WO2006082138A1 - Maschineneinrichtung mit thermosyphon-kühlung ihrer supraleitenden rotorwicklung - Google Patents

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WO2006082138A1
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cavity
lining
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Bernd Gromoll
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a machine device
  • a rotor rotatably mounted about a rotation axis and surrounded by a stator, which has at least one rotor winding whose superconductive conductors are thermally coupled to a central, axially extending cylindrical rotor cavity,
  • the rotor cavity, the tubular conduit parts and the condenser space form a closed conduit system in which a refrigerant can circulate or circulate by utilizing a thermosiphon effect.
  • a corresponding machine device is disclosed in DE 100 57 664 A1.
  • metal oxide superconductor materials with transition temperatures T c of more than 77 K have been known. These materials are therefore also referred to as high (high) -T c superconductor materials or HTS materials and in principle allow a cooling technology with liquid nitrogen (LN 2 ).
  • Such a temperature level is significantly higher than 4, 2 K, the boiling point of the liquid helium (LHe), cooled with the known metallic superconductor materials with comparatively low transition temperature T c , called low (low) -T c materials or LTS materials become .
  • cryocoolers For cooling windings with HTS conductors in the temperature range below 77 K, preference is given to using refrigeration systems in the form of so-called cryocoolers with a closed He pressure gas circuit.
  • cryocoolers are in particular of the Gifford McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. They also have the advantage that their cooling capacity is virtually available at the push of a button and the handling of cryogenic liquids is avoided.
  • the superconducting winding is cooled indirectly only by heat conduction to a cold head of a corresponding refrigerator (cf., for example, also "Proc. 16 th Int Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Elsevier Science, 1997, pages 1109 to 1129).
  • a corresponding cooling technique is also provided for the rotor of an electric machine which can be removed from the aforementioned DE 100 57 664 A1.
  • the rotor contains a rotating winding of HTS conductors, which are located in a thermally conductive winding carrier.
  • This winding support is equipped with a central, extending in the axial direction, cylindrical rotor cavity, connect to the side leading out of the winding support tubular tubular parts.
  • These line parts lead into a geodetically higher condenser space of a refrigeration unit and together with this condenser space and the central rotor cavity form a closed single-pipe Line system.
  • This piping system contains a refrigerant that circulates using a so-called thermosiphon effect.
  • condensed refrigerant in the condenser space condensed refrigerant is passed through the tubular conduit parts in the central rotor cavity, where it absorbs heat and at least partially evaporated because of the thermal coupling to the winding support and thus to the HTS winding to be cooled.
  • the vaporized refrigerant then passes back over the same line parts in the condenser space, where it is condensed back.
  • the cooling capacity required for this purpose is provided by a chiller whose cold head is thermally coupled to the condenser space.
  • the return flow of the refrigerant toward the parts of the chiller acting as a condenser is driven by a slight overpressure, which forms in the central rotor cavity acting as the evaporator part. This overpressure generated by the formation of gas in the evaporator section and the liquefaction in the condenser space leads to the desired refrigerant return flow.
  • the corresponding circulation is also called natural convection.
  • thermosyphon piping system in which the liquid and the gaseous refrigerant flow through the same pipe parts
  • two-pipe piping systems for a refrigerant circulation using a thermosiphon effect are known (see, for example, WO 00 / 13296 A).
  • an additional tube for the gaseous refrigerant must be provided in the region of the hollow shaft of the rotor .
  • thermosiphon cooling In the known machines with thermosiphon cooling thus the transport of the refrigerant takes place solely by utilizing the natural convection, so that no further pumping systems are required. If one wants to use such a machine device on ships or off-shore devices, it is often necessary to use static imbalances, a so-called “trim”, of up to ⁇ 5 ° and / or with dynamic ship were to be calculated from up to ⁇ 7, 5 ° in the longitudinal direction. Consequently, in order to obtain approval of a classification society for a ship's mission, the cooling system of such a machine device must ensure reliable cooling.
  • thermosiphon line system a slope toward the central rotor cavity is still present.
  • a correspondingly inclined arrangement is undesirable, especially in the case of larger machine lengths, for reasons of a large amount of space then required, especially in shipbuilding.
  • the refrigerant can also be forcibly circulated by a pump system.
  • This requires a out.
  • the ⁇ cher amount of equipment is required, especially when the refrigerant is to be located at a temperature level of examples game, 25 to 30 K.
  • Such Umnachlzan ⁇ conditions also require significant losses and can hardly meet the life of shipbuilding with its long maintenance intervals.
  • Object of the present invention is, therefore, a comprehensive engine with an associated refrigeration unit machines ⁇ device having the above-mentioned features to the effect to design that even with realistic to be assumed slanting /. Imbalances of their rotor, as they can occur when used on ships or off-shore facilities, yet in the central rotor cavity a sufficient cooling effect can be achieved by the refrigerant.
