EP4139943A1 - Stromzuführung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Stromzuführung und verfahren zu ihrer herstellung

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Publication number
EP4139943A1
EP4139943A1 EP21721065.7A EP21721065A EP4139943A1 EP 4139943 A1 EP4139943 A1 EP 4139943A1 EP 21721065 A EP21721065 A EP 21721065A EP 4139943 A1 EP4139943 A1 EP 4139943A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
power supply
foils
stack
flow channels
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
EP21721065.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Grohmann
Eugen SHABAGIN
David GOMSE
Heinz LAMBACH
Georg RABSCH
Thomas Gietzelt
Michael Stamm
Cornelia SCHORLE
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.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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 Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4139943A1 publication Critical patent/EP4139943A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G15/00—Cable fittings
    • H02G15/34—Cable fittings for cryogenic cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/16—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a power supply and a method for its production. Furthermore, the present invention relates to at least one device comprising such a power supply for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy as well as its use, in particular for cooling and operating high-temperature superconductors at a cryogenic temperature of 15 K to 90 K.
  • a power supply for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy as well as its use, in particular for cooling and operating high-temperature superconductors at a cryogenic temperature of 15 K to 90 K.
  • other applications are possible. State of the art
  • cryogenic mixed cooling circuits are preferred for this.
  • the desired cooling is achieved here by the Joule-Thomson effect, which describes a temperature change during adiabatic, isenthalpic expansion of a real fluid.
  • the Joule-Thomson coefficient defined according to equation (1) has where the term (-) denotes a partial derivative of the temperature T with respect to the pressure p at constant enthalpy H and thus the expansion, has a positive value. This condition is given over a wide range of states of many fluids or can be achieved by precooling fluids.
  • cryogenic temperatures below 120 K are required the fluid is pre-cooled by means of an internal countercurrent heat exchanger (recuperator) prior to expansion.
  • the Linde-Hampson cycle begins in a compressor in which a fluid refrigerant is compressed to a high pressure, with the resulting compression heat being released in an aftercooler to the surroundings of the compressor.
  • the refrigerant is then cooled in a counterflow heat exchanger.
  • an expansion device preferably selected from an expansion valve, a throttle capillary, an orifice and a sintered element, the refrigerant expands adiabatically to a low pressure level and, given positive Joule-Thomson coefficients ⁇ i JT, continues to cool by means of the Joule-Thomson effect away.
  • a heat flow from an application to be cooled, in particular the high-temperature superconductor, can then be absorbed in an evaporator.
  • the refrigerant is reheated to ambient temperature in the counterflow heat exchanger before it flows back to the compressor. If this cycle is used to cool power supplies or to liquefy low-boiling fluids such as hydrogen, a heat flow from the power supply or the fluid to be cooled is also absorbed by the refrigerant within the countercurrent heat exchanger.
  • the entropy generated as a result can be reduced by changes in the cycle, for example the use of multi-stage compressions, several heat exchangers or turbines for expansion.
  • the thermodynamic properties of the refrigerant can be changed by adding at least one further refrigerant which has a boiling point that differs from the refrigerant.
  • the Linde-Hampson cycle is operated with a high-boiling multicomponent mixture as the refrigerant instead of a pure substance, the cycle mainly taking place in a two-phase region of the mixture.
  • each cooling stage can preferably have its own high-boiling multicomponent mixture, so that the cycle in each cooling stage takes place predominantly in a two-phase region of the respective refrigerant mixture.
  • the refrigerant mixture can reach its dew point at the warm end of its cooling stage, e.g. in the first cooling stage near the ambient temperature, whereby it is then successively condensed during the cooling process and further subcooled after passing the boiling point.
  • the Joule-Thomson expansion thus takes place partly undercooled, partly with high proportions of liquid.
  • the effective heat capacity of the Refrigerant flows of the relevant cooling stage in the countercurrent heat exchanger are controlled in such a way that the temperature difference between the refrigerant flows of the cooling stage, preferably to a refrigerant mixture of at least one further cooling stage or to a gas flow to be liquefied or cooled, preferably over the entire flow length of the countercurrent heat exchanger, reduced to a minimum.
  • Another aspect can be the disintegration of the fluid into two liquid phases, which occurs with some refrigerant mixtures.
  • the two liquid phases can differ in terms of polarity, degree of fluorination or chain length of their components.
  • thermodynamic properties of the refrigerant mixture used can be adjusted accordingly for a cooling stage.
  • An efficient refrigerant mixture has a dew point which, at high pressure level, is close to the recooling temperature of the relevant cooling stage. While the re-cooling temperature in the first cooling stage is usually in the range of the ambient temperature, in multi-stage processes the re-cooling temperature of a cooling stage is in the range of the cooling temperature generated by the isenthalpic expansion of the upstream cooling stage.
  • the temperature of the dew point of a cooling stage can be influenced in particular by the choice and proportions of higher-boiling components for the cooling stage in question.
  • the boiling temperature of the refrigerant mixture of a cooling stage should preferably be at the low pressure level just below the cooling temperature in order to keep the entropy generation as low as possible due to a high proportion of liquid during expansion in the expansion device.
  • the selection and proportions of lower-boiling components have a considerable influence on the boiling temperature.
  • the refrigerant mixture of a cooling stage thus comprises both higher-boiling components and lower-boiling components, whereby the refrigerant mixture of a cooling stage is high-boiling overall.
  • the refrigerant mixture of the first stage can therefore preferably comprise about four to five refrigerants with higher boiling points and lower boiling points, preferably selected from hydrocarbons and fluorinated hydrocarbons, which are mixed in a ratio adapted for the intended application, and preferably proportions of low-boiling components, in particular selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium.
  • the refrigerant mixture that is used for a further cooling stage, which is precooled by a preceding cooling stage can in practice comprise about two to four refrigerants with higher and lower boiling points, preferably selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium that are in a customized for the intended application Ratio are mixed, in each case no components are selected that can freeze out at temperatures in the cooling stage in question.
  • the use of a high-boiling refrigerant mixture thus enables the refrigerant mixture to successively partially condense on the high-pressure side of a countercurrent heat exchanger, while it successively partially evaporates on the low-pressure side of the countercurrent heat exchanger.
  • an advantageous adjustment of capacity flows on the high pressure side and on the low pressure side of the countercurrent heat exchanger can thus take place.
  • the composition of the refrigerant mixture can be optimized to such an extent that the heat transfer can take place over the entire temperature range with a minimal temperature difference DT between the material flows, whereby a considerable increase in efficiency can be achieved.
  • Peltier elements see, for example, S. Yamaguchi, M. Emoto, T. Kawahara, M. Hamabe, H. Watanabe, Y. Ivanov, Jian Sun, N. Yamamoto, A. Iiyoshi, A Proposal of Multi-stage current lead for reduction of heat leak, Physics Procedia 27 (2012) 448-451.
  • each plate has four positioning holes for aligning the plates and four cut-out areas that form headers.
  • DE 10 2016 011 311 A1 discloses a method for cooling a power supply of a consumer with cryogenic gas, the power supply being designed as a plate heat exchanger and the cryogenic gas being passed through the plate heat exchanger as a coolant.
  • the structure of a gas-cooled power supply, which is designed as a plate heat exchanger, is also described.
  • DE 102005 005 780 A1 discloses a current-carrying device for a low-temperature conductor with at least one electrical conductor which has a warm and a cold contact point connected to the low-temperature conductor and with at least one coolant channel which is delimited at least on one side by the conductor. It is proposed that the coolant channel has guide elements with which a directed convection of the coolant in the coolant channel from the cold contact point to the warm contact point can be enforced and the speed of the coolant can be adjusted locally.
  • a cryogenic gas is conducted as the first refrigerant in a first circuit and that the power supply lines or the consumers with power supply lines are cooled directly with the aid of the cryogenic gas, with the cryogenic gas flowing in countercurrent to the inflowing Heat is passed along the Stromzu guides and wherein the first refrigerant is cooled with a second refrigerant, which second refrigerant is guided in a second, separate circuit.
  • DE 21 63 270 C discloses a power supply for electrical devices with conductors cooled to low temperature, the end of which is connected to a normal conductor which is arranged in a gas flow of an evaporated cooling medium, the gas flow of the evaporated cooling medium being divided into individual flows, each one Flow through the flow channel, which is limited by at least two walls made of electrically insulating material, the distance between which is not more than 30 mm.
  • US 4,992,623 A discloses an electronic system with low temperature components at different locations within the system, with cryogenic fluid and electrical power being distributed by means of the same conduit.
  • the line consists of a feed section and a return section, each section comprising a channel for conveying the cryogenic fluid with superconducting walls for conveying the electrical power.
  • the line can comprise a copper rod with channels formed therein for the transport of the cryogenic fluid and a channel for receiving a rod made of superconducting material.
  • the superconducting rod conducts the electrical current to a subsystem while it is cooled by the cryogenic fluid where the cryogenic fluid continues to be used for cooling purposes at its destination.
  • cryogenic fluid can be transported by a pair of concentric conduits, with the walls of each conduit comprising superconducting material for simultaneously providing electrical power to the subsystems using the cryogenic fluid.
  • WO 2003/081104 A2 discloses a method for producing a sheath for a high-temperature multifilament superconductor cable.
  • the jacket is produced by co-extrusion of a cylindrical blank with at least two concentric cylinders.
  • a sheath for a high-temperature multifilament superconductor cable is proposed, which is produced according to the method mentioned.
  • the jacket consists of a tube with a multilayer wall comprising: a pure silver inner layer and at least one second silver-based alloy layer.
  • the object of the present invention is to provide a power supply and a method for its production as well as a device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy and its use, which at least partially overcome the listed disadvantages and limitations of the prior art .
  • the term "A has B”, “A has B”, “A comprises B” or “A includes B” can refer to the situation in which, apart from B, no further element is present in A (ie on a situation in which A consists exclusively of B), as well as on the situation in which, in addition to B, one or more further elements are present in A, for example element C, elements C and D or even further elements .
  • the terms “at least one” and “one or more” as well as grammatical modifications of these terms, if they are used in connection with one or more elements or features and are intended to express that the element or feature is provided once or several times can be used, as a rule, only once, for example when the feature or element is introduced for the first time. If the feature or element is subsequently mentioned again, the corresponding term “at least one” or “one or more” is generally no longer used, without this limiting the possibility that the feature or element can be provided once or several times.
  • the present invention relates to a power supply for transporting electrical energy from an energy source to an application or from the application to the energy source, the energy source being arranged in a warm area and the application being arranged in a cold area,
  • the power supply has a stack comprising at least two foils
  • each film comprises an electrically conductive material which is set up to transport the electrical energy
  • each film having an electrical connection which is set up to receive the electrical energy or to output the electrical energy
  • each film comprises a plurality of flow channels for guiding a fluid flow.
  • the term “power supply” denotes a device that is set up to transport electrical energy, in particular in the form of an electrical current, from at least one energy source to at least one application or from the at least one application to the at least one energy source.
  • the power supply is set up in particular to transport an electric current from a normally conducting circuit that includes the at least one energy source into an electric circuit that includes at least one superconductor, in particular a high-temperature superconductor, preferably around one To enable loss-free further transport of the electrical current in the at least one superconductor, in particular in the at least one high-temperature superconductor.
  • other types of applications are conceivable.
  • the energy source is located in a warm area of a cooling stage of a device for generating cryogenic temperatures, which can also be referred to as a “refrigeration system”, while the application is arranged in a cold area.
  • every device for generating cryogenic temperatures comprises at least one cooling stage, each of which has a cold area and a warm area.
  • the “warm area” denotes a first sub-area of the device which has a higher temperature compared to the cold area.
  • the device can be designed in such a way that at least part of the warm area of the respective subsequent cooling stage can correspond to the cold area of the respective preceding stage.
  • the warm area of the first cooling stage is preferably set up for ambient temperature and is usually kept at least at ambient temperature, with higher temperatures, for example up to 150 ° C., also occurring in a compressor in particular.
  • the term the “ambient temperature” here relates to a temperature of 273 K, preferably 288 K, particularly preferably 293 K, to 313 K, preferably up to 303 K, particularly preferably up to 298 K.
  • cryogenic temperature includes a temperature of 10 K, preferably 15 K, to 120 K, preferably up to 90 K.
  • the cold area is used to bring the cold area to a cryogenic temperature and to keep it at a cryogenic temperature Area in a cryostat, preferably a vacuum-insulated cryostat, introduced.
  • a cryostat preferably a vacuum-insulated cryostat, introduced.
  • other types of cryostat are possible.
  • the power supply has a stack which comprises at least two foils.
  • foil here refers to a thin, expanded body of an electrically conductive material that is designed to transport electrical energy.
  • the film can preferably have a surface in the form of a lateral extension, comprising a film length and a film width, the film width being a film thickness formed perpendicular to the lateral extension by a factor of at least 10, preferably at least 25, particularly preferably at least 50, in particular at least 100 can exceed.
  • the film can preferably have a surface in the form of a lateral extension, comprising a film length and a film width, the film width being a film thickness formed perpendicular to the lateral extension by a factor of at least 10, preferably at least 25, particularly preferably at least 50, in particular at least 100 can exceed.
  • the film is preferably have a surface in the form of a lateral extension, comprising a film length and a film width, the film width being a film thickness formed perpendicular to the lateral extension by
  • - have a film thickness of at least 200 ⁇ m, preferably of at least 250 ⁇ m, in particular from 400 ⁇ m to 500 ⁇ m, at most up to 2 mm, preferably at most up to 1 mm.
  • these are connected to one another by means of diffusion welding and are therefore designed in such a way that they can withstand the associated energy input without damage or even destruction.
  • other values for the film length, film width and film thickness are also conceivable; However, it is particularly advantageous if the film thickness does not exceed the specified value of 1 mm, from which it would more likely be referred to as “plate thickness”.
  • the term “stack” relates to an arrangement which contains the at least two foils, each of which is placed on top of one another in the lateral extent parallel to their surfaces are preferably connected to one another by means of diffusion welding, comprises.
  • all foils of the stack can preferably have the same foil length and the same foil width.
  • all foils in the stack can also preferably have the same foil thickness.
  • the stack can comprise at least two foils, preferably at least 10 foils, particularly preferably at least 25 foils, in particular 50 to 60 foils, up to 250 foils, preferably up to 200 foils, particularly preferably up to 100 foils.
  • the number, film length, film width and film thickness of the films can be adapted to a level of electrical energy to be transported by means of the power supply, in particular an expected current strength.
  • each film comprises an electrically conductive material that is designed to transport electrical energy.
  • a material is “electrically conductive” if it enables the transport of electrical energy, in particular electrical charge carriers in the form of an electrical current, through the material.
  • the electrically conductive material comprises a metal, in particular a highly conductive metal, which has an electrical conductivity s of at least 10 6 S / m, preferably of at least 10 7 S / m, preferably of at least 2 ⁇ 10 7 S / m , having.
  • metals include in particular copper (s ⁇ 5.8 ⁇ 10 7 S / m), aluminum (s ⁇ 3.7 ⁇ 10 7 S / m) and brass (s ⁇ 2.4 ⁇ 10 7 S / m), copper and aluminum are particularly preferred. Due to its lower electrical conductivity s ⁇ 10 7 S / m, stainless steel is less preferred.
  • copper is particularly preferred over aluminum, since a power supply made of copper foils has a specific surface area above 1000 m 2 / m 3 up to 10,000 m 2 / m 3 , while the specific surface area for aluminum plates is only 100 m 2 / m 3 up to 1000 m 2 / m 3 .
  • each film has an electrical connection.
  • the term “electrical connection” here relates to a device of a film which is set up to receive electrical energy into the film and / or to output electrical energy from the film.
  • a separate electrical connection is attached to each transverse side of the film, so that the electrical energy from the energy source or the electrical energy can be received on a first transverse side of the film the delivery of the electrical energy to the energy source and the delivery of the electrical energy to the application or the absorption of the electrical energy from the application is possible on the other transverse side of the film.
  • connection lug denotes an electrically conductive connection part set up on the relevant transverse side of the film, which is preferably in a movable shape, particularly preferably in a tapered and / or conically tapered shape, the connection part preferably being of the respective film is included.
  • electrically conductive reference is made to the definition above.
