WO2008151751A1 - Heat pipe and cooling device used in cryotechnology - Google Patents

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WO2008151751A1
WO2008151751A1 PCT/EP2008/004483 EP2008004483W WO2008151751A1 WO 2008151751 A1 WO2008151751 A1 WO 2008151751A1 EP 2008004483 W EP2008004483 W EP 2008004483W WO 2008151751 A1 WO2008151751 A1 WO 2008151751A1
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heat pipe
tube
cooling module
pipe according
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PCT/EP2008/004483
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Jens Müller
Carsten BÜHRER
Jan Wiezoreck
Christoph Füllbier
Ingolf Hahn
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Zenergy Power Gmbh
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    • F28D2021/0033Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • the invention relates to a heat pipe for cryogenics, with a cladding tube and a hermetically sealed by means of a condensation element at one end of the tube and an evaporation element at the other end of the tube, filled with heat transfer medium chamber.
  • the invention further relates to a cooling device for cryotechnology for cooling superconductor components, in particular superconducting coils such as HTS coils (high-temperature superconductor coils), with at least one heat pipe.
  • a heat pipe (also called a "heat pipe”) is a heat exchanger that allows a high heat flux density by utilizing the heat of evaporation and condensation of a substance.
  • the operation of a heat pipe is based on circulating in a hermetically sealed tube, each having a heat transfer surface for the heat source and a heat transfer medium, preferably exclusively by gravity, to circulate through the phase transition of the heat transfer medium between liquid and gaseous To extract heat or material from the element.
  • the capillary effect of a shaft can be used in the heat pipe.
  • cryogenic technique which uses so-called cryogenic superconductors, even uses liquid helium for this purpose, which allows an operating temperature of 4.2K in the liquid bath. Since a temperature level below about -150 ° C is desired, numerous different refrigeration units or cryocooler for cryogenics, cryogenics and cryogenic technology can be used.
  • the liquid bath cooling has the disadvantage of a high cost, since a closed and pressure-resistant vessel must be guaranteed. On the other hand, if the liquid is allowed to evaporate, it must be constantly refilled from a reservoir.
  • the direct contact of a refrigeration unit (cryocooler) with a component to be cooled has the disadvantage that the heat dissipation via heat conduction takes place in the material, so it is limited in terms of distance and the transferable power or requires the use of a lot of additional material that applications makes it undesirably difficult.
  • the heat transfer medium (refrigerant) consists of a mixture of at least two refrigerant components, wherein the condensed refrigerant is conveyed via the heat pipe into the lateral cavity under groove tion of a Thermosyphon bines is introduced and in the cavity evaporating refrigerant via the heat pipe back to the condensation unit. From DE 102 11 363 Al it is known to use a heat pipe for cryogenics.
  • a conventional heat pipe for heating applications is known from US 2005/0257918 Al.
  • a built-in element is installed to divide the cladding tube into an upper and a lower half.
  • the heat transfer medium which changes its state of aggregation to superheated steam at the evaporation element rises through the installation element to the condensation element and precipitates as condensate on the inner circumference of the cladding tube, the condensed drops running down from the condensation element to the installation element transporting the heat over the entire envelope. effect flat upper half.
  • the mounting member serves as a collection ring for transferring the liquid heat transfer medium into an outwardly branching bypass line which returns liquid heat transfer medium in a closed line outside the chamber to the evaporation element.
  • the object of the invention is to provide a heat pipe for cryogenics and a cooling device with corresponding heat pipes, with which superconductive elements or components with high reliability and economy can be cooled with a short cooling time to the required transition temperature.
  • Another object of the invention is to provide heat pipes with which also superconducting components of greater extent can be cooled.
  • a heat pipe in that in the chamber between the condensation element and the evaporation element at least one cooling module is installed, which partially rests with a tubular shell surface on the inner surface of the Hüll- and at least Kondensationselement think is provided with a guide, to deflect condensed and / or liquid heat transfer medium to the inside of the jacket surface of the cooling module.
  • the liquid or condensed heat transfer The coolant flows downwards along the inside of the jacket surface of the cooling module, whereby the heat removal takes place selectively only in the region of the extent of the jacket surface.
  • the heat pipe according to the invention for the cryogenics is to be used, and as a suitable refrigerant for the selected temperature range of the cryogenics is used as a heat transfer medium, the heat pipe can also be referred to as a cold pipe.
  • the built in the heat pipe or cold tube, only partially relative to the total surface of the cladding tube on the inner wall applied cooling module causes the heat transfer medium or refrigerant only at certain areas of the cladding tube due to the direct contact between the outer surface of the cooling module and the inner surface of the cladding Cooling of the wall surface causes.
  • the cooling module At the points where there is contact between the cooling module and the cladding tube or on which the cooling module is positioned on the inside, it is therefore possible to selectively dissipate heat, in particular heat of a superconducting component, which is directly or indirectly connected to the zone of the cladding tube of the heat pipe or heat pipe .
  • Cold-oil communicates.
  • the operation of the heat pipe (cold pipe) is based in a conventional manner that the refrigerant hermetically enclosed in the cold pipe, which is preferably a liquefied gas or gas mixture suitable for cryogenics, evaporates on supply of heat and reliquefies on the cooled condensation element becomes.
  • the evaporating at warmer areas within the heat pipe refrigerant extracts heat on the heat of vaporization or enthalpy of vaporization of the corresponding zone, whereby the cooling effect is achieved in the region of the cooling modules.
  • the temperature of the refrigerant (boiling temperature) also remains constant during the phase transition. It is understood that the condensation element for operating a heat pipe or cold pipe must be thermally coupled with a cryocooler to cool the condensation element to a temperature at which a phase transition gaseous-liquid takes place for the re-liquefaction of the refrigerant.
  • the guide of the cooling module is provided with passage slots, which lead to the inside of the Man- open surface to achieve a targeted application of the lateral surface with the liquid and dripping refrigerant on the condensation element.
  • the guide is designed as a cone or funnel-shaped, wherein it is preferably widened by the condensation element in the direction of the lateral surface. It is understood that each cooling module will normally have a certain distance from the condensation element.
  • the cooling module is provided with a guide element on the evaporation element side in order to lead away condensed and / or liquid heat transfer medium from the lateral surface.
  • the guide element can also be advantageously designed as a cone or funnel-shaped.
  • the guide element may have a sieve-like wall, consist of a perforated plate or be made of a perforated plate. The recesses in the screen or in the perforated plate serve to drain liquid refrigerant on the guide element in order to supply it to a further cooling module or to the evaporation element at the lower tube end of the heat pipe.
  • the guide element may be provided with drainage slots.
  • the cooling module with guide,.
  • Jacket surface and guide element made of metal, in particular a metal sheet, preferably made of steel, steel, copper, copper alloy or copper sheet.
  • the cooling module can then by sheet metal forming, if necessary, without welds or the like. getting produced.
  • For mounting a cooling module within the cladding tube is particularly advantageous when the assembly process by means of a shrinking process, namely by cooling thedetnoduls and / or simultaneous heating of the cladding tube, thus especially at the cryogenic temperatures, a secure positioning of the cooling modules and at the same time a secure Contact between the lateral surface of the cooling module and the inner surface of the cladding tube is ensured.
  • the cryogenic refrigerant may according to an advantageous embodiment consist of a mixture of at least two coolants with different condensation temperatures, such as a suitable for cryogenics helium nitrogen mixture (nH 2 ) or nitrogen-oxygen mixture.
  • the refrigerant may consist of a liquefied pure substance gas or an isotope thereof, in particular 4 He (liquid helium I), 3 He, neon, hydrogen or nitrogen (N 2 ).
  • the advantage of a multiphase refrigerant is that this refrigerant does not have an exact boiling point but a boiling range. The thermodynamic equilibrium may then shift to the higher boiling component of the liquid phase, causing a boiling point increase.
  • the phase transition begins when the temperature reaches the boiling point of that mixture constituent which reaches the lower boiling point.
  • the composition of the mixture changes locally, which also changes the boiling point until the boiling point of the other component is reached.
  • the pressure in the heat pipe can be adjusted higher or lower according to the requirements, so that a fine-tuning of the cooling area can be carried out here as well.
  • the chamber facing side of the condensation element on a prismatic surface with drip tips wherein preferably the drip tips in the assembled state are aligned with the passage slots in the cooling module.
  • This measure also serves to selectively supply the liquefied at the condensation element refrigerant to the conical guide of the cooling module and the passage slots formed there, when the cold tube is used substantially vertically and the cycle of the refrigerant takes place due to gravity.
  • the surfaces of the prisms may also be formed as fins to increase the heat exchange surface.
  • the lamellae are perpendicular to the surface and the tips of the prism men are formed by the lamellae, ie the prisms form a superstructure.
  • a shaft leading from the evaporation element to the condensation element preferably laid concentrically to the central axis is laid, which can be formed in particular by means of a hollow tube. Through the cavity of the shaft or pit tube then gaseous refrigerant can rise unhindered to the condensation element.
  • a heat pipe according to the invention may have only a single cooling module in the chamber.
  • a plurality of cooling modules are installed in the chamber to be able to cool by means of a cold pipe, if necessary, several superconducting, arranged outside the cold tube components to the necessary for the superconductivity operating temperature.
  • the effect additionally occurs that by means of each cooling module a zone is formed, between which and the condensation element the refrigerant circulates until the zone has cooled to the desired cryogenic temperature level (ideally eg about 27K or 33K), only then liquid refrigerant passes through the perforated plate of the guide element to the cooling module of the next zone.
  • a cooling module has reached the temperature level, an approximately constant temperature profile arises between the condensation element and this cooling module, as a result of which the condensation zone also increases.
  • the refrigerant in a deeper zone will evaporate as far as possible completely with high heat dissipation. Due to the extended condensation zone, however, this vapor can condense again to wet steam or droplets already at the overlying cooling module without the vapor having to rise up to the condensation element.
  • the provision of a shaft is also advantageous in the case of a plurality of cooling modules, for which purpose the cooling modules preferably have a passage for a shaft or a hollow shaft pipe centrally.
  • the shaft for each cooling module may have at least one radial opening above which the guide rests sealingly against the hollow tube.
  • the central hollow tube or shaft tube can in turn be connected to the plurality of cooling modules by a shrinking process, wherein preferably in the production of a heat pipe with multiple cooling modules first all cooling modules are attached to the hollow tube and then this unit, again by a shrinkage process, is introduced into the cladding tube.
  • a combination of shrinking process in combination with soldering can be performed.
  • the sheath tube can be designed annular and have an inner ring and an outer ring shell, wherein the cooling module rests with its lateral surface depending on the positioning of the component to be cooled on the inner surface of the inner ring or on the inner surface of the outer ring.
  • the superconductive component to be cooled in particular a superconductive coil, is expediently positioned on the annular jacket, on the inner surface of which the jacket surfaces of the cooling module (s) abut.
  • An annular heat pipe is particularly advantageous for cooling large superconducting coils, ie coils with large inner diameters.
  • the coils and corresponding to the heat pipe may be rotationally symmetrical about a central axis but may also be elliptical, oval or racetrack-shaped.
  • an annular shaft can advantageously be formed between the cooling module (s) and that annular jacket on whose inner surface the lateral surfaces of the cooling module (s) do not abut.
  • the guide devices and the guide elements are then aligned obliquely in such a way that the guide devices direct condensed heat transfer medium to the jacket surface on which the coil to be cooled is positioned, and the guide elements guide the heat transfer medium away from the jacket surface again.
  • a heat-distributing element in particular a copper tube, can additionally be arranged between the component to be cooled and the annular jacket.
  • the above object is also achieved by means of a cooling device for cryotechnology for cooling superconductor components such as superconducting coils, in particular HTS coils, which has at least one such heat pipe or cold tube.
  • the cooling device has a receiving tube, in the inner chamber according to the invention a plurality of heat pipes are each arranged with at least one built-in cooling module, the condensation elements are thermally coupled to a cryocooler and their sheaths are at least partially in contact with the receiving tube.
  • the cooling modules of a plurality, preferably all, of the heat pipes preferably lie in a common plane and a superconducting component is positioned in the same plane on the outer circumference of the receiving tube.
  • inner thermal coupler elements in the same installation height as the cooling modules are formed in the interior of the receiving tube and / or an external one is present between the superconducting component and the outer jacket of the receiving tube thermal coupler element such as formed a copper ring.
  • a cooling device not only, for example, superconducting coils can be cooled with a large inner diameter, but it can be achieved at the same time a high cooling capacity due to the large number of heat pipes or cold pipes. Even with such cold pipes long combinations of coils can be cooled, since a heat transfer over larger units is ensured.
  • a cooling device is particularly advantageous if the heat pipes are anchored with their evaporation elements in a common receiving base, which is preferably formed thermally conductive and is thermally coupled to a heater. With the heater can then be prevented that in cooling mode, when all the cooling modules on the corresponding batch of the cladding tube cooled the desired temperature and even have the cryogenic temperature, icing at the foot of the heat pipe liquid refrigerant iced, since the additional heat supply, the refrigerant then evaporates, wherein the vapor rises via the shaft by convection or capillary action to the condensation element.
  • An advantageous field of application of corresponding cooling devices could be, for example, superconducting coil-equipped generators for the conversion of ocean waves or ocean currents into electricity.
  • Another advantageous application is the cooling of an elongated, polysolenoid linear motor or an elongated or / and large-volume coil of a magnet for current limiters.
  • Fig. 1 is a longitudinal section through an inventive
  • FIG. 2 shows a side view of an embodiment of a cooling module for a heat pipe according to the invention
  • FIG. 3 shows in perspective an embodiment of a condensation element for a heat pipe according to the invention
  • FIG. 4 shows a cooling device with heat pipes according to the invention in side view
  • Fig. 5 shows schematically a longitudinal section through the cooling device of Figure 4, partially broken.
  • Fig. 6 is a plan view of the upper head of the cooling device according to FIG. 4 and 5; and Fig. 7 shows schematically a longitudinal section through an annular heat pipe according to another embodiment for cooling large HTS coils.
  • the reference numeral 10 in Fig. 1 generally designated heat pipe or cryogenic pipe for cryogenics has a cylindrical cladding tube 1 as a connecting tube, which at its lower end with an evaporation plate 2 as an evaporation element and at its upper end with a condensation plate 3 as a condensation element or Capacitor element is closed.