  • the cen- rale rotor cavity should in Ma ⁇ schin unit with the features mentioned be at least partially provided with a lining made of a porous material of high thermal conductivity, forms the accessible for the refrigerant, capillary ⁇ similar structures or cavities.
  • the lining according to the invention of the inner wall of a winding carrier enclosing the rotor cavity, which serves as a thermally conductive bridge between the rotor cavity and the superconducting winding, then has the particular advantage that, even with the axis inclined, due to the capillary action, a sufficiently uniform distribution of the cold ⁇ teffens over the surfaces or. Walls of structures or cavities is reached. Such a refrigerant distribution is also supported during operation by the rotation of the structures or cavities. In this way, a good wetting of the porous material is to ensure. Since this material should have a sufficiently high thermal Leitfä ⁇ ability, can be a good thermal coupling arrival of the guarantee to be cooled conductors to the refrigerant.
  • the porous material may preferably be a
  • Sintered material in particular from or with copper (Cu), han ⁇ do.
  • Cu copper
  • han ⁇ do any material of high thermal conductivity, which is formed by powder metallurgy by pressing and heating while still has a sufficient for the required Kapil ⁇ larity porosity.
  • the lining of the rotor cavity made of the sintered material may in particular be pressed or shrunk into this. With appropriate methods can be easily realized the desired lining.
  • the lining of the porous material may in particular have a porosity of at least 3%, preferably at least 10%, so as to offer for the required capillary action a sufficiently large surface wettable with the refrigerant.
  • lining materials whose thermal conductivity is at least 100 W per (meter ⁇ Kelvin) at the operating temperature of the superconductive material are to be preferred.
  • copper (Cu) material readily satisfies this condition because its thermal conductivity has a value greater than the claimed minimum value.
  • Machine devices each comprise a machine or a machine. a motor and an associated Kälteein ⁇ unit .
  • the embodiment of such a machine indicated below with reference to the figures may in particular be a synchronous motor or a generator.
  • the machine comprises a rotating, superconducting winding, which in principle allows the use of metallic LTS material or oxidic HTS material.
  • the latter material is preferably used as the basis for the following embodiment.
  • the winding may consist of a coil or a system of coils in a 2-, 4- or other multipolar arrangement.
  • the basic structure of a corresponding synchronous motor is apparent from the figure, starting from the known from the aforementioned DE 100 57 664 Al embodiment of such a machine.
  • the designated 2 machine comprises a fixed, located at room temperature outer housing 3 with a stator ⁇ winding 4. Within the outer housing and enclosed by the stator winding ⁇ 4 a rotor 5 is rotatably mounted about a rotation axis A in bearings 6. These bearings may be conventional mechanical bearings or else magnetic bearings ⁇ act.
  • the rotor further comprises a vacuum vessel 7, in which z. B. hollow cylindrical, torque-transmitting suspension elements 8 a winding support 9 is mounted with a HTS winding 10. In this winding support is concentric with the axis of rotation A extending in the axial direction central rotor cavity 12 is present, for example, has a cylindrical shape.
  • the winding support is designed vacuum-tight with respect to this cavity.
  • a refrigeration unit 15 For an indirect cooling of the HTS winding 10 via heat-conducting parts of the winding support 9, a refrigeration unit generally designated 15 is provided, of which only a cold head 16 is indicated in more detail. With this in itself most ⁇ th refrigeration unit may involve a cryocooler from the Gifford-McMahon type or, in particular, a regenerative cryocooler such. B. a pulse tube cooler or a split-tube
  • the cold part of, for example, a few meters laterally of the rotor 5 arranged cold head 16 is in a vacuum vessel 23 via a heat transfer body 17 in good thermal contact with a refrigerant condensation unit having a condenser 18.
  • a vacuum-insulated, stationary heat pipe 20 is attached sen Schlos ⁇ which projects laterally in an axial region in the lateral co-rotating cavity 13 or the central rotor cavity 12th
  • a sealing device 21 which is not further detailed in the figure, is used with at least one sealing element which can be designed as a ferrofluid seal and / or a labyrinth seal and / or a gap seal.
  • the central rotor cavity 12 Via the heat pipe 20 and the lateral cavity 13 is the central rotor cavity 12 with the heat exchange region of the condenser 18 to the gas-tight seals outside ask ⁇ connected.
  • These conduit parts, together with the condenser space 18 and the central rotor cavity 12, are considered to be a conduit system.
  • a refrigerant which is selected depending on the desired operating temperature of the HTS winding 10.
  • a refrigerant selected depending on the desired operating temperature of the HTS winding 10.
  • a refrigerant selected depending on the desired operating temperature of the HTS winding 10.
  • water ⁇ material condensation temperature 20, 4 K at atmospheric pressure
  • neon condensation temperature 27, 1 K at atmospheric pressure
  • nitrogen condensation temperature 77, 4 K at atmospheric pressure
  • argon condensation temperature 87, 3 K at atmospheric pressure
  • mixtures of these gases can be provided.