  • each film in the stack can be contacted individually in order to allow the most uniform possible distribution of the electrical current in accordance with Kirchhoff's laws to as many films as possible in the stack.
  • other types of configuration of the electrical connection are conceivable.
  • the electrical connection of the film facing the application in the cold area can have an electrically conductive connection to a high-temperature superconductor, the high-temperature superconductor being arranged between the electrical connection of the power supply and the application.
  • the high-temperature superconductor can in particular be designed as a tape or a cable.
  • the electrically conductive connection between the power supply and the application can be designed to be superconducting, in particular in the form of a high-temperature superconductor, in order to ensure that the electrical current is transported onward as loss-free as possible from the power supply to the application or from the application to the power supply enable.
  • high-temperature superconductor tape here refers to an electrical conductor configured in the form of a tape, which at least partially comprises a high-temperature superconductor.
  • high-temperature superconductor cable here refers to a cable-shaped electrical conductor which at least partially comprises a high-temperature superconductor.
  • a high-temperature superconductor cable can comprise several filaments which can be connected in an electrically conductive manner individually or in groups to the foil or to several foils.
  • each film furthermore comprises a multiplicity of flow channels for guiding a fluid flow.
  • the fluid flow can preferably comprise a refrigerant mixture or a gas flow to be cooled or a gas flow to be liquefied.
  • the gas flow can here comprise a gas or any mixture of at least two gases, wherein the gas can be selected in particular from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium.
  • the term des “Refrigerant mixture” means a mixture of at least two components of refrigerants, with at least two of the components having a different boiling point from one another.
  • the term “refrigerant” relates to a preferably inert fluid that has a positive Joule-Thomson coefficient ⁇ i JT > 0 when it enters the cold area of the relevant cooling stage, and is therefore used as a means for Generation of the cryogenic temperature in a cooling stage of the Linde-Hampson cycle is suitable.
  • the refrigerant mixture for the respective cooling stage comprises both higher-boiling components and lower-boiling components, which means that the refrigerant mixture as a whole is " far-boiling "can be designated.
  • the refrigerant mixture for each cooling stage therefore preferably comprises at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four, to eight, preferably up to six, preferably up to five refrigerants, with at least one of the refrigerants being a higher-boiling component and at least one other refrigerant being a lower-boiling component .
  • the term “higher boiling” refers to fluids whose boiling point is at the temperature at the entry into the cold area of the respective cooling stage.
  • cold area reference is made to the definition above.
  • the term “lower-boiling” refers to fluids whose boiling point is below the temperature of the higher-boiling component of the respective cooling stage.
  • the lowest-boiling component of the refrigerant mixture of the respective cooling stage has a boiling temperature which is below the temperature after the isenthalpic expansion of the respective cooling stage and can thus in particular be a cryogenic temperature.
  • cryogenic temperature reference is made to the definition above.
  • the at least one higher-boiling component can preferably be selected from a hydrocarbon and a fluorinated hydrocarbon, while the at least one lower-boiling component can preferably be selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium.
  • the refrigerant mixture for a further cooling stage which is precooled by a preceding pre-cooling stage, can preferably comprise a refrigerant selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium, which are preferably mixed in a ratio adapted for the intended application, preferably In each case those components are avoided which can freeze out at the temperatures in the relevant cooling stage.
  • a refrigerant selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium, which are preferably mixed in a ratio adapted for the intended application, preferably In each case those components are avoided which can freeze out at the temperatures in the relevant cooling stage.
  • Other types of refrigerants are possible.
  • each film for guiding the fluid flow comprises a multiplicity of flow channels.
  • the term “flow channel” here refers to an elongated depression made in the respective film, which extends over the entire length in particular Film length of the film in question, in particular minus at least one entry area and at least one exit area, and which is therefore for receiving the fluid flow from a first area, selected from the warm area or the cold area of a cooling stage, for guiding the fluid flow over the film and is set up to deliver the fluid flow to a second area selected from the respective other area of the relevant cooling stage.
  • the number, shape and configuration of the flow channels can be selected in such a way that the fluid flow flows through the plurality of flow channels in the foils in a laminar flow as far as possible.
  • the plurality of flow channels can preferably be incorporated into the respective film by means of a subtractive process, in particular selected from an etching process or from micro-milling, whereby the film in question can also be referred to as a “microstructured film”.
  • each flow channel can in principle have any channel cross-section which has an opening towards the surface of the film.
  • a semicircular channel cross-section is created due to the manufacturing process, while other types of channel cross-sections are also possible with micro-milling; however, production of the flow channels by means of micromilling requires a higher expenditure of time than the etching process.
  • Each film can comprise at least 10 flow channels, preferably at least 20 flow channels, particularly preferably at least 25 flow channels, in particular 50 to 100 flow channels, up to 500 flow channels, preferably up to 250 flow channels, particularly preferably up to 200 flow channels.
  • all flow channels in a film, preferably in each film can preferably have the same channel length, channel width, channel depth and web width and be arranged parallel to one another in periodic succession in the film, with
  • the channel length can preferably correspond to the film length of the associated film, in particular less at least one entry area and at least one exit area;
  • the channel width can be at least 100 ⁇ m, preferably at least 250 ⁇ m, in particular 400 ⁇ m to 500 ⁇ m, at most up to 2 mm, preferably at most up to 1 mm, a web width with which adjacent flow channels are spaced apart from one another, at least 0.5, preferably can be at least 1.0, in particular from 1.0 to 2.0, at most 5.0, preferably at most 2.5 of the channel width of the flow channels; and the channel depth at least 50 ⁇ m, preferably at least 100 gm, in particular from 200 gm to 250 gm, at most 1 mm, preferably at most 500 gm, but less than the film thickness, preferably less than 75% of the film thickness, particularly preferably less than 50% the film thickness, so that a sufficient bottom thickness of the film can remain, wherein a ratio of channel width to channel depth, in particular when using an etching process, can be preferably from 1.0 to 3.0, in particular from about 2.0, while other values are possible when using micro-milling. However, other values for
  • Diffusion welding also has the advantage that as a result the stack of foils comprises only one uniform material; in particular, a solder can be dispensed with as a further material in the stack. In this way, a monolithic design can be provided with which thermal voltages, which can lead to leaks during the operation of the power supply lines, can be effectively prevented.
  • the flow channels are each preferably introduced exclusively on a single side of the surface of each film.
  • Adjacent foils in particular foils which are assigned to different flow paths, can thus be introduced into the stack in such a way that the openings of the flow channels on the surface of the foils are arranged facing away from one another. In this way, an offset, as described in Gomse et al., See above, between flow channels of adjacent foils arranged facing one another can be avoided.
  • a different arrangement of the flow channels in individual or all foils is also conceivable, including an arrangement of the flow channels on both sides of a foil, which, however, is usually associated with disadvantages, in particular an offset or higher manufacturing costs.
  • the foils included in the stack have
  • a first flow path through the flow channels which is set up to receive the refrigerant mixture at high pressure level from the warm area of the cooling stage; and - A second flow path through the flow channels, which is set up to receive the refrigerant mixture at low pressure level from the cold area of the cooling stage, or to receive a liquid phase of the refrigerant mixture at low pressure level from the cold area of the cooling stage.
  • it is a countercurrent heat exchanger with high pressure flow and low pressure flow of the cooling medium, the high pressure flow from the warm area into the cold area in the direction of flow of the electrical current, while the low pressure flow in the opposite direction from the cold Area flows into the warm area.
  • the foils comprised by the stack can preferably have at least one further flow path selected from:
  • a third flow path through the flow channels which is set up to receive a vapor phase of the refrigerant mixture at low pressure level from the cold region of the cooling stage;
  • a fourth flow path through the flow channels which is set up to receive the gas flow to be cooled or the gas flow to be liquefied from the warm region of the cooling stage.
  • a vapor phase and a liquid phase of the refrigerant mixture can preferably be recorded separately.
  • the flow channels of each film can be used either as a first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure level from the warm area, as a second or third flow path for receiving the refrigerant mixture at low pressure level from the cold area, or as a fourth flow path for Be set up to accommodate the gas flow to be cooled or liquefied from the warm area of the cooling stage.
  • the flow channels of adjacent stacked foils in the stack can be set up alternately as a first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure level and as a second flow path for receiving the refrigerant mixture at low pressure level.
  • the flow channels at most two adjacent stacked foils in the stack can be set up as a first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure level, while an adjoining further foil has second or third flow paths for receiving the refrigerant mixture at low pressure level.
  • the flow channels at most two adjacent stacked foils in the stack can be set up as a second or third flow path for receiving the refrigerant mixture at low pressure level, while a further foil adjoining them flow channels in the first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure level or in the fourth Has flow path for receiving the gas flow to be cooled or liquefied from the warm area of the cooling stage.
  • the flow channels at most two adjacent stacked foils in the stack can be set up as a fourth flow path for receiving the gas flow to be cooled or liquefied from the warm area of the cooling stage, while an adjoining further foil flow channels in the first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure Level, or in the second or third flow path for receiving the refrigerant mixture at low pressure level.
  • Such a layered or intermittent alternating arrangement of the first and second flow paths, and optionally the third flow paths and / or the fourth flow paths, enables countercurrent flow through the stack to be achieved.
  • Each foil has an entry area and exit area for the flow channels, the "entry area” denoting a first section of the foil which adjoins a first area of the flow channels that is set up for the fluid flow to enter the flow channels, while the "exit area” denotes a second section of the film which adjoins a second region of the flow channels which is set up for an exit of the fluid flow from the flow channels.
  • the inlet area and / or the outlet area can have a distribution element which is set up to divide the fluid flow over the flow channels of the film, which are preferably arranged in parallel.
  • the distribution element can preferably have a plurality of periodically arranged elevations and depressions located between them.
  • the elevations can preferably assume the same level as the surface of the film, while the depressions can preferably have the same channel depth as the flow channels.
  • the distribution elements can advantageously serve in particular to prevent a maldistribution of the flow during operation during the distribution of the fluid flow over several parallel flow channels.
  • the distribution element can be introduced into the film together with the introduction of the flow channels.
  • one side, preferably both sides, of the stack can be provided with a cover plate.
  • at least one of the cover plates can have at least one feed line for feeding the fluid flow into the flow channels of the stack and one discharge line for discharging the fluid flow from the flow channels of the stack.
  • the cover plate can initially only have corresponding nozzles, to which the supply line and / or the discharge line are fastened, before it is used in the power supply.
  • a brazed connection to a pipe section and a subsequent pipe screw connection, in particular by means of cutting ring seals or clamping ring seals, or a welded connection can preferably be used here.
  • the present invention relates to a device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy from an energy source to an application or from the application to the energy source, comprising at least one cooling stage which has a warm area and a cold area, wherein in the warm area is provided with a refrigerant mixture set up for the respective cooling stage and an energy source, the refrigerant mixture having at least two components with boiling temperatures that differ from one another, the cold region comprising at least one cooling stage:
  • At least one power supply as described above or below, the power supply having at least one first flow path for receiving the refrigerant mixture at high pressure level from the warm area of the cooling stage and at least one second flow path for receiving the refrigerant mixture at low pressure level from the cold region of the cooling stage having, wherein the at least one power supply is set up as a first heat exchanger at the same time;
  • At least one expansion device which is set up to expand and cool the refrigerant mixture to the low-pressure level
  • the cold area of at least one cooling stage which is set up for a cryogenic temperature and is used as intended to generate the cryogenic temperature, can preferably be introduced into a cryostat, in particular into a vacuum-insulated cryostat.
  • the cold area of the relevant cooling stage comprises at least one power supply, described in more detail above or below, which is simultaneously set up as a first heat exchanger, which is designed in particular as a countercurrent heat exchanger.
  • heat exchanger refers to any device configured to bring about a transfer of thermal energy from at least one high-pressure substance flow to at least one low-pressure substance flow.
  • thermal energy here relates to an energy of the respective material flow, which can essentially be described as a function of the temperature of the relevant material flow.
  • both the at least one high-pressure substance flow and the at least one low-pressure substance flow comprise the refrigerant mixture used for the respective cooling stage, the substance flows differing from one another in a temperature of the refrigerant mixture or the refrigerant mixtures.
  • the at least one high-pressure substance flow can comprise a gas flow to be cooled or a gas flow to be liquefied.
  • the at least one low-pressure material flow of the lowest stage has a lowest temperature in each section of the heat exchanger, followed by the temperature of the at least one low-pressure material flow of an optional precooling stage.
  • the at least one high-pressure material flow has a temperature in each section of the heat exchanger which is above the at least one low-pressure material flow.
  • counterflow heat exchanger relates to a special type of heat exchanger in which the high-pressure substance flow adopts a direction that is opposite to the direction of the low-pressure substance flow.
  • a particularly cold material flow can thus advantageously meet a particularly warm material flow, whereby a transfer of thermal energy from the at least one high-pressure material flow to the at least one low-pressure material flow can be configured as efficiently as possible.
  • the first heat exchanger comprised according to the invention by the cold area of the relevant cooling stage accordingly has a first sub-area designated as the “high pressure side” and a second sub-area designated as the “low pressure side”, the high-pressure side for receiving the refrigerant mixture and optionally the gas flow from the warm area of the relevant Cooling stage and the low-pressure side set up for the delivery of the refrigerant mixture to the warm area of the relevant cooling stage are.
  • the refrigerant mixture supplied on the high pressure side from the associated warm area has a higher temperature compared to the refrigerant mixture provided on the low pressure side for delivery to the associated warm area.
  • the refrigerant mixture provided on the low-pressure side contributes significantly to cooling the refrigerant mixture supplied on the high-pressure side from the associated warm area and the optionally supplied gas flow, whereby the transfer of thermal energy can be made more efficient by the counterflow heat exchanger preferably used.
  • the refrigerant mixture on the low pressure side of the relevant stage can absorb thermal energy from further material flows, for example from the high pressure side of a downstream cooling stage or from the cooling or liquefaction of a gas flow to be cooled or liquefied.
  • the refrigerant mixture enters the first heat exchanger at the high pressure level on the high pressure side, while the refrigerant mixture is provided on the low pressure side at the low pressure level.
  • high pressure level here denotes a pressure level that acts on the refrigerant mixture present there, the pressure of which has a value that exceeds the value of the pressure that acts on the refrigerant mixture provided on the low-pressure side.
  • the high pressure level of the cooling stage can have an absolute pressure of 1 bar, preferably 10 bar, particularly preferably 25 bar, to 150 bar, preferably up to 25 bar, particularly preferably up to 20 bar, while the low pressure level of the cooling stage may have an absolute pressure of 100 mbar, preferably 1 bar, particularly preferably 2 bar, to 50 bar, preferably up to 10 bar, particularly preferably up to 5 bar.
  • the high pressure level and for the low pressure level are possible, in particular depending on the refrigerant mixture used for the respective cooling stage.
  • the cold area of the relevant cooling stage comprises at least one expansion device which is set up to expand and cool the refrigerant mixture to the low-pressure level.
  • the desired cooling of the refrigerant mixture may preferably by the Joule-Thomson effect can be obtained, wherein the equation (1) defined Joule-Thomson coefficient ⁇ i JT of the refrigerant mixture becomes a positive value.
  • the at least one expansion device thus causes, on the one hand, the reduction of the pressure acting on the refrigerant mixture from the high pressure level to the low pressure level and, on the other hand, the desired further cooling of the refrigerant mixture.
  • the at least one expansion device can preferably be selected from an expansion valve, a throttle capillary, a Aperture and a sintered body. However, it is conceivable to use a different expansion device.
  • the cold area of the at least one cooling stage can preferably comprise at least one second heat exchanger, which is set up to cool the application, preferably the superconducting application, which is arranged in the cold area.
  • the present invention relates to a method for producing a power supply, in particular a power supply described above or below, which is set up to transport electrical energy from an energy source to an application or from the application to the energy source, the energy source being in a warm Area is arranged and wherein the application is arranged in a cold area
  • the method comprises the following steps: a) Providing at least two foils, wherein each foil comprises an electrically conductive material which is set up to transport electrical energy, wherein each film has an electrical connection at each end which is set up to receive electrical energy from an energy source or to deliver electrical energy to an application; b) introducing a multiplicity of flow channels, which are set up to receive a fluid flow, into the at least two foils; c) Arranging the at least two foils in the form of a stack and diffusion welding the at least two foils, the electrical connection of each foil remaining unwelded in the cold area.