  • the connection between the tube shell of the cladding tube 1, the condensation plate 2 and the evaporation plate 3 takes place such that within the cladding tube 1 a hermetically sealed against the environment chamber 4 is formed. So that the heat pipe or cold tube 10 shown in FIG.
  • cryogenic refrigerant as a heat transfer medium, in particular 4 He with a boiling point of about 4.23 K (Kelvin) at 1.013 bar, nH 2 with a boiling point of about 20.4 K or N 2 with a boiling point of about 77.35 K.
  • the cryogenic refrigerant may also be from another liquid pure substance gas or gas mixture exist.
  • the condensation plate 3 is thermally connected to a suitable cryocooler, not shown, with which the condensation element 3 can be cooled to a temperature at which liquid gaseous refrigerant trapped in the chamber 4 changes to the state of aggregation.
  • the chamber 4 is preferably filled with the refrigerant at a pressure which is greater than atmospheric pressure, and the heat pipe 10 and all connections within the heat pipe 10 can withstand high overpressure.
  • the heat pipe 10 is preferably designed for standing installation, in which the central axis of the jacket tube 1 is vertical or occupies a small angle to the vertical or vertical of ⁇ 30 °.
  • At least one cooling module is installed in the chamber 4, which is shown in detail in FIG. 2, to which reference is first made.
  • That preferably consisting of metal such as steel or copper or copper alloy cooling module 20 has a much smaller axial length than the sheath tube and it has a cylindrical, tubular lateral surface 21, to which a first cone or Kegeleletnent 22 connects, starting from the Transition 23 between the.
  • Mantle surface 21 and the cone element 22 tapers conically or funnel-shaped upwards.
  • the conical surface of the cone 22, widening towards the lateral surface 21, forms a guide device for directing liquid or liquefied refrigerant, which falls from above onto the conical element 22 due to the gravitational forces, to the lateral surface 21.
  • the guiding action of the cone element 22 is reinforced by the fact that distributed over the circumference of the cone element 22 are several, for example four to eight guide slots 24 which extend to the edge or transition 23 and which allow the liquid and from above dripping Refrigerant through the guide slots designed as openings 24 to the inner surface 21 '(Fig. 1) of the lateral surface 21 can pass down to flow down there.
  • the cone element 22 opens up flush into a circular dome 25, which forms a circular opening for a shaft tube or hollow tube 5 (FIG. 1), which is positioned concentrically to the axis of the jacket tube 1 of the heat pipe 10 and substantially over the entire height of the heat pipe 10 extends.
  • a second cone element 26 which in the illustrated embodiment of a screen plate or the like. is made, numerous sieve holes 27 and tapers conically from the lower cylindrical edge 28 of the lateral surface to the central axis.
  • the second cone element 26 ends bluntly in a through hole 29 for the passage of the hollow tube or shaft tube 5.
  • the recesses or holes 27 in the screen plate of the cone element 26 serve to further dissipate liquid refrigerant down or forward, so that liquid refrigerant not can accumulate within a single cooling module 20.
  • the cone forming the guide 22 has substantially the same dimensions as the guide element forming cone, but is reversed in order to achieve an inflow liquid refrigerant to the cladding tube 1 or a flow towards the axis and at the same time to divert a flow of gaseous refrigerant within the cones towards the central axis.
  • At least one corresponding cooling module 20 is arranged between the evaporation plate 2 closing the lower tube end of the jacket tube 1 and the condensation plate 3 closing the upper tube end and inserted into the chamber 4 in such a manner that the outer surface 21 surrounds the inner surface with its outer side 1 'of the jacket tube 1 rests flat.
  • the planar contact is preferably effected by means of an interference fit, which is achieved as a result of shrinkage of the cooling module 20 into the jacket tube 1, by e.g. heated for the shrinking process, the jacket tube 1 and at the same time the cooling module 20 is cooled in order to achieve by contraction or expansion joining of cooling module 20 and cladding tube 1.
  • cooling module 20 With the built-in heat pipe 10 cooling module 20 is achieved that liquid refrigerant is selectively brought to the lateral surface 21 of each cooling module 20, whereby the cladding tube 1 in that area in which the cooling module 20 with its lateral surface 21 on the inner surface 1 'of Cladding tube rests, heat can be dissipated.
  • a superconductive component such as a superconductive coil can therefore be positioned in a region on the outer circumference of the jacket tube 1 of the heat or cold tube 10, which is flush with the jacket surface of the cooling module 20, whereby one of these contact zone within the chamber 4 of the heat pipe 10 supplied liquid refrigerant can selectively and effectively dissipate heat from the superconductor components or superconductive coils, so that they are operated below the transition temperatures of the superconducting material.
  • the evaporation enthalpy of the refrigerant is utilized, which requires the refrigerant at the phase transition between the states of matter liquid-gaseous.
  • the incorporation of the cooling modules 20 in the cold tube 10 has the special effect that the maximum cooling capacity is limited provided within a very short time in the area in which superconducting devices are positioned on the outer circumference of the heat pipe.
  • the hollow tube 5 forming the shaft has radial passages 6 of sufficient size substantially immediately below the dome 25 of the upper cone element 22 having the passage slots 24.
  • cooling module 20 through which refrigerant which has passed over into the gaseous aggregate state within a cooling module 20 into the inner tube 7 of the shaft tube 5 and from there can be supplied in gaseous form to the condensation plate 3 which has been cooled by means of the cryocooler. This is also supported by the funnel shape or conical shape of the cooling module 20.
  • Fig. 1 shows only a cooling module 20 within the chamber 4 of the cold tube 10.
  • the condensation element 3 immediately adjacent lying cooling module 20 drops of liquid refrigerant from the condensation plate 3, while on the guide or cone elements 22 of the subsequent cooling modules liquid refrigerant drips, which passes through the holes 27 in the lower cone member 26.
  • the evaporation plate 2 at the lower end of the heat pipe 10 then comes into play, although the lowest cooling module 20 within the chamber 4 can still pass liquid refrigerant down.
  • the evaporation plate 2 may be thermally or the like with a heater.
  • the on the evaporation plate 2 in the gaseous state of aggregation exceeding refrigerant can in this case pass through radial inlets 8 at the foot of the hollow tube 5 in the shaft inner tube 7 and flow from there to the condensation plate 3.
  • radial slots 8 it may be sufficient to arrange the foot section 9 of the shaft shaft 5 at a suitable distance from the evaporation plate 2 or to support it by means of intermediate webs on this or on the jacket tube 1.
  • cooling modules 20 Before the cooling modules 20 are mounted inside the chamber 4 of the cladding tube 1, preferably all the cooling modules 20 are produced by means of a shrinking process the hollow tube 5 shrunk before the assembly of shaft tube 5 and cooling modules 20 is used as a unit using thermal expansion / shrinkage in the cladding tube 1.
  • Fig. 3 shows an advantageous embodiment of a condensation plate 3 with the largest possible surface area to maximize the contact area for gaseous refrigerant and at the same time to achieve a targeted dripping or falling down of re-liquefied or liquefied refrigerant.
  • the condensation plate 3 has for this purpose on its underside a prismatic surface 13 with a preferably the number of passage slots 24 in the uppermost cooling module 20 corresponding number of drip tips 14. Each drip tip may e.g. have four flat edges as prism surfaces.
  • the thermal coupling of the condensation plate 3 with the cold head of a cryocooler or the like, for example via a copper rod. take place as a thermal bus or the cold head of a cryocooler can be connected directly to the condensation plate 3 of the heat pipe or the cold tube 10.
  • FIGS. 4 to 6 show an application example for the use of a plurality of cold pipes within a cooling device designated as a whole by 100.
  • Each cold tube 10 in this case has a structure as described with reference to FIGS. 1 to 3 and each cold tube 10 has a plurality of cooling modules 20 over its height.
  • the individual cooling tubes 10 are designed such that in all the cooling tubes 10, the cooling modules 20 are positioned at the same distance from the condensation plate 3 and the evaporation plate of each cold tube 10.
  • a total of six cold tubes 10 are arranged at the same angular distance on a pitch circle about a central axis Z of the cooling device 100.
  • the outer surfaces of the cladding tube 1 of each cold tube 10 preferably abut directly on a receiving tube 80, which is positioned concentrically to the central axis Z and includes all the cooling tubes 10 over their entire height.
  • an inner thermal conductor 81 is positioned as a thermal coupling element, which partially direct thermal contact between the entire outer surface of the cladding tube 1 of the individual cooling tubes 10 with the inner circumferential surface 82 of the receiving tube 80 causes as high as possible To achieve heat transfer between the receiving tube 80 and the cooling tubes 10 in the area in which the individual cooling modules 20 are positioned.
  • outer thermal coupling rings 85 are positioned at the regions of the outer jacket 83 of the receiving tube 80 that are in alignment with the cooling modules 20 and the inner thermal conductor elements 81, against which annular superconducting coils 90 abut with their inner ring.
  • the superconductor coils 90 may be cooled by the respective cooling modules 20 in the cold tubes 10 below the critical temperature of the superconductive material. All condensing plates 3 of the total here six cold tubes 10 are connected to each other via a coupling ring 70, to which the cold head 75 of a cryocooler, not further shown, is connected.
  • the receiving tube 80 for the cold tubes 10 in turn is positioned within a tubular jacket 71, which is preferably designed as a cryostatic container.
  • all of the cold tubes 10, with their lower ends sealed to the evaporating plates are thermally coupled in a receiving base 72 and are preferably associated with a heater to prevent the refrigerant within the individual, hermetically sealed, cold tubes 10 can freeze.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a heat pipe 210 for cooling a large and long superconducting coil 290.
  • the heat pipe 210 is here rotationally symmetrical about the central axis Z 1 and has an annular sheath 201 with an inner ring sheath 261 and an outer sheath 262 at the upper end of the two annular shells of the cladding tube 201, an annular condensation plate 203 with drip tips 214 is attached to its underside, and at the lower end an annular evaporation plate 202 is fixed in such a way.
  • a hermetically encapsulated chamber 204 is formed, which is filled with a suitable cryogenic refrigerant.
  • more cooling modules 220 are installed, of which only one is shown here.
  • Each cooling module are installed, of which only one is shown here.
  • each lateral surface 220 rests with a cylindrical lateral surface 221 on the inner surface 261 'of the inner ring shell 261. Above each lateral surface
  • the cooling module 221 is an oblique, annularly around the inner ring jacket 261 circumferential guide 222 is formed, which deflects liquid or condensed refrigerant to the lateral surface 221.
  • the cooling module 220 has an inclined guide wall 226, which leads liquid refrigerant away from the lateral surface 221.
  • the baffle 226 is provided with screen holes 227 so that refrigerant can drip down to another cooling module or to the evaporation plate 204.
  • an annular intermediate wall 265 is arranged, with which within the chamber 4, an annular shaft 207 between the cooling modules 220 and the outer ring jacket 262 is formed.
  • the intermediate wall 265 is spaced from the condensation plate 203 and the evaporation plate 204, so that liquid and / or gaseous refrigerant can pass into the part of the chamber 204 in which the cooling modules are arranged.
  • the Abtropfspitzen 214 on the condensation plate 203 are correspondingly radially within the intermediate wall 265.
  • the intermediate wall 265 is immediately below the contact point between the here about 45 ° obliquely upwardly extending guide ring 222 and its contact point with the intermediate wall 265 provided with passages 206, thus within the cooling modules 220 can still rise above the pit evaporating refrigerant to the condensation plate 203.
  • the superconducting coil 290 to be cooled is positioned inside the inner tube shell 261.
  • thermal coupling rings 281 are arranged outside the jacket tube 201, opposite the lateral surfaces 221. Since the coil 290 extends almost over the entire height of the heat pipe 210, is located on the outside of the coil 290, a copper tube 285 as a heat dissipation element, which in turn is in several places in each case in contact with the coupling rings 281.
  • the figures show only preferred embodiments and in particular the number of cooling modules in a cold pipe or the heat pipe, the number of cold tubes in a refrigeration device, the thermal coupling between a cryocooler and the condensation elements of the individual cooling tubes can vary without departing from the scope of the appended claims .
  • a refrigerant various pure substance gases, gases or gas mixtures, which are suitable for cryogenics or cryogenics, are used.
  • the superconducting components and components can be attached directly to the cooling pipes or the receiving tube of the cooling device or indirectly to these or thermally coupled with these.
  • the tubes may also be provided with overpressure relief valves, negative pressure evacuation valves and / or cooling fluid admission valves.
  • annular heat pipe could be installed in the center of the coil, a thermal insulation, whereby in the center of the coil, a heat well.
  • the coil could also rest on the outside of the outer ring jacket.
  • the guide and guide wall of the cooling modules would then be inclined in accordance with obliquely to the outer ring casing and the lateral surface would be on this.
  • the annular heat pipe could also oval or the like. be educated.
  • channels or gaps could be formed between the outside of the shell surface of the cooling modules and the inside surface to allow condensed liquid refrigerant to flow through those channels or gaps in the region of the cooling modules and then back from the inside surface with suitable means such as drip rings wegzu consider and only in the area of the subsequent cooling module to lead back to the inner surface.
  • the entire heat transfer medium could also only flow through the channels or gaps.

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Abstract

The invention relates to a heat pipe or a cooling pipe used in cryotechnology, comprising a cladding tube (1) and a chamber (4) which is hermetically enclosed by means of a condensation element (3) on one end of the tube and an evaporation element (2) on the other end of the tube, and filled with a heat transfer medium suitable for cryogenics. The aim of the invention is to be able to cool supraconductive elements or components to the required transition temperature over a short period of cooling time, with high operating safety and in a highly economical manner. To this end, at least one cooling module (20) is built into the chamber (4) between the condensation element (3) and the evaporation element (2). Said cooling module comprises a tubular lateral surface (21) which is partially applied to the inner surface (1') of the cladding tube (1), and is provided with a guiding device (22), at least on the side of the condensation element, for deviating condensed and/or liquid heat transfer media towards the lateral surface (21). The invention also relates to a cooling device comprising a plurality of cooling tubes.

