryostat and the cooling medium present there is subcooled. In this case, the heat exchanger area can be of the total Outer walls of the heat exchanger, for example the outer walls of the vessel described above, the tubes or the pipe coil, insofar as they lie within the cryostat.
Die Ausgleichsleitung/en zwischen Kryostat und Vorratsbehälter, die das im Innern des Kryostaten vorliegende Kühlbad aus flüssigem Kühlmedium mit einer flüssi gen Phase und/oder einer Gasphase im Vorratsbehälter verbindet, ist im Einsatz der Vorrichtung stets offen. Mit Ausnahme dieser Ausgleichsleitung/en ist der Kryostat dagegen allseits, auch gegenüber dem Wärmetauscher, druckfest ge schlossen; sofern der Wärmetauscher und/oder das supraleitende Element im In nern des Kryostaten angeordnet ist, sind alle Verbindungsleitungen für den Wär metauscher und etwaige Strom- oder sonstige Zuführungen für das supraleitende Element flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten hindurch geführt. The compensation line / s between the cryostat and the storage container, which connects the cooling bath in the interior of the cryostat from liquid cooling medium with a liquid phase and / or a gas phase in the storage container, is always open when the device is used. With the exception of this compensating line / s, the cryostat, on the other hand, is pressure-tightly closed, also with respect to the heat exchanger; if the heat exchanger and / or the superconducting element is arranged in the interior of the cryostat, all connecting lines for the heat exchanger and any current or other supply lines for the superconducting element are guided liquid-tight through the walls of the cryostat.
Einem plötzlichen Druckanstieg im Innen des Kryostaten aufgrund einer Teilver dampfung des Kühlmediums infolge eines plötzlichen Wärmeeintrags, wie es bei spielsweise beim Quenchen des supraleitenden Elements auftreten kann, begeg net die erfindungsgemäße Vorrichtung auf mehrfache Weise: A sudden increase in pressure in the interior of the cryostat due to partial evaporation of the cooling medium as a result of a sudden heat input, as can occur, for example, when quenching the superconducting element, is countered by the device according to the invention in several ways:
Zum ersten liegt das kryogene Kühlmedium im Kryostaten im unterkühlten Zu stand vor; ein Wärmeeintrag führt also zunächst nur zu einer Temperaturänderung ohne Änderung des Aggregatszustandes. Zumindest bei kleineren Wärmemengen kommt es also nicht zu einem Verdampfen des Kühlmediums im Kryostaten. First, the cryogenic cooling medium in the cryostat is in the supercooled state; a heat input initially only leads to a temperature change without changing the state of the aggregate. At least with smaller amounts of heat, there is no evaporation of the cooling medium in the cryostat.
Zum zweiten ist der Kryostat als Druckbehälter ausgebildet und gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen. Der Druck in seinem Innern entspricht im wesentlichen dem Druck im Vorratstank, in dem das Kühlmedium bei einem ge genüber der Umgebungsatmosphäre erhöhten Druck von beispielsweise 2-5 bar gelagert wird. Durch den vergleichsweise hohen Druck ist auch der Siedepunkt erhöht, und das Kühlmedium kann entsprechend mehr Wärme aufnehmen, ohne zu sieden. Denkbar ist eine weiterführende Ausgestaltung, in der dem Vorratstank Mittel zum Einstellen eines Druckwerts, beispielsweise ein Verdampfer, zugeord net sind, mittels derer ein maximaler Druck im Vorratsbehälter, und damit im Kryo staten, gewählt werden kann. Zum dritten wird eingetragene Wärme während des Betriebs der Vorrichtung fort während von dem mit dem Kryostaten thermisch verbundenen Wärmetauscher abgeführt. Um größere Wärmemengen aufnehmen zu können, kann zu diesem Zweck optional die zum Wärmetauscher führende Zuleitung so ausgestaltet sein, dass der Zuführleitung Mittel zugeordnet sind, mittels derer der Mengenstrom an Kühlmedium, das dem Wärmetauscher zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wär meeintrag in den Wärmetauscher regelbar ist. Beispielsweise kann parallel zur Zuführleitung mindestens eine Bypassleitung zwischen Vorratstank und Wärme tauscher vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem gemessenen Wärmeein trag mittels eines steuerbaren Ventils zu- oder abgeschaltet wird und somit bei Bedarf die Zuführung von zusätzlichem Kühlmedium an den Wärmetauscher er laubt. Secondly, the cryostat is designed as a pressure vessel and is sealed off from the ambient atmosphere. The pressure in its interior corresponds essentially to the pressure in the storage tank, in which the cooling medium is stored at a pressure which is higher than the ambient atmosphere, for example 2-5 bar. The comparatively high pressure also increases the boiling point and the cooling medium can absorb more heat without boiling. A further embodiment is conceivable in which means for setting a pressure value, for example an evaporator, are assigned to the storage tank, by means of which a maximum pressure in the storage container, and thus in the cryo state, can be selected. Thirdly, heat input is removed during operation of the device while being removed from the heat exchanger thermally connected to the cryostat. In order to be able to absorb larger amounts of heat, the supply line leading to the heat exchanger can optionally be designed for this purpose in such a way that means are assigned to the supply line, by means of which the volume flow of cooling medium that is fed to the heat exchanger can be regulated depending on the heat input into the heat exchanger is. For example, parallel to the supply line, at least one bypass line between the storage tank and heat exchanger can be provided, which is switched on or off as a function of a measured heat input by means of a controllable valve and thus allows the supply of additional cooling medium to the heat exchanger if necessary.