  • the circulation of the refrigerant takes place under utilization of a so-called thermosiphon effect.
  • the refrigerant is condensed on a cold surface of the cold head 16 in the region of the condenser space 18.
  • the so ver ⁇ flows fattyte, with k designated refrigerant through the cable ⁇ parts 22 in the central rotor cavity 12.
  • the transport of the condensate occurs while under the influence of gravity.
  • the heat pipe 20 may be slightly (by ei ⁇ nige few degrees) in relation to the rotational axis A inclined advantageously the heat pipe 20 so as to flow out of the liquid refrigerant k from the open end 20a of the tube to support the twentieth
  • the liquid refrigerant is then evaporated ver ⁇ inside the rotor.
  • the vaporous refrigerant is denoted by k ⁇ .
  • This refrigerant vaporized with the absorption of heat then flows through the interior of the line parts 22 back into the condenser 18.
  • the return flow is fanned by a slight overpressure in acting as an evaporator rotor cavity 12 in the direction of the condenser 18 through the emergence caused by gas in the evaporator and the liquefaction in the condenser space. Since the circulation of the liquefied refrigerant from the condenser space 18 into the central rotor cavity 12 and the return flow of the evaporated refrigerant k ⁇ from this rotor cavity back to the condenser space in the from the condenser 18, the line Share 22 and the rotor cavity 12 formed tubular conduit system is carried out, can be spoken of a single-pipe system with a circulation of the refrigerant k, k ⁇ using a thermosiphon effect. Of course, it is also possible to use known multitube line systems for the machine device according to the invention, which enable a circulation of the thermosyphon.
  • Winding in this case is also not tet longer be quietest ⁇ .
  • a special lining 25 made of a sufficiently porous Mate ⁇ material , preferably made of a sintered material. Its thickness D is generally between 0, 1 and 2 mm.
  • a sintered material is selected for the embodiment. It is thus to be ensured that, even in imbalance due to capillary forces in the sintered material, the refrigerant k is uniformly distributed on the inner surface. shares, so that it is to ensure a uniform evaporation and thus cooling.
  • the liner 25 should also made of a material with high thermal conductivity such. B. which consist of copper.
  • Cu sintered material has a value of thermal conductivity at a temperature of 30 K of about 3000 W rrT 1 K -1 (see “Gmelin's Handbook of Inorganic Chemistry: Copper, Part A").
  • the liner 25 has a good thermal contact with the winding body 9, the z. B. can be achieved by a shrink connection or by pressing.
  • a corresponding lining may also be present in the form of a layer which is achieved by coating the inner surface of the carrier body 9 with a material.
  • a sufficiently porous structure must be ensured so that the required capillary forces can be effective.
  • the porosity of the lining 25 resp. its material should be at least 3% thereof, preferably at least 10% gen Betra ⁇ . In operation with inclined axis rotation, the lining then causes a uniform distribution of the liquid
  • Refrigerant k wherein the distribution of the refrigerant on the walls or surfaces of the created with the structures or cavities refrigerant paths is additionally supported by the centrifugal forces occurring.
  • the inventive liner is so uniform heat dissipation loss of the hollow cylinder over the entire inner surface both in the operating state and at Rota ⁇ tion can be in operation independently of the inclination of the motor axis A ensure.
  • the refrigerant must k or.
  • a vacuum environment is expediently provided, wherein optionally in the corresponding vacuum spaces additionally insulating such.
  • Super insulation or insulation foam can be provided.
  • the vacuum enclosed by the vacuum vessel 7 is designated by V. It also surrounds the lateral cavity 13 enclosing, up to the seal 21 extending pipe.
  • the heat pipe 20 and the condenser 18 and the heat transfer body 17 enclosing vacuum is denoted by V ⁇ .
  • a negative pressure can be generated.

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Abstract

Die Maschineneinrichtung umfasst eine Maschine (2) mit einem um eine Achse (A) drehbaren Rotor (5), dessen supraleitende Wicklung (10) an einen zentralen Kältemittel-Hohlraum (12) über einen Wicklungsträger (9) wärmeleitend angekoppelt ist. Der Rotorhohlraum (12) bildet mit an ihn seitlich angeschlos- senen Leitungsteilen (22) und einem außerhalb der Maschine (2) befindlichen Kondensorraum (18) einer Kälteeinheit (15) ein Leitungssystem, in dem ein Kältemittel (k, k' ) auf Grund eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert. Zur Aufrechterhaltung der Kühlmittelzufuhr in den zentralen Rotorhohlraum (12) auch bei Schieflagen (δ) des Rotors (5) ist der Rotorhohlraum (12) mit einer Auskleidung (25) aus einem porösen Material, vorzugsweise einem Sintermaterial, hoher thermischer Leitfähigkeit versehen.