Description

Titel: Wäπnerohr sowie Kühleinrichtung für die KryotechnikTitle: Wäπnerohr and cooling device for cryogenics
Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr für die Kryotechnik, mit einem Hüllrohr und einer mittels eines Kondensationselementes an einem Rohrende und eines Verdampfungselementes am anderen Rohrende hermetisch gekapselten, mit Wärmeübertragungsmittel gefüllten Kammer. Die Erfindung betrifft ferner eine Kühleinrichtung für die Kryotechnik zum Kühlen von Supraleiterbauteilen, insbesondere Supraleiterspulen wie HTS-Spulen (Hochtemperatursupraleiter-Spulen) , mit wenigstens einem Wärmerohr.The invention relates to a heat pipe for cryogenics, with a cladding tube and a hermetically sealed by means of a condensation element at one end of the tube and an evaporation element at the other end of the tube, filled with heat transfer medium chamber. The invention further relates to a cooling device for cryotechnology for cooling superconductor components, in particular superconducting coils such as HTS coils (high-temperature superconductor coils), with at least one heat pipe.
Die Verwendung sogenannter Wärmerohre ist nicht nur in Wärmetauschersystemen sondern z.B. auch für die Kühlung von Mikroprozessoren, Solarmodulen oder die Mikroelektronikkühlung bekannt. Ein Wärmerohr (auch "heat pipe" genannt) ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Die Funktionsweise eines Wärmerohres basiert darauf, in einem hermetisch gekapselten Rohr mit je einer Wärmeübertragungsfläche für die Wärmequelle und einer für die Wärmesenke ein Wärmeübertragungsmittel, vorzugsweise ausschließlich durch Schwerkraft, zirkulieren zu lassen, um durch den Phasenübergang des Wärmeübertragungsmittels zwischen flüssig und gasförmig dem zu kühlenden Raum, Material oder Element Wärme zu entziehen. Für die gravitationsunabhängige Zirkulation kann im Wärmerohr die Kapillarwirkung eines Schachtes genutzt werden. Nur beispielhaft zum Stand der Technik für Wärmerohre wird auf die EP 483 324 Bl verwiesen, in der ein Wärmerohr in thermischer Kopplung mit einem Sonnenkollektor beschrieben wird.The use of so-called heat pipes is not only in heat exchanger systems but e.g. also known for the cooling of microprocessors, solar modules or microelectronic cooling. A heat pipe (also called a "heat pipe") is a heat exchanger that allows a high heat flux density by utilizing the heat of evaporation and condensation of a substance. The operation of a heat pipe is based on circulating in a hermetically sealed tube, each having a heat transfer surface for the heat source and a heat transfer medium, preferably exclusively by gravity, to circulate through the phase transition of the heat transfer medium between liquid and gaseous To extract heat or material from the element. For the gravitational independent circulation the capillary effect of a shaft can be used in the heat pipe. Only as an example of the prior art for heat pipes is made to EP 483 324 Bl, in which a heat pipe is described in thermal coupling with a solar collector.
Beim Einsatz von supraleitfähigen Bauelementen wie beispielsweise Supraleiterspulen, Supraleitergeneratoren, Linearmotoren mit supra- leitfähigen Spulen, supraleitender Magneten od. dgl . ist es erforderlich, die supraleitfähigen Komponenten auf ein unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleitermaterials liegendes Temperaturniveau zu kühlen. Da für die meisten supraleitfähigen HTS-Materialien ein Temperaturniveau unterhalb von etwa 77 K erreicht werden muß, erfolgt die Kühlung häufig mittels Kälteeinheiten in Form von Kryoküh- lern mit z.B. geschlossenem Helium-Druckkreislauf (Trockenkühlung) oder in einem Flüssigkeitsbad, z.B. flüssig Stickstoff (77K bei Normaldruck) . Die klassische Tieftemperaturtechnik, die sogenannte Tieftemperatursupraleiter einsetzt, verwendet zu diesem Zwecke sogar flüssiges Helium, das eine Betriebstemperatur von 4,2K im Flüssigkeitsbad erlaubt. Da ein Temperaturniveau unterhalb etwa -150° C angestrebt wird, können zahlreiche verschiedene Kälteeinheiten bzw. Kryokühler für die Kryotechnik, Kryogenik bzw. Tieftemperaturtechnik eingesetzt werden.When using superconducting components such as superconductor coils, superconductor generators, linear motors with superconducting conductive coils, superconducting magnets od. Like. For example, it is necessary to cool the superconductive components to a temperature level below the transition temperature of the superconducting material. Since for most superconducting HTS materials, a temperature level below about 77 K must be achieved, the cooling is often done by means of cooling units in the form of cryocoolers with eg closed helium pressure circuit (dry cooling) or in a liquid bath, eg liquid nitrogen (77K at normal pressure). The classic cryogenic technique, which uses so-called cryogenic superconductors, even uses liquid helium for this purpose, which allows an operating temperature of 4.2K in the liquid bath. Since a temperature level below about -150 ° C is desired, numerous different refrigeration units or cryocooler for cryogenics, cryogenics and cryogenic technology can be used.
Die Flüssigkeitsbadkühlung hat jedoch den Nachteil eines hohen Aufwandes, da ein geschlossenes und druckfestes Gefäß gewährleistet werden muss. Lässt man hingegen die Flüssigkeit abdampfen, so muss ständig aus einem Reservoir nachgefüllt werden. Der direkte Kontakt einer Kälteeinheit (Kryocooler) mit einem zu kühlenden Bauteil birgt den Nachteil, daß die Wärmeabfuhr über Wärmeleitung im Material erfolgt, damit ist sie hinsichtlich der Strecke und der übertragbaren Leistung beschränkt oder verlangt den Einsatz von sehr viel Zusatz- material, daß Anwendungen unerwünscht schwer macht.However, the liquid bath cooling has the disadvantage of a high cost, since a closed and pressure-resistant vessel must be guaranteed. On the other hand, if the liquid is allowed to evaporate, it must be constantly refilled from a reservoir. The direct contact of a refrigeration unit (cryocooler) with a component to be cooled has the disadvantage that the heat dissipation via heat conduction takes place in the material, so it is limited in terms of distance and the transferable power or requires the use of a lot of additional material that applications makes it undesirably difficult.
Nur beispielhaft für die Verwendung von Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern kombiniert mit einem Wärmeleitrohr bei einem supraleitfähigen Motor wird auf die DE 102 11 363 Al verwiesen, bei der zwischen einem die supraleitfähigen Spulen aufnehmenden Sekundärteil eines Motors (Rotor) und einer einen Kaltkopf aufweisenden Kälteeinheit ein feststehendes Wärmerohr angeordnet ist, das axial in einen mit dem Sekundärteil mitrotierenden, seitlichen Hohlraum hineinragt und mit einem Kältemittel (Wärmeübertragungsmittel) zusammenwirkt. Das Wärmeübertragungsmittel (Kältemittel) besteht aus einem Gemisch von mindestens zwei Kältemittel-Komponenten, wobei das kondensierte Kältemittel über das Wärmerohr in den seitlichen Hohlraum unter Nut- zung eines Thermosyphoneffektes eingebracht wird und im Hohlraum verdampfendes Kältemittel über das Wärmerohr zu der Kondensations- einheit zurückgelangt. Aus der DE 102 11 363 Al ist bekannt, ein Wärmerohr auch für die Kryotechnik einzusetzen.Only by way of example for the use of refrigeration units in the form of cryocoolers combined with a heat pipe in a superconducting motor is made to DE 102 11 363 Al, in between a superconducting coil receiving secondary part of a motor (rotor) and a cold head having a refrigeration unit fixed heat pipe is arranged, which projects axially into a co-rotating with the secondary part, lateral cavity and with a refrigerant (heat transfer medium) cooperates. The heat transfer medium (refrigerant) consists of a mixture of at least two refrigerant components, wherein the condensed refrigerant is conveyed via the heat pipe into the lateral cavity under groove tion of a Thermosyphoneffektes is introduced and in the cavity evaporating refrigerant via the heat pipe back to the condensation unit. From DE 102 11 363 Al it is known to use a heat pipe for cryogenics.
Ein konventionelles Wärmerohr für Heizanwendungen ist aus der US 2005/0257918 Al bekannt. In der Kammer des Hüllrohrs ist ein Einbauelement eingebaut, um das Hüllrohr in eine obere und eine untere Hälfte zu unterteilen. Das am Verdampfungselement seinen Aggregats- zustand zu Heißdampf ändernde Wärmeübertragungsmittel steigt durch das Einbauelement bis zum Kondensationselement auf und schlägt sich dort am Innenumfang des Hüllrohrs als Kondensat nieder, wobei die vom Kondensationselement bis zum Einbauelement nach unten ablaufenden kondensierten Tropfen den Wärmeaustausch über die gesamte Hüll- flache der oberen Hälfte bewirken. Das Einbauelement dient als Sammelring, um das flüssige Wärmeübertragungsmittel in eine nach außen abzweigende Überbrückungsleitung zu überführen, die flüssiges Wärmeübertragungsmittel in einer geschlossenen Leitung außerhalb der Kammer zum Verdampfungselement zurückführt.A conventional heat pipe for heating applications is known from US 2005/0257918 Al. In the chamber of the cladding tube, a built-in element is installed to divide the cladding tube into an upper and a lower half. The heat transfer medium which changes its state of aggregation to superheated steam at the evaporation element rises through the installation element to the condensation element and precipitates as condensate on the inner circumference of the cladding tube, the condensed drops running down from the condensation element to the installation element transporting the heat over the entire envelope. effect flat upper half. The mounting member serves as a collection ring for transferring the liquid heat transfer medium into an outwardly branching bypass line which returns liquid heat transfer medium in a closed line outside the chamber to the evaporation element.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmerohr für die Kryotechnik sowie eine Kühleinrichtung mit entsprechenden Wärmerohren zu schaffen, mit denen supraleitfähige Elemente oder Komponenten mit hoher Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit bei kurzer Abkühlzeit auf die erforderliche Sprungtemperatur gekühlt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Wärmerohre zu schaffen, mit denen auch supraleitende Bauteile größerer Ausdehnung gekühlt werden können .The object of the invention is to provide a heat pipe for cryogenics and a cooling device with corresponding heat pipes, with which superconductive elements or components with high reliability and economy can be cooled with a short cooling time to the required transition temperature. Another object of the invention is to provide heat pipes with which also superconducting components of greater extent can be cooled.
Die obigen Aufgaben werden bei einem Wärmerohr erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Kammer zwischen dem Kondensationselement und dem Verdampfungselement wenigstens ein Kühlmodul eingebaut ist, das mit einer rohrförmigen Mantelfläche an der Innenfläche des Hüll- rohrs partiell anliegt und zumindest Kondensationselementseitig mit einer Leiteinrichtung versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel zur Innenseite der Mantelfläche des Kühlmoduls hinzulenken. Das flüssige bzw. kondensierte Wärmeübertra- gungsmittel läuft entlang der Innenseite der Mantelfläche des Kühl- moduls nach unten, wodurch die Wärmeabfuhr gezielt nur im Bereich der Erstreckung der Mantelfläche stattfindet. Da das erfindungsgemäße Wärmerohr für die Kryotechnik eingesetzt werden soll, und da als Wärmeübertragungsmittel ein geeignetes Kältemittel für den gewählten Temperaturbereich der Kryotechnik zum Einsatz kommt, kann das Wärmerohr auch als Kälterohr (cold pipe) bezeichnet werden. Das in das Wärmerohr bzw. Kälterohr eingebaute, nur partiell relativ zur Gesamtfläche des Hüllrohrs an deren Innenwand anliegende Kühlmodul bewirkt, daß das Wärmeübertragungsmittel bzw. Kältemittel nur an bestimmten Bereichen des Hüllrohrs aufgrund des unmittelbaren Kontaktes zwischen der Mantelfläche des Kühlmoduls und der Innenfläche des Hüllrohrs eine Kühlung der Wandfläche bewirkt. An den Stellen, an denen ein Kontakt zwischen Kühlmodul und Hüllrohr besteht bzw. an denen innenseitig das Kühlmodul positioniert ist, kann daher gezielt Wärme abgeführt werden, insbesondere Wärme einer supraleitfähigen Komponente, welche mittelbar oder unmittelbar mit der Zone des Hüll- rohrs des Wärmerohrs bzw. Kälterohrs in Verbindung steht. Die Funktionsweise des Wärmerohrs (Kälterohrs) basiert in an sich bekannter Weise darauf, daß das in dem Kälterohr hermetisch eingeschlossene Kältemittel, bei welchem es sich vorzugsweise um ein für die Kryotechnik geeignetes, verflüssigtes Gas oder Gasgemisch handelt, bei Wärmezufuhr verdampft und am gekühlten Kondensationselement rückverflüssigt wird. Das an wärmeren Bereichen innerhalb des Wärmerohrs verdampfende Kältemittel entzieht über die Verdampfungswärme bzw. Verdampfungsenthalpie der entsprechenden Zone Wärme, wodurch die Kühlwirkung im Bereich der Kühlmodule erreicht wird. Bei konstantem Druck des Kältemittels bleibt beim Phasenübergang auch die Temperatur des Kältemittels (Siedetemperatur) konstant. Es versteht sich, daß das Kondensationselement zum Betrieb eines Wärmerohrs bzw. Kälterohrs mit einem Kryokühler thermisch gekoppelt werden muß, um das Kondensationselement auf eine Temperatur abzukühlen, bei der ein Phasenübergang gasförmig-flüssig für die Rückverflüssigung des Kältemittels stattfindet.The above objects are achieved in a heat pipe according to the invention in that in the chamber between the condensation element and the evaporation element at least one cooling module is installed, which partially rests with a tubular shell surface on the inner surface of the Hüll- and at least Kondensationselementseitig is provided with a guide, to deflect condensed and / or liquid heat transfer medium to the inside of the jacket surface of the cooling module. The liquid or condensed heat transfer The coolant flows downwards along the inside of the jacket surface of the cooling module, whereby the heat removal takes place selectively only in the region of the extent of the jacket surface. Since the heat pipe according to the invention for the cryogenics is to be used, and as a suitable refrigerant for the selected temperature range of the cryogenics is used as a heat transfer medium, the heat pipe can also be referred to as a cold pipe. The built in the heat pipe or cold tube, only partially relative to the total surface of the cladding tube on the inner wall applied cooling module causes the heat transfer medium or refrigerant only at certain areas of the cladding tube due to the direct contact between the outer surface of the cooling module and the inner surface of the cladding Cooling of the wall surface causes. At the points where there is contact between the cooling module and the cladding tube or on which the cooling module is positioned on the inside, it is therefore possible to selectively dissipate heat, in particular heat of a superconducting component, which is directly or indirectly connected to the zone of the cladding tube of the heat pipe or heat pipe ., Cold-oil communicates. The operation of the heat pipe (cold pipe) is based in a conventional manner that the refrigerant hermetically enclosed in the cold pipe, which is preferably a liquefied gas or gas mixture suitable for cryogenics, evaporates on supply of heat and reliquefies on the cooled condensation element becomes. The evaporating at warmer areas within the heat pipe refrigerant extracts heat on the heat of vaporization or enthalpy of vaporization of the corresponding zone, whereby the cooling effect is achieved in the region of the cooling modules. At constant pressure of the refrigerant, the temperature of the refrigerant (boiling temperature) also remains constant during the phase transition. It is understood that the condensation element for operating a heat pipe or cold pipe must be thermally coupled with a cryocooler to cool the condensation element to a temperature at which a phase transition gaseous-liquid takes place for the re-liquefaction of the refrigerant.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiteinrichtung des Kühl- moduls mit Durchlaßschlitzen versehen, die zur Innenseite der Man- telfläche münden, um eine gezielte Beaufschlagung der Mantelfläche mit dem flüssigen und am Kondensationselement abtropfenden Kältemittel zu erreichen. Bei der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiteinrichtung als Kegel bzw. trichterförmig ausgebildet, wobei sie sich vorzugsweise vom Kondensationselement in Richtung auf die Mantelfläche verbreitert. Es versteht sich, daß jedes Kühlmodul normalerweise einen bestimmten .Abstand vom Kondensationselement haben wird.In the preferred embodiment, the guide of the cooling module is provided with passage slots, which lead to the inside of the Man- open surface to achieve a targeted application of the lateral surface with the liquid and dripping refrigerant on the condensation element. In the particularly preferred embodiment, the guide is designed as a cone or funnel-shaped, wherein it is preferably widened by the condensation element in the direction of the lateral surface. It is understood that each cooling module will normally have a certain distance from the condensation element.