  • the introduction of the multiplicity of flow channels into the at least two foils in accordance with step b) can here preferably take place by means of an etching process or by means of micro-milling.
  • the fluid flow can preferably comprise a refrigerant mixture or a gas flow to be cooled or a gas flow to be liquefied.
  • the electrical connections of the foils can be welded to one another in the warm area, the electrical connections of the foils in the cold area remain unwelded so that the high-temperature superconductors, as mentioned above, can advantageously be contacted individually.
  • Arranging the at least two foils in the form of a stack in accordance with step c) can preferably include attaching at least one cover plate to at least one side of the stack, preferably one cover plate on both sides of the stack, wherein the diffusion welding of the at least two foils also includes the at least one cover plate, preferably the two cover plates, wherein the method can have the further step: d) introducing in each case at least one feed line, which is set up to feed the fluid flow, and at least one Discharge, which is set up to discharge the fluid flow, into at least one of the cover plates.
  • the present method can preferably have the following further step: e) Attaching at least one high-temperature superconductor to the electrical connection of the foils at the cold end, which is set up to deliver the electrical energy to the application.
  • the high-temperature superconductor can in particular be designed as a tape or a cable.
  • the present invention relates to a use of a device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy for cooling and operating high-temperature superconductors at a temperature of 15 K to 90 K.
  • the power supply according to the invention the method for its production and the device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy from an energy source and its use have a number of advantages over known power supplies, associated methods and corresponding devices.
  • the power supply proposed here as a uniform component, performs a double function, which at the same time includes a power supply and a heat transfer.
  • significantly more compact and efficient power supply lines can be provided, which allow power loss that occurs to be dissipated directly at the location where it can be converted into heat.
  • the heat can be dissipated at the highest possible temperature level, so that there is an increase in efficiency an exclusive cooling at the cold end of the power supply, a step-by-step cooling or cooling by a gas flow occurs.
  • FIG. 1 shows schematic representations of preferred exemplary embodiments of a power supply according to the invention
  • FIG. 2 shows schematic representations of preferred exemplary embodiments of an arrangement of foils within a stack in the power supply according to the invention
  • FIG. 3 shows schematic representations of a preferred exemplary embodiment of a distribution element in an inlet area or outlet area for dividing a refrigerant mixture into flow channels in one of the foils of the power supply according to the invention
  • FIG. 4 shows schematic representations of preferred exemplary embodiments of a single-stage device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy, the device comprising power supply lines according to the invention.
  • FIG. 5 shows schematic representations of preferred exemplary embodiments of a two-stage device for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy, the device comprising power supply lines according to the invention. Description of the exemplary embodiments
  • FIG. 1 a is a schematic representation of a preferred embodiment of a power supply 110 according to the invention shown in the form of an exploded drawing.
  • a stack 118 the comprises a multiplicity of foils 120, as well as two individual foils 120 ′, 120 ′′ (FIG. 1 a) or three individual foils 120 ′, 120 ′′, 120 ′ ′′ drawn, which are also set up for inclusion in the stack 118.
  • the foils 120 are each placed on top of one another in the lateral extent parallel to their surfaces and can preferably be connected to one another by means of diffusion welding.
  • all foils 120 of the stack 118 can preferably have the same foil length and the same foil width in order to avoid a protrusion between adjacent foils 120 in the stack 118.
  • all foils 120 of the stack 118 can also preferably have the same foil thickness.
  • the number, film length, film width and film thickness of the films 120 can preferably be adapted to the level of the electrical energy to be transported by means of the power supply 110.
  • the stack 118 can in particular comprise 10 to 100 foils 120; however, another value for the number of foils 120 in the stack 118 is possible.
  • Each film 120, 120 ', 120 “, 120'” has an electrically conductive material that is designed to transport electrical energy.
  • electrically conductive reference is made to the definition above.
  • the electrically conductive material preferably comprises copper, other electrically conductive materials also being conceivable, as well as a separate electrical connection on each transverse side of each film 120, 120 ', 120 ", 120'”.
  • a first transverse side of each film 120, 120 ', 120 “, 120'” can have a first electrical connection 122, 122 ', 122 “, 122”' for receiving electrical energy from an energy source and the other transverse side of the film 120, 120 ', 120 “, 120'” each have a second electrical connection 124, 124 ', 124 ", 124"' for delivering the electrical energy to an application to be cooled, which is used to receive the electrical energy provided in this way Energy is set up, have, wherein each first electrical connection 122, 122 ', 122 ", 122”' and every second electrical connection 124, 124 ', 124 ", 124"' is encompassed by the film in question.
  • each film 120, 120 ', 120 “, 120'” has an electrically conductive connection part, which is preferably movable and in a position relative to the rest of the body of the film 120, 120 ', 120 “, 120' “Is at least partially tapered.
  • electrically conductive connection part which is preferably movable and in a position relative to the rest of the body of the film 120, 120 ', 120 “, 120' “Is at least partially tapered.
  • other types of arrangement and configuration of the electrical connections of the foils 120, 120 ', 120 ", 120'” are conceivable.
  • each film 120, 120', 120", 120 '" is a plurality of preferably arranged in parallel Flow channels 128, which preferably have a plurality of periodically arranged depressions and elevations located between them for guiding a refrigerant mixture on the lateral extent of the surface along the length of the film 120, 120 ', 120 ", 120'".
  • Flow channels 128, which preferably have a plurality of periodically arranged depressions and elevations located between them for guiding a refrigerant mixture on the lateral extent of the surface along the length of the film 120, 120 ', 120 ", 120'".
  • FIGS. 1 a and 1 b there is an inlet area 130 and an outlet area 130 'for the flow channels between the passages 126' and 126 "'as well as between the passages 126 and 126" and the associated plurality of flow channels 128 128, the choice of the arrangement of the inlet area 130 and the outlet area 130 'in the foils 120, 120', 120 “, 120 '” depending on a flow direction of the refrigerant mixture through the plurality of flow channels 128 selected during operation of the power supply 110.
  • FIGS ", 126 '" provided refrigerant mixture is set up on the flow channels 128 of the film 120, 120', 120 ", 120 '".
  • FIGS. 2a and 2b show schematic representations of preferred exemplary embodiments of an arrangement of the foils 120, 120 ', 120 ", 120"' and that of the flow channels 128 within a stack 118 in the power supply 110 according to the invention
  • the stack 118 comprised foils 120, 120 ', 120 ", 120'” preferably a first flow path 134 which is set up to receive the refrigerant mixture at high pressure level from a warm area of a cooling stage and a second flow path 134% which is used to receive the refrigerant mixture is set up at the low pressure level from a cold area of the cooling stage.
  • FIG. 2a schematically shows a first preferred sequence of the arrangement of the foils 120, 120 ', 120 “, 120'” in the stack 118.
  • the flow channels 128 are adjacent stacked foils 120, 120 “or 120 ', 120'” alternately set up in the stack 118 as a first flow path 134 and as a second flow path 134 '.
  • FIG. 2b schematically shows a further preferred sequence of the arrangement of the foils 120, 120 ', 120 ", 120'” in the stack 118.
  • the flow channels 128 are two adjacently stacked foils 120 ', 120' 'in the stack 118 as second flow path 134 'and set up as a third flow path 134 ′′ for the separate reception of a vapor phase and a liquid phase of the refrigerant mixture at low pressure level, while a further film 120, 120 ′′ adjoining each other has a first flow path 134 for receiving the refrigerant mixture at high pressure level Area.
  • the stack 118 can then be correspondingly further configured or can be continued according to the exemplary embodiment from FIG. 2a.
  • the flow channels 128 of two adjacent stacked foils 120 ′, 120 ′′ in the stack 118 can be used as the first flow path 134 be set up to receive the refrigerant mixture at the high pressure level, while a further film 120, 120 ′ ′′ adjoining it can have a second flow path 134 ′ for receiving the refrigerant mixture at the low pressure level.
  • further configurations of the arrangement of the foils of foils 120, 120 ", 120", 120 "" in stack 118 are conceivable.
  • Figures 3a to 3c show schematic representations of a preferred embodiment for the distribution element 132 in the inlet area 130 or in the outlet area 130 'for dividing a refrigerant mixture on the flow channels 128 in one of the foils 120 of the power supply 110 according to the invention
  • the distribution element 132 can preferably have a plurality of periodically arranged elevations 136 and depressions 138 located between them.
  • the elevations 136 can preferably assume the same level as the surface of the film 120, while the depressions 138 can preferably have the same channel depth as the flow channels 128.
  • the distribution elements 132, 132 ′ can advantageously serve, in particular, to prevent a maldistribution of the flow during operation during the distribution of the flow over a plurality of parallel flow channels 128.
  • FIGS. 4a to 4c each show a schematic representation of a preferred exemplary embodiment of a single-stage device 140 for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy from an energy source 142 arranged in a warm area 142 of the device 140 to one introduced in a cold area 146 of the device 140
  • Application 148 which in particular has at least one high-temperature superconductor 150 or a component which comprises at least one high-temperature superconductor 150.
  • the warm area 142 is preferably set up for ambient temperature and usually maintained at ambient temperature
  • the cold area 146 is typically at a cryogenic temperature during operation of the device 140.
  • a cooler 152 provides a refrigerant mixture which comprises a mixture of at least two components of refrigerants set up for the device 140, at least two of the components having a boiling point that differs from one another.
  • a high-boiling refrigerant mixture is used which comprises both at least one higher-boiling component and at least one lower-boiling component.
  • the at least one higher-boiling component can preferably be selected from a hydrocarbon and a fluorinated hydrocarbon, while the at least one lower-boiling component can preferably be selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium.
  • the at least one lower-boiling component can preferably be selected from oxygen, nitrogen, argon, neon, hydrogen and helium.
  • other substances are possible.
  • the present device 140 comprises two power supply lines 110, 110% arranged in the cold region 146, as described in particular above with regard to FIGS. 1 to 3c.
  • the introduction of the warm refrigerant mixture the warm area 142 into the cold area 146 takes place at high pressure level by means of a respective supply line 154, 154% each of which opens into a high pressure side 156, 156 'of the power supply lines 110, 110', which are set up as first heat exchangers 158, 158 'at the same time are designed as countercurrent heat exchangers in the exemplary illustration according to FIGS. 4a to 4c.
  • each of the first heat exchangers 158, 158 ' has a low-pressure side 160, 160' which is designed to deliver the cold refrigerant mixture to the warm area 142 by means of a discharge line 162, 162 '.
  • the warm refrigerant mixture supplied from the warm region 142 to each high-pressure side 156, 156 ′ thus has a higher temperature compared to the refrigerant mixture provided on each low-pressure side 160, 160 ′ for delivery to the warm region 142.
  • the cold refrigerant mixture provided on each low-pressure side 160, 160 ' contributes significantly to the cooling of the warm refrigerant mixture supplied on each high-pressure side 156, 156' from the warm area 142, whereby a transfer of thermal energy through the countercurrent heat exchanger can be designed more efficiently, that the refrigerant mixture, which is warm on each high-pressure side 156, 156 ', flows out of the warm region 124 in a direction which is opposite to a direction of the cold refrigerant mixture provided on each low-pressure side 160, 160'.
  • the refrigerant mixture which has already been partially cooled on each high-pressure side 156, 156 'in each first heat exchanger 158, 158' and originally supplied from the warm region 142, then passes via a further line 164, 164 'into a respective expansion device 166, 166', which is designed here as an expansion valve.
  • a respective expansion device 166, 166' which is designed here as an expansion valve.
  • an alternative embodiment of the expansion device 166, 166 'as a throttle capillary, diaphragm or sintered element is possible.
  • the expansion device 166, 166 ' is also located in the cold area 146 and is set up to cool the refrigerant mixture to the low-pressure level.
  • the expansion device 166, 166 'can preferably be set up to achieve the desired cooling of the refrigerant mixture by means of the Joule-Thomson effect, since the refrigerant mixture has been adapted in such a way that the Joule-Thomson coefficient ⁇ i defined according to equation (1) JT of the refrigerant mixture at the temperature of the cold side 146 of the device 146 has a positive value.
  • the expansion device 166, 166 'thus causes, on the one hand, the reduction of the pressure acting on the refrigerant mixture from the high pressure level to the low pressure level and, on the other hand, the desired further cooling of the refrigerant mixture.
  • the power supply 110 includes the first electrical connection 122 for receiving the electrical connection Energy in the form of a current 1+ from the energy source 144 and the second electrical connection 124 for delivering the electrical energy in the form of the current 1+ to the application 148, which is set up to receive the electrical energy provided in this way.
  • the second electrical connection 124 of the power supply 110 facing the application 148 in the cold region 146 is connected in an electrically conductive manner to a high-temperature superconductor 168.
  • the high-temperature superconductor 168 is advantageously arranged between the second electrical connection 124 of the power supply 110 and the application 148, so that in this way a further transport of the electrical energy from the power supply 110 to the application 148 is made possible with as little loss as possible.
  • the high-temperature superconductor 168 can in particular be designed as a tape or a cable.
  • the electrical energy is transported in the same way as loss-free as possible in the form of a current I- from the application 148 to the power supply 110 'via an associated high-temperature superconductor 168% that is electrically conductive with that of the application 148 is connected in the cold region 146 facing second electrical connection 124 'of the power supply 110'.
  • the power supply 110 ‘comprises the first electrical connection 122‘, which is set up to output the electrical energy in the form of the current I- from the application 148 via the power supply 110 ‘to the energy source 144.
  • the exemplary embodiment of the device 140 according to FIG. 4 b has two second heat exchangers 170, 170 ‘, which are each set up to cool the application 148 in the cold area 146.
  • the refrigerant mixture which has already been partially cooled on each high pressure side 156, 156 'in each first heat exchanger 158, 158', reaches the respective second heat exchanger via the further line 164, 164 'and the respective expansion device 166, 166' 170, 170 '.
  • the exemplary embodiment of the device 140 according to FIG. 4c has a single second heat exchanger 170, which is set up to cool the application 148, which is arranged in the cold region 146.
  • the refrigerant mixtures already partially cooled on each high-pressure side 156, 156 'in each first heat exchanger 158, 158' are brought together via the partially common further line 164 and passed via the single expansion device 166 to the single second heat exchanger 170.
  • the refrigerant is medium mixture from the single second heat exchanger 170 on both low-pressure sides 160, 160 'of the first heat exchangers 158, 158' and thus fed back to the warm area 142.
  • Figures 5a and 5b each show a schematic representation of a preferred embodiment in which the respective device 140 for generating cryogenic temperatures and for transporting electrical energy from the energy source 142 arranged in the warm area 142 of the device 140 to that in the cold area 146 of the device 140 introduced application 148 is designed in two stages.
  • the exemplary embodiment of the device 140 according to FIG. 5a has a precooler 172 in the warm area 142, which provides a further high-boiling refrigerant mixture which comprises a mixture of at least two components of refrigerants set up for precooling, with at least two here too of the components have a different boiling point from one another.
  • the introduction of the further refrigerant mixture from the warm area 142 into the cold area 146 takes place at high pressure level by means of a further supply line 174, 174 ', which are each set up in the high-pressure sides 156, 156' of the respective first heat exchangers 158, 158 ' Power supply lines 110, 110 'open.
  • the further refrigerant mixture which has already been partially cooled as a result, then arrives via a further line 176, 176 ‘in a further expansion device 178, 178‘.
  • the delivery of the cold refrigerant mixture to the warm area 142 takes place via the respective low-pressure side 160, 160 'of the first heat exchanger 158, 158 ‘by means of a respective further discharge line 180, 180‘.
  • the exemplary embodiment of the device 140 according to FIG. 5a compared to the exemplary embodiment according to FIG ", 110 '" to cool further.