Description

Beschreibung
Maschineneinrichtung mit Thermosyphon-Kühlung ihrer supraleitenden Rotorwicklung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschineneinrichtung
- mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten, von einem Stator umgebenen Rotor, der mindestens eine Rotorwicklung aufweist , deren supraleitfähige Leiter wärmelei- tend an einen zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen Rotorhohlraum angekoppelt sind,
- mit einer außerhalb des Rotors befindlichen, ortsfesten Kälteeinheit mit einem Kondensorraum und - mit zwischen dem zentralen Rotorhohlraum und dem Kondensorraum der Kälteeinheit verlaufenden, rohrförmigen Leitungsteilen .
Dabei bilden der Rotorhohlraum, die rohrförmigen Leitungsteile und der Kondensorraum ein geschlossenes Leitungssystem, in dem ein Kältemittel unter Ausnutzung eines Thermosyphon- Effektes zirkuliert oder zirkulieren kann . Eine entsprechende Maschineneinrichtung geht aus der DE 100 57 664 Al hervor .
Seit 1987 kennt man metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen Tc von über 77 K . Diese Materialien werden deshalb auch als Hoch (High) -Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2 ) .
Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen von Maschinen zu erstellen . Es zeigt sich jedoch, dass bisher bekannte HTS-Leiter eine verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfel- dern mit Induktionen im Tesla-Bereich besitzen . Dies macht es vielfach erforderlich, dass die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperatur Tc der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehal¬ ten werden müssen, um so bei auftretenden hohen Feldstärken nennenswerte Ströme tragen zu können . Ein solches Temperatur- niveau liegt deutlich höher als 4 , 2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe) , mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien mit vergleichsweise niedriger Sprungtemperatur Tc, sogenannte Niedrig (Low) -Tc-Materialien oder LTS-Materialien gekühlt werden .
Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern in dem genannten Temperaturbereich unter 77 K kommen bevorzugt Kälteanlagen in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He- Druckgaskreislauf zum Einsatz . Solche Kryokühler sind insbe- sondere vom Typ Gifford McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet . Sie haben zudem den Vorteil, dass ihre Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird . Bei Verwendung solcher Kälteanlagen wird die supraleitende Wicklung lediglich durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines entsprechenden Refrigerators indirekt gekühlt (vgl . z . B . auch „Proc . 16th Int . Cryog . Engig . Conf . ( ICEC 16 ) ", Kitakyushu, JP , 20. -24.05.1996 , Verlag Elsevier Science, 1997 , Seiten 1109 bis 1129) .
Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der eingangs genannten DE 100 57 664 Al entnehmbaren Rotor einer e- lektrischen Maschine vorgesehen . Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die sich in einem wärme- leitend ausgebildeten Wicklungsträger befinden . Dieser Wicklungsträger ist mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Rotorhohlraum ausgestattet , an den sich seitlich aus dem Wicklungsträger herausführende, rohrförmige Leitungsteile anschließen . Diese Leitungsteile führen in einen geodätisch höher liegenden Kondensorraum einer Kälteeinheit und bilden zusammen mit diesem Kondensorraum und dem zentralen Rotorhohlraum ein geschlossenes Ein-Rohr- Leitungssystem. In diesem Leitungssystem befindet sich ein Kältemittel, das unter Ausnutzung eines sogenannten Thermo- syphon-Effektes zirkuliert . Hierbei wird in dem Kondensorraum kondensiertes Kältemittel über die rohrförmigen Leitungsteile in den zentralen Rotorhohlraum geleitet , wo es wegen der thermischen Ankopplung an den Wicklungsträger und damit an die zu kühlende HTS-Wicklung Wärme aufnimmt und zumindest teilweise verdampft . Der verdampfte Kältemittelteil gelangt dann zurück über dieselben Leitungsteile in den Kondensor- räum, wo er zurückkondensiert wird . Die hierfür erforderliche Kälteleistung wird von einer Kältemaschine erbracht , deren Kaltkopf an den Kondensorraum thermisch angekoppelt ist . Der Rückstrom des Kältemittels hin zu dem als Kondensator wirkenden Teilen der Kältemaschine wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck, welcher sich in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Rotorhohlraum ausbildet . Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampferteil und das Verflüssigen im Kondensorraum erzeugte Überdruck führt zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Die entsprechende Zirkulation wird auch als natürliche Konvektion bezeichnet .
Statt dieses bekannten Ein-Rohr-Thermosyphon-Leitungssystems , bei dem das flüssige und das gasförmige Kältemittel durch gleiche Rohrteile strömen, sind auch Zwei-Rohr- Leitungssysteme für eine Kältemittelzirkulation unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes bekannt (vgl . z . B . WO 00/13296 A) . Hierbei muss im Bereich der Hohlwelle des Ro¬ tors ein zusätzliches Rohr für das gasförmige Kältemittel vorgesehen werden .
