WO2012038357A1 - Vorrichtung und verfahren zur kühlung einer supraleitenden maschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kühlung einer supraleitenden maschine Download PDF

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WO2012038357A1 PCT/EP2011/066167 EP2011066167W WO2012038357A1 WO 2012038357 A1 WO2012038357 A1 WO 2012038357A1 EP 2011066167 W EP2011066167 W EP 2011066167W WO 2012038357 A1 WO2012038357 A1 WO 2012038357A1
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temperature
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cooling fluid
condenser space
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Michael Frank
Peter Van Hasselt
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for cooling a superconducting machine in which at least two Kondensorschreib each with a cold head in thermal contact and in which the at least two Kondensorschreib each have a kauslei ⁇ tion, via which the at least two Kondensorhoff ⁇ me fluidically communicate with an evaporator chamber.
  • Superconducting machines usually comprise superconducting coils, which must be reliably cooled at least during operation of the machine. Since 1987, metal oxide superconductor materials with transition temperatures T c of more than 77 K have been known. These materials are also referred to as high (T c) superconductor materials or HTS materials and, in principle, permit cooling technology with liquid nitrogen (LN 2 ) ⁇ machines which coils with HTS material umfas ⁇ sen, thus can be cooled, for example with liquid nitrogen (LN 2) or liquid neon (LNe) or operated. For cooling windings with HTS material, preference is given to using refrigeration systems in the form of so-called cryocoolers with a closed He pressure gas cycle.
  • cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. They have the advantage that their cooling capacity is virtually available at the push of a button and the handling of cryogenic liquids is avoided.
  • the superconducting winding is cooled indirectly, for example by conduction of heat to a cold head of a refrigerator (cf., for example, "Proc. 16 th Int Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakushu, JP, 20.- 24.05.1996, Elsevier Science, 1997, pages 1109 to 1129).
  • a cooling technique as described for example in DE 103 21 463 AI, can be used for the cooling of rotors of electrical machines.
  • the rotor contains a rotating winding of HTS conductors, which are located in a thermally conductive winding carrier.
  • This winding support is provided with a central, extending in the axial direction, cylindrical cavity, close to the laterally leading out of the winding support tubular pipe parts ⁇ .
  • These line parts lead into a geodetically higher condenser space of a refrigeration unit and together with this condenser space and the central rotor cavity form a closed single-pipe line system.
  • this line system is a refrigerant or cooling fluid, which circulates using a so-called thermosiphon effect.
  • condensed in the condenser cooling fluid through the tubular conduit parts in the centra ⁇ len cavity is routed, where it picks up due to the thermal coupling to the winding carrier and thus to the HTS coil heat and evaporates.
  • the vaporized cooling fluid then passes back through the same line parts in the condenser, where it is condensed back.
  • the necessary cooling ⁇ power is provided by a chiller whose cold ⁇ head is thermally coupled to the condenser.
  • the height of the Triebwa ⁇ gene may be limited, for example, from regulations due to overhead line and / or tunnel heights.
  • regulations due to overhead line and / or tunnel heights For given machine sizes, which are in the order of magnitude of height regulation, even with a horizontal arrangement of the machine axis, an arrangement of the refrigeration unit geodetically higher than the machine can not be possible ⁇ lich.
  • thermosiphon pipe system In order to ensure reliable cooling even in case of imbalances of the machine, it is possible to arrange the machine so inclined relative to the horizontal, that even with the largest to be assumed Trimlage or oscillation amplitude in the thermosiphon pipe system still a slope in the direction of the rotor cavity is present. A correspondingly inclined arrangement is undesirable especially in shipbuilding especially with larger machine length for reasons of a then required large space requirement.
  • a two-pipe piping systems can be used instead of a single-pipe piping system for a refrigerant circulation between a condenser space and the evaporator space, in which the liquid and the gaseous refrigerant flow through the same pipe ⁇ parts from and to the condenser.
  • the Thermosi- phon effect is used as it is for example in WO 00/13296 A ⁇ be enrolled.
  • it must be provided in the region of the hollow shaft of the rotor, an additional tube for the gaseous refrigerant.
  • the condenser space must be arranged geodetically opposite the evaporator chamber high enough to ensure a reliable flow of the cooling fluid from the condenser space in the evaporator chamber by gravity. This requires space, which is available only limited in ships.
  • Object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method for cooling a superconducting machine, which allow reliable cooling even in imbalances of machines. It should be dispensed with mechanically moving parts, such as mechanical pumps and Ven ⁇ tile, since they are expensive, expensive and prone to failure at cryogenic temperatures.
  • ⁇ administration of the present invention is to provide a device and method may be in which a cooling fluid also moves counter to the direction or force of gravity without mechanically moving parts such as mechanical pumps and valves.
  • the inventive device for cooling a supralei ⁇ Tenden machine has at least two Kondensorschreib which ste ⁇ hen each with a cold head in thermal contact.
  • the at least two Kondensorschreib each have a connecting line, via which the at least two Kondensorschreib are fluidly connected to an evaporator chamber.
  • the at least two Kondensorschreib are formed such that a cooling fluid in liquid form is also movable against gravity, from at least one condenser ⁇ space in the evaporator chamber by a pressure difference between a first pressure in the first condenser space and a second pressure in the second condenser space.
  • the pressures are in each case determined by the temperature in the condenser chambers (boiling range of the coolant).
  • the temperatures in the Kondensor caravan can be set differently on each thermally coupled with the Kondensorcind cold heads. This makes it possible to build up a pressure difference between the condenser chambers or their interior volumes, which are filled with liquid and / or gaseous cooling fluid.
  • a condenser space in which the temperature is raised liquid evaporates and / or the gaseous cooling fluid expands and the pressure increases.
  • the pressure decreases because gaseous refrigerant is condensed.
  • the pressure difference causes a movement of liquid cooling fluid from at least one connecting line into the evaporator chamber.
  • cooling fluid in the connecting tube of a condenser space in the evaporator chamber also moves against gravity, if the pressure difference is big enough. No moving parts like valves or mechanical pumps are necessary.
  • Cooling fluid are liquefied, which flows from the evaporator chamber in the two former Kondensorschreib.
  • the compounds and the evaporator chamber may be formed a closed, in particular a closed cooling circuit. There is no loss of cooling fluid and maintenance of the coolant circuit or a filling of cooling fluid is not necessary, especially if a ge ⁇ suitable dimensioned expansion tank is provided.
  • the device may be filled with a cooling fluid, wel ⁇ ches a homogeneous liquid, in particular liquid ⁇ stick material or liquid neon comprises or consists of or which comprises a mixture of cooling fluids with different condensation temperatures ⁇ union.
  • the evaporation temperature of the cooling fluid determines the temperature to which the superconducting winding or machine can be cooled, that is, which superconducting materials can be used.
  • the condensation temperature of the cooling fluid determines the temperature to which the cooling heads must cool the condenser space to re-liquefy the vaporized gaseous cooling fluid.
  • Temperatures at which the cooling fluid evaporates or liquefies which lie between temperatures at which pure substances such as, for example, pure nitrogen or pure helium evaporate or liquefy, can also be set by means of mixtures or additives to the cooling fluids.
  • the superconducting machine may be a motor or a generator to be, especially with a rotor having at least one sup ⁇ ra réelleden winding, the rotor being rotatably arranged around an axis.
  • the superconducting winding may consist of or comprise HTS material. This allows the use of nitrogen as the cooling fluid.
  • the machine can be used eg in ships.
  • the Kondensorschreib and the respectively associated cold heads may be arranged fixed outside the rotor and the evaporator chamber may be rotatably disposed within the rotor, in particular as a cylindrical cavity along the axis of rotation of the rotor.
  • the connecting pipes can protrude into the evaporator chamber according to the thermosiphon principle and can also be fixed. This convenient self ⁇ properties of the machine are achieved.
  • a method according to the invention for cooling a superconducting machine, in particular using the thermosiphon effect comprises the steps:
  • the pressure difference is built up or amplified by the temperature increase in the first condenser, which is pressed by the existing in the first condenser space pressure, even compared to the pressure in the evaporator chamber, liquid cooling fluid in the evaporator chamber.
  • a Tem ⁇ peraturerhöhung is easy and fast to implement, whereby high pressure differences can be generated and the liquid cooling fluid can be moved over large differences in height ranging from centimeters to meters against gravity in the connecting line.
  • thermosiphon effect comprises the steps of
  • a temperature can be kept constant or lowered.
  • steps C) to E a higher negative pressure in the first condenser space can be generated and more liquid cooling fluid can be moved into the evaporator space in a short time.