  • the refrigerant mixture which has already been partially cooled in each first heat exchanger 158, 158% 158 ", 158 '"

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung (110, 110'...) zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle (144) zu einer Anwendung (148) oder von der Anwendung (148) zu der Energiequelle (144), wobei die Energiequelle (144) in einem warmen Bereich (142) angeordnet ist und wobei die Anwendung (148) in einem kalten Bereich (146) angeordnet ist, wobei die Stromzuführung (110, 110') einen Stapel (118), umfassend mindestens zwei Folien (120, 120'...), aufweist, wobei jede Folie (120, 120'...) ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport der elektrischen Energie eingerichtet ist, umfasst, wobei jede Folie (120, 120'...) jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme der elektrischen Energie oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweist, und wobei jede Folie (120, 120'...) eine Vielzahl von Strömungskanälen (128) zur Führung eines Fluidstroms umfasst, wobei der Fluidstrom ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfasst, wobei die von dem Stapel (118) umfassten Folien (120, 120',...) einen ersten Strömungsweg (134) durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme des Fluidstroms auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich (142) eingerichtet ist, und einen zweiten Strömungsweg (134') durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich (146) eingerichtet ist, aufweisen.

Description

Stromzuführung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung mindestens eine derartige Stromzuführung umfassende Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie sowie ihre Verwendung, insbesondere zur Kühlung und zum Betrieb von Hochtemperatur-Supraleitern bei einer kryogenen Temperatur von 15 K bis 90 K. Andere Anwendungen sind jedoch möglich. Stand der Technik
Eine geschlossene Kühlung auf kryogene Temperaturen von 15 K bis 90 K ist für viele Anwendungen in der Energietechnik, insbesondere von Stromzuführungen für Hochtemperatur-Supraleiter- Anwendungen, von hoher Bedeutung. Wie in T. Kochenburger, Kryogene Gemischkältekreisläufe für Hochtemperatursupraleiter-Anwendungen ,
Doktorarbeit, Karlsruher Institut für Technologie, 2019, ISBN 978-3-8439-3987-4, ausführlicher dargelegt, werden hierfür bevorzugt kryogene Gemischkältekreisläufe verwendet. Insbesondere mit dem Linde-Hampson-Kreisprozess lassen sich kryogene Temperaturen unter 120 K erreichen. Hierbei wird die gewünschte Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht, der eine Temperaturänderung bei adiabatischer, isenthalper Expansion eines realen Fluids beschreibt. Damit eine Abkühlung erzielt werden kann, weist der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient wobei der Term ( — ) eine partielle Ableitung der Temperatur T nach dem Druck p bei konstanter Enthalpie H und damit die Expansion bezeichnet, einen positiven Wert auf. Diese Bedingung ist über einen weiten Zustandsbereich vieler Fluide gegeben oder kann durch Vorkühlung von Fluiden erreicht werden. Da auch bei großen Druckdifferenzen eine Verringerung der Temperatur um mehr als 100 K in der Praxis nicht oder nur mit geringer Effizienz erreichbar ist, wird zur Erzielung kryogener Temperaturen unterhalb von 120 K das Fluid mittels eines inneren Gegenstromwärmeübertragers (Rekuperator) vor dem Entspannen vorgekühlt.
Der Linde-Hampson-Kreisprozess beginnt in einem Verdichter, in dem eine Verdichtung eines fluiden Kältemittels auf einen hohen Druck erfolgt, wobei eine hierdurch entstehende Verdichtungswärme in einem Nachkühler an eine Umgebung des Verdichters abgegeben wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Gegenstromwärmeübertrager abgekühlt. In einer Expansionseinrichtung, vorzugsweise ausgewählt aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterelement, expandiert das Kältemittel adiabatisch auf ein Niederdruck-Niveau und kühlt sich bei gegebenen positiven Joule- Thomson-Koeffizienten \iJT mittels des Joule-Thomson-Effekts weiter ab. Anschließend kann in einem Verdampfer ein Wärmestrom von einer zu kühlenden Anwendung, insbesondere dem Hochtemperatur-Supraleiter, aufgenommen werden. Abschließend wird das Kältemittel in dem Gegenstromwärmeübertrager wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt, bevor es zurück zum Verdichter fließt. Wird dieser Kreisprozess zur Kühlung von Stromzuführungen oder zur Verflüssigung tiefsiedender Fluide, wie z.B. Wasserstoff, verwendet, wird ein Wärmestrom von der Stromzuführung oder dem abzukühlenden Fluid auch innerhalb des Gegenstromwärmeübertragers von dem Kältemittel aufgenommen.
Um die Effizienz des Linde-Hampson-Kreisprozesses zu verbessern, kann eine hierdurch erfolgte Entropieerzeugung durch Veränderungen im Kreisprozess, z.B. einem Einsatz von mehrstufigen Verdichtungen, mehreren Wärmeübertragern oder Turbinen zur Expansion, verringert werden. Alternativ oder zusätzlich lassen sich thermodynamische Eigenschaften des Kältemittels durch Zugabe mindestens eines weiteren Kältemittels, das eine von dem Kältemittel abweichenden Siedepunkt aufweist, verändern. In einem so genannten „kryogenen Gemischkältekreislauf ‘ wird der Linde-Hampson-Kreisprozess statt mit einem Reinstoff mit einem weitsiedenden Vielkomponentengemisch als Kältemittel betrieben, wobei der Kreisprozess überwiegend in einem Zweiphasengebiet des Gemischs stattfindet. Im Fall, dass der Kreisprozess in Form von mindestens zwei Kühlstufen ausgeführt wird, kann jede Kühlstufe vorzugsweise ein eigenes weitsiedendes Vielkomponentengemisch aufweisen, so dass der Kreisprozess in jeder Kühlstufe überwiegend in einem Zweiphasengebiet des jeweiligen Kältemittelgemischs stattfindet. Dadurch kann das Kältemittelgemisch bereits am warmen Ende seiner Kühlstufe, z.B. in der ersten Kühlstufe in der Nähe der Umgebungstemperatur, seinen Taupunkt erreichen, wobei es anschließend während des Abkühlvorgangs sukzessiv kondensiert und nach dem Passieren des Siedepunkts weiter unterkühlt wird. Die Joule-Thomson-Expansion findet somit teils unterkühlt, teils mit hohen Flüssigkeitsanteilen statt. Durch Wahl der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches einer Kühlstufe kann hierbei die effektive Wärmekapazität der Kältemittel ströme der betreffenden Kühl stufe in dem Gegenstromwärmeübertrager derart gesteuert werden, dass sich die Temperaturdifferenz sowohl zwischen den Kältemittel strömen der Kühlstufe, bevorzugt zu einem Kältemittelgemisch mindestens einer weiteren Kühlstufe oder zu einem zu verflüssigenden oder abzukühlenden Gasstrom, bevorzugt über die gesamte Strömungslänge des Gegenstromwärmeübertragers, auf ein Minimum reduziert. Ein weiterer Gesichtspunkt kann der bei einigen Kältemittelgemischen auftretende Zerfall des Fluids in zwei flüssige Phasen sein. Hierbei können sich die beiden flüssigen Phasen durch Polarität, Fluorierungsgrad oder Kettenlänge ihrer Komponenten unterscheiden.
Um eine effiziente Kühlung zu erreichen, können die thermodynamischen Eigenschaften des verwendeten Kältemittelgemischs einer Kühl stufe entsprechend eingestellt werden. Ein effizientes Kältemittelgemisch besitzt einen Taupunkt, der auf Hochdruck-Niveau in der Nähe der Rückkühltemperatur der betreffenden Kühlstufe liegt. Während in der ersten Kühlstufe die Rückkühltemperatur üblicherweise im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, liegt in mehrstufigen Prozessen die Rückkühltemperatur einer Kühlstufe im Bereich der durch die isenthalpe Expansion der vorgeschalteten Kühlstufe erzeugten Kühl temperatur. Die Temperatur des Taupunktes einer Kühlstufe lässt sich insbesondere durch Wahl und Anteile von höher siedenden Komponenten für die betreffende Kühlstufe beeinflussen. Die Siedetemperatur des Kältemittelgemischs einer Kühlstufe sollte vorzugsweise auf dem Niederdruck-Niveau knapp unterhalb der Kühltemperatur liegen, um die Entropieerzeugung durch einen hohen Flüssigkeitsanteil bei der Expansion in der Expansionseinrichtung möglichst gering zu halten. Auswahl und Anteile an tiefersiedenden Komponenten haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Siedetemperatur. Um bei den oben angegebenen Temperaturspannen jeweils die gewünschte hohe Effizienz zu erzielen, umfasst das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe somit sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe insgesamt weitsiedend ist. In der Praxis kann das Kältemittelgemisch der ersten Stufe daher bevorzugt etwa vier bis fünf Kältemittel mit höheren Siedepunkten und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Kohlenwasserstoffen und fluorierten Kohlenwasserstoffen, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, und bevorzugt Anteile tiefsiedender Komponenten, insbesondere ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch, das für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Kühlstufe vorgekühlt wird, eingesetzt wird, kann in der Praxis etwa zwei bis vier Kältemittel mit höheren und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, wobei jeweils keine Komponenten ausgewählt werden, die bei Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können.
Die Verwendung eines weitsiedenden Kältemittelgemischs ermöglicht es somit, dass das Kältemittelgemisch auf der Hochdruck- Seite eines Gegenstromwärmeübertragers sukzessiv partiell kondensiert, während es auf der Niederdruck-Seite des Gegenstromwärmeüber tragers sukzessive partiell verdampft. Durch Auswahl der Komponenten für das Kälte mittelgemisch und Einstellen ihrer Konzentrationen kann somit ein vorteilhaftes Angleichen von Kapazitätsströmen auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite des Gegenstromwärmeübertragers erfolgen. Die Optimierung der Zusammensetzung des Kältemittelgemischs kann soweit erfolgen, dass die Wärmeübertragung über den gesamten Temperaturbereich bei einer minimalen Temperaturdifferenz DT zwischen den Stoffströmen erfolgen kann, wodurch sich eine erhebliche Effizienzsteigerung erzielen lässt.
Zur Übertragung einer möglichst hohen Leistung Q von der warmen Seite auf die kalte Seite der Kühlstufe kann, basierend auf Wärmeübertragungskinetik gemäß Gleichung (2)
Q = a A AT, (2) wobei a ein Wärmeübergangskoeffizient ist, hergeleitet werden, dass aufgrund einer minimalen Temperaturdifferenz DT ein Gegenstromwärmeübertrager, der eine sehr große Übertragungsfläche A aufweist, bevorzugt ist. Daher wäre es vorteilhaft, einen Gegenstrom wärmeübertrager anzugeben, der über eine möglichst große Übertragungsfläche A verfügt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Stromzuführungen bekannt, die dazu eingesetzt werden, um elektrische Energie, insbesondere in Form eines elektrischen Stroms, von einer Energiequelle, die sich in einem warmen Bereich der Kühlstufe, insbesondere bei Raumtemperatur, befindet, zu einer Anwendung, die in einem kalten Bereich, insbesondere bei einer kryogenen Temperatur von 15 K bis 90 K angeordnet ist, zu transportieren. Hierbei kann, abhängig von dem verwendeten Kühlungsverfahren, eine Stromzuführung abgas gekühlt oder leistungsgekühlt betrieben werden. In leistungsgekühlten Stromzuführungen erfolgt die Kühlung in der Regel auf einfache, aber ineffiziente Weise nur am kalten Ende, insbesondere mittels eines Kryokühlers oder einer tiefsiedenden Flüssigkeit. Mittels Einsatz einer mehrstufigen Kühlung lässt sich die Effizienz schrittweise verbessern, wobei jedoch gleichzeitig der technische Aufwand steigt. Darüber hinaus sind weiterte Arten der Kühlung bekannt, insbesondere unter Verwendung von Peltier-Elementen, siehe z.B. S. Yamaguchi, M. Emoto, T. Kawahara, M. Hamabe, H. Watanabe, Y. Ivanov, Jian Sun, N. Yamamoto, A. Iiyoshi, A Proposal of Multi-stage current lead for reduction ofheat leak , Physics Procedia 27 (2012 ) 448-451.
E. Shabagin und S. Grohmann, Development of 10 kA Current Leads Cooled by a Cryogenic Mixed-Refrigerant Cycle , IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 502 (2019) 012138, doi:10.1088/1757-899X/502/l/012138, beschreiben einen Multi-Rohr-in-Rohr Gegenstromwärmeübertrager, der um einen Kupfer-Kern gewickelt ist, dessen Länge mehr als 1,2 m beträgt. Zur Kühlung auf ein Temperaturniveau von ca. 80 K einer supraleitenden Anwendung wird das kalte Ende zusätzlich in einem Kryokühler oder flüssigen Stickstoff eingebracht. Eine kürzere Verbindung zu dem kalten Ende würde eine Temperatur verringerung bewirken, die zu einem unerwünschten Ausfrieren des Kältemittelgemischs führen könnte.
Dmitri Goloubev, Kühlung eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers mit einer Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine , Dissertation, Technische Universität Dresden, 2003, beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch- Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL- Strombegrenzers. In der Zusammenfassung wird vorgeschlagen, einen direkten Kontakt zwischen der Stromzuführung und dem Gemisch-Kühl ström, der brennbare Komponenten beinhaltet, zu vermeiden, sowie Druckverluste auf der Niederdruckseite der Gemisch-Kältemaschine zu reduzieren. Als optimale Kombination wird eine relativ lange Stromzuführung sowie ein Stickstoff-Kühl ström mit relativ kleinem Flüssigkeitsanteil von ca. 15 % am kalten Ende der Stromzuführung ermittelt.
D. Gomse, A. Reiner, G. Rabsch, T. Gietzelt, J.J. Brandner, S. Grohmann, Micro-structured heat exchanger for cryogenic mixed refrigerant cycles , IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 278 (2017) 012061, doi:10.1088/1757-899X/278/l/012061, beschreiben einen mikrostrukturierten Gegenstromwärmeübertrager, der 60 mittels Diffusionsschweißen in Form eines Stapels verbundene dünne Platten aus Edelstahl umfasst. Mittels eines Ätz verfahrens sind in jede Platte jeweils 50 parallele Strömungskanäle mit einer Kanalbreite von 400 pm, einer Kanaltiefe von 200 gm und einer Kanallänge von 20 cm eingebracht, wobei zwei gegenüberliegende Platten jeweils derart angeordnet sind, dass sich runde Strömungskanäle mit einem Durchmesser von 400 pm ausbilden. Weiterhin weist jede Platte vier Positionierungslöcher zur Ausrichtung der Platten und vier ausgeschnittene Bereiche auf, die Kopfzeilen ausbilden. DE 10 2016 011 311 Al offenbart ein Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführung eines Verbrauchers mit tiefkaltem Gas, wobei die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist und das tiefkalte Gas als Kühlmittel durch den Plattenwärmetauscher geführt wird. Beschrieben wird weiterhin der Aufbau einer gasgekühlten Stromzuführung, welche als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.
DE 102005 005 780 Al offenbart eine Stromführungseinrichtung für einen Tieftemperatur leiter mit mindestens einem elektrischen Leiter, der eine warme und eine mit dem Tief temperaturleiter verbundene, kalte Kontaktstelle aufweist und mit mindestens einem Kühl mittelkanal, der zumindest an einer Seite durch den Leiter begrenzt wird. Es wird vorge schlagen, dass der Kühlmittelkanal Führungselemente aufweist, mit denen eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle erzwungen und lokal die Geschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt werden kann.
DE 199 04 822 CI offenbart, dass bei einem Verfahren ein tiefkaltes Gas als erstes Kälte mittel in einem ersten Kreislauf geführt wird und dass mit Hilfe des tiefkalten Gases die Stromzuführungen oder der Verbraucher mit Stromzuführungen direkt gekühlt werden, wobei das tiefkalte Gas im Gegenstrom zur einfließenden Wärme entlang der Stromzu führungen geführt wird und wobei das erste Kältemittel mit einem zweiten Kältemittel gekühlt wird, welches zweite Kältemittel in einem zweiten, separaten Kreislauf geführt wird.
DE 21 63 270 C offenbart eine Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tief temperatur gekühlten Leitern, deren Ende an einem Normalleiter angeschlossen ist, der in einem Gasstrom eines verdampften Kühlmediums angeordnet ist, wobei der Gasstrom des verdampften Kühlmediums in Einzelströme aufgeteilt ist, die jeweils einen Strömungskanal durchströmen, der von wenigstens zwei Wänden aus elektrisch isolierendem Material begrenzt ist, deren Abstand nicht mehr als 30 mm beträgt.