Zum vierten ist die Ausgleichsleitung zwischen Kryostat und Vorratsbehälter im Betrieb der Vorrichtung stets geöffnet, sodass im Falle eines Druckanstiegs - je nach Wahl der Ausgleichsleitung/en -verdampftes Kühlmedium in die Gasphase und/oder flüssiges Kühlmedium in die flüssige Phase des im Vorratsbehälter be vorrateten Kühlmediums abströmen kann; der Vorratsbehälter wirkt also als Aus gleichsgefäß, das den Kryostaten vor einem zu starken Druckanstieg schützt. Fourthly, the compensating line between the cryostat and the storage container is always open during operation of the device, so that in the event of a pressure rise, depending on the selection of the compensating line (s), evaporated cooling medium into the gas phase and / or liquid cooling medium into the liquid phase of the cooling medium stored in the storage container can flow off; the storage container thus acts as an expansion vessel, which protects the cryostat from an excessive rise in pressure.
Im einfachsten Fall ist die Gasableitung des Wärmetauschers mit der Umge bungsatmosphäre druckverbunden, d.h. im Wärmetauscher herrscht ein Druck von etwa 1 bar. Um eine stärkere Unterkühlung zu erreichen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, in der Gasableitung eine Vakuumpumpe anzu ordnen, mittels der der Druck im Wärmetauscher auf Werte von unter 1 bar, bei spielsweise auf 100-200 mbar gebracht werden kann. So beträgt der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei einem Druck von 150 mbar lediglich 64K, wodurch der im Kryostaten als Kühlmedium vorliegende, mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Flüssigstickstoff auf 67K oder darunter abgekühlt werden kann. Die Vakuumpumpe kann im Übrigen auch derart ausgebildet sein, dass ein Druck im Wärmetauscher fest eingestellt und/oder in Abhängigkeit von einem ge messenen Parameter, beispielsweise der Temperatur des Kühlmediums im Kryo staten, geregelt werden kann. Für den Druckausgleich zwischen Kryostat und Vorratsbehälter bestehen zwei Möglichkeiten: Die Ausgleichsleitung ist entweder eine Flüssigausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit einer im Vorratsbehälter vorliegenden flüssigen Phase herstellt, oder eine Gasausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit im Vorratsbehälter vorliegenden Gasphase herstellt. Es können jedoch auch gleichzeitig beide Arten von Aus gleichsleitungen vorhanden sein, die bevorzugt jeweils zu- oder abgeschaltet wer den können. In the simplest case, the gas discharge of the heat exchanger is pressure-connected to the surrounding atmosphere, ie a pressure of approximately 1 bar prevails in the heat exchanger. In order to achieve greater supercooling, an advantageous embodiment of the invention provides for a vacuum pump to be arranged in the gas discharge line, by means of which the pressure in the heat exchanger can be brought to values below 1 bar, for example 100-200 mbar. For example, the boiling point of liquid nitrogen at a pressure of 150 mbar is only 64K, which means that the liquid nitrogen present in the cryostat as the cooling medium and in thermal contact with the superconducting element can be cooled to 67K or below. The vacuum pump can also be designed in such a way that a pressure in the heat exchanger can be permanently set and / or regulated depending on a measured parameter, for example the temperature of the cooling medium in the cryo. There are two options for pressure equalization between the cryostat and the storage container: the compensation line is either a liquid compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and a liquid phase in the storage container, or a gas compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and the gas phase in the storage container. However, both types of equalization lines can also be present at the same time, which preferably can be switched on or off in each case.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kühlung sowohl von supraleitenden Ap paraturen geeignet, die auf der Basis von klassischen Supraleitern arbeiten, wie auch von solchen, die auf der Basis von Flochtemperatursupraleitern arbeiten. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von sup raleitenden Spulen, Magneten, Kabeln oder Detektoren. The device according to the invention is suitable for cooling both superconducting devices that work on the basis of classic superconductors and those that work on the basis of flea temperature superconductors. In particular, the device according to the invention is suitable for cooling sup raleitischen coils, magnets, cables or detectors.