Um die Kühlwirkung des Hüllrohrs gezielt auf eine bestimmte Zone zu beschränken, ist ferner vorteilhaft, wenn das Kühlmodul verdamp- fungselementseitig mit einem Leitelement versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel von der Mantelfläche wieder wegzuführen. Das Leitelement kann ebenfalls vorteilhaft als Kegel bzw. trichterförmig ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Leitelement eine siebartige Wandung aufweisen, aus einem Lochblech bestehen oder aus einem Lochblech hergestellt sein. Die Aussparungen im Sieb bzw. im Lochblech dienen dazu, noch flüssiges Kältemittel am Leitelement abtropfen zu lassen, um es einem weiteren Kühlmodul oder dem Verdampfungselement am unteren Rohrende des Wärmerohrs zuzuführen. Alternativ kann das Leitelement mit Ablaufschlitzen versehen sein.In order to restrict the cooling effect of the cladding tube specifically to a specific zone, it is furthermore advantageous if the cooling module is provided with a guide element on the evaporation element side in order to lead away condensed and / or liquid heat transfer medium from the lateral surface. The guide element can also be advantageously designed as a cone or funnel-shaped. According to an advantageous embodiment, the guide element may have a sieve-like wall, consist of a perforated plate or be made of a perforated plate. The recesses in the screen or in the perforated plate serve to drain liquid refrigerant on the guide element in order to supply it to a further cooling module or to the evaporation element at the lower tube end of the heat pipe. Alternatively, the guide element may be provided with drainage slots.
Um ein erfindungsgemäßes Kälterohr mit verhältnismäßig geringem Aufwand fertigen zu können, ist besonders vorteilhaft, wenn das Kühlmodul mit Leiteinrichtung, . Mantelfläche und Leitelement aus Metall, insbesondere einem Metallblech, vorzugsweise aus Stahl, Stahlblech, Kupfer, Kupferlegierung oder Kupferblech besteht. Das Kühlmodul kann dann durch Blechumformung ggf. ohne Schweißnähte od.dgl. hergestellt werden. Zur Montage eines Kühlmoduls innerhalb des Hüllrohrs ist besonders vorteilhaft, wenn der Montagevorgang mittels eines Schrumpf- Vorgangs erfolgt, nämlich durch Abkühlen des Kühltnoduls und/oder gleichzeitigem Erwärmen des Hüllrohrs, damit insbesondere auch bei den kryogenen Temperaturen eine sichere Positionierung der Kühlmodule und gleichzeitig eine sichere Kontaktierung zwischen der Mantelfläche des Kühlmoduls und der Innenfläche des Hüllrohrs gewährleistet ist. Das kryogene Kältemittel (Wärmeübertragungsmittel) kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einem Gemisch aus wenigstens zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen bestehen, wie z.B. ein für die Kryotechnik geeignetes Helium- Stickstoffgemisch (n-H2) oder Stickstoff-Sauerstoffgemisch. Alternativ kann das Kältemittel aus einem verflüssigten Reinstoffgas oder einem Isotop hiervon bestehen, insbesondere 4He (flüssiges Helium I) , 3He, Neon, Wasserstoff oder Stickstoff (N2) . Der Vorteil eines mehrphasigen Kältemittels liegt darin, daß dieses Kältemittel nicht einen genauen Siedepunkt, sondern einen Siedebereich aufweist. Das thermodynamische Gleichgewicht kann sich dann zu der schwerer siedenden Komponente der flüssigen Phase verschieben, wodurch eine Siedepunktserhöhung bewirkt wird. Beim Erwärmen eines entsprechenden verflüssigten Wärmeübertragungsmittels (Kältemittels) beginnt der Phasenübergang, wenn die Temperatur die Siedetemperatur desjenigen Gemischbestandteils erreicht, der den niedrigeren Siedepunkt erreicht. Da die Teilchen dieses Bestandteiles vermehrt in die Gasphase übertreten, ändert sich lokal die Zusammensetzung des Gemischs, wodurch sich auch der Siedepunkt ändert, bis der Siedepunkt der anderen Komponente erreicht wird. Gleichzeitig kann der Druck im Wärmerohr den Erfordernissen angepasst höher oder niedriger gewählt werden, so daß auch hierüber eine Feinabstimmung des Kühlbereiches vorgenommen werden kann.In order to produce a cold pipe according to the invention with relatively little effort, it is particularly advantageous if the cooling module with guide,. Jacket surface and guide element made of metal, in particular a metal sheet, preferably made of steel, steel, copper, copper alloy or copper sheet. The cooling module can then by sheet metal forming, if necessary, without welds or the like. getting produced. For mounting a cooling module within the cladding tube is particularly advantageous when the assembly process by means of a shrinking process, namely by cooling the Kühltnoduls and / or simultaneous heating of the cladding tube, thus especially at the cryogenic temperatures, a secure positioning of the cooling modules and at the same time a secure Contact between the lateral surface of the cooling module and the inner surface of the cladding tube is ensured. The cryogenic refrigerant (heat transfer medium) may according to an advantageous embodiment consist of a mixture of at least two coolants with different condensation temperatures, such as a suitable for cryogenics helium nitrogen mixture (nH 2 ) or nitrogen-oxygen mixture. Alternatively, the refrigerant may consist of a liquefied pure substance gas or an isotope thereof, in particular 4 He (liquid helium I), 3 He, neon, hydrogen or nitrogen (N 2 ). The advantage of a multiphase refrigerant is that this refrigerant does not have an exact boiling point but a boiling range. The thermodynamic equilibrium may then shift to the higher boiling component of the liquid phase, causing a boiling point increase. Upon heating of a corresponding liquefied heat transfer medium (refrigerant), the phase transition begins when the temperature reaches the boiling point of that mixture constituent which reaches the lower boiling point. As the particles of this ingredient increasingly pass into the gas phase, the composition of the mixture changes locally, which also changes the boiling point until the boiling point of the other component is reached. At the same time, the pressure in the heat pipe can be adjusted higher or lower according to the requirements, so that a fine-tuning of the cooling area can be carried out here as well.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die der Kammer zugewandte Seite des Kondensationselementes eine prismenartige Oberfläche mit Abtropfspitzen auf, wobei vorzugsweise die Abtropfspitzen im Montagezustand fluchtend zu den Durchlaßschlitzen im Kühlmodul liegen. Auch diese Maßnahme dient der gezielten Zuführung des am Kondensationselement verflüssigten Kältemittels auf die kegelförmige Leiteinrichtung des Kühlmoduls sowie den dort ausgebildeten Durchlaßschlitzen, wenn das Kälterohr im wesentlichen senkrecht stehend eingesetzt wird und der Kreislauf des Kältemittels schwerkraftbedingt stattfindet. Die Flächen der Prismen können auch als Lamellen ausgebildet sein, um die Wärmeaustauschoberfläche zu vergrößern. Die Lamellen stehen dabei senkrecht zur Fläche und die Spitzen der Pris- men werden durch die Lamellen geformt, d.h. die Prismen bilden eine Überstruktur.In a particularly preferred embodiment, the chamber facing side of the condensation element on a prismatic surface with drip tips, wherein preferably the drip tips in the assembled state are aligned with the passage slots in the cooling module. This measure also serves to selectively supply the liquefied at the condensation element refrigerant to the conical guide of the cooling module and the passage slots formed there, when the cold tube is used substantially vertically and the cycle of the refrigerant takes place due to gravity. The surfaces of the prisms may also be formed as fins to increase the heat exchange surface. The lamellae are perpendicular to the surface and the tips of the prism men are formed by the lamellae, ie the prisms form a superstructure.
Um die Zirkulation des Kältemittels zwischen den Kühlmodulen und dem Kondensationselement bzw. zwischen dem Verdampfungselement am unteren Rohrende und dem Kondensationselement am oberen Rohrende ausschließlich passiv mittels Gravitationskräften zu bewirken, ist besonders vorteilhaft, wenn ein vom Verdampfungselement zum Kondensationselement führender, vorzugsweise konzentrisch zur Mittelachse verlegter Schacht verlegt ist, der insbesondere mittels eines Hohlrohres gebildet werden kann. Durch den Hohlraum des Schachtes bzw. Schachtrohres kann dann gasförmiges Kältemittel ungehindert zum Kondensationselement aufsteigen.In order to effect passively the circulation of the refrigerant between the cooling modules and the condensation element or between the evaporation element at the lower end of the tube and the condensation element at the upper end of the tube by means of gravitational forces, it is particularly advantageous if a shaft leading from the evaporation element to the condensation element, preferably laid concentrically to the central axis is laid, which can be formed in particular by means of a hollow tube. Through the cavity of the shaft or pit tube then gaseous refrigerant can rise unhindered to the condensation element.
Ein erfindungsgemäßes Wärmerohr kann nur ein einziges Kühlmodul in der Kammer aufweisen. In der bevorzugten Ausgestaltung sind jedoch mehrere Kühlmodule in die Kammer eingebaut, um mittels eines Kälterohrs ggf. mehrere supraleitfähige, außerhalb des Kälterohrs angeordnete Komponenten auf die für die Supraleitfähigkeit notwendige Betriebstemperatur kühlen zu können. Bei mehreren Kühlmodulen in der Kammer tritt zusätzlich der Effekt auf, das mittels jedes Kühlmoduls eine Zone gebildet wird, zwischen der und dem Kondensationselement das Kältemittel zirkuliert, bis die Zone auf das gewünschte kryogene Temperaturniveau (im Idealfall z.B. etwa 27K oder 33K) abgekühlt ist, da erst dann flüssiges Kältemittel durch das Lochblech des Leitelementes zum Kühlmodul der nächsten Zone gelangt. Hat ein Kühlmodul das Temperaturniveau erreicht, entsteht zwischen dem Kondensationselement und diesem Kühlmodul ein annähernd konstantes Temperaturprofil, wodurch sich auch die Kondensationszone vergrößert. Zu Beginn wird das Kältemittel in einer tieferliegenden Zone weitestge- hend vollständig unter hoher Wärmeabfuhr verdampfen. Aufgrund der ausgedehnten Kondensationszone kann allerdings dieser Dampf schon am darüberliegenden Kühlmodul wieder zu Nassdampf oder Tropfen kondensieren, ohne daß der Dampf bis zum Kondensationsεlement aufsteigen muß. Auch bei mehreren Kühlmodulen ist das Vorsehen eines Schachtes vorteilhaft, wozu vorzugsweise die Kühlmodule zentral eine Durchführung für einen Schacht bzw. ein hohles Schachtrohr aufweisen. Um si- cherzustellen, daß an den einzelnen Kühlmodulen verdampfendes Kältemittel zum Kondensationselement aufsteigen kann, kann der Schacht für jedes Kühlmodul wenigstens eine Radialöffnung aufweisen, oberhalb der die Leiteinrichtung dichtend am Hohlrohr anliegt.A heat pipe according to the invention may have only a single cooling module in the chamber. In the preferred embodiment, however, a plurality of cooling modules are installed in the chamber to be able to cool by means of a cold pipe, if necessary, several superconducting, arranged outside the cold tube components to the necessary for the superconductivity operating temperature. In the case of several cooling modules in the chamber, the effect additionally occurs that by means of each cooling module a zone is formed, between which and the condensation element the refrigerant circulates until the zone has cooled to the desired cryogenic temperature level (ideally eg about 27K or 33K), only then liquid refrigerant passes through the perforated plate of the guide element to the cooling module of the next zone. If a cooling module has reached the temperature level, an approximately constant temperature profile arises between the condensation element and this cooling module, as a result of which the condensation zone also increases. In the beginning, the refrigerant in a deeper zone will evaporate as far as possible completely with high heat dissipation. Due to the extended condensation zone, however, this vapor can condense again to wet steam or droplets already at the overlying cooling module without the vapor having to rise up to the condensation element. The provision of a shaft is also advantageous in the case of a plurality of cooling modules, for which purpose the cooling modules preferably have a passage for a shaft or a hollow shaft pipe centrally. In order to ensure that evaporating refrigerant to the condensation element at the individual cooling modules, the shaft for each cooling module may have at least one radial opening above which the guide rests sealingly against the hollow tube.