US 4 992 623 A offenbart ein elektronisches System mit Komponenten für niedrige Temperatur an verschiedenen Stellen innerhalb des Systems, wobei kryogenes Fluid und elektrische Leistung mittels derselben Leitung verteilt werden. Die Leitung besteht aus einem Zuführungsabschnitt und einem Rückführungsabschnitt, wobei jeder Abschnitt einen Kanal zum Fördern des kryogenen Fluids mit supraleitenden Wänden zum Fördern der elektrischen Leistung umfasst. Alternativ kann die Leitung einen Kupferstab mit darin ausgebildeten Kanälen für den Transport des kryogenen Fluids und einen Kanal zur Aufnahme eines Stabes aus supraleitendem Material umfassen. Der supraleitende Stab leitet den elektrischen Strom zu einem Teilsystem, während er durch das kryogene Fluid gekühlt wird, wobei das kryogene Fluid an seinem Bestimmungsort weiterhin zu Kühlzwecken verwendet wird. Weiter alternativ kann kryogenes Fluid mittels eines Paares von konzen trischen Leitungen transportiert werden, wobei die Wände jeder Leitung supraleitendes Material zur gleichzeitigen Bereitstellung von elektrischem Strom zu den Subsystemen, die das kryogene Fluid verwenden, umfassen.
WO 2003/081104 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für ein Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel. Der Mantel wird durch Ko-Extrusion eines zylindrischen Rohlings mit mindestens zwei konzentrischen Zylindern hergestellt. Weiterhin wird ein Mantel für ein Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel vorgeschlagen, der nach dem genannten Verfahren hergestellt wird. Der Mantel besteht aus einem Rohr mit einer mehrschichtigen Wandung, umfassend: eine Reinsilber-Innenschicht und mindestens eine zweite Silberbasis-Legierungsschicht.
Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie und ihre Verwendung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
Insbesondere sollen im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich kompaktere und effizientere Stromzuführungen bereitgestellt werden, die es erlauben, eine entstehende Verlustleistung möglichst unmittelbar an demjenigen Ort abzuführen, an dem sie in Wärme umgewandelt werden kann. Hierbei soll die Wärme möglichst auf dem jeweils höchst möglichen Temperaturniveau abgeführt werden können, um thermodynamisch zu einer Effizienzsteigerung im Vergleich zum Stand der Technik zu gelangen, gemäß dem die Kühlung der Stromzuführung entweder nur an ihrem kalten Ende oder mit höheren Temperaturdifferenzen zu einem Gasstrom erfolgt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie und ihre Verwendung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicherWeise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale. In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromzuführung zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle, wobei die Energiequelle in einem warmen Bereich angeordnet ist und wobei die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist,
- wobei die Stromzuführung einen Stapel, umfassend mindestens zwei Folien, aufweist,
- wobei jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport der elektrischen Energie eingerichtet ist, umfasst,
- wobei jede Folie jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme der elektrischen Energie oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweist,
- wobei jede Folie eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Führung eines Fluidstroms umfasst.
Hierbei bezeichnet der Begriff der „Stromzuführung“ eine Einrichtung, die zum Transport von elektrischer Energie, insbesondere in Form eines elektrischen Stroms, von mindestens einer Energiequelle zu mindestens einer Anwendung oder von der mindestens einen Anwendung zu der mindestens einen Energiequelle eingerichtet ist. In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist die Stromzuführung insbesondere dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom aus einem normalleiten Stromkreis, der die mindestens eine Energiequelle umfasst, in einen, mindestens einen Supraleiter, insbesondere einen Hochtemperatur-Supraleiter, umfassenden Stromkreis zu transportieren, bevorzugt um einen möglichst verlustfreien Weitertransport des elektrischen Stroms in dem mindestens einen Supraleiter, insbesondere in dem mindestens einen Hochtemperatur-Supraleiter, zu ermöglichen. Andere Arten von Anwendungen sind jedoch denkbar.
Erfindungsgemäß befindet sich die Energiequelle in einem warmen Bereich einer Kühlstufe einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen, die auch als „Kälteanlage“ bezeichnet werden kann, während die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist. Grundsätzlich umfasst jede Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen mindestens eine Kühlstufe, die jeweils einen kalten Bereich und einen warmen Bereich aufweist. Hierbei bezeichnet der „warme Bereich“ einen ersten Teilbereich der Vorrichtung, der eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem kalten Bereich aufweist. Im Falle von mindestens zwei Kühlstufen kann die Vorrichtung derart ausgeführt sein, dass zumindest ein Teil des warmen Bereichs der jeweils nachfolgenden Kühlstufe dem kalten Bereich der jeweils vorangehenden Stufe entsprechen kann. Vorzugsweise ist der warme Bereich der ersten auch als „Vorkühl stufe“ bezeichneten Kühlstufe für Umgebungstemperatur eingerichtet und wird üblicherweise mindestens bei Umgebungstemperatur gehalten, wobei insbesondere in einem Verdichter auch höhere Temperaturen, etwa bis zu 150 °C, auftreten können. Der Begriff der „Umgebungstemperatur“ betrifft hierbei eine Temperatur von 273 K, bevorzugt von 288 K, besonders bevorzugt von 293 K, bis 313 K, bevorzugt bis 303 K, besonders bevorzugt bis 298 K.
Demgegenüber bezeichnet der „kalte Bereich“ einen weiteren Teilbereich der betreffenden Kühlstufe der Vorrichtung, welcher für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der jeweiligen kryogenen Temperatur dient. Der Begriff „kryogene Temperatur“ umfasst hierbei eine Temperatur von 10 K, bevorzugt von 15 K, bis 120 K, bevorzugt bis 90 K. Insbesondere um den kalten Bereich auf eine kryogenen Temperatur zu bringen und auf einer kryogenen Temperatur zu halten, ist der kalte Bereich in einen Kryostaten, bevorzugt einen vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht. Andere Arten von Kryostaten sind jedoch möglich.
Erfindungsgemäß weist die Stromzuführung einen Stapel auf, der mindestens zwei Folien umfasst. Der Begriff der „Folie“ bezieht sich hierbei auf einen dünnen ausgedehnten Körper eines elektrisch leitfähigen Materials, das zum Transport von elektrischer Energie eingerichtet ist. Bevorzugt kann die Folie eine Oberfläche in Form einer lateralen Ausdehnung, umfassend eine Folienlänge und einer Folienbreite, aufweisen, wobei die Folienbreite eine senkrecht zur lateralen Ausdehnung ausgebildete Foliendicke um einen Faktor von mindestens 10, bevorzugt mindestens 25, besonders bevorzugt mindestens 50, insbesondere mindestens 100 übersteigen kann. Vorzugsweise kann die Folie
- eine Folienlänge von mindestens 5 cm, bevorzugt von mindestens 10 cm, insbesondere von 20 cm bis 25 cm, bis höchstens 1 m, bevorzugt bis höchstens 50 cm;
- eine Folienbreite von mindestens 2 cm, bevorzugt von mindestens 5 cm, insbesondere von 10 cm bis 20 cm, höchstens bis 50 cm, bevorzugt höchstens bis 25 cm; und
- eine Foliendicke von mindestens 200 pm, bevorzugt von mindestens 250 pm, insbesondere von 400 pm bis 500 pm, höchstens bis 2 mm, bevorzugt höchstens bis 1 mm aufweisen. Insbesondere für die Wahl der Foliendicke ist es vorteilhaft zu beachten, dass diese, wie unten näher erläutert, mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden und daher derart ausgestaltet sind, dass diese einen damit verbundenen Energieeintrag ohne Beschädigung oder gar Zerstörung aushalten können. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Werte für die Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke denkbar; allerdings ist es besonders vorteilhaft, wenn die Foliendicke den angegebenen Wert von 1 mm, ab dem sie eher als „Plattendicke“ zu bezeichnen wäre, nicht übersteigt.
Der Begriff des „Stapels“ betrifft eine Anordnung, welche die mindestens zwei Folien, die jeweils parallel zu ihren Oberflächen in der lateralen Ausdehnung aufeinandergelegt und bevorzugt mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind, umfasst. Insbesondere um einen Überstand zwischen benachbart angeordneten Folien in dem Stapel zu vermeiden, können alle Folien des Stapels bevorzugt dieselbe Folienlänge und dieselbe Folienbreite aufweisen. Um, wie unten näher erläutert, eine möglichst gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms gemäß den Kirchhoffschen Gesetzen auf möglichst alle Folien in dem Stapel zu ermöglichen, können zudem alle Folien des Stapels bevorzugt dieselbe Foliendicke aufweisen. Der Stapel kann mindestens zwei Folien, bevorzugt mindestens 10 Folien, besonders bevorzugt mindestens 25 Folien, insbesondere 50 bis 60 Folien, bis 250 Folien, bevorzugt bis 200 Folien, besonders bevorzugt bis 100 Folien umfassen. Ein anderer Wert für die Anzahl der Folien in dem Stapel ist jedoch möglich. Hierdurch können insbesondere die Anzahl, Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke der Folien an eine Höhe einer mittels der Stromzuführung zu transportierenden elektrischen Energie, insbesondere einer zu erwartenden Stromstärke, angepasst werden.
Wie bereits erwähnt, umfasst jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport elektrischer Energie eingerichtet ist. Ein Material ist dann „elektrisch leitfähig“, wenn es einen Transport von elektrischer Energie, insbesondere von elektrischen Ladungs trägern in Form eines elektrischen Stroms, durch das Material hindurch ermöglicht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das elektrisch leitfähige Material ein Metall, insbesondere ein hochleitfähiges Metall, das eine elektrische Leitfähigkeit s von mindestens 106 S/m, bevorzugt von mindestens 107 S/m, bevorzugt von mindestens 2· 107 S/m, aufweist. Zu diesen Metallen gehören insbesondere Kupfer (s ~ 5,8· 107 S/m), Aluminium (s ~ 3,7· 107 S/m) und Messing (s ~ 2,4· 107 S/m), wobei Kupfer und Aluminium besonders bevorzugt sind. Aufgrund seiner niedrigeren elektrische Leitfähigkeit s < 107 S/m ist Edelstahl weniger bevorzugt.
Weiterhin ist Kupfer gegenüber Aluminium besonders bevorzugt, da eine aus Kupferfolien hergestellte Stromzuführung eine spezifische Oberfläche oberhalb von 1000 m2/m3 bis zu 10.000 m2/m3 aufweist, während die spezifische Oberfläche für Aluminiumplatten lediglich 100 m2/m3 bis zu 1000 m2/m3 beträgt.
Um eine Aufnahme der elektrischen Energie aus der Energiequelle und eine Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung zu ermöglichen, weist jede Folie jeweils einen elektrischen Anschluss auf. Der Begriff des „elektrischen Anschlusses“ betrifft hierbei eine Einrichtung einer Folie, die zur Aufnahme von elektrischer Energie in die Folie und/oder zur Abgabe von elektrischer Energie aus der Folie eingerichtet ist. Insbesondere ist an jeder Querseite der Folie ein eigener elektrischer Anschluss angebracht, so dass daher an einer ersten Querseite der Folie die Aufnahme der elektrischen Energie aus der Energiequelle oder die Abgabe der elektrischen Energie an die Energiequelle und an der anderen Querseite der Folie die Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung oder die Aufnahme der elektrischen Energie aus der Anwendung möglich ist. Bevorzugt kann der elektrische Anschluss an mindestens einer der Querseiten, besonders bevorzugt an beiden Querseiten, der Folie in Form einer elektrisch leitfähigen Anschlussfahne ausgestaltet sein. Der Begriff der „Anschlussfahne“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils ein an der betreffenden Querseite der Folie eingerichtetes elektrisch leitfähiges Anschlussteil, das vorzugsweise in einer beweglichen Form, besonders bevorzugt in einer verjüngten und/oder konisch zulaufenden Form vorliegt, wobei das Anschlussteil vorzugsweise von der jeweiligen Folie umfasst wird. In Bezug auf den Begriff „elektrisch leitfähig“ wird auf die obige Definition verweisen. In vorteilhafter Weise kann so jede Folie in dem Stapel einzeln kontaktiert werden, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms gemäß den Kirchhoffschen Gesetzen auf möglichst alle Folien in dem Stapel zu erlauben. Andere Arten der Ausgestaltung des elektrischen Anschlusses sind jedoch denkbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der der Anwendung in dem kalten Bereich zugewandte elektrische Anschluss der Folie eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Hochtemperatur-Supraleiter aufweisen, wobei der Hochtemperatur-Supraleiter zwischen dem elektrischen Anschluss der Stromzuführung und der Anwendung angeordnet ist. Der Hochtemperatur-Supraleiter kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Strom zufuhrung und der Anwendung supraleitend ausgestaltet sein, insbesondere in Form eines Hochtemperatur-Supraleiters, um so einen möglichst verlustfreien Weitertransport des elektrischen Stroms von der Stromzuführung zu der Anwendung oder von der Anwendung zu der Stromzuführung zu ermöglichen. Der Begriff des „Hochtemperatur-Supraleiter- Bandes“ bezeichnet hierbei einen bandförmig ausgestalteten elektrischen Leiter, der zumindest teilweise einen Hochtemperatur-Supraleiter umfasst. Der Begriff des „Hochtemperatur-Supraleiter-Kabels“ bezeichnet hierbei einen kabelförmigen elektrischen Leiter, der zumindest teilweise einen Hochtemperatur-Supraleiter umfasst. Ein Hochtemperatur-Supraleiter-Kabel kann mehrere Filamente umfassen, die einzeln oder in Gruppen mit der Folie, oder mit mehreren Folien, elektrisch leitend verbunden sein können.
Erfindungsgemäß umfasst jede Folie weiterhin eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Führung eines Fluidstroms. Bevorzugt kann der Fluidstrom hierbei ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen. Der Gasstrom kann hierbei ein Gas oder ein beliebiges Gemisch aus mindestens zwei Gasen umfassen, wobei das Gas ausgewählt sein kann insbesondere aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Wie eingangs erwähnt, bezeichnet der Begriff des „Kältemittelgemischs“ eine Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff des „Kältemittels“ jeweils ein bevorzugt inertes Fluid, das bei Eintritt in den kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe einen positiven Joule-Thomson-Koeffizient \iJT > 0 aufweist, und das somit zur Verwendung als Mittel zur Erzeugung der kryogenen Temperatur in einer Kühlstufe des Linde-Hampson-Kreisprozesses geeignet ist. Um vor allem bei einer Abkühlung um die oben genannten Temperaturspanne von etwa 300 K auf 15 K bis 90 K eine hohe Effizienz erzielen zu können, umfasst das Kältemittelgemisch für die jeweilige Kühlstufe jeweils sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch insgesamt als „weitsiedend“ bezeichnet werden kann. Vorzugsweise umfasst das Kältemittelgemisch für jede Kühlstufe daher mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, bis acht, bevorzugt bis sechs, bevorzugt bis fünf Kältemittel, wobei mindestens eines der Kältemittel eine höhersiedende Komponente und mindestens ein weiteres der Kältemittel eine tiefersiedende Komponente darstellt. Der Begriff „höhersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur am Eintritt in den kalten Bereich der jeweiligen Kühlstufe aufweist. Für den Begriff des „kalten Bereichs“ wird auf die obige Definition verweisen. Der Begriff „tiefersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Temperatur der höhersiedenden Komponente der jeweiligen Kühlstufe liegt. Die am tiefsten siedende Komponente des Kältemittelgemischs der jeweiligen Kühlstufe weist eine Siedetemperatur auf, die unterhalb der Temperatur nach der isenthalpen Expansion der jeweiligen Kühlstufe liegt und somit insbesondere eine kryogene Temperatur sein kann. Für den Begriff der „kryogenen Temperatur“ wird auf die obige Definition verwiesen. Insbesondere für die Vorkühlstufe kann hierbei die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Vorkühlstufe vorgekühlt wird, kann bevorzugt ein Kältemittel umfassen, ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die bevorzugt in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt werden, wobei vorzugsweise jeweils solche Komponenten vermieden werden, die bei den Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können. Andere Arten von Kältemitteln sind möglich.