Bei den bekannten Maschinen mit Thermosyphon-Kühlung erfolgt also der Transport des Kältemittels allein unter Ausnutzung der natürlichen Konvektion, so dass keine weiteren Pumpsysteme erforderlich sind . Will man eine derartige Maschinenein- richtung auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen einsetzen, so muss vielfach mit statischen Schieflagen, einem sogenannten „Trim", von bis zu ± 5 ° und/oder mit dynamischen Schiff- lagen von bis zu ± 7 , 5 ° in Längsrichtung gerechnet werden . Um eine Zulassung einer Klassifizierungsgesellschaft für einen Schiffseinsatz zu erhalten, muss folglich das Kühlsystem einer solchen Maschineneinrichtung eine sichere Kühlung gewähr- leisten . Will man die genannten Schieflagen der Maschine zulassen, so besteht jedoch die Gefahr, dass ein Bereich der rohrförmigen Leitungsteile zwischen dem zentralen Rotorhohlraum und der Kälteeinheit geodätisch tiefer zu liegen kommt als der zentrale Rotorhohlraum selbst . Die Folge davon ist , dass das Kältemittel unter Einfluss der Schwerkraft den zu kühlenden Rotorhohlraum nicht mehr erreichen kann . Eine Kühlung der Maschine und somit deren Betrieb wären damit nicht mehr sichergestellt .
Um dieser Gefahr zu begegnen, sind unter anderem die folgenden Vorschläge bekannt :
- Eine einfache Lösung bestünde darin, die Maschine gegen¬ über der Horizontalen so geneigt anzuordnen, dass auch bei größter anzunehmender Trimlage oder Oszillationsamplitude in dem Thermosyphon-Leitungssystem immer noch ein Gefälle in Richtung auf den zentralen Rotorhohlraum vorhanden ist . Eine entsprechend geneigte Anordnung ist gerade im Schiffsbau insbesondere bei größerer Maschinenlänge aus Gründen eines dann erforderlichen großen Platzbedarfs un- erwünscht .
- Prinzipiell kann das Kältemittel auch durch eine Pumpanla¬ ge zwangsumgewälzt werden . Hierfür ist jedoch ein erhebli¬ cher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere wenn sich das Kältemittel auf einem Temperaturniveau von bei- spielsweise 25 bis 30 K befinden soll . Derartige Umwälzan¬ lagen bedingen zudem erhebliche Verluste und können die Lebensdaueranforderungen des Schiffsbaus mit seinen langen Wartungsintervallen kaum erfüllen .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eine Maschine mit zugehörender Kälteeinheit umfassende Maschinen¬ einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass auch bei realistisch anzunehmenden Schräg-/bzw . Schieflagen ihres Rotors , wie sie bei einem Einsatz auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen auftreten können, dennoch in dem zentralen Rotorhohlraum eine hinreichende Kühlwirkung durch das Kältemittel zu erreichen ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an¬ gegebenen Maßnahmen gelöst . Dementsprechend soll bei der Ma¬ schineneinheit mit den eingangs genannten Merkmalen der zent- rale Rotorhohlraum zumindest teilweise mit einer Auskleidung aus einem porösen Material hoher thermischer Leitfähigkeit versehen sein, das für das Kältemittel zugängliche, kapillar¬ ähnliche Strukturen oder Hohlräume bildet .
Mit der erfindungsgemäßen Auskleidung der Innenwand eines den Rotorhohlraum umschließenden Wicklungsträgers , der als thermisch leitende Brücke zwischen dem Rotorhohlraum und der supraleitenden Wicklung dient , ist dann insbesondere der Vorteil verbunden, dass auch bei geneigter Achse auf Grund der Kapil- larwirkung eine hinreichend gleichmäßige Verteilung des Käl¬ temittels über die Flächen bzw . Wände der Strukturen oder Hohlräume erreicht wird . Eine solche Kältemittelverteilung wird darüber hinaus noch im Betrieb durch die Rotation der Strukturen oder Hohlräume unterstützt . Auf diese Weise ist eine gute Benetzung des porösen Materials zu gewährleisten . Da dieses Material eine hinreichend hohe thermische Leitfä¬ higkeit besitzen soll, lässt sich eine gute thermische An- kopplung der zu kühlenden Leiter an das Kältemittel gewährleisten .
Vorteilhafte Weiterbildungen der aus Anspruch 1 entnehmbaren Maschineneinrichtung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen .
So kann es sich bei dem porösen Material bevorzugt um ein
Sintermaterial , insbesondere aus oder mit Kupfer (Cu) , han¬ deln . Unter einem Sintermaterial sei in diesem Zusammenhang jeder Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit verstanden, der auf pulvermetallurgischem Wege durch Pressen und Erhitzen ausgebildet ist und dabei noch eine für die geforderte Kapil¬ larität hinreichende Porosität aufweist .
Die Auskleidung des Rotorhohlraums aus dem Sintermaterial kann insbesondere in diesen eingepresst oder eingeschrumpft sein . Mit entsprechenden Verfahren lässt sich auf einfache Weise die gewünschte Auskleidung realisieren .