  • steps A) and B) the effect of building up a pressure difference between the first and two ⁇ th condenser space can be supported by a third condenser and also moved in a short time more liquid cooling fluid in the evaporator chamber.
  • the temperature can be reduced or kept constant.
  • the temperature in the at least one second, in particular the second and drit ⁇ th condenser, in which the temperature was kept constant at the time of steps A) and B) or C) to E) or has been reduced, the temperature may be increased or maintained constant ,
  • a further alternative method for cooling a superconducting machine comprises the steps of having in a first condenser space, which is thermally in communication with a first cold head, and in at least one second condenser, which is thermally in communication with a second cold head, a temperature is increased, wherein the temperature and / or temperature increase in the first condenser space is greater than in the second condenser, whereby in the first condenser more cooling fluid is evaporated than in the second condenser and / or gas expands more and / or a pressure difference between the pressure in the first and second condenser space is created or increased, whereby liquid cooling fluid k is moved in a first connecting pipe between the first condenser space and an evaporator space, and gaseous cooling fluid k ' in particular via a second connecting pipe is moved from the evaporator chamber in the second condenser.
  • a temperature can at the same time be increased, maintained or reduced at least in a third condenser space, which is thermally in communication with a third cold head.
  • the temperature can be increased in time directly or indirectly in the following Kondensorrent, in which the temperature was increased, the tempera ture ⁇ be reduced and / or temporally directly or indirectly in the following Kondensorrent in which the temperature was lowered.
  • the previously beschrie ⁇ surrounded benefits for procedures with at least three Kondensorrent in which their roles are exchanged in time, herein also apply.
  • the process may be carried out as a continuous process or pulsed pumping of liquid cooling fluid in the evaporation ⁇ ferraum.
  • a temperature reduction can be carried out by cooling with the aid of at least one cold head.
  • a temperature increase can take place with the aid of at least one cold head and / or by heating with the aid of a heating device.
  • a movement of cooling fluid can be controlled or controlled exclusively via pressure and / or temperature differences in the condenser chambers and the evaporator chamber, in particular in the case of pressure compensation by cooling fluid movement and / or, in particular, against the force of gravity. Valves or mechanical pumps no longer need to be used to move liquid cooling fluid in a connecting line against gravity in the evaporator chamber. Problems with mechanical parts at cryogenic temperatures are thus avoided and maintenance costs and costs are reduced.
  • the cooling fluid is a liquid may pass into a gaseous state and a rotating superconducting device, in particular a superconducting winding of a rotor of a motor or a generator cow ⁇ len, wherein the superconducting winding particular HTS-Mate rial comprises.
  • the evaporator chamber can be arranged rotatably within the rotor, in particular as a cylindrical cavity along the axis of rotation of the rotor.
  • the at least two cold heads, and the at least two condensate ⁇ sorsammlung and in particular the at least two restattsroh ⁇ which in particular the connection pipes umhül ⁇ lumbar total tube are covered by a can be fixedly disposed.
  • the wrapping of the connecting pipes through a total pipe allows the reduction of the number of seals and bearings in the transition of the fixed to the rotating parts.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a superconducting machine 2 with a device for cooling according to the prior art
  • Fig. 2 is a simplified schematic representation of a
  • Cooling device according to the invention.
  • Machines according to the figures each comprise a stator and rotor and an associated refrigeration unit.
  • implementation of the machine may be in particular a synchronous motor or a generator.
  • the machine comprises a rotating supralei ⁇ tende winding, the metallic LTS material in principle (Low-T c superconducting material) or oxidic HTS material (high-T c superconducting material) is used.
  • the latter material is ge ⁇ sets for the following examples is based.
  • the winding may consist of a coil or of a system of coils in a two-, four- or other multipolar arrangement.
  • the basic structure of entspre ⁇ sponding synchronous motor is shown in FIG 1, as known from the prior art.
  • the designated 2 machine comprises a stationary, is at room temperature outer housing 3 with a stator winding 4. Within the outer housing and a rotor 5 is enclosed by the stator ⁇ winding 4 mounted rotatably about an axis of rotation A in bearings. 6 These bearings may be conventional mechanical bearings or else magnetic bearings ⁇ .
  • the rotor further comprises a vacuum vessel 7, in which, for example, a hollow cylindrical, torque-transmitting suspension elements 8, a winding support 9 is supported with a HTS winding 10. In this winding support is concentric to the axis of rotation A extending in the axial direction central cavity 12 is present, for example, has a cylindrical shape. The winding support is designed vacuum-tight with respect to this cavity.
  • a refrigeration unit is provided which is indicated by the le ⁇ diglich a cold head sixteenth
  • This refrigeration unit may be a cryocooler type Gifford-McMahon or in particular a regenerative cryocooler such as act a pulse tube cooler or a split Stirling cooler.
  • the cold head 16 and thus all we ⁇ sentlichen, other parts of the refrigeration unit outside the Ro ⁇ sector 5 and tribu Morrisgepuruses 3.
  • the cold part of, for example, a few meters laterally of the rotor 5 arranged cold head 16 is in a vacuum vessel 23 via a heat transfer body 17 in good thermal contact with a refrigerant condensation unit having a condenser 18.
  • a vacuum-insulated, stationary heat pipe 20 is Schlos ⁇ sen, which projects laterally in an axial region in the lateral co-rotating cavity 13 or the central cavity 12th
  • a sealing device 21 which is not detailed in the figure, serves with at least one sealing element, which may be formed as a ferrofluid seal and / or a labyrinth seal and / or a gap seal.
  • a refrigerant which is selected depending on the desired operating temperature of the HTS winding 10. For example, helium (condensation temperature 4.2 K at atmospheric pressure), hydrogen (condensation temperature 20.4 K at atmospheric pressure), neon (condensation temperature 27.1 K at atmospheric pressure), nitrogen (condensation temperature 77.4 K at atmospheric pressure) or argon (condensation temperature 87.3 K at atmospheric pressure) in question. Also, mixtures of these gases can be provided.
  • the circulation of the refrigerant takes place under utilization a so-called thermosiphon effect. For this purpose, the refrigerant is condensed on a cold surface of the cold head 16 in the region of the condenser space 18.
  • the so ver ⁇ fattyte, denoted by k refrigerant flows through the line ⁇ parts 22 in the central cavity 12.
  • the transport of the condensate occurs while under the influence of gravity.
  • ⁇ to may advantageously the heat pipe 20 slightly (a few degrees) in relation to the rotation axis A in the direction of earth ⁇ ffenddling be inclined so as to assist flow out of the flüssi ⁇ gen refrigerant k from the open end 20a of the tube 20th
  • the liquid refrigerant is evaporated.
  • the vaporous refrigerant is denoted by. This vaporized under absorption of heat refrigerant then flows through the interior of the line parts 22 back into the condenser 18.
  • the return flow is fanned by a slight overpressure acting as an evaporator cavity 12 in the direction of the condenser 18 through, by the formation of gas in the evaporator and the liquefaction in the condenser space is caused. Since the circulation of the liquefied refrigerant from the condenser 18 into the central cavity 12 and the return flow of the vaporized refrigerant from this cavity back to the condenser space in the formed from the condenser 18, the conduit members 22 and the cavity 12 tubular conduit system, can of a One-pipe system with a circulation of the refrigerant k, to be spoken by utilizing a thermosiphon effect.
  • the gas pressure on the condenser side is to be increased for a short time to the extent that thereby the refrigerant liquid from the line parts 20 against gravity (in the presence of the inclination angle ⁇ ) in the central cavity 12 is pressed.
  • Such Druckerhö ⁇ hung carried out according to the prior art using a was ⁇ men buffer volume PV W and a mechanical pump 28.
  • the gas pressure in the condenser 18 can be increased temporarily, so that there and in the Lei ⁇ the cooling parts k located in the central cavity 12 are pressed.
  • a control valve 29 is arranged, which opens the connection to the pump 28, which then promotes the gas from the buffer volume in the condenser.
  • a valve 30 allows a return of excess gas from the condenser space 18.
  • Such a pressure oscillation can be evoked end permanently he ⁇ follow, that is, in short, repetitive time intervals (each for a short period of time), or may be controlled by a position sensor 26 of known construction of a control unit 27th
  • This position sensor detects the imbalance with the inclination angle ⁇ of the machine 2 and triggers via the control unit 27, the explained introduction of a Druckvolu ⁇ men (gas pulse).
  • FIG. 1 shows a representation of further parts for the provision and discharge of the gas, such as from a filling Apart from the valve, from which the system is to be filled via the connecting line 24 with gaseous refrigerant, apart, since these parts are well known. Only an overpressure valve 31 responding to an impermissible overpressure in the system is indicated.
  • the refrigerant k or enclosing parts or containers must be protected against heat.