Wie bereits erwähnt, umfasst jede Folie zur Führung des Fluidstroms eine Vielzahl von Strömungskanälen. Der Begriff des „Strömungskanals“ bezeichnet hierbei eine in die jeweilige Folie eingebrachte längliche Vertiefüng, die sich insbesondere über die gesamte Folienlänge der betreffenden Folie, insbesondere abzüglich mindestens eines Eintritts bereichs und mindestens eines Austrittsbereichs, erstrecken kann, und die daher zur Aufnahme des Fluidstroms aus einem ersten Bereich, ausgewählt aus dem warmen Bereich oder dem kalten Bereich einer Kühlstufe, zur Führung des Fluidstroms über die Folie und zur Abgabe des Fluidstroms an einen zweiten Bereich, ausgewählt aus dem jeweils anderen Bereich der betreffenden Kühlstufe, eingerichtet ist. Besonders bevorzugt können hierbei Anzahl, Form und Ausgestaltung der Strömungskanäle derart gewählt werden, dass der Fluidstroms möglichst in einer laminaren Strömung die Vielzahl der Strömungskanäle in den Folien durchströmt.
Die Vielzahl der Strömungskanäle kann vorzugsweise mittels eines subtraktiven Verfahrens, insbesondere ausgewählt aus einem Ätzverfahren oder aus Mikrofräsen, in die jeweilige Folie eingebacht werden, wodurch die betreffende Folie auch als „mikrostrukturierte Folie“ bezeichnet werden kann. Hierbei kann jeder Strömungskanal grundsätzlich einen beliebigen Kanal quer schnitt aufweisen, der zur Oberfläche der Folie hin eine Öffnung aufweist. Insbesondere bei Einsatz des Ätzverfahrens wird fertigungsbedingt ein halbrunder Kanal querschnitt erzeugt, während beim Mikrofräsen auch andere Arten der Kanal quer schnitte möglich sind; allerdings benötigt eine Fertigung der Strömungskanäle mittels Mikrofräsen gegenüber den Ätzverfahren einen höheren Zeitaufwand.
Jede Folie kann hierbei mindestens 10 Strömungskanäle, bevorzugt mindestens 20 Strömungskanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Strömungskanäle, insbesondere 50 bis 100 Strömungskanäle, bis 500 Strömungskanäle, bevorzugt bis 250 Strömungskanäle, besonders bevorzugt bis 200 Strömungskanäle, umfassen. Eine andere Anzahl der Strömungskanäle in der Folie ist jedoch möglich. Insbesondere um eine Fertigung der Strömungskanäle zu vereinfachen, können hierbei alle Strömungskanäle in einer Folie, vorzugsweise in jeder Folie, bevorzugt dieselbe Kanallänge, Kanalbreite, Kanaltiefe und Stegbreite aufweisen und parallel zueinander in periodischer Abfolge in der Folie angeordnet sein, wobei
- die Kanallänge bevorzugt der Folienlänge der zugehörigen Folie entsprechen kann insbesondere abzüglich mindestens eines Eintrittsbereichs und mindestens eines Austrittsbereichs;
- die Kanalbreite mindestens 100 pm, bevorzugt mindestens 250 pm, insbesondere 400 pm bis 500 pm, höchstens bis 2 mm, bevorzugt höchstens bis 1 mm betragen kann, wobei eine Stegbreite, mit welcher benachbarte Strömungskanäle voneinander entfernt sind, mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 1,0, insbesondere von 1,0 bis 2,0, höchstens 5,0, bevorzugt höchstens 2,5 der Kanalbreite der Strömungskanäle betragen kann; und - die Kanaltiefe mindestens 50 mih, bevorzugt von mindestens 100 gm, insbesondere von 200 gm bis 250 gm, höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 500 gm, jedoch weniger als die Foliendicke, bevorzugt weniger als 75 % der Foliendicke, besonders bevorzugt weniger als 50 % der Foliendicke, betragen kann, so dass eine ausreichende Bodenstärke der Folie verbleiben kann, wobei ein Verhältnis von Kanalbreite zu Kanaltiefe, insbesondere bei Verwendung eines Ätzverfahrens, bevorzugt von 1,0 bis 3,0, insbesondere von etwa 2,0, betragen kann, während bei einem Einsatz von Mikrofräsen andere Werte möglich sind. Andere Werte für die Kanallänge, Kanalbreite und Kanaltiefe der Strömungskanäle sind jedoch denkbar.
Wie oben bereits erwähnt, kann es weiterhin vorteilhaft sein zu beachten, dass die Folien mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden und daher insbesondere eine ausreichende Bodenstärke und Stegbreite aufweisen, so dass die Folien den damit verbundenen Energieeintrag ohne Beschädigung oder gar Zerstörung aushalten können. Weiterhin weist das Diffusionsschweißen den Vorteil auf, dass dadurch der Stapel aus den Folien nur ein einheitliches Material umfasst; insbesondere kann hierdurch auf ein Lot als weiteres Material in dem Stapel verzichtet werden. Auf diese Weise kann ein monolithisches Design bereitgestellt werden, mit dem sich Thermospannungen, die zu Undichtigkeiten während des Betriebs der Stromzufuhrungen führen können, effektiv verhindern lassen.
Unabhängig von der Art der Ausgestaltung der Strömungskanäle, sind die Strömungskanäle jeweils vorzugsweise ausschließlich auf eine einzelne Seite der Oberfläche jeder Folie eingebracht. Damit können benachbarte Folien, insbesondere Folien, die unterschiedlichen Strömungswegen zugeordnet sind, derart in den Stapel eingebracht sein, dass die Öffnungen der Strömungskanäle auf der Oberfläche der Folien einander abgewandt angeordnet sind. Damit lässt sich ein in Gomse et al., s.o., beschriebener Versatz zwischen einander zugewandt angeordneten Strömungskanälen benachbarter Folien vermeiden. Zu weiteren Details der Anordnung der Folien in dem Stapel, die auch als „Stapelung“ bezeichnet werden kann, wird auf die Ausführungsbeispiele verweisen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Anordnung der Strömungskanäle in einzelnen oder allen Folien denkbar, einschließlich einer Anordnung der Strömungskanäle auf beiden Seiten einer Folie, was jedoch in der Regel mit Nachteilen, insbesondere einem Versatz oder einem höheren Fertigungsaufwand, verbunden ist.
Die von dem Stapel umfassten Folien weisen
- einen ersten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist; und - einen zweiten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe, oder zur Aufnahme einer Flüssigphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist auf. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik handelt es sich um einen Gegenstrom- Wärmeübertrager mit Hochdruckstrom und Niederdruckstrom des Kühlmediums, wobei der Hochdruckstrom aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich in Fließrichtung des elektrischen Stroms fließt, während der Niederdruckstrom in die entgegengesetzte Richtung aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich fließt.
Darüber hinaus können die von dem Stapel umfassten Folien bevorzugt mindestens einen weiteren Strömungsweg aufweisen, ausgewählt aus:
- einem dritten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme einer Dampfphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist;
- einem vierten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des abzukühlenden Gasstroms oder des zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist.
In dieser Ausgestaltung kann vorzugsweise eine getrennte Aufnahme einer Dampfphase und einer Flüssigkeitsphase des Kältemittelgemischs erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können hierbei die Strömungskanäle jeder Folie entweder als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck- Niveau aus dem warmen Bereich, als zweiter oder dritter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich, oder als vierter Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet sein. Durch Anpassung der Geometrie der Strömungskanäle und/oder eines Verhältnisses der Anzahl der Folien, die den ersten Strömungsweg umfassen, zur Anzahl der Folien, die den zweiten, dritten oder vierten Strömungsweg umfassen, lassen sich Druckverluste und Wärmeübertragerflächen auf einfache Weise einstellen.
In Bezug auf eine Reihenfolge der Anordnung der Folien in dem Stapel können insbesondere folgende Ausgestaltungen bevorzugt sein:
- Die Strömungskanäle benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können abwechselnd als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau und als zweiter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sein. - Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine hieran jeweils angrenzende weitere Folie zweite oder dritte Strömungswege zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweist.
- Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als zweiter oder dritter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine jeweils hieran angrenzende weitere Folie Strömungskanäle im ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau oder im vierten Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe aufweist.
- Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als vierter Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet sein, während eine hieran angrenzende weitere Folie Strömungskanäle in dem ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau, oder in dem zweiten oder dritten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweist.
Weiter Ausgestaltungen der Anordnung der Folien in dem Stapel sind jedoch möglich. Durch eine derartige lagenweise oder intervallmäßige abwechselnde Einrichtung der ersten und der zweiten Strömungswege, sowie optional der dritten Strömungswege und/oder der vierten Strömungswege, lässt sich so eine Durchströmung des Stapels im Gegenstrom erreichen.
Jede Folie weist einen Eintrittsbereich und Austrittsbereich für die Strömungskanäle auf, wobei der „Eintrittsbereich“ einen ersten Abschnitt der Folie bezeichnet, der an einen ersten Bereich der Strömungskanäle angrenzt, der zu einem Eintritt des Fluidstroms in die Strömungskanäle eingerichtet ist, während der „Austrittsbereich“ einen zweiten Abschnitt der Folie bezeichnet, der an einen zweiten Bereich der Strömungskanäle angrenzt, der zu einem Austritt des Fluidstroms aus den Strömungskanälen eingerichtet ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung können der Eintrittsbereich und/oder der Austrittsbereich ein Verteilelement aufweisen, das zu einer Aufteilung des Fluidstroms auf die vorzugsweise parallel angeordneten Strömungskanäle der Folie eingerichtet ist. Insbesondere zur Erzielung einer Gleichverteilung des Fluidstroms auf die Strömungskanäle kann das Verteilelement vorzugsweise eine Vielzahl von periodisch angeordneten Erhebungen und sich dazwischen befindlichen Vertiefungen aufweisen. Bevorzugt können die Erhebungen hierbei dasselbe Niveau wie die Oberfläche der Folie annehmen, während die Vertiefungen vorzugsweise dieselbe Kanaltiefe wie die Strömungskanäle aufweisen können. Die Verteil elemente können in vorteilhafter Weise insbesondere dazu dienen, eine Fehlverteilung der Strömung im Betrieb während der Verteilung des Fluidstroms über mehrere parallele Strömungskanäle zu unterbinden. Die Einbringung des Verteilelements kann zusammen mit der Einbringung der Strömungskanäle in die Folie erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können eine Seite, bevorzugt beide Seiten, des Stapels mit einer Deckplatte versehen sein. Hierbei kann zumindest eine der Deckplatten mindestens eine Zuleitung zur Zuführung des Fluidstroms in die Strömungskanäle des Stapels und eine Ableitung zur Abführung des Fluidstroms aus den Strömungskanälen des Stapels aufweisen. Zu Herstellung der Zuleitung und/oder der Ableitung kann die Deckplatte vor ihrer Verwendung in der Stromzuführung zunächst nur entsprechende Stutzen aufweisen, an welche die Zuleitung und/oder die Ableitung befestigt werden. Hier kann vorzugsweise eine Hartlötverbindung zu einem Rohrstück und eine anschließende Rohrverschraubung, insbesondere mittels Schneidringdichtungen oder Klemmringdichtungen, oder eine Schweißverbindung eingesetzt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle, umfassend mindestens eine Kühlstufe, die einen warmen Bereich und einen kalten Bereich aufweist, wobei in dem warmen Bereich ein jeweils für die Kühlstufe eingerichtetes Kältemittelgemisch und eine Energiequelle bereitgestellt ist, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten mit voneinander verschiedenen Siedetemperaturen aufweist, wobei der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe umfasst:
- mindestens eine Stromzuführung wie oben oder unten beschrieben, wobei die Stromzuführung mindestens einen ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich der Kühlstufe und mindestens einen zweiten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe aufweist, wobei die mindestens eine Stromzuführung gleichzeitig als erster Wärmeübertrager eingerichtet ist;
- mindestens eine Expansionseinrichtung, die zur Expansion und zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet ist; und
- die Anwendung, die zu Aufnahme der elektrischen Energie und/oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist. Hierbei kann der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe, der für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der kryogenen Temperatur dient, bevorzugt in einen Kryostaten, insbesondere in einen vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht sein.
Zunächst umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe mindestens eine oben oder unten näher beschriebene Stromzuführung, die gleichzeitig als erster Wärmeübertrager eingerichtet ist, der insbesondere als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt ist. Der Begriff „Wärmeübertrager“ bezeichnet eine beliebig ausgestaltete Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Übertragung von thermischer Energie von mindestens einem Hochdruck- Stoff ström auf mindestens einen Niederdruck-Stoffstrom zu bewirken. Der Begriff „thermische Energie“ betrifft hierbei eine Energie des jeweiligen Stoffstroms, welche im Wesentlichen als Funktion der Temperatur des betreffenden Stoffstroms beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen sowohl der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström als auch der mindestens eine Niederdruck- Stoffstrom das hierbei für die jeweilige Kühlstufe verwendete Kältemittelgemisch, wobei sich die Stoffströme in einer Temperatur des Kältemittelgemischs oder der Kältemittelgemische voneinander unterscheiden. Zusätzlich kann der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen. Der mindestens eine Niederdruck-Stoffstrom der tiefsten Stufe hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers jeweils eine tiefste Temperatur, gefolgt von der Temperatur des mindestens einen Niederdruck-Stoffstroms einer optional zur Vorkühlung vorgeschalteten Stufe. Der mindestens eine Hochdruck- Stoffstrom hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers eine Temperatur, die oberhalb des mindestens einen Niederdruck- Stoffstroms liegt. Weiterhin betrifft der Begriff des „Gegenstromwärmeübertragers“ eine besondere Art eines Wärmeübertragers, in welchem der Hochdruck- Stoff ström eine Richtung einnimmt, die der Richtung des Niederdruck-Stoffstroms entgegengerichtet ist. Damit kann in vorteilhafter Weise ein besonders kalter Stoffstrom auf einen besonders warmen Stoffstrom treffen, wodurch sich eine Übertragung an thermischer Energie von dem mindestens einen Hochdruck- Stoffstrom an den mindestens einen Niederdruck- Stoff ström möglichst effizient ausgestalten lässt.
Der erfmdungsgemäß von dem kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe umfasste erste Wärmeübertrager weist demnach einen ersten als „Hochdruckseite“ bezeichneten Teilbereich und einen zweiten als „Niederdruckseite“ bezeichneten Teilbereich auf, wobei die Hochdruckseite zur Aufnahme des Kältemittelgemischs sowie optional des Gasstroms aus dem warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe und die Niederdruckseite zur Abgabe des Kältemittelgemischs an den warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe eingerichtet sind. Somit weist das an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführte Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an der Niederdruckseite zur Abgabe an den zugehörigen warmen Bereich vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführten Kältemittelgemischs und des optional zugeführten Gasstroms bei, wobei sich die Übertragung an thermischer Energie durch den vorzugsweise eingesetzten Gegenstromwärmeübertrager effizienter ausgestalten lässt. Zusätzlich zu der thermischen Energie von der Hochdruckseite der betreffenden Stufe kann das Kältemittelgemisch auf der Niederdruckseite der betreffenden Stufe thermische Energie von weiteren Stoffströmen aufnehmen, beispielsweise von der Hochdruckseite einer nachgeschalteten Kühlstufe oder von der Abkühlung oder der Verflüssigung eines abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms.
Das Kältemittelgemisch tritt auf Hochdruck-Niveau an der Hochdruckseite in den ersten Wärmeübertrager ein, während das Kältemittelgemisch an der Niederdruckseite auf Niederdruck-Niveau bereitgestellt wird. Der Begriff „Hochdruck-Niveau“ bezeichnet hierbei ein das dort anliegende Kältemittelgemisch beaufschlagendes Druckniveau, dessen Druck einen Wert aufweist, der den Wert des Druckes, der das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch beaufschlagt, übertrifft. Insbesondere kann hierbei das Hochdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 1 bar, bevorzugt von 10 bar, besonders bevorzugt von 25 bar, bis 150 bar, bevorzugt bis 25 bar, besonders bevorzugt bis 20 bar, aufweisen, während das Niederdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 100 mbar, bevorzugt von 1 bar, besonders bevorzugt von 2 bar, bis 50 bar, bevorzugt bis 10 bar, besonders bevorzugt bis 5 bar, aufweisen kann. Andere Werte sowohl für das Hochdruck-Niveau als auch für das Niederdruck-Niveau sind jedoch möglich, insbesondere abhängig von dem für die jeweilige Kühlstufe verwendeten Kältemittelgemisch.