Bevorzugt kommt als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, beispiels weise verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff, LNG oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Argon oder flüssiges Flelium. Insbesondere Flüssigstickstoff ist zum Kühlen von Apparaturen geeignet, die auf der Basis von Flochtemperatursupraleitern arbeiten. A liquefied gas is preferably used as the cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied oxygen, liquefied hydrogen, LNG or a liquefied noble gas, in particular liquid argon or liquid flelium. Liquid nitrogen, in particular, is suitable for cooling equipment that works on the basis of flea temperature superconductors.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das sup raleitende Element an normalleitenden Stromzuführungen angeschlossen ist und wenigstens eine dieser Stromzuführungen zumindest abschnittsweise innerhalb der flüssiges Kühlmedium führenden Ausgleichsleitung (Flüssigausgleichsleitung) oder innerhalb der Zuleitung an den Wärmetauscher verläuft. Dadurch werden die Stromzuleitungen, über die ein wesentlicher Anteil der Wärme in den Kryostaten eingetragen wird, vom Kühlmedium in der jeweiligen Leitung gekühlt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die wenigstens eine Stromzuführung mit der Aus gleichsleitung und/oder der Zuleitung in indirektem Wärmekontakt stehen, und beispielsweise zwischen einem das Kühlmedium tragenden Rohr und einer ther mischen Isolation des Rohres aufgewickelt sein. Als besonders zweckmäßig erweist es sich dabei, die mindestens eine Stromzu führung zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung stromauf zum Ent spannungsventil, also zwischen Entspannungsventil und dem Vorratsbehälter an zuordnen, wobei sie vom darin befindlichen Flüssigstickgas gekühlt wird/werden. A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the supra-conducting element is connected to normally conducting power supplies and at least one of these power supplies runs at least in sections within the compensation line (liquid compensation line) carrying the cooling medium or within the supply line to the heat exchanger. As a result, the power supply lines, via which a significant proportion of the heat is introduced into the cryostat, are cooled by the cooling medium in the respective line. Alternatively or additionally, the at least one power supply can be in indirect thermal contact with the equalization line and / or the supply line, and can be wound, for example, between a tube carrying the cooling medium and a thermal insulation of the tube. It proves to be particularly expedient to assign the at least one power supply at least in sections within the feed line upstream to the relief valve, that is to say between the relief valve and the storage container, where it is / are cooled by the liquid nitrogen gas therein.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Ent spannungsventil innerhalb des Kryostaten angeordnet ist. In diesem Falle ist es besonders zweckmäßig, die Stromzuleitung stromauf zum Entspannungsventil, jedoch noch innerhalb des Kryostaten anzuordnen. A likewise advantageous embodiment of the invention provides that the Ent voltage valve is arranged inside the cryostat. In this case, it is particularly expedient to arrange the power supply line upstream of the expansion valve, but still within the cryostat.