  • a vacuum environment is expediently provided, wherein optionally in the corresponding vacuum spaces additionally insulation means such as super insulation or insulation foam can be provided.
  • V the vacuum enclosed by the vacuum vessel 7
  • ⁇ the vacuum enclosing the heat pipe 20 as well as the condenser space 18 and the heat transfer body 17 is denoted by ⁇ ⁇ .
  • a negative pressure can be generated in the surrounding the rotor 5, enclosed by the outer housing 3 interior 32.
  • a disadvantage of a system of the mechanical pump 28 and valves 29, 30, 31 is that, for simplicity, not shown arrangement of parts in a cryogenic area, at cryogenic temperatures these parts are very susceptible to interference and the design of moving parts on this Tempe ⁇ is expensive and expensive. Especially with regard to the use on ships, but also in other machine-typical applications, a maintenance-free operation over long periods is necessary. Mechanically moving parts are therefore to be reduced to a minimum, since they are usually prone to failure.
  • a novel cooling principle is used in a previously described machine 2.
  • parts such as pump 28 and valves 29, 30, 31 can be dispensed with, with all other parts of the ma- machine analogous to those of the machine previously described in Fig. 1, unless otherwise mentioned below.
  • each condenser 18, 18 ' , 18 '' is fluidly connected to the evaporator chamber via a heat pipe 20, 20 ' , 20 '' , which is hereinafter generally referred to as a connecting line 20, 20 ' , 20 ''
  • the connecting lines 20, 20 ' , 20 '' are inclined distorted V- or U-shaped and arranged, ie they are slightly oblique with respect to the horizon H as shown in Fig. 1, with a lowest point, which is influenced Gravity a fluid can accumulate.
  • the connecting lines 20, 20 ' , 20 '' but can also have other forms, wherein it is important that analogous to a U-tube manometer liquid can accumulate in its interior.
  • the Kondensorschreib 18, 18 ' , 18 '' with the associated connecting lines 20, 20 ' , 20 '' and the evaporator chamber 12 form a closed system, ie an outwardly fluid-tight interior.
  • the interior is provided with a refrigerant k, k ', which is also referred to as cooling fluid fills be ⁇ .
  • the cooling fluid may be present in the liquid k and / or gaseous k ' aggregate, ie as liquid cooling fluid k and / or as gaseous cooling fluid k ' .
  • FIG. 2 shows the device according to the invention for cooling a superconducting machine 2 at a first point in time.
  • the gaseous vaporized cooling fluid k ' is led out of the evaporator space 12 via the connection lines 20 ' and 20 '' into the condenser spaces 18 ' and 18 '' .
  • the Kondensorrent 18 ' and 18 '' is a temperature T 2 and T3 below the Kondensationstempera ⁇ tur of the cooling fluid k before, each with the help of the associated cooling heads 16 ' and 16 '' , whereby the gaseous cooling fluid k ' amount of heat is withdrawn and it k to liquid cooling fluid kon ⁇ condenses.
  • the liquid cooling fluid k collects in the connection lines 20 ' and 20 '' .
  • the temperature Ti In the first condenser 18, starting from a temperature below the condensation temperature of the cooling fluid k, the temperature Ti by means of the associated cold head 16 and / or one of the simplicity not shown
  • Heating device increases, to a temperature Ti * above the condensation temperature of the cooling fluid k.
  • liquid cooling fluid k which is located in the connection ⁇ line 20, pressed into the evaporator chamber 12, against the action of gravity at a pressure force which is greater than the weight of the cooling fluid k.
  • Cooling fluid k from the condenser space 18 and the connecting line 20 is pressed into the evaporator chamber 12.
  • This effect is further enhanced by a negative pressure pi and P 2 in the condenser 18 ' and 18 '' , which by reducing the volume of the gaseous cooling fluid k ' on cooling and condensation in the condenser 18 ' and 18 '' arises.
  • This negative pressure sucks gaseous refrigerant fluid k 'from the evaporator room 12 in the kauslei ⁇ obligations 20' and 20 '' and so reduces the pressure p v in the evaporator chamber 12.
  • the pressure difference ⁇ (pi ⁇ p v) between the first condenser 18 and the Evaporation chamber 12 is thereby amplified and in addition to the pressure compensation liquid cooling fluid k from the connecting line 20 moves into the evaporator chamber 12.
  • the process described above ends, inter alia, when the liquid cooling fluid k has been moved from the connecting line 20 completely or at least almost completely into the evaporator chamber 12.
  • the temperatures Ti, T2, T3 in the condenser chambers 18, 18 ' , 18 '' can be exchanged in good time via the cooling heads 16, 16 ' , 16 '' take place.
  • the condenser space 18 can be cooled to a temperature below the condensation temperature of the cooling fluid via the cooling head 16, wherein, for example, the condenser spaces 18 and 18 "have the same temperature.
  • the condenser 18 ' can be heated via the cooling head 16 ' or for simplicity not illustrated ⁇ set heater to a temperature which is above the condensation temperature of the cooling fluid. This causes the condenser 18 'to act as the condenser 18 at the first time at a second time as described in this paragraph, and the condenser 18 and 18 '' at the second time to act as the condenser 18 ' and 18 '' for act first time.
  • the 16 '' can be brought.
  • the Kondensorschreib 18 and 18 ' Kings ⁇ NEN example have the same temperature, a temperature below the condensation temperature of the cooling fluid k ' .
  • the condenser 18 '' can be heated via the cooling head 16 '' or a heating device, not shown for simplicity, to a temperature which is above the condensation temperature of the cooling fluid. This causes that at the third time the condenser 18 '' as the condenser 18 acts at the first time, and at the third time the Kondensorschreib 18 and 18 ' as the Kondensorhoff ⁇ me 18 ' and 18 '' act at the first time.
  • the state of the first time ⁇ point can be restored.
  • a continuous, quasi-continuous or pulsed operation of the apparatus for cooling a superconducting machine 2 can be ensured.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2), bei welchen wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18',18' ') jeweils mit einem Kaltkopf (16, 16', 16' ') in thermischen Kontakt stehen und bei welchen die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') jeweils eine Verbindungsleitung (20, 20', 20' ') aufweisen, über welche die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') fluidisch mit einem Verdampferraum (12) in Verbindung stehen. Über einen Temperatur- und damit verbundenen Druckunterschied in den wenigstens zwei Kondensorräumen (18, 18', 18' ') ist ein flüssiges Kühlfluid k von wenigstens einem Kondensorraum (18, 18', 18' ') in den Verdampferraum (12) beweg- bzw. pumpbar.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine, bei welchen wenigstens zwei Kondensorräume jeweils mit einem Kaltkopf in thermischen Kontakt stehen und bei welchen die wenigstens zwei Kondensorräume jeweils eine Verbindungslei¬ tung aufweisen, über welche die wenigstens zwei Kondensorräu¬ me fluidisch mit einem Verdampferraum in Verbindung stehen.
Supraleitende Maschinen umfassen in der Regel supraleitende Spulen, welche zumindest während des Betriebs der Maschine zuverlässig gekühlt werden müssen. Seit 1987 kennt man metal- loxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen Tc von über 77 K. Diese Materialien werden auch als Hoch (High) - Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2) · Maschinen, welche Spulen mit HTS-Material umfas¬ sen, können somit z.B. mit flüssigem Stickstoff (LN2) oder mit flüssigem Neon (LNe) gekühlt bzw. betrieben werden. Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Material kommen bevorzugt Kälteanlagen in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryoküh- ler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Sie haben den Vorteil, dass ihre Kälteleistung quasi auf Knopf¬ druck zur Verfügung steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird. Bei Verwendung solcher Kälteanlagen wird die supraleitende Wicklung z.B. durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z.B. "Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitaky- ushu, JP, 20.-24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129) . Eine Kühltechnik, wie z.B. in der DE 103 21 463 AI beschrieben, ist für die Kühlung von Rotoren elektrischer Maschinen einsetzbar. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die sich in einem wärmeleitend ausgebildeten Wicklungsträger befinden. Dieser Wicklungsträger ist mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum ausgestattet, an den sich seitlich aus dem Wicklungsträger herausführende rohrförmige Leitungsteile an¬ schließen. Diese Leitungsteile führen in einen geodätisch höher liegenden Kondensorraum einer Kälteeinheit und bilden zusammen mit diesem Kondensorraum und dem zentralen Rotorhohlraum ein geschlossenes Ein-Rohr-Leitungssystem. In diesem Leitungssystem befindet sich ein Kältemittel bzw. Kühlfluid, das unter Ausnutzung eines sogenannten Thermosiphon-Effektes zirkuliert. Hierbei wird in dem Kondensorraum kondensiertes Kühlfluid über die rohrförmigen Leitungsteile in den zentra¬ len Hohlraum geleitet, wo es wegen der thermischen Ankopplung an den Wicklungsträger und damit an die HTS-Wicklung Wärme aufnimmt und verdampft. Das verdampfte Kühlfluid gelangt dann zurück über dieselben Leitungsteile in den Kondensorraum, wo es zurückkondensiert wird. Die hierfür erforderliche Kälte¬ leistung wird von einer Kältemaschine erbracht, deren Kalt¬ kopf an den Kondensorraum thermisch angekoppelt ist.