So kann die Auskleidung aus dem porösen Material insbesondere eine Porosität von mindestens 3 %, vorzugsweise mindestens 10 % aufweisen, um so für die geforderte Kapillarwirkung eine hinreichend große mit dem Kältemittel benetzbare Oberfläche anzubieten .
Zu bevorzugen sind insbesondere solche Materialien für die Auskleidung, deren thermische Leitfähigkeit mindestens 100 W pro (Meter • Kelvin) bei der Betriebstemperatur des supra- leitenden Materials beträgt . Insbesondere Kupfer (Cu) -Material erfüllt ohne weiteres diese Bedingung, da dessen thermische Leitfähigkeit einen Wert hat , der über dem beanspruchten Mindestwert liegt .
Statt einer Auskleidung mit einem Sintermaterial ist auch ei¬ ne entsprechend poröse Beschichtung möglich .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschineneinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angespro- chenen abhängigen Ansprüchen hervor .
Zu einer ergänzenden Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschineneinrichtung noch weiter beschrieben ist . Dabei zeigt in schematisierter Darstellung deren einzige Figur einen Längsschnitt durch eine erfindungs¬ gemäß ausgestaltete Maschineneinheit .
Erfindungsgemäße Maschineneinrichtungen umfassen jeweils eine Maschine bzw . einen Motor sowie eine zugeordnete Kälteein¬ heit . Bei der nachfolgend an Hand der Figuren angedeuteten Ausführungsform einer solchen Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln . Die Maschine umfasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material oder oxidischem HTS-Material gestattet . Letzteres Material sei bevorzugt für das nachfolgende Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt . Mit entsprechenden Leitern kann die Wicklung aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer 2-, 4- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen . Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Synchron-Motors geht aus der Figur hervor, wobei von der aus der eingangs genannten DE 100 57 664 Al bekannten Ausführungsform einer solchen Maschine ausgegangen wird .
Die mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein feststehendes , auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständer¬ wicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständer¬ wicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rota- tionsachse A in Lagern 6 gelagert . Bei diesen Lagern kann es sich um konventionelle mechanische Lager oder auch um Magnet¬ lager handeln . Der Rotor weist ferner ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z . B . hohlzylindrischen, drehmomentübertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS- Wicklung 10 gehaltert ist . In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender zentraler Rotorhohlraum 12 vorhanden, der beispielsweise eine Zylinderform hat . Der Wicklungsträger ist dabei vakuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt . Er schließt diesen auf einer Seite des Rotors ab, der auf dieser Seite mittels eines massiven axialen Rotorwellenteils 5a ge¬ lagert ist . Auf der gegenüberliegenden Seite ist der zentrale Rotorhohlraum 12 an einen seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durchmesser angeschlossen . Dieser seitliche Hohlraum führt von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus . Ein diesen seitlichen Hohlraum 13 umschließender, in einem der
Lager gelagerter, rohrförmiger Rotorwellenteil ist mit 5b bezeichnet .
Zu einer indirekten Kühlung der HTS-Wicklung 10 über wärme- leitende Teile des Wicklungsträgers 9 ist eine allgemein mit 15 bezeichnete Kälteeinheit vorgesehen, von der lediglich ein Kaltkopf 16 näher angedeutet ist . Bei dieser an sich bekann¬ ten Kälteeinheit kann es sich um einen Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon oder insbesondere um einen regenerativen Kry- okühler wie z . B . einen Pulsröhrenkühler oder einer Split-
Stirling-Kühler handeln . Dabei befinden sich der Kaltkopf 16 und damit alle wesentlichen, weiteren Teile der Kälteeinheit außerhalb des Rotors 5 bzw . dessen Außengehäuses 3.
Das Kaltteil des beispielsweise etliche Meter seitlich von dem Rotor 5 angeordneten Kaltkopfes 16 steht in einem Vakuumgefäß 23 über einen Wärmeübertragungskörper 17 in gutem thermischen Kontakt mit einer Kältemittelkondensationseinheit , die einen Kondensorraum 18 aufweist . An diesem Kondensorraum ist ein vakuumisoliertes , ortsfestes Wärmerohr 20 angeschlos¬ sen, das seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohlraum 13 oder den zentralen Rotorhohlraum 12 hineinragt . Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 gegenüber dem seitlichen Hohlraum 13 dient eine in der Figur nicht nä- her ausgeführte Dichtungseinrichtung 21 mit mindestens einem Dichtungselement , das als eine Ferrofluiddichtung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdichtung ausgebildet sein kann . Über das Wärmerohr 20 und den seitlichen Hohlraum 13 ist der zentrale Rotorhohlraum 12 mit dem Wärme- tauschbereich des Kondensorraums 18 nach außen gasdicht abge¬ dichtet verbunden . Die zwischen dem zentralen Rotorhohlraum 12 und dem Kondensorraum 18 verlaufenden, rohrförmigen Teile, die zur Aufnahme eines Kältemittels dienen, sind allgemein als Leitungsteile 22 bezeichnet . Diese Leitungsteile werden zusammen mit dem Kondensorraum 18 und dem zentralen Rotorhohlraum 12 als ein Leitungssystem betrachtet .