Das zentrale Hohlrohr oder Schachtrohr kann mit den mehreren Kühlmodulen wiederum durch einen Schrumpfprozess verbunden werden, wobei vorzugsweise bei der Fertigung eines Wärmerohrs mit mehreren Kühlmodulen zuerst sämtliche Kühlmodule am Hohlrohr befestigt werden und anschließend diese Einheit, wiederum durch einen Schrumpfprozeß, in das Hüllrohr eingebracht wird. Alternativ kann auch eine Kombination von Schrumpfprozess in Kombination mit Löten durchgeführt werden.The central hollow tube or shaft tube can in turn be connected to the plurality of cooling modules by a shrinking process, wherein preferably in the production of a heat pipe with multiple cooling modules first all cooling modules are attached to the hollow tube and then this unit, again by a shrinkage process, is introduced into the cladding tube. Alternatively, a combination of shrinking process in combination with soldering can be performed.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Hüll- rohr ringförmig ausgeführt sein und einen Innenringmantel sowie einen Außenringmantel aufweisen, wobei das Kühlmodul mit seiner Mantelfläche je nach Positionierung des zu kühlenden Bauteils an der Innenfläche des Innenringmantel oder an der Innenfläche des Außenringmantel anliegt. Das zu kühlende supraleitfähige Bauelement wie insbesondere eine supraleitfähige Spule wird zweckmäßigerweise an dem Ringmantel positioniert, an dessen Innenfläche die Mantelflächen des/der Kühlmoduls/e anliegen. Ein ringförmiges Wärmerohr eignet sich besonders vorteilhaft zum Kühlen von großen Supraleiterspulen, d.h. Spulen mit großen Innendurchmessern. Die Spulen und entsprechend das Wärmerohr können rotationssymmetrisch um eine Zentralachse ausgebildet sein aber auch elliptisch, oval oder rennbahnförmig ausgebildet sein. Ein ringförmiger Schacht kann bei derartigen Ausgestaltungen des Wärmerohrs vorteilhafterweise zwischen dem/den Kühlmo- dul/en und demjenigen Ringmantel ausgebildet sein, an dessen Innenfläche die Mantelflächen des/der Kühlmoduls/e nicht anliegen. Die Leiteinrichtungen und die Leitelemente sind dann entsprechend derart schräg ausgerichtet, daß die Leiteinrichtungen kondensiertes Wärmeübertragungsmittel zu der Mantelfläche hinlenken, an der die zu kühlende Spule positioniert ist, und die Leitelεmentε das Wärmeübertragungsmittel von der Mantelfläche wieder wegführen. Weiter vorzugsweise kann, wenn die Spule am Innenmantel des ringförmigen Wärmerohrs positioniert ist, im Zentrum des zu kühlenden Bauteils eine thermische Isolierung eingebaut sein, um im Zentrum der Spule eine Warmbohrung zu erzeugen. Um auch lange Supraleiterspulen oder Supraleiterelemente gleichmäßig kühlen zu können, kann zusätzlich zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Ringmantel ein Wärmeverteilelement, insbesondere ein Kupferrohr, angeordnet sein.According to a further embodiment of the invention, the sheath tube can be designed annular and have an inner ring and an outer ring shell, wherein the cooling module rests with its lateral surface depending on the positioning of the component to be cooled on the inner surface of the inner ring or on the inner surface of the outer ring. The superconductive component to be cooled, in particular a superconductive coil, is expediently positioned on the annular jacket, on the inner surface of which the jacket surfaces of the cooling module (s) abut. An annular heat pipe is particularly advantageous for cooling large superconducting coils, ie coils with large inner diameters. The coils and corresponding to the heat pipe may be rotationally symmetrical about a central axis but may also be elliptical, oval or racetrack-shaped. In such embodiments of the heat pipe, an annular shaft can advantageously be formed between the cooling module (s) and that annular jacket on whose inner surface the lateral surfaces of the cooling module (s) do not abut. The guide devices and the guide elements are then aligned obliquely in such a way that the guide devices direct condensed heat transfer medium to the jacket surface on which the coil to be cooled is positioned, and the guide elements guide the heat transfer medium away from the jacket surface again. Further preferably, when the coil is positioned on the inner shell of the annular heat pipe, in the center of the component to be cooled be installed thermal insulation to produce a hot hole in the center of the coil. In order to be able to cool even long superconducting coils or superconductor elements uniformly, a heat-distributing element, in particular a copper tube, can additionally be arranged between the component to be cooled and the annular jacket.
Die vorgenannte Aufgabe wird auch mittels einer Kühleinrichtung für die Kryotechnik zum Kühlen von Supraleiterbauteilen wie beispielsweise Supraleiterspulen, insbesondere HTS-Spulen, gelöst, die wenigstens ein derartiges Wärmerohr bzw. Kälterohr aufweist. Die Kühleinrichtung weist ein Aufnahmerohr auf, in dessen Innenkammer erfindungsgemäß mehrere Wärmerohre mit jeweils wenigstens einem eingebauten Kühlmodul angeordnet sind, deren Kondensationselemente thermisch mit einem Kryokühler gekoppelt sind und deren Hüllrohre zumindest partiell in Kontakt mit dem Aufnahmerohr stehen. Die Kühlmodule mehrerer, vorzugsweise aller Wärmerohre liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene und ein supraleitfähiges Bauteil ist in derselben Ebene am Außenumfang des Aufnahmerohrs positioniert. Um eine optimale thermische Kopplung zwischen den Kälterohren und den kryogen zu kühlenden Komponenten zu erreichen, können im Innenraum des Aufnahmerohrs innere thermische Kopplerelemente in gleicher Einbauhöhe wie die Kühlmodule ausgebildet sind und/oder zwischen der supraleitfähi- gen Komponente und dem Außenmantel des Aufnahmerohrs ist ein äußeres thermischer Kopplerelement wie z.B. ein Kupferring ausgebildet. Mit einer derartigen Kühleinrichtung können nicht nur beispielsweise Supraleiterspulen mit großem Innendurchmesser gekühlt werden, sondern es kann zugleich eine hohe Kühlleistung aufgrund der Vielzahl von Wärmerohren bzw. Kälterohren erreicht werden. Auch können mit solchen Kälterohren lange Kombinationen von Spulen gekühlt werden, da ein Wärmetransport über größere Baueinheiten hin gewährleistet wird.The above object is also achieved by means of a cooling device for cryotechnology for cooling superconductor components such as superconducting coils, in particular HTS coils, which has at least one such heat pipe or cold tube. The cooling device has a receiving tube, in the inner chamber according to the invention a plurality of heat pipes are each arranged with at least one built-in cooling module, the condensation elements are thermally coupled to a cryocooler and their sheaths are at least partially in contact with the receiving tube. The cooling modules of a plurality, preferably all, of the heat pipes preferably lie in a common plane and a superconducting component is positioned in the same plane on the outer circumference of the receiving tube. In order to achieve optimum thermal coupling between the cold tubes and the components to be cooled cryogenically, inner thermal coupler elements in the same installation height as the cooling modules are formed in the interior of the receiving tube and / or an external one is present between the superconducting component and the outer jacket of the receiving tube thermal coupler element such as formed a copper ring. With such a cooling device not only, for example, superconducting coils can be cooled with a large inner diameter, but it can be achieved at the same time a high cooling capacity due to the large number of heat pipes or cold pipes. Even with such cold pipes long combinations of coils can be cooled, since a heat transfer over larger units is ensured.
Bei einer Kühleinrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärmerohre mit ihren Verdampfungselementen in einer gemeinsamen Aufnahmebasis verankert sind, die vorzugsweise thermisch leitend ausgebildet ist und mit einer Heizeinrichtung thermisch gekoppelt ist. Mit der Heizeinrichtung kann dann verhindert werden, daß im Kühlbetrieb, wenn sämtliche Kühlmodule die entsprechende Partie des Hüllrohrs auf die gewünschte Temperatur gekühlt haben und selbst die kryogene Temperatur aufweisen, sich am Fuß des Wärmerohrs sammelndes flüssiges Kältemittel vereist, da die zusätzliche Wärmezufuhr das Kältemittel dann verdampft, wobei der Dampf über den Schacht durch Konvektion bzw. Kapillarwirkung zum Kondensationselement aufsteigt.In a cooling device is particularly advantageous if the heat pipes are anchored with their evaporation elements in a common receiving base, which is preferably formed thermally conductive and is thermally coupled to a heater. With the heater can then be prevented that in cooling mode, when all the cooling modules on the corresponding batch of the cladding tube cooled the desired temperature and even have the cryogenic temperature, icing at the foot of the heat pipe liquid refrigerant iced, since the additional heat supply, the refrigerant then evaporates, wherein the vapor rises via the shaft by convection or capillary action to the condensation element.
Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet entsprechender Kühleinrichtungen könnten beispielsweise mit Supraleiterspulen versehene Generatoren für die Umwandlung von Meereswellen oder Meeresströmungen in Strom sein. Eine andere vorteilhafte Anwendung ist die Kühlung eines langgestreckten, polysolenoiden Linearmotors oder einer langgestreckten oder/und großvolumigen Spule eines Magneten für Strombegrenzer.An advantageous field of application of corresponding cooling devices could be, for example, superconducting coil-equipped generators for the conversion of ocean waves or ocean currents into electricity. Another advantageous application is the cooling of an elongated, polysolenoid linear motor or an elongated or / and large-volume coil of a magnet for current limiters.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung gezeigten vorteilhaften Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the following description of advantageous embodiments shown in the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßesFig. 1 is a longitudinal section through an inventive
Wärmerohr für die Kryotechnik, teilweise aufgebrochen;Heat pipe for cryogenics, partially broken;
Fig. 2 in Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines Kühlmoduls für ein erfindungsgemäßes Wärmerohr;2 shows a side view of an embodiment of a cooling module for a heat pipe according to the invention;
Fig. 3 perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines Kondensationselements für ein erfindungsgemäßes Wärmerohr;3 shows in perspective an embodiment of a condensation element for a heat pipe according to the invention;
Fig. 4 eine Kühleinrichtung mit erfindungsgemäßen Wärmerohren in Seitenansicht;4 shows a cooling device with heat pipes according to the invention in side view;
Fig. 5 schematisch einen Längsschnitt durch die Kühleinrichtung nach Fig. 4, teilweise aufgebrochen;Fig. 5 shows schematically a longitudinal section through the cooling device of Figure 4, partially broken.
Fig. 6 eine Draufsicht auf den oberen Kopf der Kühleinrichtung gemäß Fig . 4 und 5 ; und Fig. 7 schematisch einen Längsschnitt durch ein ringförmiges Wärmerohr gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zum Kühlen großer HTS-Spulen.Fig. 6 is a plan view of the upper head of the cooling device according to FIG. 4 and 5; and Fig. 7 shows schematically a longitudinal section through an annular heat pipe according to another embodiment for cooling large HTS coils.
Das in Fig. 1 insgesamt mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Wärmerohr bzw. Kälterohr für die Kryotechnik weist ein zylindrisches Hüllrohr 1 als Verbindungsrohr auf, welches an seinem unteren Ende mit einer Verdampfungsplatte 2 als Verdampfungselement und an seinem oberen Ende mit einer Kondensationsplatte 3 als Kondensationselement bzw. Kondensatorelement verschlossen ist . Die Verbindung zwischen dem Rohrmantel des Hüllrohrs 1, der Kondensationsplatte 2 und der Verdampfungsplatte 3 erfolgt dergestalt, daß innerhalb des Hüllrohrs 1 eine hermetisch gegenüber der Umgebung gekapselte Kammer 4 entsteht. Damit das in Fig. 1 gezeigte Wärmerohr bzw. Kälterohr 10 für die Kryotechnik, d.h. für einen Temperaturbereich unterhalb etwa -150° C eingesetzt werden kann, ist die Kammer 4 mit einem geeigneten, nicht dargestellten kryogenen Kältemittel als Wärmeübertragungsmittel gefüllt, wie insbesondere 4He mit einem Siedepunkt von etwa 4,23 K (Kelvin) bei 1,013 bar, n-H2 mit einem Siedepunkt von etwa 20,4 K oder N2 mit einem Siedepunkt von etwa 77,35 K. Das kryogene Kältemittel kann auch aus einem anderen flüssigen Reinstoffgas oder Gasgemisch bestehen. Für den Betrieb des Wärmerohrs 10 wird die Kondensationsplatte 3 thermisch mit einem nicht dargestellten, geeigneten Kryokühler verbunden, mit dem das Kondensationselement 3 auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, bei der gasförmiges, in der Kammer 4 eingeschlossenes Kältemittel in den Aggregatzustand flüssig übergeht. Die Kammer 4 ist vorzugsweise mit dem Kältemittel bei einem Druck gefüllt, der größer ist als Atmosphärendruck, und das Wärmerohr 10 sowie alle Verbindungen innerhalb des Wärmerohrs 10 können hohem Überdruck standhalten. Das Wärmerohr 10 ist vorzugsweise für den stehenden Einbau konzipiert, bei welchem die Mittelachse des Mantelrohrs 1 senkrecht steht bzw. einen geringen Winkel zur Senkrechten oder Vertikalen von < 30° einnimmt.The reference numeral 10 in Fig. 1 generally designated heat pipe or cryogenic pipe for cryogenics has a cylindrical cladding tube 1 as a connecting tube, which at its lower end with an evaporation plate 2 as an evaporation element and at its upper end with a condensation plate 3 as a condensation element or Capacitor element is closed. The connection between the tube shell of the cladding tube 1, the condensation plate 2 and the evaporation plate 3 takes place such that within the cladding tube 1 a hermetically sealed against the environment chamber 4 is formed. So that the heat pipe or cold tube 10 shown in FIG. 1 can be used for cryotechnology, ie for a temperature range below about -150 ° C, the chamber 4 is filled with a suitable, not shown cryogenic refrigerant as a heat transfer medium, in particular 4 He with a boiling point of about 4.23 K (Kelvin) at 1.013 bar, nH 2 with a boiling point of about 20.4 K or N 2 with a boiling point of about 77.35 K. The cryogenic refrigerant may also be from another liquid pure substance gas or gas mixture exist. For the operation of the heat pipe 10, the condensation plate 3 is thermally connected to a suitable cryocooler, not shown, with which the condensation element 3 can be cooled to a temperature at which liquid gaseous refrigerant trapped in the chamber 4 changes to the state of aggregation. The chamber 4 is preferably filled with the refrigerant at a pressure which is greater than atmospheric pressure, and the heat pipe 10 and all connections within the heat pipe 10 can withstand high overpressure. The heat pipe 10 is preferably designed for standing installation, in which the central axis of the jacket tube 1 is vertical or occupies a small angle to the vertical or vertical of <30 °.