Der Rückstrom des Kältemittels wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in den als Verdampferteil wirkenden zentralen Hohlraum hin zu dem als Kondensator wirkenden Teilen der Kältemaschine. Dieser, durch das Entstehen von Gas im Verdampferteil und das Verflüssigen im Kondensorraum erzeugte Differenzdruck, führt also zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Entsprechende Kältemittelströmungen sind von sogenannten "Heat-Pipes" prinzipiell her bekannt.
Bei der bekannten Maschine mit Thermosiphon-Kühlung mittels einer entsprechenden Kälteeinheit erfolgt also der Transport des flüssigen Kältemittels allein unter Ausnutzung der
Schwerkraft, so dass keine weiteren Pumpsysteme erforderlich sind. Dies erfordert eine Kälteeinheit bzw. einen Kondensor- räum, welcher zwingend geodätisch höher angeordnet sein muss als die Maschine bzw. der Wicklungsträger. Damit verbundene Nachteile treten insbesondere bei räumlichen Beschränkungen des Maschinen- und Kälteeinheitsaufbaus auf. So kann z.B. bei einer Maschine mit senkrecht angeordneter Maschinenachse ein mit der Maschine angetriebenes Objekt, z.B. ein Motor, ober¬ halb der Maschine angeordnet sein. Die Maschine ist derart in ihrer Umgebung eingebaut, dass in der Ebene der Maschine kein freier Raum vorhanden ist. Die geodätisch höhere Position ist durch das angetriebene Objekt besetzt, und eine Anordnung der Kälteeinheit geodätisch höher ist in dieser Situation nicht möglich. Auch in komplexen Anwendungen, wie z.B. bei Triebwagen von Eisenbahnen, kann z.B. aus Vorschriften auf Grund von Oberleitungs- und/oder Tunnelhöhen die Bauhöhe des Triebwa¬ gens beschränkt sein. Bei gegebenen Maschinengrößen, welche in der Größenordnung der Höhenvorschrift liegen, kann selbst bei waagerechter Anordnung der Maschinenachse eine Anordnung der Kälteeinheit geodätisch höher als die Maschine nicht mög¬ lich sein.
Ein weiterer Fall, bei welchem Probleme bei einem rein schwerkraftgetriebenen Kühlmittelfluss auftreten, ist auf Schiffen oder Off-shore-Einrichtungen gegeben. Will man eine zuvor beschriebene Maschineneinrichtung auf Schiffen oder Off-shore-Einrichtungen einsetzen, so muss vielfach mit statischen Schieflagen, einem sogenannten "Trim", von z.B. bis zu ±5° und/oder mit dynamischen Schieflagen von z.B. bis zu ±7,5° in Längsrichtung gerechnet werden. Um eine Zulassung einer Klassifizierungsgesellschaft für einen Schiffseinsatz zu erhalten, muss folglich das Kühlsystem einer solchen Maschineneinrichtung an Bord eines Seefahrzeugs auch unter diesen Bedingungen eine sichere Kühlung gewährleisten. Will man die genannten Schieflagen der Maschine zulassen, so besteht dann die Gefahr, dass ein Bereich der rohrförmigen Leitungsteile zwischen dem zentralen Rotorhohlraum und der Kälteeinheit geodätisch tiefer zu liegen kommt als der zentrale Ro¬ torhohlraum. Die Folge davon ist, dass das Kältemittel unter Einfluss der Schwerkraft den zu kühlenden Rotorhohlraum nicht erreichen kann. Eine Kühlung der Maschine und somit deren Betrieb wäre damit nicht mehr sichergestellt.
Um eine zuverlässige Kühlung auch bei Schieflagen der Maschine zu gewährleisten, ist es möglich die Maschine gegenüber der Horizontalen so geneigt anzuordnen, dass auch bei größter anzunehmender Trimlage oder Oszillationsamplitude in dem Thermosiphon-Leitungssystem immer noch ein Gefälle in Richtung auf den Rotorhohlraum vorhanden ist. Eine entsprechend geneigte Anordnung ist gerade im Schiffsbau insbesondere bei größerer Maschinenlänge aus Gründen eines dann erforderlichen großen Platzbedarfs unerwünscht. Alternativ kann statt eines Ein-Rohr-Leitungssystems für eine Kältemittelzirkulation zwischen einem Kondensorraum und dem Verdampferraum, bei dem das flüssige und das gasförmige Kältemittel durch gleiche Rohr¬ teile vom und zum Kondensorraum strömen, ein Zwei-Rohr- Leitungssysteme verwendet werden. Dabei wird der Thermosi- phon-Effekt genutzt, wie er z.B. in der WO 00/13296 A be¬ schrieben ist. Es muss jedoch im Bereich der Hohlwelle des Rotors ein zusätzliches Rohr für das gasförmige Kältemittel vorgesehen werden. Der Kondensorraum muss geodätisch gegenüber dem Verdampferraum hoch genug angeordnet sein, um über die Schwerkraft eine zuverlässige Strömung des Kühlfluids aus dem Kondensorraum in den Verdampferraum sicherzustellen. Dies erfordert Bauraum, welcher z.B. in Schiffen nur beschränkt zur Verfügung steht.
Eine weitere Alternative stellt die Verwendung einer mechani¬ schen Pumpe und/oder von mechanischen Ventilen dar. Das Kältemittel kann durch eine Pumpanlage zwangsumgewälzt werden. Hierfür ist jedoch ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere wenn das Kältemittel z.B. eine Tempera¬ tur von 25 bis 30 K aufweist. Derartige Umwälzanlagen bedingen erhebliche Verluste und können die Lebensdaueranforderungen des Schiffsbaus mit seinen langen Wartungsintervallen kaum erfüllen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine anzugeben, welche eine zuverlässige Kühlung auch bei Schieflagen von Maschinen ermöglichen. Dabei soll auf mechanisch bewegliche Teile, wie z.B. mechanische Pumpen und Ven¬ tile verzichtet werden, da diese bei kryogenen Temperaturen aufwendig, kostenintensiv und störanfällig sind. Weitere Auf¬ gabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, bei welchen ein Kühlfluid auch entgegen der Richtung bzw. Wirkung der Schwerkraft ohne mechanisch bewegte Teile wie z.B. mechanische Pumpen und Ventile bewegt werden kann.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Kühlung einer supraleitenden Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens zur Kühlung einer supraleitenden Maschine gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Nebengeordne¬ ten Ansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unteransprüche sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kom¬ biniert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer supralei¬ tenden Maschine weist wenigstens zwei Kondensorräume auf, welche jeweils mit einem Kaltkopf in thermischen Kontakt ste¬ hen. Dabei weisen die wenigstens zwei Kondensorräume jeweils eine Verbindungsleitung auf, über welche die wenigstens zwei Kondensorräume fluidisch mit einem Verdampferraum in Verbindung stehen. Die wenigstens zwei Kondensorräume sind derart ausgebildet, dass ein Kühlfluid in flüssiger Form auch gegen die Schwerkraft bewegbar ist, von wenigstens einem Kondensor¬ raum in den Verdampferraum durch einen Druckunterschied zwischen einem ersten Druck im ersten Kondensorraum und einem zweiten Druck im zweiten Kondensorraum. Die Drücke sind jeweils durch die Temperatur in den Kondensorräumen bestimmt (Siedelinie des Kühlmittels) .
Durch die Verwendung von zwei Kondensorräumen, mit jeweils einer Verbindungsleitung zum Verdampferraum, können die Temperaturen in den Kondensorräumen über die jeweils mit den Kondensorräumen thermisch gekoppelten Kaltköpfe unterschiedlich eingestellt werden. Dies ermöglicht den Aufbau eines Druckunterschieds zwischen den Kondensorräumen bzw. ihren In- nenraumvolumen, welche mit flüssigem und/oder gasförmigem Kühlfluid gefüllt sind. In einem Kondensorraum, in welchem die Temperatur erhöht wird, verdampft Flüssigkeit und/oder dehnt sich das gasförmige Kühlfluid aus und der Druck erhöht sich. In einem Kondensorraum, in welchem die Temperatur erniedrigt bzw. verringert wird, verringert sich der Druck, da gasförmiges Kühlmittel kondensiert wird. Durch unterschiedli¬ che Änderung der Temperatur in den Kondensorräumen bzw. über die Kaltköpfe, wird ein Druckunterschied zwischen den Konden¬ sorräumen aufgebaut.