Das zu kühlende supraleitende Element befindet sich im Innern des Kryostaten und wird im Einsatz der Vorrichtung vom Kühlmedium umspült, steht also in direk tem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium, oder das supraleitende Element ist au ßerhalb des Kryostaten angeordnet und steht im Einsatz der Vorrichtung mit dem flüssigen Kühlmedium im Kryostaten über eine Wärmetauscherfläche in indirektem Wärmekontakt. The superconducting element to be cooled is located inside the cryostat and is flushed with the cooling medium when the device is in use, i.e. is in direct thermal contact with the cooling medium, or the superconducting element is arranged outside the cryostat and is in use with the device with the liquid Cooling medium in the cryostat via a heat exchanger surface in indirect thermal contact.
Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen: Exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with the aid of the drawings. Schematic views show:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform Fig. 2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 1: an inventive device in a first embodiment Fig. 2: an inventive device in a second embodiment.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen eines supraleitenden Elements 2 umfasst einen Kryostaten 3 in Gestalt eines thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Behälters, in dem das supraleitende Element 2 aufgenommen ist und in dem es während seines Einsatzes auf einer Temperatur unterhalb der sup raleitenden Sprungtemperatur des Materials seiner supraleitenden Bauteile gehal ten wird. Im Kryostaten 3 steht das supraleitende Element 2 dazu in Wärmekon takt mit einem Kühlmedium, das in einem Vorratsbehälter 4 bevorratet wird. The device 1 shown in Fig. 1 for cooling a superconducting element 2 comprises a cryostat 3 in the form of a thermally well insulated and pressure-resistant container in which the superconducting element 2 is accommodated and in which it is at a temperature below the sup conducting temperature of the material of its superconducting components is maintained. In the cryostat 3, the superconducting element 2 is in heat contact with a cooling medium which is stored in a storage container 4.
Beim supraleitenden Element 2 handelt es sich beispielsweise um eine Apparatur mit supraleitenden Bauteilen, beispielsweise ein Kabel, eine Magnetspule, ein Strombegrenzer oder ein Detektor. Das supraleitende Element 2 ist in an sich be- kannter und hier nicht weiter interessierender Weise an normalleitenden Stromzu führungen 5, 6, beispielsweise Kabel oder massiven Zuführungen aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, angeschlossen, die flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten 3 geführt sind. The superconducting element 2 is, for example, an apparatus with superconducting components, for example a cable, a magnetic coil, a current limiter or a detector. The superconducting element 2 is inherently known and not of further interest here to normal conducting Stromzu leads 5, 6, for example cables or massive leads made of a highly conductive material, such as copper, connected, which are liquid-tight through the walls of the cryostat 3.
Beim Vorratsbehälter 4 handelt es sich um einen Behälter, beispielsweise einen mit thermisch gut isolierten Wänden ausgerüsteten Standtank, zum Speichern ei nes kryogenen Kühlmediums, beispielsweise von verflüssigtem Stickstoff, verflüs sigtem Wasserstoff oder einem verflüssigten Edelgas, wie beispielsweise Helium oder Argon. The storage container 4 is a container, for example a standing tank equipped with thermally well-insulated walls, for storing a cryogenic cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied hydrogen or a liquefied noble gas, such as helium or argon.
Der Vorratsbehälter 4 ist mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Flüs sigausgleichsleitung 8 verbunden, die an einem Flüssiganschluss 9 des Vorrats behälters 4 angeschlossen ist. Über diesen steht der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden flüssigen Phase 10 des Kühlmedi ums in Strömungsverbindung. The storage container 4 is connected to the interior 7 of the cryostat 3 via a liquid compensation line 8 which is connected to a liquid connection 9 of the storage container 4. Via this, the interior 7 of the cryostat 3 is in flow connection with a liquid phase 10 of the cooling medium present in the storage container 4.
Anstelle oder ergänzend zur Flüssigausgleichsleitung 8 kann der Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Gasausgleichsleitung 11 mit einem Gasanschluss 12 des Vorratsbehälters 4 verbunden und somit mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegen den Gasphase 13 des Kühlmediums strömungsverbunden sein. Instead of or in addition to the liquid compensation line 8, the interior 7 of the cryostat 3 can be connected via a gas compensation line 11 to a gas connection 12 of the storage container 4 and thus be connected to the gas phase 13 of the cooling medium present in the storage container 4.