In die Kammer 4 ist erfindungsgemäß wenigstens ein insgesamt mit 20 bezeichnetes Kühlmodul eingebaut, welches im Detail in Fig. 2 dargestellt ist, auf die nun zuerst Bezug genommen wird. Das vorzugsweise aus Metall wie Stahl oder Kupfer oder Kupferlegierung bestehende Kühlmodul 20 hat eine deutlich geringere axiale Länge als das Hüll- rohr und es weist eine zylindrische, rohrförmige Mantelfläche 21 auf, an die sich nach oben ein erster Kegel oder Kegeleletnent 22 anschließt, das sich ausgehend vom Übergang 23 zwischen der. Mantelfläche 21 und dem Kegelelement 22 kegelförmig bzw. trichterförmig nach oben verjüngt. Die auf die Mantelfläche 21 zu sich verbreiternde Kegelfläche des Kegels 22 bildet eine Leiteinrichtung, um flüssiges bzw. verflüssigtes Kältemittel, welches von oben aufgrund der Gravitationskräfte auf das Kegelelement 22 herabfällt, zur Mantelfläche 21 hinzulenken. Die Leitwirkung des Kegelelementes 22 wird dadurch verstärkt, daß über den Umfang des Kegelelementes 22 verteilt mehrere, beispielsweise vier bis acht Leitschlitze 24 ausgebildet sind, die sich bis zum Rand bzw. Übergang 23 erstrecken und die es ermöglichen, daß das flüssige und von oben herabtropfende Kältemittel durch die als Öffnungen ausgeführten Leitschlitze 24 an die Innenfläche 21' (Fig. 1) der Mantelfläche 21 gelangen kann, um dort nach unten herabzufließen. Das Kegelelement 22 mündet oben stumpf in einen runden Dom 25, der eine kreisrunde Öffnung für ein Schachtrohr bzw. Hohlrohr 5 (Fig. 1) bildet, welches konzentrisch zur Achse des Hüllrohrs 1 des Wärmerohrs 10 positioniert ist und sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Wärmerohrs 10 erstreckt. An die Mantelfläche 21 schließt sich nach unten ein zweites Kegelelement 26 an, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Siebblech od.dgl. hergestellt ist, zahlreiche Sieblöcher 27 aufweist und sich vom unteren zylindrischen Rand 28 der Mantelfläche konisch zur Mittelachse verjüngt. Auch das zweite Kegelelement 26 endet stumpf in einer Durchgangsbohrung 29 für den Durchgriff des Hohlrohrs bzw. Schachtrohrs 5. Die Aussparungen bzw. Löcher 27 im Siebblech des Kegelelementes 26 dienen dazu, weiterhin flüssiges Kältemittel nach unten abzuleiten bzw. weiterzuleiten, damit sich flüssiges Kältemittel nicht innerhalb eines einzelnen Kühlmoduls 20 stauen kann. Der die Leiteinrichtung bildende Kegel 22 hat im wesentlichen dieselben Abmessungen wie der das Leitelement bildende Kegel, ist jedoch umgekehrt ausgerichtet, um einen Zufluß flüssigen Kältemittels zum Hüllrohr 1 oder einen Wegfluß zur Achse hin zu erreichen und zugleich einen Strom gasförmigen Kältemittels innerhalb der Kegel zur Mittelachse hinzulenken.According to the invention, at least one cooling module, designated in its entirety by 20, is installed in the chamber 4, which is shown in detail in FIG. 2, to which reference is first made. That preferably consisting of metal such as steel or copper or copper alloy cooling module 20 has a much smaller axial length than the sheath tube and it has a cylindrical, tubular lateral surface 21, to which a first cone or Kegeleletnent 22 connects, starting from the Transition 23 between the. Mantle surface 21 and the cone element 22 tapers conically or funnel-shaped upwards. The conical surface of the cone 22, widening towards the lateral surface 21, forms a guide device for directing liquid or liquefied refrigerant, which falls from above onto the conical element 22 due to the gravitational forces, to the lateral surface 21. The guiding action of the cone element 22 is reinforced by the fact that distributed over the circumference of the cone element 22 are several, for example four to eight guide slots 24 which extend to the edge or transition 23 and which allow the liquid and from above dripping Refrigerant through the guide slots designed as openings 24 to the inner surface 21 '(Fig. 1) of the lateral surface 21 can pass down to flow down there. The cone element 22 opens up flush into a circular dome 25, which forms a circular opening for a shaft tube or hollow tube 5 (FIG. 1), which is positioned concentrically to the axis of the jacket tube 1 of the heat pipe 10 and substantially over the entire height of the heat pipe 10 extends. At the lateral surface 21 is followed at the bottom by a second cone element 26, which in the illustrated embodiment of a screen plate or the like. is made, numerous sieve holes 27 and tapers conically from the lower cylindrical edge 28 of the lateral surface to the central axis. The second cone element 26 ends bluntly in a through hole 29 for the passage of the hollow tube or shaft tube 5. The recesses or holes 27 in the screen plate of the cone element 26 serve to further dissipate liquid refrigerant down or forward, so that liquid refrigerant not can accumulate within a single cooling module 20. The cone forming the guide 22 has substantially the same dimensions as the guide element forming cone, but is reversed in order to achieve an inflow liquid refrigerant to the cladding tube 1 or a flow towards the axis and at the same time to divert a flow of gaseous refrigerant within the cones towards the central axis.
In einem erfindungsgemäßen Wärmerohr 10 ist wenigstens ein entsprechendes Kühlmodul 20 zwischen der das untere Rohrende des Hüllrohrs 1 verschließenden Verdampfungsplatte 2 und der das obere Rohrende verschließenden Kondensationsplatte 3 angeordnet und derart in die Kammer 4 eingesetzt, daß die Mantelfläche 21 mit ihrer Außenseite ringsum an der Innenfläche 1' des Mantelrohrs 1 flächig anliegt. Die flächige Anlage wird vorzugsweise mittels einer Preßpassung bewirkt, die infolge eines Einschrumpfens des Kühlmoduls 20 in das Mantelrohr 1 erreicht wird, indem z.B. für den Schrumpfprozeß das Mantelrohr 1 erwärmt und zugleich das Kühlmodul 20 abgekühlt wird, um durch Kontraktion bzw. Dehnung ein Zusammenfügen von Kühlmodul 20 und Hüllrohr 1 zu erreichen.In a heat pipe 10 according to the invention, at least one corresponding cooling module 20 is arranged between the evaporation plate 2 closing the lower tube end of the jacket tube 1 and the condensation plate 3 closing the upper tube end and inserted into the chamber 4 in such a manner that the outer surface 21 surrounds the inner surface with its outer side 1 'of the jacket tube 1 rests flat. The planar contact is preferably effected by means of an interference fit, which is achieved as a result of shrinkage of the cooling module 20 into the jacket tube 1, by e.g. heated for the shrinking process, the jacket tube 1 and at the same time the cooling module 20 is cooled in order to achieve by contraction or expansion joining of cooling module 20 and cladding tube 1.
Mit dem in das Wärmerohr 10 eingebauten Kühlmodul 20 wird erreicht, daß flüssiges Kältemittel gezielt an die Mantelfläche 21 eines jeden Kühlmoduls 20 herangeführt wird, wodurch am Hüllrohr 1 in denjenigen Bereich, in welchem das Kühlmodul 20 mit seiner Mantelfläche 21 an der Innenfläche 1' des Hüllrohrs anliegt, Wärme abgeführt werden kann. Ein supraleitfähiges Bauelement wie beispielsweise eine supra- leitfähige Spule kann daher in einem Bereich am Außenumfang des Mantelrohrs 1 des Wärme- bzw. Kälterohrs 10 positioniert werden, welcher fluchtend mit der Mantelfläche des Kühlmoduls 20 liegt, wodurch ein dieser Kontaktzone innerhalb der Kammer 4 des Wärmerohrs 10 zugeführtes flüssiges Kältemittel gezielt und effektiv Wärme von den Supraleiterbauteilen bzw. supraleitfähigen Spulen abführen kann, damit diese unterhalb der Sprungtemperaturen des supraleitfähigen Materials betrieben werden. Für die Wärmeabfuhr wird hierbei die Verdampfungsenthalpie des Kältemittels ausgenutzt, die das Kältemittel beim Phasenübergang zwischen den Aggregatzuständen flüssig-gasförmig benötigt. Der Einbau der Kühlmodule 20 in das Kälterohr 10 hat die besondere Wirkung, daß die maximale Kühlleistung limitiert innerhalb kürzester Zeit in demjenigen Bereich bereitgestellt wird, in welchem supraleitfähige Bauelemente am Außenumfang des Wärmerohrs positioniert sind. Um innerhalb der Kammer 4 im Wärme- bzw. Kälterohr 10 einen optimalen Kreislauf des Kältemittels zu ermöglichen, weist das den Schacht bildende Hohlrohr 5 im wesentlichen unmittelbar unterhalb des Doms 25 des oberen, die Durchlaßschlitze 24 aufweisenden Kegelelements 22 radiale Durchlässe 6 ausreichender Größe auf, durch welche hindurch innerhalb eines Kühlmoduls 20 in den gasförmigen Aggregatszustand übergetretenes Kältemittel in das Innenrohr 7 des Schachtrohres 5 übertreten und von dort gasförmig der mittels des Kryokühlers gekühlten Kondensationsplatte 3 zugeführt werden kann. Auch dies wird durch die Trichterform bzw. Kegelform des Kühlmoduls 20 unterstützt.With the built-in heat pipe 10 cooling module 20 is achieved that liquid refrigerant is selectively brought to the lateral surface 21 of each cooling module 20, whereby the cladding tube 1 in that area in which the cooling module 20 with its lateral surface 21 on the inner surface 1 'of Cladding tube rests, heat can be dissipated. A superconductive component such as a superconductive coil can therefore be positioned in a region on the outer circumference of the jacket tube 1 of the heat or cold tube 10, which is flush with the jacket surface of the cooling module 20, whereby one of these contact zone within the chamber 4 of the heat pipe 10 supplied liquid refrigerant can selectively and effectively dissipate heat from the superconductor components or superconductive coils, so that they are operated below the transition temperatures of the superconducting material. For the heat removal in this case the evaporation enthalpy of the refrigerant is utilized, which requires the refrigerant at the phase transition between the states of matter liquid-gaseous. The incorporation of the cooling modules 20 in the cold tube 10 has the special effect that the maximum cooling capacity is limited provided within a very short time in the area in which superconducting devices are positioned on the outer circumference of the heat pipe. In order to allow an optimal circulation of the refrigerant within the chamber 4 in the heat or cold tube 10, the hollow tube 5 forming the shaft has radial passages 6 of sufficient size substantially immediately below the dome 25 of the upper cone element 22 having the passage slots 24. through which refrigerant which has passed over into the gaseous aggregate state within a cooling module 20 into the inner tube 7 of the shaft tube 5 and from there can be supplied in gaseous form to the condensation plate 3 which has been cooled by means of the cryocooler. This is also supported by the funnel shape or conical shape of the cooling module 20.
Die Fig. 1 zeigt zwar nur ein Kühlmodul 20 innerhalb der Kammer 4 des Kälterohrs 10. Es sind jedoch vorzugsweise über die Höhe des Kälterohrs 10 ggf- gleichmäßig verteilt mehrere identische Kühlmodule 20 angeordnet, wobei nur auf das innerhalb der Kammer 4 oberste, dem Kondensationselement 3 unmittelbar benachbart liegende Kühlmodul 20 flüssiges Kältemittel von der Kondensationsplatte 3 herabtropft, während auf die Leiteinrichtungen bzw. Kegelelemente 22 der nachfolgenden Kühlmodule flüssiges Kältemittel herabtropft, welches durch die Löcher 27 im unteren Kegelelement 26 hindurchtritt. Die Verdampfungsplatte 2 am unteren Ende des Wärmerohrs 10 kommt dann zum Tragen, wenn auch das unterste Kühlmodul 20 innerhalb der Kammer 4 noch flüssiges Kältemittel nach unten durchtreten läßt. Um eine Ansammlung flüssigen Kältemittels am Fuß oder Boden des Kälterohrs 10 zu verhindern, kann die Verdampfungsplatte 2 thermisch mit einer Heizeinrichtung od.dgl. gekoppelt sein, die verhindert, daß das flüssige Kältemittel am Fuß des Kälterohrs 10 vereist. Das an der Verdampfungsplatte 2 in den gasförmigen Aggregatszustand übertretende Kältemittel kann hierbei durch Radialeintritte 8 am Fuße des Hohlrohrs 5 in das Schachtinnenrohr 7 übertreten und von dort zur Kondensationsplatte 3 überströmen. Für die Radialschlitze 8 ist es ggf. ausreichend, den Fußabschnitt 9 des Schachtsrohrs 5 mit geeignetem Abstand von der Verdampfungsplatte 2 anzuordnen bzw. mittels Zwischenstegen an dieser oder am Hüllrohr 1 abzustützen. Vor der Montage der Kühlmodule 20 innerhalb der Kammer 4 des Hüllrohrs 1 werden vorzugsweise sämtliche Kühlmodule 20 mittels eines Schrumpfprozesses auf das Hohlrohr 5 aufgeschrumpft, bevor der Verbund von Schachtrohr 5 und Kühlmodulen 20 als Einheit unter Nutzung von thermischer Ausdehnung/Schrumpfung in das Hüllrohr 1 eingesetzt wird.Although Fig. 1 shows only a cooling module 20 within the chamber 4 of the cold tube 10. However, preferably over the height of the cold tube 10 evenly distributed more identical cooling modules 20 are arranged, with only the inside of the chamber 4 top, the condensation element 3 immediately adjacent lying cooling module 20 drops of liquid refrigerant from the condensation plate 3, while on the guide or cone elements 22 of the subsequent cooling modules liquid refrigerant drips, which passes through the holes 27 in the lower cone member 26. The evaporation plate 2 at the lower end of the heat pipe 10 then comes into play, although the lowest cooling module 20 within the chamber 4 can still pass liquid refrigerant down. In order to prevent accumulation of liquid refrigerant at the bottom of the cold tube 10, the evaporation plate 2 may be thermally or the like with a heater. be coupled, which prevents the liquid refrigerant at the bottom of the cold ear 10 ices. The on the evaporation plate 2 in the gaseous state of aggregation exceeding refrigerant can in this case pass through radial inlets 8 at the foot of the hollow tube 5 in the shaft inner tube 7 and flow from there to the condensation plate 3. For the radial slots 8, it may be sufficient to arrange the foot section 9 of the shaft shaft 5 at a suitable distance from the evaporation plate 2 or to support it by means of intermediate webs on this or on the jacket tube 1. Before the cooling modules 20 are mounted inside the chamber 4 of the cladding tube 1, preferably all the cooling modules 20 are produced by means of a shrinking process the hollow tube 5 shrunk before the assembly of shaft tube 5 and cooling modules 20 is used as a unit using thermal expansion / shrinkage in the cladding tube 1.
Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine Kondensationsplatte 3 mit einer möglichst großen Oberfläche, um die Kontaktfläche für gasförmiges Kältemittel zu maximieren und zugleich ein gezieltes Abtropfen oder Herabfallen von rückverflüssigtem bzw. verflüssigtem Kältemittel zu erreichen. Die Kondensationsplatte 3 weist hierzu an ihrer Unterseite eine prismenartige Oberfläche 13 mit einer vorzugsweise der Anzahl der Durchlaßschlitze 24 im obersten Kühlmodul 20 entsprechenden Zahl von Abtropfspitzen 14 auf. Jede Abtropfspitze kann z.B. vier ebene Flanken als Prismenflächen aufweisen. Die thermische Kopplung der Kondensationsplatte 3 mit dem Kaltkopf eines Kryokühlers kann beispielsweise über einen Kupferstab od.dgl. als thermischen Bus erfolgen oder der Kaltkopf eines Kryokühlers kann unmittelbar mit der Kondensationsplatte 3 des Wärmerohrs bzw. Kälterohrs 10 verbunden sein.Fig. 3 shows an advantageous embodiment of a condensation plate 3 with the largest possible surface area to maximize the contact area for gaseous refrigerant and at the same time to achieve a targeted dripping or falling down of re-liquefied or liquefied refrigerant. The condensation plate 3 has for this purpose on its underside a prismatic surface 13 with a preferably the number of passage slots 24 in the uppermost cooling module 20 corresponding number of drip tips 14. Each drip tip may e.g. have four flat edges as prism surfaces. The thermal coupling of the condensation plate 3 with the cold head of a cryocooler or the like, for example via a copper rod. take place as a thermal bus or the cold head of a cryocooler can be connected directly to the condensation plate 3 of the heat pipe or the cold tube 10.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein Anwendungsbeispiel für die Nutzung mehrerer Kälterohre (cold pipes) innerhalb einer insgesamt mit 100 bezeichneten Kühleinrichtung. Jedes Kälterohr 10 hat hierbei einen Aufbau, wie er mit Bezug zu den Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde und jedes Kälterohr 10 weist über seine Höhe eine Vielzahl von Kühlmodulen 20 auf. Die einzelnen Kälterohre 10 sind dabei derart ausgebildet, daß in allen Kälterohren 10 die Kühlmodule 20 im selben Abstand von der Kondensationsplatte 3 bzw. der Verdampfungsplatte eines jeden Kälterohrs 10 positioniert sind.FIGS. 4 to 6 show an application example for the use of a plurality of cold pipes within a cooling device designated as a whole by 100. Each cold tube 10 in this case has a structure as described with reference to FIGS. 1 to 3 and each cold tube 10 has a plurality of cooling modules 20 over its height. The individual cooling tubes 10 are designed such that in all the cooling tubes 10, the cooling modules 20 are positioned at the same distance from the condensation plate 3 and the evaporation plate of each cold tube 10.
Bei der Kühleinrichtung 100 sind insgesamt sechs Kälterohre 10 mit gleichem Winkelabstand auf einem Teilkreis um eine Zentralachse Z der Kühleinrichtung 100 angeordnet. Die Außenflächen des Hüllrohrs 1 eines jeden Kälterohrs 10 liegen vorzugsweise unmittelbar an einem Aυfnahmerohr 80 an, welches konzentrisch zur Zentralachse Z positioniert ist und sämtliche Kälterohre 10 über deren gesamte Höhe einschließt. Im Innenraum dieses Aufnahmerohrs 80, vorzugsweise ausschließlich in denjenigen Bereichen, in welchen die Kühlmodule 20 innerhalb der Kälterohre 10 angeordnet sind, ist je Kühlmodulebene ein innerer thermischer Leiter 81 als thermisches Koppelelement positioniert, welcher partiell einen unmittelbaren thermischen Kontakt zwischen der gesamten Außenfläche des Hüllrohrs 1 der einzelnen Kühlrohre 10 mit der Innenmantelfläche 82 des Aufnahmerohrs 80 bewirkt, um eine möglichst hohe Wärmeübertragung zwischen dem Aufnahmerohr 80 und den Kühlrohren 10 in demjenigen Bereich zu erreichen, in welchem die einzelnen Kühlmodule 20 positioniert sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind an den fluchtend zu den Kühlmodulen 20 sowie den inneren thermischen Leiterelementen 81 liegenden Bereichen des Außenmantels 83 des Aufnahmerohrs 80 äußere thermische Kopplungsringen 85 positioniert, an denen hier ringförmige Supraleiterspulen 90 mit ihrem Innenring anliegen.In the cooling device 100, a total of six cold tubes 10 are arranged at the same angular distance on a pitch circle about a central axis Z of the cooling device 100. The outer surfaces of the cladding tube 1 of each cold tube 10 preferably abut directly on a receiving tube 80, which is positioned concentrically to the central axis Z and includes all the cooling tubes 10 over their entire height. In the interior of this receiving tube 80, preferably only in those areas in which the cooling modules 20th are arranged within the cooling tubes 10, each cooling module level, an inner thermal conductor 81 is positioned as a thermal coupling element, which partially direct thermal contact between the entire outer surface of the cladding tube 1 of the individual cooling tubes 10 with the inner circumferential surface 82 of the receiving tube 80 causes as high as possible To achieve heat transfer between the receiving tube 80 and the cooling tubes 10 in the area in which the individual cooling modules 20 are positioned. In the exemplary embodiment shown, outer thermal coupling rings 85 are positioned at the regions of the outer jacket 83 of the receiving tube 80 that are in alignment with the cooling modules 20 and the inner thermal conductor elements 81, against which annular superconducting coils 90 abut with their inner ring.
Die Supraleiterspulen 90 können mittels der jeweiligen Kühlmodule 20 in den Kälterohren 10 unterhalb der Sprungtemperatur des supraleit- fähigen Materials gekühlt werden. Sämtliche Kondensationsplatten 3 der insgesamt hier sechs Kälterohre 10 sind über einen Kopplungsring 70 miteinander verbunden, an welchem der Kaltkopf 75 eines weiter nicht dargestellten Kryokühlers angeschlossen ist. Das Aufnahmerohr 80 für die Kälterohre 10 wiederum ist innerhalb einer rohrförmigen Ummantelung 71 positioniert, die vorzugsweise als kryostatischer Behälter ausgeführt ist. Bei der Kühleinrichtung 100 sind sämtliche Kälterohre 10 mit ihren unteren, mit den Verdampfungsplatten verschlossenen Enden in einer Aufnahmebasis 72 angeordnet bzw. mit dieser thermisch gekoppelt, der vorzugsweise eine Heizeinrichtung zugeordnet wird, um zu verhindern, daß das Kältemittel innerhalb der einzelnen, hermetisch gekapselten Kälterohre 10 gefrieren kann.The superconductor coils 90 may be cooled by the respective cooling modules 20 in the cold tubes 10 below the critical temperature of the superconductive material. All condensing plates 3 of the total here six cold tubes 10 are connected to each other via a coupling ring 70, to which the cold head 75 of a cryocooler, not further shown, is connected. The receiving tube 80 for the cold tubes 10 in turn is positioned within a tubular jacket 71, which is preferably designed as a cryostatic container. In the cooling device 100, all of the cold tubes 10, with their lower ends sealed to the evaporating plates, are thermally coupled in a receiving base 72 and are preferably associated with a heater to prevent the refrigerant within the individual, hermetically sealed, cold tubes 10 can freeze.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Wärmeohr 210 zum Kühlen einer großen und langen Supraleiterspule 290. Das Wärmerohr 210 ist hier rotationssymmetrisch um die Zentralachse Z1 ausgebildet und weist ein ringförmiges Hüllrohr 201 mit einem Innenringmantel 261 und einem Außenringmantel 262 auf- Am oberen Ende der beiden Ringmäntel des Hüllrohrs 201 ist eine ringförmige Kondensationsplatte 203 mit Abtropfspitzen 214 an ihrer Unterseite befestigt und am unteren Ende ist eine ringförmige Verdampfungsplatte 202 derart befes- tigt, daß im Hüllrohr 201 eine hermetisch abgekapselte Kammer 204 gebildet wird, die mit einem geeigneten kryogenen Kältemittel gefüllt ist. In der ringförmigen Kammer 4 sind mehrere Kühlmodule 220 eingebaut, von denen hier nur eines dargestellt ist. Jedes Kühlmodul7 shows an exemplary embodiment of a heat pipe 210 for cooling a large and long superconducting coil 290. The heat pipe 210 is here rotationally symmetrical about the central axis Z 1 and has an annular sheath 201 with an inner ring sheath 261 and an outer sheath 262 at the upper end of the two annular shells of the cladding tube 201, an annular condensation plate 203 with drip tips 214 is attached to its underside, and at the lower end an annular evaporation plate 202 is fixed in such a way. assumes that in the cladding tube 201, a hermetically encapsulated chamber 204 is formed, which is filled with a suitable cryogenic refrigerant. In the annular chamber 4 more cooling modules 220 are installed, of which only one is shown here. Each cooling module
220 liegt mit einer zylindrischen Mantelfläche 221 an der Innenfläche 261' des Innenringmantels 261 an. Oberhalb jeder Mantelfläche220 rests with a cylindrical lateral surface 221 on the inner surface 261 'of the inner ring shell 261. Above each lateral surface
221 ist eine schräge, ringförmig um den Innenringmantel 261 umlaufende Leiteinrichtung 222 ausgebildet, die flüssiges oder kondensiertes Kältemittel zur Mantelfläche 221 hinlenkt. Unterhalb jeder Mantelfläche 221 weist das Kühlmodul 220 eine schräge Leitwand 226 auf, die flüssiges Kältemittel von der Mantelfläche 221 wegführt. Die Leitwand 226 ist mit Sieblöchern227 versehen, damit Kältemittel nach unten zu einem weiteren Kühlmodul oder zur Verdampfungsplatte 204 abtropfen kann. Zwischen den Kühlmodulen 220 und dem Außenringmantel 262 ist eine ringförmige Zwischenwand 265 angeordnet, mit der innerhalb der Kammer 4 ein ringförmiger Schacht 207 zwischen den Kühlmodulen 220 und dem Außenringmantel 262 gebildet wird. Die Zwischenwand 265 ist von der Kondensationsplatte 203 und der Verdampfungsplatte 204 beabstandet, damit flüssiges und/oder gasförmiges Kältemittel in den Teil der Kammer 204 übertreten kann, in dem die Kühlmodule angeordnet sind. Die Abtropfspitzen 214 an der Kondensationsplatte 203 liegen entsprechend radial innerhalb der Zwischenwand 265. Die Zwischenwand 265 ist unmittelbar unterhalb der Kontaktstelle zwischen der hier mit etwa 45° schräg nach oben verlaufenden Leitring 222 und dessen Kontaktstelle mit der Zwischenwand 265 mit Durchlässen 206 versehen, damit innerhalb der Kühlmodule 220 verdampfendes Kältemittel über den Schacht noch oben zur Kondensationsplatte 203 aufsteigen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zu kühlenden Supraleiterspule 290 innerhalb des Innenrohrmantels 261 positioniert. Um eine gute Wärmeleitung zwischen den Kühlmodulen 220 und der zu kühlenden Spule 290 zu erreichen, sind außerhalb des Hüllrohrs 201, den Mantelflächen 221 gegenüberliegend, thermische Koppelringe 281 angeordnet. Da die Spule 290 sich fast über die gesamte Höhe des Wärmeohrs 210 erstreckt, liegt an der Außenseite der Spule 290 ein Kupferrohr 285 als Wärmeverteilelement an, das wiederum an mehreren Stellen jeweils in Kontakt mit den Koppelringen 281 steht. Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Die Figuren zeigen nur bevorzugte Ausführungsbeispiele und insbesondere die Anzahl der Kühlmodule in einem Kälterohr bzw. Wärmerohr, die Anzahl der Kälterohre in einer Kälteeinrichtung, die thermische Kopplung zwischen einem Kryokühler und den Kondensationselementen der einzelnen Kälterohre kann variieren, ohne den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche zu verlassen. Auch als Kältemittel können verschiedene Reinstoffgase, Gase oder Gasgemische, die für die Kryotechnik bzw. Kryogenik geeignet sind, zum Einsatz kommen. Die supraleitfähigen Bauelemente und Komponenten können unmittelbar an den Kälterohren oder dem Aufnahmerohr der Kühleinrichtung oder mittelbar an diesen befestigt bzw. mit diesen thermisch gekoppelt sein. Die Rohre können zusätzlich mit Sicherheitsventilen für Überdruck, Abpumpventilen für die Erzeugung eines Unterdrucks und/oder Zugangsventilen für die Einbringung von Kühlmedien versehen sein. Bei dem ringförmigen Wärmeohr könnte im Zentrum der Spule eine thermische Isolierung eingebaut sein, wodurch im Zentrum der Spule eine Wärmebohrung entsteht. Alternativ könnte die Spule auch außen am Außenringmantel anliegen. Die Leiteinrichtung und Leitwand der Kühlmodule wären dann entsprechend schräg zum Außenringmantel hin geneigt und die Mantelfläche läge an diesem an. Das ringförmige Wärmerohr könnte auch oval od.dgl. ausgebildet sein. Zwischen der Außenseite der Mantelfläche der Kühlmodule und der Innenfläche des könnten auch Kanäle oder Spalte ausgebildet sein, um kondensiertes bzw. flüssiges Wärmeübertragunsgmittel/Kältemittel im Bereich der Kühlmodule durch diese Kanäle oder Spalte fließen zu lassen und dann mit geeigneten Einrichtungen wie Abtropfringen wieder von der Innenfläche wegzuleiten und erst im Bereich des nachfolgenden Kühlmoduls wieder zur Innenfläche hinzuleiten. Hierbei könnte auch das gesamte Wärmeübertragungsmittel jeweils nur die Kanäle oder Spalte durchfließen. 