Der Druckunterschied bewirkt eine Bewegung von flüssigem Kühlfluid aus wenigstens einer Verbindungsleitung in den Verdampferraum. Dabei wird durch einen größeren Druck in einem Kondensorraum im Vergleich zum Verdampferraum, welcher durch einen größeren Druck in einem Kondensorraum im Vergleich zu einem anderen Kondensorraum entstehen kann, Kühlfluid in dem Verbindungsrohr des einen Kondensorraums in den Verdampferraum auch gegen die Schwerkraft bewegt, wenn der Druckunterschied groß genug ist. Dabei sind keinerlei beweglichen Teile wie Ventile oder mechanische Pumpen notwendig.
Es können auch wenigstens drei Kondensorräume mit jeweils einem Kaltkopf verwendet werden, wobei insbesondere in den wenigstens drei Kondensorräumen über den jeweils zugeordneten Kaltkopf unabhängig voneinander Temperatur geregelt oder gesteuert einstellbar ist. Vorteilhaft wird dann in zwei Kon¬ densorräumen gleichzeitig die Temperatur erniedrigt und in einem Kondensorraum die Temperatur erhöht. Dabei kann zeitlich folgend zwischen den Kondensorräumen, in welchen die Temperatur erhöht und erniedrigt wird, getauscht werden, wo¬ bei aber immer in einem die Temperatur erhöht und in den anderen erniedrigt wird. So wird bewirkt, dass immer aus einem Verbindungsrohr flüssiges Kühlfluid strömt und eine zuverläs¬ sige Kühlung sicher gestellt ist. In den zwei Kondensorräu¬ men, in welchen die Temperatur erniedrigt wird, kann während aus der Verbindungsleitung des dritten Kondensorraums flüssiges Kühlfluid in den Verdampferraum strömt, gasförmiges
Kühlfluid verflüssigt werden, welches aus dem Verdampferraum in die zwei ersteren Kondensorräume strömt.
Über die Kondensorräume, die Verbindungen und den Verdampferraum kann ein geschlossener, insbesondere ein abgeschlossener Kühlkreislauf gebildet sein. Es geht kein Kühlfluid verloren und eine Wartung des Kühlmittelkreislaufs bzw. ein Auffüllen von Kühlfluid ist nicht notwendig, insbesondere wenn ein ge¬ eignet dimensionierter Ausgleichsbehälter vorgesehen ist.
Die Vorrichtung kann mit einem Kühlfluid befüllt sein, wel¬ ches eine homogene Flüssigkeit, insbesondere flüssigen Stick¬ stoff oder flüssiges Neon umfasst bzw. daraus besteht, oder welches eine Mischung aus Kühlflüssigkeiten mit unterschied¬ lichen Kondensationstemperaturen umfasst. Die Verdampfungstemperatur des Kühlfluids bestimmt die Temperatur, auf welche die supraleitende Wicklung bzw. Maschine gekühlt werden kann, d.h. welche supraleitenden Materialien eingesetzt werden können. Die Kondensationstemperatur des Kühlfluids bestimmt die Temperatur, auf welche die Kühlköpfe den Kondensorraum abkühlen müssen, um das verdampfte, gasförmige Kühlfluid wieder zu verflüssigen. Über Mischungen oder Zusätze zu den Kühlfluiden können auch Temperaturen eingestellt werden, bei welchen das Kühlfluid verdampft bzw. sich verflüssigt, welche zwischen Temperaturen liegen, bei welchen reine Stoffe wie z.B. reiner Stickstoff oder reines Helium verdampfen bzw. sich verflüssigen . Die supraleitende Maschine kann ein Motor oder ein Generator sein, insbesondere mit einem Rotor mit wenigstens einer sup¬ raleitenden Wicklung, wobei der Rotor um eine Achse rotierbar angeordnet ist. Die supraleitende Wicklung kann aus HTS-Mate- rial bestehen oder dieses umfassen. Dies erlaubt die Verwendung von Stickstoff als Kühlfluid. Die Maschine kann z.B. in Schiffen eingesetzt werden.
Die Kondensorräume und die jeweils zugeordneten Kaltköpfe können feststehend außerhalb des Rotors angeordnet sein und der Verdampferraum kann innerhalb des Rotors, insbesondere als zylindrischer Hohlraum entlang der Rotationsachse des Rotors rotierbar angeordnet sein. Die Verbindungsrohre können nach dem Thermosiphonprinzip in den Verdampferraum ragen und ebenfalls feststehend sein. Dadurch werden günstige Eigen¬ schaften der Maschine erreicht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine, insbesondere unter Verwendung des Thermosi- phoneffekts, umfasst die Schritte:
A) dass in einem ersten Kondensorraum, welcher mit einem ersten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Tempera¬ tur erhöht wird, wobei der Druck im Kondensorraum erhöht wird, und flüssiges Kühlfluid in einem ersten Verbindungs¬ rohr zwischen dem ersten Kondensorraum und einem Verdampferraum durch die Temperaturerhöhung und/oder Gasausdehnung in den Verdampferraum bewegt wird,
und
B) dass gleichzeitig in wenigstens einem zweiten Kondensor¬ raum, welcher mit einem zweiten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur konstant gehalten wird oder erniedrigt wird, insbesondere eine niedrigere Temperatur als im ersten Kondensorraum, wodurch gasförmiges Kühlfluid insbesondere über ein zweites Verbindungsrohr zwischen dem Verdampferraum und dem zweiten Kondensorraum durch die Temperaturerhöhung im ersten Kondensorraum und/oder durch die Temperaturerniedrigung im zweiten Kondensorraum aus dem Verdampferraum in den zweiten Kondensorraum bewegt wird .
Dabei wird der Druckunterschied durch die Temperaturerhöhung im ersten Kondensorraum aufgebaut bzw. verstärkt, wodurch durch den dadurch im ersten Kondensorraum bestehenden Überdruck, auch im Vergleich zum Druck im Verdampferraum, flüssiges Kühlfluid in den Verdampferraum gedrückt wird. Eine Tem¬ peraturerhöhung ist einfach und schnell zu realisieren, wodurch hohe Druckunterschiede erzeugt werden können und das flüssige Kühlfluid über große Höhenunterschiede im Bereich von Zentimetern bis hin zu Metern gegen die Schwerkraft in der Verbindungsleitung bewegt werden kann.
Ein alternatives Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine, insbesondere unter Verwendung des Thermosiphonef- fekts, umfasst die Schritte,
C) dass in einem ersten Kondensorraum, welcher mit einem ersten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht und welcher über ein erstes Verbindungsrohr mit einem Verdampferraum fluidisch in Verbindung steht, eine Temperatur konstant gehalten wird,
und
D) dass gleichzeitig in wenigstens einem zweiten Kondensor¬ raum, welcher mit einem zweiten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur erniedrigt wird, wodurch gasförmiges Kühlfluid über ein zweites Verbindungsrohr zwischen dem Verdampferraum und dem zweiten Kondensorraum durch die Temperaturerniedrigung im zweiten Kondensorraum aus dem Verdampferraum in den zweiten Kondensorraum bewegt wird,
und
E) wodurch flüssiges Kühlfluid in dem ersten Verbindungsrohr zwischen dem ersten Kondensorraum und dem Verdampferraum in den Verdampferraum bewegt wird, durch die Temperaturerniedrigung im wenigstens zweiten Kondensorraum. Dabei wird der Druckunterschied durch die Temperaturerniedri¬ gung im wenigstens zweiten Kondensorraum aufgebaut bzw. verstärkt, wodurch durch den dadurch im ersten Kondensorraum bestehenden Überdruck, auch im Vergleich zum Druck im Verdampferraum, flüssiges Kühlfluid in den Verdampferraum gedrückt wird. Bei der Temperaturerniedrigung kann gleichzeitig gasförmiges Kühlfluid im wenigstens zweiten Kondensorraum ver¬ flüssigt werden, welches zu einem späteren Zeitpunkt in den Verdampferraum bewegt werden kann.