An einer Verzweigungsstelle 14 zweigt stromab zum Flüssiganschluss 9 von der Flüssigausgleichsleitung 8 eine Kühlmediumsleitung 15 ab. Die Kühlmediumslei tung 15 ist durch eine Wand des Kryostaten 3 flüssigkeitsdicht hindurchgeführt und mündet in einen Wärmetauscher 16 ein. Beim Wärmetauscher 16 handelt es sich in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Behälter, der inner halb des Kryostaten 3 angeordnet ist, jedoch nicht mit dem Innenraum 7 in Strö mungsverbindung steht. Der Wärmetauscher 16 ist mit thermisch gut leitenden Wänden ausgerüstet, die als Wärmetauscherfläche 14 zum thermischen Kontakt mit dem Innenraum 7 wirken. Anstelle einer solchen Ausgestaltung können im Üb rigen auch andere Formen von Wärmetauschern zum Einsatz kommen, beispiels weise eine oder mehrere Rohrschlange/n oder eine oder mehrere durch das Inne re des Kryostaten 3 geführte Röhre/n. Wesentlich ist dabei jedoch stets, dass zwi- sehen den Röhren oder der Kühlschlange zwar eine thermische Verbindung, je doch keine Strömungsverbindung mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 besteht. At a branching point 14, a cooling medium line 15 branches off from the liquid equalization line 8 downstream of the liquid connection 9. The Kühlmediumslei device 15 is liquid-tight through a wall of the cryostat 3 and opens into a heat exchanger 16. When heat exchanger 16 is in the embodiment shown in Fig. 1 is a container which is arranged within half of the cryostat 3, but is not in flow connection with the interior 7. The heat exchanger 16 is equipped with thermally highly conductive walls which act as a heat exchanger surface 14 for thermal contact with the interior 7. Instead of such a configuration, other forms of heat exchangers can also be used, for example one or more coils or one or more tubes / n guided through the interior of the cryostat 3. However, it is always essential that between see the tubes or the cooling coil a thermal connection, but there is no flow connection to the interior 7 of the cryostat 3.
Stromauf zum Wärmetauscher 16 ist in der Kühlmediumsleitung 15 ein Entspan nungsventil (Druckreduzierventil) 17 angeordnet. Aus einem oberen Abschnitt des Wärmetauschers 16 mündet eine Gasabzugsleitung 18 aus, die gasförmiges Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 16 beispielsweise in die Umgebungsat mosphäre abgibt oder in ein hier nicht gezeigtes Rückleitungssystem, in dem ein geringerer Druck als im Vorratsbehälter 4 herrscht. Upstream of the heat exchanger 16, a relaxation valve (pressure reducing valve) 17 is arranged in the cooling medium line 15. From an upper section of the heat exchanger 16, a gas exhaust line 18 opens out, which releases gaseous cooling medium from the heat exchanger 16, for example into the ambient atmosphere, or into a return line system, not shown here, in which a lower pressure than in the storage container 4 prevails.
Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird zunächst der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit flüssigem Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 befüllt. Das flüssi ge Kühlmedium bildet somit ein Kühlbad, das das supraleitende Element 2 und den Wärmetauscher 16 umspült. Um einen Druckausleich zwischen Kryostat 2 und Vorratsbehälter 4 herzustellen ist das Ventil des Flüssiganschlusses 9 Before the device 1 is started up, the interior 7 of the cryostat 3 is first filled with liquid cooling medium from the storage tank 4. The liquid ge cooling medium thus forms a cooling bath which flows around the superconducting element 2 and the heat exchanger 16. The valve of the liquid connection 9 is used to produce pressure equalization between the cryostat 2 and the storage container 4
(und/oder, falls ein Ausgleich über die Gasausgleichsleitung 1 1 erfolgen soll, das Ventil des Gasanschlusses 12) während des Einsatzes der Vorrichtung 1 stets geöffnet. Im Innenraum 7 des Kryostaten 3 liegt also ein im wesentlicher gleicher Druck vor wie im Vorratsbehälter 4. Durch den thermischen Kontakt mit dem im Kryostaten 3 vorliegenden flüssigen Kühlmedium wird das supraleitende Element 2 auf seine Betriebstemperatur gekühlt. (and / or, if a compensation is to take place via the gas compensation line 11, the valve of the gas connection 12) is always open during use of the device 1. In the interior 7 of the cryostat 3 there is therefore essentially the same pressure as in the storage container 4. Due to the thermal contact with the liquid cooling medium present in the cryostat 3, the superconducting element 2 is cooled to its operating temperature.