Weiterhin umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe mindestens eine Expansionseinrichtung, die zur Expansion und Abkühlung des Kältemittelgemischs auf das Niederdruck-Niveau eingerichtet ist. Hierbei kann die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs bevorzugt durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht werden, wobei der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \iJT des Kältemittelgemischs einen positiven Wert annimmt. Damit bewirkt die mindestens eine Expansionseinrichtung einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck-Niveau auf das Niederdruck-Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs. Die mindestens eine Expansionseinrichtung kann hierbei bevorzugt ausgewählt sein aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterkörper. Eine Verwendung einer anderen Expansionseinrichtung ist jedoch denkbar.
Darüber hinaus kann der kalte Bereich der mindestens einen Kühlstufe vorzugsweise mindestens einen zweiten Wärmeübertrager umfassen, der zur Kühlung der Anwendung, vorzugsweise der supraleitenden Anwendung, die in dem kalten Bereich angeordnet ist, eingerichtet ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung, insbesondere einer oben oder unten beschrieben Stromzuführung, die zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle eingerichtet ist, wobei die Energiequelle in einem warmen Bereich angeordnet ist und wobei die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von mindestens zwei Folien, wobei jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport von elektrischer Energie eingerichtet ist, umfasst, wobei jede Folie an jedem Ende jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme von elektrischer Energie aus einer Energiequelle oder zur Abgabe der elektrischen Energie an eine Anwendung eingerichtet ist, aufweist; b) Einbringen einer Vielzahl von Strömungskanälen, die zur Aufnahme eines Fluidstroms eingerichtet sind, in die mindestens zwei Folien; c) Anordnen der mindestens zwei Folien in Form eines Stapels und Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien, wobei der elektrische Anschluss jeder Folie in dem kalten Bereich unverschweißt bleibt.
Das Einbringen der Vielzahl der Strömungskanäle in die mindestens zwei Folien gemäß Schritt b) kann hierbei vorzugsweise mittels eines Ätzverfahrens oder mittels Mikrofräsen erfolgen. Wie oben erwähnt, kann der Fluidstrom bevorzugt ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen.
Während die elektrischen Anschlüsse der Folien in dem warmen Bereich miteinander verschweißt werden können, bleiben dagegen die elektrischen Anschlüsse der Folien in dem kalten Bereich unverschweißt, damit die Hochtemperatur- Supraleiter, wie oben erwähnt, in vorteilhafter Weise einzeln kontaktiert werden können.
Das Anordnen der mindestens zwei Folien in Form eines Stapels gemäß Schritt c) kann hierbei bevorzugt das jeweilige Anbringen mindestens einer Deckplatte auf wenigstens eine Seite des Stapels, bevorzugt von jeweils einer Deckplatte auf beide Seiten des Stapels, umfassen, wobei das Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien auch die mindestens eine Deckplatte, bevorzugt die beiden Deckplatten, umfasst, wobei das Verfahren den weiteren Schritt aufweisen kann: d) Einbringen jeweils mindestens einer Zuleitung, die zur Zuführung des Fluidstroms eingerichtet ist, und mindestens einer Ableitung, die zur Abführung des Fluidstroms eingerichtet ist, in zumindest eine der Deckplatten.
Weiterhin kann das vorliegende Verfahren vorzugsweise den folgenden weiteren Schritt aufweisen: e) Anbringen mindestens eines Hochtemperatur-Supraleiters an den elektrischen Anschluss der Folien am kalten Ende, der zur Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung eingerichtet ist.
Der Hochtemperatur- Supraleiter kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren und die hierbei verwendeten Begriffe wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Stromzuführung verwiesen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie zur Kühlung und zum Betrieb von Hochtemperatur-Supraleitern auf einer Temperatur von 15 K bis 90 K.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegende Verwendung wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung, das Verfahren zu ihrer Herstellung sowie die Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle sowie ihre Verwendung weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Stromzuführungen, zugehörigen Verfahren und entsprechenden Vorrichtungen auf. Die hierin vorgeschlagene Stromzuführung übernimmt als einheitliches Bauteil eine doppelte Funktion, welche gleichzeitig eine Stromzuführung und eine Wärmeübertragung umfasst. Insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik lassen sich so wesentlich kompaktere und effizientere Stromzuführungen bereitstellen, die es erlauben, eine entstehende Verlustleistung unmittelbar an demjenigen Ort abzuführen, an dem sie in Wärme umgewandelt werden kann. Hierbei kann die Wärme auf dem jeweils höchst möglichen Temperaturniveau abgeführt werden, so dass eine Effizienzsteigerung gegenüber einer ausschließlichen Kühlung am kalten Ende der Stromzuführung, eine stufenweise Kühlung oder der Kühlung durch einen Gasstrom auftritt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer erfmdungsgemäßen Stromzuführung;
Figur 2 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer Anordnung von Folien innerhalb eines Stapels in der erfindungsgemäßen Stromzuführung ;
Figur 3 schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verteilelements in einem Eintrittsbereich oder Austrittsbereich zur Aufteilung eines Kältemittelgemischs auf Strömungskanäle in einer der Folien der erfmdungsgemäßen Stromzuführung;
Figur 4 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer einstufigen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäße Stromzuführungen umfasst; und
Figur 5 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer zweistufigen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäße Stromzuführungen umfasst. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren la und lb findet sich jeweils eine schematische Darstellung eines bevor zugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromzuführung 110 in Form einer Explosionszeichnung dargestellt. Zwischen einer oberen Deckplatte 112, die vier Stutzen 114, 114% 114“, 114‘“ aufweist, die zum Anschluss einer Zuleitung und/oder einer Ableitung für ein Kältemittelgemisch vorgesehen sind, und einer unteren Deckplatte 116 sind hier jeweils ein Stapel 118, der eine Vielzahl an Folien 120 umfasst, sowie zwei einzelne Folien 120‘, 120“ (Figur la) bzw. drei einzelne Folien 120‘, 120“, 120‘“ gezeichnet, die ebenfalls zur Aufnahme in den Stapel 118 eingerichtet sind.
Wie aus den Figuren la und lb hervorgeht, sind die Folien 120 jeweils parallel zu ihren Oberflächen in der lateralen Ausdehnung aufeinandergelegt und können vorzugsweise mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden. Insbesondere können alle Folien 120 des Stapels 118 bevorzugt dieselbe Folienlänge und dieselbe Folienbreite aufweisen, um so einen Überstand zwischen benachbart angeordneten Folien 120 in dem Stapel 118 zu vermeiden. Um zudem einen Fluss an elektrischer Energie möglichst gleichmäßig auf möglichst alle Folien 120 in dem Stapel 118 zu verteilen, können zudem alle Folien 120 des Stapels 118 vorzugsweise dieselbe Foliendicke aufweisen. Bevorzugt lassen sich Anzahl, Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke der Folien 120 an eine Höhe der mittels der Stromzuführung 110 zu transportierenden elektrischen Energie anpassen. Wie oben erwähnt, kann der Stapel 118 insbesondere 10 bis 100 Folien 120 umfassen; ein anderer Wert für die Anzahl der Folien 120 in dem Stapel 118 ist jedoch möglich.
Jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, das zu einem Transport an elektrischer Energie eingerichtet ist. In Bezug auf den Begriff „elektrisch leitfähig“ wird auf die obige Definition verweisen. Hierzu umfasst das elektrisch leitfähige Material vorzugsweise Kupfer, wobei andere elektrisch leitfähige Materialen ebenfalls denkbar sind, sowie an jeder Querseite jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen eigenen elektrischen Anschluss. Wie die Figuren la und lb zeigen, kann eine erste Querseite jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen ersten elektrischen Anschluss 122, 122‘, 122“, 122“ ‘ zur Aufnahme der elektrischen Energie aus einer Energiequelle und die andere Querseite der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen zweiten elektrischen Anschluss 124, 124‘, 124“, 124“ ‘ zur Abgabe der elektrischen Energie an eine zu kühlende Anwendung, die zur Aufnahme der so bereitgestellten elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweisen, wobei jeder erste elektrische Anschluss 122, 122‘, 122“, 122 “‘ und jeder zweite elektrische Anschluss 124, 124‘, 124“, 124“‘von der betreffenden Folie umfasst wird. Wie weiterhin in den Figuren la und lb dargestellt, können die elektrischen Anschlüsse jeweils in Form einer elektrisch leitfähigen Anschlussfahne ausgestaltet sein, so dass sowohl der erste elektrische Anschluss 122, 122‘, 122“, 122‘“ als auch der zweite elektrische Anschluss 124, 124‘, 124“, 124‘“ jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ ein elektrisch leitfähiges Anschlussteil aufweist, das vorzugsweise beweglich und in einer gegenüber dem übrigen Körper der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ zumindest teilweise verjüngt ausgestaltet ist. Andere Arten der Anordnung und der Ausgestaltung der elektrischen Anschlüsse der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ sindjedoch denkbar.
Wie aufgrund der Darstellung in den Figuren la und lb besonders gut in den beispielhaften Folien 120‘, 120“ erkennbar, weist jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ einen jeweils unter den vier Stutzen 114, 114% 114“, 114‘“ der oberen Deckplatte 112 angeordneten Durchtritt 126, 126‘, 126“, 126‘“ auf, die zur Zuleitung und/oder zur Ableitung des Kältemittelgemischs in jeder einzelnen Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingerichtet sind. Sowohl zwischen den Durchtritten 126‘ und 126“ ‘ in der Folie 120‘ als auch zwischen den Durchtritten 126 und 126“ in der Folie 120“ sind in jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eine Vielzahl von vorzugsweise parallel angeordneten Strömungskanälen 128, die bevorzugt eine Vielzahl von periodisch angeordneten Vertiefüngen und sich dazwischen befindlichen Erhebungen zur Führung eines Kältemittelgemischs auf der lateralen Ausdehnung der Oberfläche entlang der Folienlänge der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingebracht. Zu Einzelheiten der Anordnung und Ausgestaltung der Strömungskanäle 128 wird auf die obige Beschreibung sowie auf die die Darstellung gemäß den Figuren 2a und 2b verwiesen.
Wie in den Figuren la und lb weiterhin dargestellt, befindet sich zwischen den Durchtritten 126‘ und 126“‘als auch zwischen den Durchtritten 126 und 126“ und der jeweils zugehörigen Vielzahl der Strömungskanäle 128 jeweils ein Eintrittsbereich 130 und ein Austrittsbereich 130‘ für die Strömungskanäle 128, wobei die Wahl der Anordnung des Eintrittsbereichs 130 und des Austrittsbereichs 130‘ in den Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ von einer im Betrieb der Stromzuführung 110 gewählten Strömungsrichtung des Kältemittelgemischs durch die Vielzahl der Strömungskanäle 128 abhängt. In der Darstellung gemäß den Figuren la und lb weisen sowohl der Eintrittsbereich 130 als auch der Austrittsbereich 130‘ jeweils ein Verteilelement 132, 132‘ auf, welches zu einer Aufteilung, vorzugsweise einer Gleichverteilung, des von mindestens einer der Durchtritte 126, 126‘, 126“, 126‘“ bereitgestellten Kältemittelgemischs auf die Strömungskanäle 128 der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingerichtet ist. Zu Einzelheiten in Bezug auf Anordnung und Ausgestaltung der Verteilelemente 132, 132‘ wird auf die obige Beschreibung sowie auf die Darstellung gemäß den Figuren 3a und 3b verwiesen. Die Figuren 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungs- beispielen einer Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ und der der Strömungskanäle 128 innerhalb eines Stapels 118 in der erfindungsgemäßen Stromzuführung 110. Wie dort dargestellt, umfassen die von dem Stapel 118 umfassten Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ bevorzugt einen ersten Strömungsweg 134, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus einem warmen Bereich einer Kühlstufe eingerichtet ist und einen zweiten Strömungsweg 134% die zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau aus einem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist.
Figur 2a zeigt schematisch eine erste bevorzugte Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ in dem Stapel 118. Gemäß dieser Anordnung sind die Strömungskanäle 128 benachbart gestapelter Folien 120, 120“ bzw. 120‘, 120‘“ in dem Stapel 118 abwechselnd als erster Strömungsweg 134 und als zweiter Strömungsweg 134‘ eingerichtet.
Figur 2b zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ in dem Stapel 118. Gemäß dieser alternativen Anordnung sind die Strömungskanäle 128 zwei benachbart gestapelter Folien 120‘, 120“ in dem Stapel 118 als zweiter Strömungsweg 134‘ und als dritter Strömungsweg 134“ zur getrennten Aufnahme einer Dampfphase und einer Flüssigkeitsphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau eingerichtet, während eine hieran jeweils angrenzende weitere Folie 120, 120‘“ einen ersten Strömungsweg 134 zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck- Niveau Bereich aufweist. Hieran anschließend kann der Stapel 118 entsprechend weiter ausgestaltet werden oder sich gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Figur 2a weiter fort setzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ in dem Stapel 118 (nicht dargestellt) können die Strömungskanäle 128 von zwei benachbart gestapelten Folien 120‘, 120“ in dem Stapel 118 als erster Strömungsweg 134 zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine jeweils hieran angrenzende weitere Folie 120, 120‘“ einen zweiten Strömungsweg 134‘ zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweisen kann. Darüber hinaus sind weiter Ausgestaltungen der Anordnung der Folien der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ in dem Stapel 118 denkbar.
Die Figuren 3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungs beispiels für das Verteilelement 132 in dem Eintrittsbereich 130 oder in dem Austrittsbereich 130‘ zur Aufteilung eines Kältemittelgemischs auf die Strömungskanäle 128 in einer der Folien 120 der erfindungsgemäßen Stromzuführung 110. Insbesondere zur Erzielung einer Gleichverteilung des Kältemittelgemischs in dem Eintrittsbereich 130 auf die Strömungs kanäle 128 in der Folie 120 kann das Verteilelement 132, wie dargestellt, vorzugsweise eine Vielzahl von periodisch angeordneten Erhebungen 136 und sich dazwischen befindlichen Vertiefungen 138 aufweisen. Bevorzugt können die Erhebungen 136 hierbei dasselbe Niveau wie die Oberfläche der Folie 120 annehmen, während die Vertiefungen 138 vorzugsweise dieselbe Kanaltiefe wie die Strömungskanäle 128 aufweisen können. Die Verteilelemente 132, 132‘ können in vorteilhafter Weise insbesondere dazu dienen, eine Fehlverteilung der Strömung im Betrieb während der Verteilung der Strömung über mehrere parallele Strömungskanäle 128 zu unterbinden.
Die Figuren 4a bis 4c zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer einstufigen Vorrichtung 140 zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer in einem warmen Bereich 142 der Vorrichtung 140 angeordneten Energiequelle 142 zu einer in einem kalten Bereich 146 der Vorrichtung 140 eingebrachten Anwendung 148, die insbesondere zumindest einen Hochtemperatur-Supraleiter 150 oder ein Bauteil, das mindestens einen Hochtemperatur- Supraleiter 150 umfasst, aufweist. Während der warme Bereich 142 vorzugsweise für Umgebungstemperatur eingerichtet und üblicherweise bei Umgebungstemperatur gehalten wird, herrscht im kalten Bereich 146 während des Betriebs der Vorrichtung 140 typischer weise eine kryogene Temperatur. Für die Begriffe „Umgebungstemperatur“ und „kryogene Temperatur“ wird auf die obigen Definitionen verweisen.
In dem warmen Bereich 142 stellt ein Kühler 152 ein Kältemittelgemisch bereit, das eine für die Vorrichtung 140 eingerichtete Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln umfasst, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Um bei einer Abkühlung des Kältemittelgemischs von der Umgebungstemperatur auf die kryogene Temperatur eine möglichst hohe Effizienz erzielen zu können, wird ein weitsiedendes Kältemittelgemisch eingesetzt, das sowohl mindestens eine höhersiedende Komponente als auch mindestens eine tiefersiedende Komponente umfasst. Wie oben erwähnt, kann die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Andere Substanzen sind jedoch möglich.