Gleichzeitig kann wenigstens in einem dritten Kondensorraum, welcher mit einem dritten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur konstant gehalten werden oder erniedrigt werden. So kann z.B. bei den Schritten C) bis E) ein höherer Unterdruck im ersten Kondensorraum erzeugt werden und in kurzer Zeit mehr flüssiges Kühlfluid in den Verdampferraum bewegt werden. Bei den Schritten A) und B) kann der Effekt des Aufbaus eines Druckunterschieds zwischen ersten und zwei¬ ten Kondensorraum durch einen dritten Kondensorraum unterstützt werden und ebenfalls in kurzer Zeit mehr flüssiges Kühlfluid in den Verdampferraum bewegt werden.
Zeitlich direkt oder indirekt folgend auf die Schritte A) und
B) oder C) bis E) in dem wenigstens einem Kondensorraum, in welchem die Temperatur zur Zeit der Schritte A) und B) oder
C) bis E) erhöht wurde oder konstant gehalten wurde, kann die Temperatur verringert oder konstant gehalten werden. In dem wenigstens einen zweiten, insbesondere dem zweiten und drit¬ ten Kondensorraum, in welchen die Temperatur zur Zeit der Schritte A) und B) oder C) bis E) konstant gehalten wurde oder verringert wurde, kann die Temperatur erhöht werden oder konstant gehalten werden.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine, insbesondere unter Verwendung des Thermo- siphoneffekts, umfasst die Schritte, dass in einem ersten Kondensorraum, welcher mit einem ersten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, und dass gleichzeitig in wenigstens einem zweiten Kondensorraum, welcher mit einem zweiten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur erhöht wird, wobei die Temperatur und/oder Temperaturerhöhung im ersten Kondensorraum größer ist als im zweiten Kondensorraum, wodurch im ersten Kondensorraum mehr Kühlfluid verdampft wird als im zweiten Kondensorraum und/oder sich Gas mehr ausdehnt und/oder ein Druckunterschied zwischen dem Druck im ersten und zweiten Kondensorraum entsteht oder erhöht wird, wodurch flüssiges Kühlfluid k in einem ersten Verbindungsrohr zwischen dem ersten Kondensorraum und einem Verdampferraum bewegt wird, und gasförmiges Kühlfluid k' insbesondere über ein zweites Verbindungsrohr von dem Verdampferraum in den zweiten Kondensorraum bewegt wird.
Alternativ können in einem Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine, insbesondere unter Verwendung des Thermo- siphoneffekts, die Schritte umfasst sein, dass in einem ers¬ ten Kondensorraum, welcher mit einem ersten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, und dass gleichzeitig in wenigs¬ tens einem zweiten Kondensorraum, welcher mit einem zweiten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur verringert wird, wobei die Temperatur im ersten Kondensorraum kleiner ist als im zweiten Kondensorraum und/oder die Temperaturverringerung im ersten Kondensorraum größer ist als im zweiten Kondensorraum, wodurch im ersten Kondensorraum mehr Kühlfluid kondensiert wird als im zweiten Kondensorraum und/oder Gas mehr komprimiert wird und/oder ein Druckunterschied zwischen dem Druck im ersten und zweiten Kondensorraum entsteht oder erhöht wird, wodurch flüssiges Kühlfluid k in einem zweiten Verbindungsrohr zwischen dem zweiten Kondensorraum und einem Verdampferraum bewegt wird, und gasförmiges Kühlfluid k' insbesondere über ein erstes Verbindungsrohr von dem Verdampferraum in den ersten Kondensorraum bewegt wird.
Bei den beiden zuletzt genannten Verfahren kann gleichzeitig wenigstens in einem dritten Kondensorraum, welcher mit einem dritten Kaltkopf thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur erhöht, gleichgehalten oder verringert werden. Es kann zeitlich direkt oder indirekt folgend in Kondensorräumen, in welchen die Temperatur erhöht wurde, die Tempera¬ tur verringert werden, und/oder zeitlich direkt oder indirekt folgend in Kondensorräumen, in welchen die Temperatur verringert wurde, die Temperatur erhöht werden. Die zuvor beschrie¬ benen Vorteile für Verfahren mit wenigstens drei Kondensorräumen, bei welchen deren Rollen zeitlich durchgetauscht werden, gelten hierbei ebenfalls.
Das Verfahren kann so als ein kontinuierlicher oder gepulster Prozess des Pumpens von flüssigem Kühlfluid in den Verdamp¬ ferraum durchgeführt werden.
Eine Temperaturerniedrigung kann durch Kühlen mit Hilfe wenigstens eines Kaltkopfes erfolgen. Eine Temperaturerhöhung kann mit Hilfe wenigstens eines Kaltkopfes und/oder durch Heizen mit Hilfe einer Heizeinrichtung erfolgen.
Eine Bewegung von Kühlfluid kann ausschließlich geregelt oder gesteuert über Druck- und/oder Temperaturunterschiede in den Kondensorräumen und dem Verdampferraum erfolgen, insbesondere bei Druckausgleich durch Kühlfluidbewegung und/oder insbesondere gegen die Schwerkraft. Ventile oder mechanische Pumpen müssen nicht mehr eingesetzt werden, um flüssiges Kühlfluid in einer Verbindungsleitung auch gegen die Schwerkraft in den Verdampferraum zu bewegen. Probleme an mechanischen Teilen bei Kryotemperaturen werden so vermieden und Wartungsaufwand- und Kosten reduziert.
In dem Verdampferraum kann das Kühlfluid von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergehen und eine rotierende Supraleitungseinrichtung, insbesondere eine supraleitende Wicklung eines Rotors eines Motors oder eines Generators küh¬ len, wobei die supraleitende Wicklung insbesondere HTS-Mate- rial umfasst. Der Verdampferraum kann innerhalb des Rotors, insbesondere als zylindrischer Hohlraum entlang der Rotationsachse des Rotors rotierbar angeordnet werden. Die wenigstens zwei Kaltköpfe und die wenigstens zwei Konden¬ sorräume und insbesondere die wenigstens zwei Verbindungsroh¬ re, welche insbesondere von einem die Verbindungsrohre umhül¬ lenden Gesamtrohr umfasst werden, können feststehend angeordnet werden. Das Umhüllen der Verbindungsrohre durch ein Gesamtrohr ermöglicht die Verringerung der Zahl an Dichtungen und Lager beim Übergang der feststehenden auf die rotierenden Teile .
Die mit der Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine und mit dem Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine verbundenen Vorteile, sind analog aufeinander an¬ wendbar .
Bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es wird in den Figuren dargestellt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer supraleitenden Maschine 2 mit einer Vorrichtung zur Kühlung nach dem Stand der Technik, und
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Kühlung entsprechend der Erfindung.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit gleichen Be¬ zugszeichen versehen.
Maschinen entsprechend den Figuren umfassen jeweils einen Stator und Rotor sowie eine zugeordnete Kälteeinheit. Bei der nachfolgend angedeuteten Aus führungs form der Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Die Maschine umfasst eine rotierende, supralei¬ tende Wicklung, die prinzipiell metallisches LTS-Material (Niedrig-Tc-Supraleitermaterial ) oder oxidisches HTS-Material (Hoch-Tc-Supraleitermaterial ) verwendet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zu Grunde ge¬ legt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer zwei-, vier- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau eines entspre¬ chenden Synchron-Motors geht aus Figur 1 hervor, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Die mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein feststehendes, auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständer¬ wicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert. Bei diesen Lagern kann es sich um konventionelle mechanische Lager oder auch um Magnet¬ lager handeln. Der Rotor weist ferner ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z.B. hohlzylindrischen, drehmomentübertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS- Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender zentraler Hohlraum 12 vorhanden, der beispielsweise eine Zylinderform hat. Der Wicklungsträger ist dabei vakuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt. Er schließt diesen auf einer Seite des Rotors ab, der auf dieser Seite mittels eines massiven axialen Rotorwellenteils 5a gelagert ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der zentrale Hohlraum 12 an einen seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durchmesser angeschlossen. Dieser seitliche Hohlraum führt von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus. Ein diesen seit¬ lichen Hohlraum 13 umschließender, in einem der Lager gelagerter, rohrförmiger Rotorwellenteil ist mit 5b bezeichnet.
Zu einer indirekten Kühlung der HTS-Wicklung 10 über wärmeleitende Teile ist eine Kälteeinheit vorgesehen, von der le¬ diglich ein Kaltkopf 16 angedeutet ist. Bei dieser Kälteeinheit kann es sich um einen Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon oder insbesondere um einen regenerativen Kryokühler wie z.B. einen Pulsröhrenkühler oder einer Split-Stirling-Kühler handeln. Dabei befinden sich der Kaltkopf 16 und damit alle we¬ sentlichen, weiteren Teile der Kälteeinheit außerhalb des Ro¬ tors 5 bzw. dessen Außengehäuses 3.