Über die Kühlmediumsleitung 15 wird flüssiges Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 zum Wärmetauscher 16 geleitet, wobei es am Entspannungsventil 17 eine Druckreduzierung erfährt. Im Wärmetauscher 16 liegt das verflüssigte Kühlmedi um somit auf einem gegenüber dem Druck im Vorratstank 4 reduzierten Druck vor, und somit auch auf einer gegenüber der Temperatur des Kühlmediums im Vorrats tank 4 reduzierten Temperatur. Dadurch kommt es an den als Wärmetauscherflä chen wirkenden Wänden des Wärmetauschers 16 zu einem Wärmeintrag aus dem umgebenden Kühlmedium im Kryostaten 2. Dieses kühlt sich dabei ab und wird somit unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seiner Gleichgewichtstempe ratur gebracht. Im Kryostaten 3 ist das supraleitende Element 2 also von flüssi gem, blasenfreien Kühlmedium umgeben. Im Wärmetauscher 16 führt der Wär meeintrag dazu, dass das flüssige Kühlmedium teilweise verdampft und über die Gasabzugsleitung 18 abgeführt wird. Das verdampfte Kühlmedium wird durch fri sches Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 4 ersetzt. Liquid cooling medium is conducted from the storage tank 4 to the heat exchanger 16 via the cooling medium line 15, wherein the pressure on the expansion valve 17 is reduced. In the heat exchanger 16, the liquefied cooling medium is thus present at a reduced pressure compared to the pressure in the storage tank 4, and thus also at a reduced temperature compared to the temperature of the cooling medium in the storage tank 4. This results in a heat input from the surrounding cooling medium in the cryostat 2 on the walls of the heat exchanger 16 which act as heat exchangers. This cools down and is thus supercooled, that is to say brought to a temperature below its equilibrium temperature. In the cryostat 3, the superconducting element 2 is therefore surrounded by liquid, bubble-free cooling medium. In the heat exchanger 16, the heat input leads to the liquid cooling medium partially evaporating and via the Gas extraction line 18 is discharged. The evaporated cooling medium is replaced by fresh cooling medium from the reservoir 4.
Um das Kühlmedium im Wärmetauscher 16 auf eine möglichst geringe Tempera tur zu bringen, kann in der Gasabzugsleitung eine Vakuumpumpe 19 angeordnet sein, mittels der der Druck in der Gasabzugsleitung 18, und damit im Wärmetau scher 14, auf einen Wert unterhalb von 1 bar, beispielsweise 100-200 mbar ge bracht werden kann. In order to bring the cooling medium in the heat exchanger 16 to the lowest possible temperature, a vacuum pump 19 can be arranged in the gas exhaust line, by means of which the pressure in the gas exhaust line 18, and thus in the heat exchanger 14, to a value below 1 bar, for example 100-200 mbar can be brought.
Im Falle einer plötzlichen Wärmeentwicklung, beispielsweise bei einem Quenchen des supraleitenden Elements 2, erfolgt zunächst eine Temperaturerhöhung des im Innenraum 7 vorliegenden Kühlmediums. Wird dabei die Siedetemperatur über schritten, verdampft ein Teil des Kühlmediums im Kryostaten 3, mit der Folge ei nes Druckanstiegs im Kryostaten 3. Über die stets offene/n Flüssigausgleichslei tung 8 und/oder Gasausgleichsleitung 1 1 führt dies zu einem Transport von Kühl medium in den Vorratsbehälter 4, der insofern als Ausgleichsbehälter wirkt. Nach dem Ende des Wärmeeintrags, beispielsweise nach der Wiederherstellung des supraleitenden Zustands, wird das Kühlmedium im Innenraum 7 des Kryostaten 3 durch den Wärmekontakt am Wärmetauscher 14 rasch wieder auf seine vorherige Betriebstemperatur abgekühlt. In the event of a sudden development of heat, for example when the superconducting element 2 is quenched, the temperature of the cooling medium present in the interior 7 initially increases. If the boiling temperature is exceeded, part of the cooling medium evaporates in the cryostat 3, with the result of an increase in pressure in the cryostat 3. Via the always open / n liquid compensation line 8 and / or gas compensation line 1 1, this leads to a transport of cooling medium in the reservoir 4, which acts as a surge tank. After the end of the heat input, for example after the superconducting state has been restored, the cooling medium in the interior 7 of the cryostat 3 is rapidly cooled back to its previous operating temperature by the thermal contact on the heat exchanger 14.