Diese Räume dieses Leitungssystems sind mit einem Kältemittel gefüllt , das je nach gewünschter Betriebstemperatur der HTS- Wicklung 10 ausgewählt wird . So kommen beispielsweise Wasser¬ stoff (Kondensationstemperatur 20 , 4 K bei Normaldruck) , Neon (Kondensationstemperatur 27 , 1 K bei Normaldruck) , Stickstoff (Kondensationstemperatur 77 , 4 K bei Normaldruck) oder Argon (Kondensationstemperatur 87 , 3 K bei Normaldruck) in Frage . Auch können Gemische aus diesen Gasen vorgesehen werden . Die Zirkulation des Kältemittels erfolgt dabei unter Ausnutzungen eines sogenannten Thermosyphon-Effektes . Hierzu wird an einer Kaltfläche des Kaltkopfes 16 im Bereich des Kondensorraums 18 das Kältemittel kondensiert . Anschließend fließt das so ver¬ flüssigte, mit k bezeichnete Kältemittel durch die Leitungs¬ teile 22 in den zentralen Rotorhohlraum 12. Der Transport des Kondensats geschieht dabei unter Einfluss der Schwerkraft .
Hierzu kann vorteilhaft das Wärmerohr 20 geringfügig (um ei¬ nige wenige Grad) gegenüber der Rotationsachse A geneigt sein, um so ein Herausfließen des flüssigen Kältemittels k aus dem offenen Ende 20a des Rohres 20 zu unterstützen . Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige Kältemittel ver¬ dampft . Das dampfförmige Kältemittel ist mit k Λ bezeichnet . Dieses unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittel strömt dann durch das Innere der Leitungsteile 22 zurück in den Kondensorraum 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leich- ten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Rotorhohlraum 12 in Richtung auf den Kondensorraum 18 hin angefacht , der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in dem Kondensorraum verursacht wird . Da die Zirkulation des verflüssigten Kältemittels von dem Kondensorraum 18 in den zentralen Rotorhohlraum 12 und die Rückströmung des verdampften Kältemittels k Λ aus diesem Rotorhohlraum zurück zu dem Kondensorraum in dem aus dem Kondensorraum 18 , den Leitungs- teilen 22 und dem Rotorhohlraum 12 gebildeten rohrförmigen Leitungssystem erfolgt , kann von einem Ein-Rohr-System mit einer Zirkulation des Kältemittels k, k Λ unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes gesprochen werden . Selbstverständ- lieh sind für die erfindungsgemäße Maschineneinrichtung auch bekannte Mehrrohr-Leitungssysteme einsetzbar, die eine Ther- mosyphon-Zirkulation ermöglichen .
Wie aus der Figur ferner ersichtlich ist , kann bei einem Ein- satz der Maschine 2 auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen eine Schieflage auftreten, bei der die Rotationsachse A ge¬ genüber der Horizontalen H um einen Winkel δ von einigen Grad geneigt ist . Dann erfolgt zwar nach wie vor eine Kondensation des Kältemittels in dem Kondensorraum 18 ; aber das Kältemit- tel kann nicht mehr den zentralen Rotorhohlraum 12 erreichen, so dass dann die Leitungsteile 22 insbesondere im achsnahen Bereich allmählich mit flüssigem Kältemittel k volllaufen . Bei einer verhältnismäßig geringen Füllmenge des Leitungssys¬ tems mit Kältemittel kann dann der Läuferinnenraum bzw . der Rotorhohlraum 12 trocken laufen und wird somit nicht mehr gekühlt . Bei einer größeren Füllmenge des Leitungssystems wird der Rückstrom des gasförmigen Kältemittels k Λ in den Leitungsteilen 22 hin zum Kondensorraum 18 nach einer gewissen Zeit durch angesammeltes flüssiges Kältemittel blockiert . Ei- ne sichere Kühlung des Rotors bzw . seiner supraleitenden
Wicklung ist in diesem Fall ebenfalls nicht mehr gewährleis¬ tet .
Aus diesem Grunde ist , wie aus der Figur hervorgeht , gemäß der Erfindung an der Innenseite des Wicklungsträgers 9 eine besondere Auskleidung 25 aus einem hinreichend porösen Mate¬ rial, vorzugsweise aus einem Sintermaterial vorgesehen . Seine Dicke D liegt dabei im Allgemeinen zwischen 0 , 1 und 2 mm. Ein solches Sintermaterial sei für das Ausführungsbeispiel ausgewählt . Es ist damit zu gewährleisten, dass sich auch bei Schieflagen auf Grund von Kapillarkräften in dem Sintermaterial das Kältemittel k gleichmäßig auf der Innenfläche ver- teilt , so dass damit eine gleichmäßige Verdampfung und damit Kühlung sicherzustellen ist . Die Auskleidung 25 soll zudem aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie z . B . der von Kupfer bestehen . Sie sollte mindestens 100 W - In"1 - K"1 bei einer gewählten Betriebstemperatur des verwendeten supraleitenden Materials betragen . Bevorzugt sollte der Mindestwert bei 400 W (m K) ^1 liegen . So hat zum Beispiel Cu- Sintermaterial einen Wert der thermischen Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 30 K von etwa 3000 W rrT1 K"1 (vgl . „Gme- lins Handbuch der Anorganischen Chemie : Kupfer, Teil A",
8.Aufl .1955 , Seite 957 ) . Die Auskleidung 25 weist dabei einen guten thermischen Kontakt mit dem Wicklungskörper 9 auf, der z . B . durch eine Schrumpfverbindung oder durch ein Einpressen zu erreichen ist .