Wie in den Figuren 4a bis 4c dargestellt, umfasst die vorliegende Vorrichtung 140 zwei in dem kalten Bereich 146 angeordnete Stromzuführungen 110, 110% wie insbesondere oben zu den Figuren 1 bis 3c beschrieben. Das Einbringen des warmen Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 142 in den kalten Bereich 146 erfolgt auf Hochdruck-Niveau mittels jeweils einer Zuleitung 154, 154% die in jeweils eine Hochdruckseite 156, 156‘ der jeweils gleichzeitig als erster Wärmeübertrager 158, 158‘ eingerichteten Stromzufuhrungen 110, 110‘ münden, die in der beispielhaften Darstellung gemäß den Figuren 4a bis 4c als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt sind. Weiterhin verfügt der jeweils erste Wärme übertrager 158, 158‘ über je eine Niederdruckseite 160, 160‘, die zur Abgabe des kalten Kältemittelgemischs an den warmen Bereich 142 jeweils mittels einer Ableitung 162, 162‘ ausgeführt ist. Somit weist das an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 142 zugeführte warme Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ zur Abgabe an den warmen Bereich 142 vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ bereit gestellte kalte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 142 zugeführte warme Kältemittelgemisch bei, wobei sich eine Übertragung an thermischer Energie durch den Gegenstromwärmeübertrager dadurch effizienter ausgestalten lässt, dass das an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 124 warme Kältemittelgemisch in eine Richtung strömt, die einer Richtung des an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ bereitgestellten kalten Kältemittelgemischs entgegen gerichtet ist.
Das auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jedem ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlte, ursprünglich aus dem warmen Bereich 142 zugeführte Kältemittel gemisch gelangt hieran anschließend über eine jeweils weitere Leitung 164, 164‘ in eine jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘, die hier als Expansionsventil ausgeführt ist. Eine alternative Ausführung der Expansionseinrichtung 166, 166‘ als Drosselkapillare, Blende oder Sinterelement ist jedoch möglich. Die Expansionseinrichtung 166, 166‘ befindet sich ebenfalls in dem kalten Bereich 146 und ist zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet. Hierbei kann die Expansionseinrichtung 166, 166‘ bevorzugt dazu eingerichtet sein, die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs mittels des Joule-Thomson-Effekts zu erreichen, da das Kältemittelgemisch derart angepasst wurde, dass der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \iJT des Kältemittelgemischs bei der Temperatur der kalten Seite 146 der Vorrichtung 146 einen positiven Wert aufweist. Damit bewirkt die Expansionseinrichtung 166, 166‘ einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck- Niveau auf das Niederdruck-Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs.
Wie bereits oben im Zusammenhang mit den Figuren la und lb erwähnt, umfasst die Stromzuführung 110 den ersten elektrischen Anschluss 122 zur Aufnahme der elektrischen Energie in Form eines Stroms 1+ aus der Energiequelle 144 und den zweiten elektrischen Anschluss 124 zur Abgabe der elektrischen Energie in Form des Stroms 1+ an die Anwendung 148, die zur Aufnahme der so bereitgestellten elektrischen Energie eingerichtet ist. In der bevorzugten Ausführung gemäß den Figuren 4a bis 4c ist der der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 zugewandte zweite elektrische Anschluss 124 der Stromzuführung 110 elektrisch leitfähig mit einem Hochtemperatur-Supraleiter 168 verbunden. Hierbei ist der Hochtemperatur-Supraleiter 168 in vorteilhafter Weise zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss 124 der Stromzuführung 110 und der Anwendung 148 angeordnet, so dass auf diese Weise ein möglichst verlustfreier Weitertransport der elektrischen Energie von der Stromzuführung 110 zu der Anwendung 148 ermöglicht wird. Der Hochtemperatur-Supraleiter 168 kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein.
Um schließlich einen geschlossenen Stromkreis zu erhalten, erfolgt in analoger Weise ein möglichst verlustfreier Weitertransport der elektrischen Energie in Form eines Stroms I- von der Anwendung 148 zu der Stromzuführung 110‘ über einen zugehörigen Hochtemperatur- Supraleiter 168% der elektrisch leitfähig mit dem der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 zugewandten zweiten elektrischen Anschluss 124‘ der Stromzuführung 110‘ verbunden ist. Weiterhin umfasst die Stromzuführung 110‘ den ersten elektrischen Anschluss 122‘, der zur Abgabe der elektrischen Energie in Form des Stroms I- aus der Anwendung 148 über die Stromzuführung 110‘ zu der Energiequelle 144 eingerichtet ist.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 4b zwei zweite Wärmeübertrager 170, 170‘ auf, die jeweils zur Kühlung der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 eingerichtet sind. Wie Figur 4b zeigt, gelangt hierzu das auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jedem ersten Wärme übertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlte Kältemittelgemisch über die jeweils weitere Leitung 164, 164‘ und die jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘ zu dem jeweils zweiten Wärmeübertrager 170, 170‘.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4b weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 4c einen einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 auf, der zur Kühlung der Anwendung 148, die in dem kalten Bereich 146 angeordnet ist, eingerichtet ist. Hierzu werden die auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jeden ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlten Kältemittelgemische über die teilweise gemeinsame weitere Leitung 164 zusammengeführt und über die einzige Expansionseinrichtung 166 zu dem einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 geleitet. In analoger Weise wird das Kälte mittelgemisch aus dem einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 auf beide Niederdruckseiten 160, 160‘ der ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ aufgeteilt und so wieder dem warmen Bereich 142 zugeführt.
Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, in dem die jeweilige Vorrichtung 140 zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von der im warmen Bereich 142 der Vorrichtung 140 angeordneten Energiequelle 142 zu der im kalten Bereich 146 der Vor richtung 140 eingebrachten Anwendung 148 zweistufig ausgestaltet ist.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 5a im warmen Bereich 142 einen Vorkühler 172 auf, der ein weiteres weitsiedendes Kältemittelgemisch bereitstellt, das eine zur Vorkühlung eingerichtete Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln umfasst, wobei auch hier zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Das Einbringen des weiteren Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 142 in den kalten Bereich 146 erfolgt auf Hochdruck-Niveau mittels jeweils einer weiteren Zuleitung 174, 174‘, die jeweils in die Hochdruckseiten 156, 156‘ der jeweils gleichzeitig als erste Wärmeübertrager 158, 158‘ eingerichteten Stromzuführungen 110, 110‘ münden. Das hierdurch bereits teilweise abgekühlte weitere Kältemittelgemisch gelangt anschließend über eine jeweils weitere Leitung 176, 176‘ in eine jeweils weitere Expansionseinrichtung 178, 178‘. Die Abgabe des kalten Kältemittelgemischs an den warmen Bereich 142 erfolgt über die jeweilige Niederdruckseite 160, 160’des ersten Wärmeübertragers 158, 158‘ mittels einer jeweiligen weiteren Ableitung 180, 180‘. Weiterhin weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 5a gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a im kalten Bereich 146 weitere Stromzuführungen 110“, 110‘“ auf, die gleichzeitig als weitere erste Wärmeübertrager 158“, 158“ verwendet werden, insbesondere um die jeweiligen Stromzuführungen 110“, 110‘“ weiter zu kühlen.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5a weist das Ausführungsbeispiel der ebenfalls zweistufigen Vorrichtung 140 gemäß Figur 5b die beiden zweiten Wärmeüber trager 170, 170‘ auf, die jeweils zur Kühlung der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 eingerichtet sind. Hierzu gelangt das in jedem ersten Wärmeübertrager 158, 158% 158“, 158‘“ bereits teilweise abgekühlte Kältemittelgemisch über die jeweils weitere Leitung 164, 164‘ und die jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘ zu dem jeweils zweiten Wärmeübertrager 170, 170‘. Bezugszeichenliste
110, 110‘ ... Stromzuführung 144 Energiequelle
112 obere Deckplatte 146 kalter Bereich
114, 114‘ ... Stutzen 148 Anwendung
116 untere Deckplatte 150 Hochtemperatur- Supraleiter
118 Stapel 152 Kühler
120, 120‘ Folie 154, 154‘ Zuleitung 122, 122‘ erster elektrischer Anschluss 156, 156‘ Hochdruckseite 124, 124‘ zweiter elektrischer Anschluss 158, 158‘ ... erster Wärmeübertrager 126, 126‘ Durchtritt 160, 160‘ Niederdruckseite 128 Strömungskanal 162, 162‘ Ableitung 130 Eintrittsbereich 164, 164‘ weitere Leitung 130‘ Austrittsbereich 166, 166‘ erste Expansions einrichtung
132, 132‘ Verteilelement 168, 168‘ Hochtemperatur- Supraleiter
134 erster Strömungsweg 170 zweiter Wärmeübertrager
134‘ zweiter Strömungsweg 172 Vorkühler
134“ dritter Strömungsweg
134‘“ vierter Strömungsweg
136 Erhebung 174, 174‘ weitere Zuleitung
138 Vertiefung 176, 176’ weitere Leitung
140 Vorrichtung 178, 178‘ weitere Expansionseinrichtung
142 warmer Bereich 180, 180‘ weitere Ableitung

Claims

Patentansprüche
1. Stromzuführung (110, 110‘ ...) zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle (144) zu einer Anwendung (148) oder von der Anwendung (148) zu der Energiequelle (144), wobei die Energiequelle (144) in einem warmen Bereich (142) angeordnet ist und wobei die Anwendung (148) in einem kalten Bereich (146) angeordnet ist, wobei die Stromzuführung (110, 110‘) einen Stapel (118), umfassend mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...), aufweist, wobei jede Folie (120, 120‘ ...) ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport der elektrischen Energie eingerichtet ist, umfasst, wobei jede Folie (120, 120‘ ...) jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme der elektrischen Energie oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweist, und wobei jede Folie (120, 120‘ ...) eine Vielzahl von Strömungskanälen (128) zur Führung eines Fluidstroms umfasst, wobei der Fluidstrom ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfasst, wobei die von dem Stapel (118) umfassten Folien (120, 120‘, ...) einen ersten Strömungsweg (134) durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme des Fluidstroms auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich (142) eingerichtet ist, und einen zweiten Strömungsweg (134‘) durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck- Niveau aus dem kalten Bereich (146) eingerichtet ist, aufweisen.
2. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Folie (120, 120‘ ...) mindestens einen weiteren Strömungsweg (134“, 134‘“) aufweist, ausgewählt aus
- einem dritten Strömungsweg (134“) durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme einer Dampfphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich (146) eingerichtet ist;
- einem vierten Strömungsweg (134“‘) durch die Strömungskanäle (128), der zur Aufnahme des abzukühlenden Gasstroms oder des zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich (142) eingerichtet ist.
3. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei alle Strömungskanäle (128) jeder Folie (120, 120‘ ...) eines Stapels (118) entweder zur Aufnahme des Fluidstroms aus dem warmen Bereich (142) oder zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich (146) eingerichtet sind.
4. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei die Strömungskanäle (128) benachbart gestapelter Folien (120, 120‘ ...) in dem Stapel (118) abwechselnd zur Aufnahme des Fluidstroms auf Hochdruck- Niveau und zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sind, oder
- wobei die Strömungskanäle (128) höchstens zwei benachbart gestapelter Folien (120‘, 120“) in dem Stapel (118) zur Aufnahme des Fluidstroms auf Hochdruck- Niveau eingerichtet sind und eine hieran angrenzende weitere Folie (120, 120“ ‘) zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck-Niveau eingerichtet ist, oder
- wobei die Strömungskanäle (128) höchstens zwei benachbart gestapelter Folien (120‘, 120“ ...) in dem Stapel (118) zur Aufnahme des Fluidstroms auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sind und eine hieran angrenzende weitere Folie (120, 120“ ‘) zur Aufnahme des Fluidstroms auf Hochdruck-Niveau eingerichtet ist.
5. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle (128) jeweils auf einer Seite jeder Folie (120, 120‘ ...) eingebracht sind, wobei benachbart gestapelte Folien (120, 120‘ ...) derart in den Stapel (118) eingebracht sind, dass Öffnungen der Strömungskanäle (128) einander abgewandt angeordnet sind.
6. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei j ede Folie (120, 120‘ ...) einen Eintrittsbereich (130) und einen Austrittsbereich (130‘) für die Strömungskanäle (128) aufweist, wobei wenigstens der Eintrittsbereich (130) oder der Austrittsbereich (130‘) über ein Verteilelement (132, 132‘ ...), das zur Aufteilung des Fluidstroms auf die Strömungskanäle (128) der Folie (120, 120‘ ...) eingerichtet ist, verfügt.
7. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Seite des Stapels (118) mit einer Deckplatte (112, 116) versehen ist, wobei zumindest eine der Deckplatten (112) jeweils mindestens eine Zuleitung zur Zuführung des Fluidstroms und eine Ableitung zur Abführung des Fluidstroms aufweist.
8. Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Material ausgewählt ist aus Kupfer, Aluminium oder Messing.
9. Vorrichtung (140) zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle (144) zu einer Anwendung (148) oder von der Anwendung (148) zu der Energiequelle (144), umfassend mindestens eine Kühlstufe, die einen warmen Bereich (142) und einen kalten Bereich (146) aufweist, wobei in dem warmen Bereich (142) ein jeweils für die Kühlstufe eingerichtetes Kältemittelgemisch und die Energiequelle (144) bereitgestellt sind, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten mit voneinander verschiedenen Siedetemperaturen aufweist, wobei der kalte Bereich (146) mindestens einer Kühlstufe folgendes umfasst:
- mindestens eine Stromzuführung (110, 110‘ ...) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Stromzuführung (110, 110‘ ...) gleichzeitig als erster Wärmeübertrager (158, 158‘ ...) eingerichtet ist;
- mindestens eine erste Expansionseinrichtung (166, 166‘ ...), die zur Expansion und zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet ist; und
- die Anwendung (148), die zu Aufnahme der elektrischen Energie und/oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist.
10. Vorrichtung (140) nach dem vorangehenden Anspruch, weiterhin umfassend
- einen zweiten Wärmeübertrager (170, 170‘ ...), der zur Kühlung der Anwendung (148) eingerichtet ist.
11. Verwendung einer Vorrichtung (140) nach einem der vorangehenden Vorrichtungs ansprüche zur Kühlung und zum Betrieb von Hochtemperatur-Supraleitern (168, 168‘) auf einer Temperatur von 15 K bis 90 K.
12. Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung (110, 110‘ ...) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Stromzuführung (110, 110‘ ...), wobei die Stromzuführung (110, 110‘ ...) zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle (144) zu einer Anwendung (148) oder von der Anwendung (148) zu der Energiequelle (144) eingerichtet ist, wobei die Energiequelle (144) in einem warmen Bereich (142) angeordnet wird und wobei die Anwendung (148) in einem kalten Bereich (146) angeordnet wird, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...), wobei jede Folie (120, 120‘ ...) ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport von elektrischer Energie eingerichtet ist, umfasst, wobei jede Folie (120, 120‘ ...) an jedem Ende jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme von elektrischer Energie oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweist; b) Einbringen einer Vielzahl von Strömungskanälen (128), die zur Aufnahme eines Fluidstroms eingerichtet sind, in die mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...); c) Anordnen der mindestens zwei Folien (120, 120 ‘ ... ) in F orm eines Stapels (118) und Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...), wobei der elektrische Anschluss jeder Folie (120, 120‘ ...) in dem kalten Bereich (146) unverschweißt bleibt.
13. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Einbringen der Vielzahl der Strömungskanäle (128) in die mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...) mittels eines Ätzverfahrens oder mittels Mikrofräsen erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das Anordnen der mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...) in Form des Stapels (118) das Anbringen mindestens einer Deckplatte (112, 116) auf wenigstens eine Seite des Stapels (118) umfasst, wobei das Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien (120, 120‘ ...) die mindestens eine Deckplatte (112, 116) umfasst, wobei das Verfahren den weiteren Schritt aufweist: d) Einbringen jeweils mindestens eines Stutzens (114, 114‘ ...), der zur Zuführung und/oder zur Abführung des Fluidstroms eingerichtet ist, in zumindest eine der Deckplatten (112, 116).
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei das Verfahren den weiteren Schritt aufweist: e) Anbringen mindestens eines Hochtemperatur-Supraleiters (168, 168‘) an den elektrischen Anschluss der Folien (120, 120‘ ...), der zur Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung (148) oder zur Aufnahme der elektrischen Energie von der Anwendung (148) eingerichtet ist.
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