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 20 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 le diglich durch eine andere Anordnung des supraleitenden Elements 2 und des Wärmetauschers 16 gegenüber dem Kryostaten 3. Gleich wirkende Bestandteile sind daher bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform mit den gleichen Bezugs zeichen versehen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 . The device 20 shown in FIG. 2 differs from the device 1 only in that the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 are arranged differently from the cryostat 3. In the embodiment shown in FIG. 2, components having the same effect are therefore given the same reference Character provided as in the embodiment of FIG. 1st
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 sind bei der Vorrichtung 20 das supraleitende Element 2 und der Wärmetauscher 16 nicht innerhalb des Kryostaten 3 aufge nommen, sondern befinden sich außerhalb des Kryostaten 3. Der Wärmetauscher 16 steht über eine Wärmetauscherfläche 21 , beispielsweise ein gemeinsamer, gut wärmeleitender Wandabschnitt, mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärme verbindung. Ebenso steht das supraleitende Element 2 an einer Wärmetau scherfläche 22 mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Im Übrigen sind bei dieser Ausgestaltung sowohl der Wärmetauscher 16 als auch das supraleitende Element mit thermisch gut isolierenden Wänden ausgerüstet. In contrast to device 1, the device 20, the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 are not taken up within the cryostat 3, but are located outside the cryostat 3. The heat exchanger 16 is above a heat exchanger surface 21, for example a common, highly heat-conducting wall section , with the interior 7 of the cryostat 3 in heat connection. Likewise, the superconducting element 2 is on a Wärmetau shear surface 22 with the interior 7 of the cryostat 3 in thermal connection. in the Incidentally, in this embodiment, both the heat exchanger 16 and the superconducting element are equipped with thermally well-insulating walls.
Die Kühlung des supraleitenden Elements 2 sowie die Unterkühlung des im Innen raum 7 des Kryostaten 3 vorliegenden Kühlmediums erfolgt also durch Wärmelei tung über die Wärmetauscherflächen 21 , 22.  The cooling of the superconducting element 2 and the subcooling of the cooling medium present in the interior space 7 of the cryostat 3 is thus carried out by heat conduction via the heat exchanger surfaces 21, 22.
Im Übrigen ist es selbstverständlich auch möglich, nur einen der Gegenstände 2, 16 innerhalb des Kryostaten 3 und den jeweils anderen Gegenstand 16, 2 au ßerhalb des Kryostaten 3, jedoch mit diesem über eine Wärmetauscherfläche ver bunden, anzuordnen. Incidentally, it is of course also possible to arrange only one of the objects 2, 16 within the cryostat 3 and the other object 16, 2 outside the cryostat 3, but with this connected via a heat exchanger surface.
In einer weiteren Variante der Vorrichtungen 1 , 20 kann mindestens eine der Stromzuführungen 5, 6 innerhalb der Flüssig-Ausgleichsleitung 8 oder der Kühl mediumsleitung 15 verlaufen oder mit diesen in indirektem thermischen Kontakt stehen, um die Stromzuführung mit dem dort vorliegenden Kühlmedium zu kühlen. Dies ist jedoch in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht ge zeigt ist. In a further variant of the devices 1, 20, at least one of the power supply lines 5, 6 can run within the liquid equalization line 8 or the cooling medium line 15 or be in indirect thermal contact with them in order to cool the power supply line with the cooling medium present there. However, this is not shown in the drawings for reasons of clarity.