Eine entsprechende Auskleidung kann auch in Form einer Schicht vorliegen, die durch Beschichtung der Innenfläche des Trägerkörpers 9 mit einem Material erreicht wird . Dabei ist eine hinreichend poröse Struktur zu gewährleisten, damit die geforderten Kapillarkräfte wirksam werden können .
Die Porosität der Auskleidung 25 bzw . ihres Materials sollte hierfür mindestens 3 %, vorzugsweise mindestens 10 % betra¬ gen . Im Betrieb bei Rotation mit geneigter Achse bewirkt dann die Auskleidung eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen
Kältemittels k, wobei die Verteilung des Kältemittels an den Wänden oder Flächen der mit den Strukturen oder Hohlräumen geschaffenen Kältemittelwege durch die auftretenden Fliehkräfte noch zusätzlich unterstützt wird .
Mit der erfindungsgemäßen Auskleidung lässt sich also eine gleichmäßige Verlustwärmeabfuhr über die gesamte Hohlzylin- der-Innenflache sowohl im Betriebszustand als auch bei Rota¬ tion im Betrieb unabhängig von der Neigung der Motorachse A gewährleisten . Selbstverständlich müssen die das Kältemittel k bzw . k Λ umschließenden Teile oder Behältnisse gegen Wärmeeinleitung geschützt sein . Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenen- falls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzlich noch Isolationsmittel wie z . B . Superisolation oder Isolationsschaum vorgesehen werden können . In der Figur ist das von dem Vakuumgefäß 7 eingeschlossene Vakuum mit V bezeichnet . Es umgibt außerdem das den seitlichen Hohlraum 13 umschließende, sich bis zu der Dichtung 21 erstreckende Rohr . Das Wärmerohr 20 sowie den Kondensorraum 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 umschließende Vakuum ist mit V Λ bezeichnet . Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Innenraum 27 ein Unterdruck erzeugt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Maschineneinrichtung
- mit einem um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten, von einem Stator umgebenen Rotor ( 5 ) , der mindestens eine Rotorwicklung ( 10 ) aufweist , deren supraleitfähige Leiter wärmeleitend an einen zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen Rotorhohlraum ( 12 ) angekoppelt sind, - mit einer außerhalb des Rotors ( 5 ) befindlichen, ortsfes¬ ten Kälteeinheit ( 15 ) mit einem Kondensorraum ( 18 ) und
- mit zwischen dem zentralen Rotorhohlraum ( 12 ) und dem Kondensorraum ( 18 ) der Kälteeinheit ( 15 ) verlaufenden, rohr- förmigen Leitungsteilen (22 ) wobei der Rotorhohlraum ( 12 ) , die rohrförmigen Leitungsteile (22 ) und der Kondensorraum ( 18 ) ein geschlossenes Leitungs¬ system bilden, in dem ein Kältemittel (k, k' ) unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert oder zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet , dass der zentrale Rotorhohlraum ( 12 ) zumindest teilweise mit einer Auskleidung (25 ) aus einem porösen Material hoher thermischer Leitfähigkeit versehen ist , das für das Kältemittel (k, k' ) zugängliche, kapillar¬ ähnliche Strukturen oder Hohlräume bildet .
2. Maschineneinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das poröse Material ein Sintermaterial ist .
3. Maschineneinrichtung nach Anspruch 2 , gekennzeichnet durch ein Kupfer-Sintermaterial .
4. Maschineneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine eingepresste oder einge¬ schrumpfte Auskleidung (25 ) .
5. Maschineneinrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine poröse Beschichtung als Auskleidung (25 ) .
6. Maschineneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Porosität der Auskleidung (25 ) von mindestens 3 %, vorzugsweise mindestens 10 % .
7. Maschineneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das poröse Material eine thermische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur der sup- raleitfähigen Leiter von mindestens 100 W / (m- K) aufweist .
8. Maschineneinrichtung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass der Wert der thermische Leitfähigkeit des porösen Materials bei der Betriebstemperatur der supraleitfähigen Leiter zumindestens dem des reinen Kupfers entspricht .
9. Maschineneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch supraleitfähige Leiter der Rotor¬ wicklung ( 10 ) mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial .
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