221 is an oblique, annularly around the inner ring jacket 261 circumferential guide 222 is formed, which deflects liquid or condensed refrigerant to the lateral surface 221. Below each lateral surface 221, the cooling module 220 has an inclined guide wall 226, which leads liquid refrigerant away from the lateral surface 221. The baffle 226 is provided with screen holes 227 so that refrigerant can drip down to another cooling module or to the evaporation plate 204. Between the cooling modules 220 and the outer ring jacket 262, an annular intermediate wall 265 is arranged, with which within the chamber 4, an annular shaft 207 between the cooling modules 220 and the outer ring jacket 262 is formed. The intermediate wall 265 is spaced from the condensation plate 203 and the evaporation plate 204, so that liquid and / or gaseous refrigerant can pass into the part of the chamber 204 in which the cooling modules are arranged. The Abtropfspitzen 214 on the condensation plate 203 are correspondingly radially within the intermediate wall 265. The intermediate wall 265 is immediately below the contact point between the here about 45 ° obliquely upwardly extending guide ring 222 and its contact point with the intermediate wall 265 provided with passages 206, thus within the cooling modules 220 can still rise above the pit evaporating refrigerant to the condensation plate 203. In the embodiment shown, the superconducting coil 290 to be cooled is positioned inside the inner tube shell 261. In order to achieve a good heat conduction between the cooling modules 220 and the coil 290 to be cooled, thermal coupling rings 281 are arranged outside the jacket tube 201, opposite the lateral surfaces 221. Since the coil 290 extends almost over the entire height of the heat pipe 210, is located on the outside of the coil 290, a copper tube 285 as a heat dissipation element, which in turn is in several places in each case in contact with the coupling rings 281. Those skilled in the art will recognize from the foregoing description numerous modifications which are intended to be within the scope of the appended claims. The figures show only preferred embodiments and in particular the number of cooling modules in a cold pipe or the heat pipe, the number of cold tubes in a refrigeration device, the thermal coupling between a cryocooler and the condensation elements of the individual cooling tubes can vary without departing from the scope of the appended claims , As a refrigerant, various pure substance gases, gases or gas mixtures, which are suitable for cryogenics or cryogenics, are used. The superconducting components and components can be attached directly to the cooling pipes or the receiving tube of the cooling device or indirectly to these or thermally coupled with these. The tubes may also be provided with overpressure relief valves, negative pressure evacuation valves and / or cooling fluid admission valves. In the annular heat pipe could be installed in the center of the coil, a thermal insulation, whereby in the center of the coil, a heat well. Alternatively, the coil could also rest on the outside of the outer ring jacket. The guide and guide wall of the cooling modules would then be inclined in accordance with obliquely to the outer ring casing and the lateral surface would be on this. The annular heat pipe could also oval or the like. be educated. Also, channels or gaps could be formed between the outside of the shell surface of the cooling modules and the inside surface to allow condensed liquid refrigerant to flow through those channels or gaps in the region of the cooling modules and then back from the inside surface with suitable means such as drip rings wegzuleiten and only in the area of the subsequent cooling module to lead back to the inner surface. In this case, the entire heat transfer medium could also only flow through the channels or gaps.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Wärmerohr für die Kryotechnik, mit einem Hüllrohr (1; 201) und einer mittels eines Kondensationselementes (3; 203) an einem Rohrende und eines Verdampfungselementes (2; 202) am anderen Rohrende hermetisch gekapselten, mit Wärmeübertragungsmittel gefüllten Kammer (4; 204), dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (4; 204) zwischen dem Kondensationselement (3; 203) und dem Verdampfungselement (2; 202) wenigstens ein Kühlmodul (20; 220) eingebaut ist, das mit einer rohrförmigen Mantelfläche (21; 221) an der Innenfläche (I1; 261 •) des Hüllrohrs (1; 201) partiell anliegt, und zumindest Kondensationselementseitig mit einer Leiteinrichtung (22; 222) versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel zur Innenseite (21', 261') der Mantelfläche (21; 221) des Kühlmoduls (20; 220) hinzulenken.A heat pipe for cryogenics, comprising a cladding tube (1, 201) and a chamber (4, 204) hermetically sealed at the other end of the tube by means of a condensation element (3, 203) at one end of the tube and an evaporation element (2; ), characterized in that at least one cooling module (20; 220) is installed in the chamber (4; 204) between the condensation element (3; 203) and the evaporation element (2; 202), which is provided with a tubular jacket surface (21; 221 ) is partially in contact with the inner surface (I 1 ; 261 •) of the cladding tube (1; 201), and at least one condensation element side is provided with a guide device (22; 222) for conveying condensed and / or liquid heat transfer medium to the inner side (21 ', 261'). ) of the lateral surface (21; 221) of the cooling module (20; 220) hinschulenken.
2. Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung (22) mit Durchlaßschlitzen (24) versehen ist, die zur Innenseite (21') der Mantelfläche (21) münden und/oder die Leiteinrichtung (22) als Kegel oder trichterförmig ausgebildet ist.2. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the guide (22) is provided with passage slots (24) which open to the inside (21 ') of the lateral surface (21) and / or the guide (22) formed as a cone or funnel-shaped is.
3. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodul (20) verdampfungselementseitig mit einem Leitelement (26) versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel von der Mantelfläche (21) wegzuführen, wobei vorzugsweise das Leitelement (26) als Kegel oder trichterförmig ausgebildet ist.3. Heat pipe according to one of claims 1 or 2, characterized in that the cooling module (20) evaporation element side with a guide element (26) is provided to carry away condensed and / or liquid heat transfer medium from the lateral surface (21), wherein preferably the guide element (20). 26) is designed as a cone or funnel-shaped.
4. Wärmerohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (26) als Sieb ausgeführt ist oder aus einem Lochblech besteht oder ausgeführt ist.4. heat pipe according to claim 3, characterized in that the guide element (26) is designed as a sieve or consists of a perforated plate or is executed.
5. Wärmerohr nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ■ das Leitelement mit vorzugsweise radial verlaufenden Ablauf- schlitzen versehen ist. 5. Heat pipe according to claim 3 or 4, characterized in that ■ the guide element is provided with preferably radially extending drainage slots.
6. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodul (20) mit Leiteinrichtung (22) , Mantelfläche (21) und Leitelement (26) aus Metall, insbesondere einem Metallblech, vorzugsweise Kupfer- oder Kupferlegierungs- blech oder Stahlblech besteht.6. Heat pipe according to one of claims 2 to 5, characterized in that the cooling module (20) with guide (22), lateral surface (21) and guide element (26) made of metal, in particular a metal sheet, preferably copper or copper alloy sheet or Sheet steel exists.
7. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodul (20) mittels eines Schrumpfprozes- ses durch Abkühlen des Kühlmoduls und/oder Erwärmen des Hüll- rohrs (1) in dieses eingesetzt ist.7. Heat pipe according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cooling module (20) by means of a shrinking process by cooling the cooling module and / or heating of the sheath tube (1) is inserted into this.
8. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmittel ein Gemisch aus wenigstens zwei Kältemitteln mit unterschiedlichen Kondensations- temperaturen ist, wobei vorzugsweise das Wärmeübertragungsmittel ein Helium-Stickstoffgemisch ist.8. Heat pipe according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat transfer medium is a mixture of at least two refrigerants with different condensation temperatures, wherein preferably the heat transfer medium is a helium-nitrogen mixture.
9. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kammer (4) zugewandte Seite des Kondensationselementes (3) eine prismenartige Oberfläche (13) mit Abtropfspitzen (14) oder eine prismenartige Überstruktur mit Abtropfspitzen aufweist, wobei vorzugsweise die Abtropfspitzen (14) fluchtend oder nahezu fluchtend zu den Durchlaßschlitzen (24) im Kühlmodul (20) liegen.9. Heat pipe according to one of claims 1 to 8, characterized in that the chamber (4) facing side of the condensation element (3) has a prismatic surface (13) with drip tips (14) or a prismatic superstructure with drip tips, preferably the Drip tips (14) are aligned or almost in alignment with the passage slots (24) in the cooling module (20).
10. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen vom Verdampfungselement (2) zum Kondensationselement (3) führenden, vorzugsweise konzentrisch zur Mittelachse verlegten Schacht (7) , der insbesondere mittels eines Hohlrohrs10. Heat pipe according to one of claims 1 to 9, characterized by one of the evaporation element (2) to the condensation element (3) leading, preferably laid concentrically to the central axis shaft (7), in particular by means of a hollow tube
(5) gebildet ist.(5) is formed.
11. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlmodule (20) in der Kammer (4) eingebaut sind. 11. Heat pipe according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of cooling modules (20) in the chamber (4) are installed.
12. Wärmerohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmodule (20) zentral eine Durchführung für einen Schacht oder ein Hohlrohr (5) aufweisen, wobei das Hohlrohr (5) vorzugsweise für jedes Kühlmodul (20) mit wenigstens einer Radialöffnung (6) versehen ist, oberhalb der die Leiteinrichtung (22) am Hohlrohr (5) anliegt.12. Heat pipe according to claim 11, characterized in that the cooling modules (20) centrally have a passage for a shaft or a hollow tube (5), wherein the hollow tube (5) preferably for each cooling module (20) with at least one radial opening (6). is provided, above which the guide (22) rests on the hollow tube (5).
13. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Hüllrohrs (1) , in gleicher Einbauposition wie die Mantelfläche (21) des Kühlmoduls (20) ein supraleitfähiges Bauelement wie insbesondere eine supra- leitfähige Spule positioniert ist.13. Heat pipe according to one of claims 1 to 12, characterized in that on the outer circumference of the cladding tube (1), in the same installation position as the lateral surface (21) of the cooling module (20), a superconductive component such as in particular a superconductive coil is positioned.
14. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (201) ringförmig ausgeführt ist und einen Innenringmantel (261) sowie einen Außenringmantel (262) aufweist, wobei das Kühlmodul (220) mit seiner Mantelfläche (221) an der Innenfläche (261 ') des Innenringmantel (261) oder an der Innenfläche des Außenringmantel anliegt.14. Heat pipe according to one of claims 1 to 13, characterized in that the cladding tube (201) is annular and has an inner ring shell (261) and an outer ring shell (262), wherein the cooling module (220) with its lateral surface (221) the inner surface (261 ') of the inner ring casing (261) or abuts against the inner surface of the outer ring shell.
15. Wärmerohr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende supraleitfähige Bauelement wie insbesondere eine sup- raleitfähige Spule (290) an dem Ringmantel (261) positioniert ist, an dessen Innenfläche die Mantelflächen des/der Kühlmo- duls/e anliegen.15. A heat pipe according to claim 14, characterized in that the superconductive component to be cooled, in particular a superconducting coil (290), is positioned on the annular jacket (261), against the inner surface of which are the lateral surfaces of the cooling module (s).
16. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Schacht (207) zwischen Kühlmodul (220) und demjenigen Ringmantel (262) ausgebildet ist, an dessen Innenfläche die Mantelflächen des/der Kühlmoduls/e nicht anliegen.16. Heat pipe according to one of claims 14 or 15, characterized in that an annular shaft (207) between the cooling module (220) and that annular jacket (262) is formed, on the inner surface of the lateral surfaces of / the cooling module / e are not present.
17. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet.- daß im Zentrum des zu kühlenden Bauteils eine thermische Isolierung zur Erzielung einer Warmbohrung eingebaut ist und/oder daß zwischen dem zu kühlenden Bauteil (290) und dem Ringmantel (261) ein Wärmeverteilelement (285) , insbesondere ein Kupferrohr, angeordnet ist.17. Heat pipe according to one of claims 1 to 16, characterized.- that in the center of the component to be cooled, a thermal insulation to achieve a hot hole is installed and / or that between the component to be cooled (290) and the Ring jacket (261) a heat distribution element (285), in particular a copper tube, is arranged.
18. Kühleinrichtung für die Kryotechnik zum Kühlen von Supraleiterbauteilen oder Supraleiterspulen, insbesondere HTS-Spulen, mit wenigstens einem Wärmerohr gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung ein Aufnahmerohr (80) aufweist, in dessen Innenraum (84) mehrere Wärmerohre (10) angeordnet sind, deren Kondensationselemente (3) thermisch mit einem Kryokühler (75) gekoppelt sind und deren Hüllrohre (1) zumindest partiell in Kontakt mit dem Aufnahmerohr (80) stehen, wobei die Kühlmodule (20) mehrerer, vorzugsweise aller Wärmerohre (10) in einer gemeinsamen Ebene liegen und ein sup- raleitfähiges Bauteil (90) in derselben Ebene am Außenumfang (83) des Aufnahmerohrs (80) positioniert ist.18. Cooling device for cryotechnology for cooling superconductor components or superconductor coils, in particular HTS coils, with at least one heat pipe according to one of claims 1 to 17, characterized in that the cooling device has a receiving tube (80), in the interior (84) more Heat pipes (10) are arranged, the condensation elements (3) are thermally coupled to a cryocooler (75) and the cladding tubes (1) at least partially in contact with the receiving tube (80), wherein the cooling modules (20) of several, preferably all heat pipes (10) lie in a common plane and a superconductive component (90) is positioned in the same plane on the outer circumference (83) of the receiving tube (80).
19. Kühleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (84) des Aufnahmerohrs (80) innere thermische Leitelemente (81) in gleicher Einbauhöhe wie die Kühlmodule (20) ausgebildet sind und/oder zwischen dem supraleitfähigen Bauteil (90) und dem Außenmantel (83) des Aufnahmerohrs (80) ein äußerer thermischer Leiter (85) ausgebildet ist.19. Cooling device according to claim 18, characterized in that in the interior (84) of the receiving tube (80) inner thermal guide elements (81) in the same installation height as the cooling modules (20) are formed and / or between the superconducting member (90) and the Outer jacket (83) of the receiving tube (80) an outer thermal conductor (85) is formed.
20. Kühleinrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (10) mit ihren Verdampfungselementen in einer gemeinsamen Aufnahmebasis (72) verankert sind, die vorzugsweise thermisch leitend ausgebildet ist und mit einer Heizeinrichtung thermisch gekoppelt ist . 20. Cooling device according to claim 18 or 19, characterized in that the heat pipes (10) are anchored with their evaporation elements in a common receiving base (72), which is preferably formed thermally conductive and thermally coupled to a heater.
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