Bezuaszeichenliste Reference list
1. Vorrichtung 1. Device
2. Supraleitendes Element 2. Superconducting element
3. Kryostat 3. Cryostat
4. Vorratsbehälter  4. Storage container
5. Stromzuführung  5. Power supply
6. Stromzuführung  6. Power supply
7. Innenraum  7. Interior
8. Flüssigausgleichsleitung 8. Liquid compensation line
9. Flüssiganschluss9. Liquid connection
10. Flüssige Phase 10. Liquid phase
11. Gasausgleichsleitung 11. Gas balance line
12. Gasanschluss 12. Gas connection
13. Gasphase  13. Gas phase
14. Wärmetauscherfläche 14. Heat exchanger surface
15. Kühlmediumsleitung15. Coolant line
16. Wärmetauscher16. Heat exchanger
17. Entspannungsventil17. Relief valve
18. Gasabzugsleitung18. Gas exhaust line
19. Vakuumpumpe 19. Vacuum pump
20. Vorrichtung  20. Device
21. Wärmetauscherfläche 21. Heat exchanger surface
22. Wärmetauscherfläche 22. Heat exchanger surface

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements (2), mit einem als ge schlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Ausgleichsleitung (8,1. Device for cooling a superconducting element (2), with a pressure vessel designed as a closed pressure vessel and via a compensating line (8,
11) mit einem Vorratsbehälter (4) für ein kryogenes Kühlmedium strömungs verbundenen Kryostaten (3), der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist, 11) with a storage container (4) for a cryogenic cooling medium flow-connected cryostat (3), which is thermally connected to the superconducting element,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der Kryostat (3) an einer Wärmetauscherfläche (14, 21 ) mit einem Wär metauscher (16) thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspan nungsventil (17) ausgerüsteten Zuleitung (15) mit dem Vorratsbehälter (4) strömungsverbunden ist und eine Gasableitung (18) zum Ausleiten von ver dampftem Kühlmedium aufweist.  that the cryostat (3) is thermally connected to a heat exchanger surface (14, 21) with a heat exchanger (16) which is flow-connected to the reservoir (4) via a supply line (15) equipped with a relief valve (17) and one Has gas discharge line (18) for discharging evaporated cooling medium.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetau scher (16) innerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the Wärmetau shear (16) within the cryostat (3) is arranged.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasableitung (18) eine Vakuumpumpe (19) angeordnet ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a vacuum pump (19) is arranged in the gas discharge line (18).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ausgleichsleitung (8, 11 ) eine Strömungsverbindung des Kryostaten (3) mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden flüssigen Phase (10) und/oder mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden Gasphase (13) herstellt. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compensating line (8, 11) a flow connection of the cryostat (3) with a liquid phase (10) present in the storage container (4) and / or with one in the storage container (4 ) present gas phase (13).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass als Kühlmedium ein tiefkalt verflüssigtes Gas, wie verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff verflüssigter Wasserstoff oder ein verflüssig tes Edelgas zum Einsatz kommt. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a cryogenic liquefied gas such as liquefied nitrogen, liquefied oxygen, liquefied hydrogen or a liquefied inert gas is used as the cooling medium.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das supraleitende Element (2) an normalleitenden Stromzufüh rungen (5, 6) angeschlossen ist und wenigstens eine der Stromzuführungen (56) zumindest abschnittsweise innerhalb der Ausgleichsleitung (8) und/oder innerhalb der Zuleitung (15) verläuft und/oder in indirektem Wärmekontakt mit der Zuleitung (15) und/oder der Ausgleichsleitung (8) steht. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting element (2) is connected to normal conducting power supply lines (5, 6) and at least one of the power supply lines (56) at least in sections within the compensating line (8) and / or runs within the feed line (15) and / or is in indirect thermal contact with the feed line (15) and / or the compensating line (8).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stromzuführung (5, 6) zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung (15) stromauf zum Entspannungsventil (17) verläuft. 7. The device according to claim 6, characterized in that the at least one power supply (5, 6) extends at least in sections within the feed line (15) upstream of the expansion valve (17).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Entspannungsventil (17) innerhalb des Kryostaten (3) an geordnet ist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion valve (17) is arranged within the cryostat (3).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das supraleitende Element (2) im Innenraum (7) des Kryostaten (3) aufgenommen ist und in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) steht oder außerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist und mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) über eine Wärmetauscherfläche (22) in in direktem Wärmekontakt steht. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting element (2) is accommodated in the interior (7) of the cryostat (3) and is in direct thermal contact with the cooling medium in the cryostat (3) or outside the cryostat ( 3) is arranged and is in direct thermal contact with the cooling medium in the cryostat (3) via a heat exchanger surface (22).
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