Das Kaltteil des beispielsweise etliche Meter seitlich von dem Rotor 5 angeordneten Kaltkopfes 16 steht in einem Vakuumgefäß 23 über einen Wärmeübertragungskörper 17 in gutem thermischen Kontakt mit einer Kältemittelkondensationseinheit, die einen Kondensorraum 18 aufweist. An diesem Kondensorraum ist ein vakuumisoliertes, ortsfestes Wärmerohr 20 angeschlos¬ sen, das seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohlraum 13 oder den zentralen Hohlraum 12 hineinragt. Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 gegenüber dem seitlichen Hohlraum 13 dient eine in der Figur nicht näher ausgeführte Dichtungseinrichtung 21 mit mindestens einem Dichtungselement, das als eine Ferrofluiddichtung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdichtung ausgebildet sein kann. Über das Wärmerohr 20 und den seitlichen Hohlraum 13 ist der zentrale Hohlraum 12 mit dem Wärmetauschbe¬ reich des Kondensorraums 18 nach außen gasdicht abgedichtet verbunden. Die zwischen dem zentralen Hohlraum 12 und dem Kondensorraum 18 verlaufenden, rohrförmigen Teile, die zur Aufnahme eines Kältemittels dienen, sind allgemein als Lei¬ tungsteile 22 bezeichnet. Diese Leitungsteile werden zusammen mit dem Kondensorraum 18 und dem zentralen Hohlraum 12 als ein Leitungssystem betrachtet.
Diese Räume dieses Leitungssystems sind mit einem Kältemittel gefüllt, das je nach gewünschter Betriebstemperatur der HTS- Wicklung 10 ausgewählt wird. So kommen beispielsweise Helium (Kondensationstemperatur 4,2 K bei Normaldruck), Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4 K bei Normaldruck), Neon (Kondensationstemperatur 27,1 K bei Normaldruck), Stickstoff (Kondensationstemperatur 77,4 K bei Normaldruck) oder Argon (Kondensationstemperatur 87,3 K bei Normaldruck) in Frage. Auch können Gemische aus diesen Gasen vorgesehen werden. Die Zirkulation des Kältemittels erfolgt dabei unter Ausnutzungen eines sogenannten Thermosiphon-Effektes . Hierzu wird an einer Kaltfläche des Kaltkopfes 16 im Bereich des Kondensorraums 18 das Kältemittel kondensiert. Anschließend fließt das so ver¬ flüssigte, mit k bezeichnete Kältemittel durch die Leitungs¬ teile 22 in den zentralen Hohlraum 12. Der Transport des Kondensats geschieht dabei unter Einfluss der Schwerkraft. Hier¬ zu kann vorteilhaft das Wärmerohr 20 geringfügig (um einige wenige Grad) gegenüber der Rotationsachse A in Richtung Erd¬ mittelpunkt geneigt sein, um so ein Herausfließen des flüssi¬ gen Kältemittels k aus dem offenen Ende 20a des Rohres 20 zu unterstützen. Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige Kältemittel verdampft. Das dampfförmige Kältemittel ist mit bezeichnet. Dieses unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittel strömt dann durch das Innere der Leitungsteile 22 zurück in den Kondensorraum 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leichten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Hohlraum 12 in Richtung auf den Kondensorraum 18 hin angefacht, der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in dem Kondensorraum verursacht wird. Da die Zirkulation des verflüssigten Kältemittels von dem Kondensorraum 18 in den zentralen Hohlraum 12 und die Rückströmung des verdampften Kältemittels aus diesem Hohlraum zurück zu dem Kondensorraum in dem aus dem Kondensorraum 18, den Leitungsteilen 22 und dem Hohlraum 12 gebildeten rohrförmigen Leitungssystem erfolgt, kann von einem Ein-Rohr-System mit einer Zirkulation des Kältemittels k, unter Ausnutzung eines Thermosiphon-Effektes gesprochen werden.
Wie in Figur 1 ferner dargestellt ist, kann bei einem Einsatz der Maschine 2 auf Schiffen oder Off-shore-Einrichtungen eine Schieflage auftreten, bei der die Rotationsachse A gegenüber der Horizontalen H um einen Winkel δ von einigen Grad geneigt ist. Dann erfolgt zwar nach wie vor eine Kondensation des Kältemittels in dem Kondensorraum 18; aber das Kältemittel kann nicht mehr den zentralen Hohlraum 12 erreichen, so dass dann die Leitungsteile 20 allmählich mit flüssigem Kältemit¬ tel k volllaufen. Bei einer verhältnismäßig geringen Füllmenge des Leitungssystems mit Kältemittel kann dann der Läufe- rinnenraum bzw. der Hohlraum 12 trocken laufen und wird somit nicht mehr gekühlt. Auch bei einer größeren Füllmenge des Leitungssystems wird der Strom des flüssigen Kältemittels k in den Leitungsteilen 20 hin zum Verdampferraum 12 nach einer gewissen Zeit blockiert. Eine sichere Kühlung des Rotors bzw. seiner supraleitenden Wicklung ist in diesem Fall ebenfalls nicht mehr gewährleistet.
Gemäß dem Stand der Technik kann deshalb vorgesehen sein, dass in diesem Zustand der Gasdruck auf der Kondensorseite für eine kurze Zeit soweit zu erhöhen ist, dass hierdurch die Kältemittelflüssigkeit aus den Leitungsteilen 20 entgegen der Schwerkraft (bei Vorhandensein des Neigungswinkels δ) in den zentralen Hohlraum 12 gedrückt wird. Eine solche Druckerhö¬ hung erfolgt gemäß dem Stand der Technik mit Hilfe eines war¬ men Puffervolumens PVW und einer mechanischen Pumpe 28. Mit Hilfe dieser Mittel kann der Gasdruck in dem Kondensorraum 18 vorübergehend erhöht werden, so dass das dort und in den Lei¬ tungsteilen 20 befindliche flüssige Kältemittel k in den zentralen Hohlraum 12 gedrückt wird. In einer Verbindungslei¬ tung 24 zwischen dem unter Überdruck stehenden Puffervolumen PVW und dem Kondensorraum 18 ist deshalb ein Steuerventil 29 angeordnet, das die Verbindung zu der Pumpe 28 öffnet, die dann das Gas aus dem Puffervolumen in den Kondensorraum fördert. Ein Ventil 30 erlaubt eine Rückführung von über¬ schüssigem Gas aus dem Kondensorraum 18.
Eine so hervorzurufende Druckoszillation kann permanent er¬ folgen, d.h. in kurzen, sich wiederholenden Zeitintervallen (jeweils für eine kurze Zeitdauer), oder kann durch einen Lagesensor 26 bekannter Bauweise von einer Steuereinheit 27 gesteuert werden. Dieser Lagesensor detektiert die Schieflage mit dem Neigungswinkel δ der Maschine 2 und löst so über die Steuereinheit 27 die erläuterte Einleitung eines Druckvolu¬ mens (Gaspulses) aus.
In Figur 1 wurde von einer Darstellung weiterer Teile zur Bereitstellung und Ableitung des Gases wie z.B. von einem Füll- ventil, von dem aus das System über die Verbindungsleitung 24 mit gasförmigem Kältemittel zu befüllen ist, abgesehen, da diese Teile allgemein bekannt sind. Lediglich ein bei einem unzulässigen Überdruck in dem System ansprechendes Überdruck- ventil 31 ist angedeutet.
Selbstverständlich müssen die das Kältemittel k bzw. umschließenden Teile oder Behältnisse gegen Wärmeeinleitung geschützt sein. Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenenfalls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzlich noch Isolationsmittel wie z.B. Superisolation oder Isolationsschaum vorgesehen werden können. In Figur 1 ist das von dem Vakuumgefäß 7 eingeschlossene Vakuum mit V bezeichnet. Es umgibt außerdem das den seitlichen Hohlraum 13 umschließende, sich bis zu der Dichtung 21 erstreckende Rohr. Das das Wärmerohr 20 sowie den Kondensorraum 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 umschließende Vakuum ist mit νλ bezeichnet. Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Innenraum 32 ein Unterdruck erzeugt werden.
Nachteilig an einem System der mechanischen Pumpe 28 und Ventile 29, 30, 31 ist, dass bei einer der Einfachheit halber nicht dargestellten Anordnung der Teile in einem kryogenen Bereich, bei kryogenen Temperaturen diese Teile sehr störanfällig sind und die Auslegung bewegter Teile auf diese Tempe¬ raturen aufwendig und kostenintensiv ist. Gerade in Hinblick auf den Einsatz auf Schiffen, aber auch bei anderen maschinentypischen Einsätzen, ist ein Wartungsfreier Betrieb über lange Zeiten notwendig. Mechanisch bewegte Teile sind deshalb auf ein Minimum zu reduzieren, da diese in der Regel störanfällig sind.
Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer zu- vor beschriebenen Maschine 2 ein neuartiges Kühlprinzip eingesetzt. Dabei kann auf Teile wie Pumpe 28 und Ventile 29, 30, 31 verzichtet werden, wobei alle weiteren Teile der Ma- schine analog denen der zuvor in Fig. 1 beschriebenen Maschine sind, soweit im Weiteren nicht anders erwähnt.
Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit einem Kaltkopf 16 und einem Kondensorraum 18 weist das in
Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine 2 einen ersten, zweiten und dritten Kondensorraum 18, 18', 18' ' jeweils mit einem zugeordneten Kaltkopf 16, 16', 16' ' auf. Al- ternativ können auch zwei oder mehr als drei Kondensorräume 18 mit zugeordneten Kaltköpfen 16 vorhanden sein, was der Einfachheit halber in den Fig. nicht dargestellt ist. Jeder Kondensorraum 18, 18', 18' ' ist über ein Wärmerohr 20, 20', 20' ', was im Weiteren allgemein als Verbindungsleitung 20, 20', 20' ' bezeichnet wird, fluidisch mit dem Verdampferraum
12, welcher in Fig. 1 durch den zentralen Hohlraum 12 gegeben ist, verbunden. Die Verbindungsleitungen 20, 20', 20' ' sind geneigt verzerrt V- oder U-förmig ausgebildet und angeordnet, d.h. sie sind leicht schräg im Bezug auf den Horizont H wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem tiefsten Punkt, an welchem unter Einfluss der Schwerkraft sich ein Fluid ansammeln kann. Die Verbindungsleitungen 20, 20', 20' ' können aber auch andere Formen auf weisen, wobei wichtig ist, dass analog einem U- Rohr-Manometer sich Flüssigkeit in ihrem Inneren ansammeln kann.
Die Kondensorräume 18, 18', 18' ' mit den zugehörigen Verbindungsleitungen 20, 20', 20' ' und dem Verdampferraum 12 bilden ein geschlossenes System, d.h. einen nach außen hin fluid- dichten Innenraum. Der Innenraum ist mit einem Kältemittel k, k', welches im Weiteren als Kühlfluid bezeichnet wird, be¬ füllt. Das Kühlfluid kann im flüssigen k und/oder gasförmigen k' Aggregat zustand, d.h. als flüssiges Kühlfluid k und/oder als gasförmiges Kühlfluid k' vorliegen.
Im Betrieb der Maschine, bei welchem die supraleitende Wick¬ lung 10 des Rotors 5 wie schon zuvor in Fig. 1 beschrieben, auf bzw. unter eine kryogene Temperatur Tk gekühlt wird, ist der Verdampferraum 12 teilweise mit flüssigem Kühlfluid k be¬ füllt. Das Kühlfluid k verdampft und führt dadurch Wärmemenge aus dem Rotor 5 ab bzw. kühlt die supraleitende Wicklung 10 des Rotors 5. In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine 2 zu einem ersten Zeitpunkt gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das gasförmige, verdampfte Kühlfluid k' aus dem Verdampferraum 12 über die Verbindungsleitungen 20'und 20' ' in die Kondensorräume 18' und 18' ' geleitet. In den Kondensorräumen 18' und 18' ' liegt eine Temperatur T2 und T3 unterhalb der Kondensationstempera¬ tur des Kühlfluids k vor, jeweils mit Hilfe der zugeordneten Kühlköpfe 16 'und 16' ', wodurch dem gasförmigen Kühlfluid k' Wärmemenge entzogen wird und es zu flüssigem Kühlfluid k kon¬ densiert. Das flüssige Kühlfluid k sammelt sich in den Ver- bindungsleitungen 20' und 20' '.
Im ersten Kondensorraum 18 wird, ausgehend von einer Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des Kühlfluids k die Temperatur Ti mit Hilfe des zugeordneten Kaltkopfes 16 und/oder einer der Einfachheit halber nicht dargestellten
Heizeinrichtung erhöht, auf eine Temperatur Ti* oberhalb der Kondensationstemperatur des Kühlfluids k. Dabei verdampft flüssiges Kühlfluid und/oder dehnt sich das gasförmige Kühl¬ fluid k' im ersten Kondensorraum 18 aus, d.h. der Druck pi im ersten Kondensorraum 18 wird auf einen Wert erhöht, welcher höher als die Drücke pv im Verdampferraum 12 und in den zwei weiteren Kondensorräumen 18', 18' ' P2 und P3 ist. Dadurch wird flüssiges Kühlfluid k, welches sich in der Verbindungs¬ leitung 20 befindet, in den Verdampferraum 12 gedrückt, gegen die Wirkung der Schwerkraft bei einer Druckkraft, die größer als die Gewichtskraft des Kühlfluids k ist. Kühlfluid k aus dem Kondensorraum 18 und der Verbindungsleitung 20 wird in den Verdampferraum 12 gedrückt. Dieser Effekt wird zusätzlich verstärkt durch einen Unterdruck pi und P2 in den Kondensorräumen 18 'und 18' ', welcher durch die Verringerung des Volumens des gasförmigen Kühlfluids k' bei Abkühlung und Kondensation in den Kondensorräumen 18'und 18' ' entsteht. Dieser Unterdruck saugt gasförmiges Kühlfluid k' aus dem Verdampferraum 12 in die Verbindungslei¬ tungen 20 'und 20' ' an und verringert so den Druck pv im Verdampferraum 12. Der Druckunterschied Δρ (pi~pv) zwischen dem ersten Kondensorraum 18 und dem Verdampferraum 12 wird dadurch verstärkt und zusätzlich zum Druckausgleich flüssiges Kühlfluid k aus der Verbindungsleitung 20 in den Verdampferraum 12 bewegt. Der zuvor beschriebene Prozess endet unter anderem, wenn das flüssige Kühlfluid k aus der Verbindungsleitung 20 vollständig oder zumindest nahezu vollständig in den Verdampferraum 12 bewegt wurde. Um eine kontinuierliche Kühlung bzw. einen kontinuierlichen, quasikontinuierlichen oder einen gepulsten Kühlfluidstrom von flüssigem Kühlfluid k in den Verdampferraum 12 zu gewährleisten, kann rechtzeitig ein Tausch der Temperaturen Ti, T2, T3 in den Kondensorräumen 18, 18', 18' ' über die Kühlköpfe 16, 16', 16' ' erfolgen. Dabei kann der Kondensorraum 18 auf eine Temperatur unterhalb der Kondensa- tionstemperatur des Kühlfluids über den Kühlkopf 16 gekühlt werden, wobei z.B. die Kondensorräume 18 und 18' ' die gleiche Temperatur aufweisen. Der Kondensorraum 18' kann über den Kühlkopf 16' oder eine der Einfachheit halber nicht darge¬ stellten Heizeinrichtung auf eine Temperatur geheizt werden, welche oberhalb der Kondensationstemperatur des Kühlfluids liegt. Dies bewirkt, dass zu einem zweiten, in diesem Absatz beschriebenen Zeitpunkt, der Kondensorraum 18' wie der Kondensorraum 18 zum ersten Zeitpunkt wirkt, und zum zweiten Zeitpunkt die Kondensorräume 18 und 18' ' wie die Kondensor- räume 18' und 18' ' zum ersten Zeitpunkt wirken. Im Kondensorraum 18' wird durch die Erhöhung der Temperatur ein Überdruck aufgebaut und flüssiges Kühlfluid k aus der Verbindungslei¬ tung 20' in den Verdampferraum 12 bewegt. Da die Situation analog der in Fig. 2 dargestellten Situation ist, nur mit vertauschten Rollen (Temperaturen, Drücken und Fluidströmen) zwischen den Kondensorräumen 18, 18'und 18' ', ist die Situation bzw. der Prozess zum zweiten Zeitpunkt der Einfachheit halber in den Fig. nicht dargestellt. Zu einem dritten Zeitpunkt kann die Wirkung der Kondensorräu¬ me 18, 18', 18' ' ebenfalls vertauscht werden, wobei der Kon¬ densorraum 18' ' auf eine Temperatur oberhalb der Verdamp- fungstemperatur des Kühlfluids k mit Hilfe des Kühlkopfes
16' ' gebracht werden kann. Die Kondensorräume 18 und 18' kön¬ nen dabei z.B. die gleiche Temperatur aufweisen, eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des Kühlfluids k' . Der Kondensorraum 18' ' kann über den Kühlkopf 16' ' oder eine der Einfachheit halber nicht dargestellten Heizeinrichtung auf eine Temperatur geheizt werden, welche oberhalb der Kondensationstemperatur des Kühlfluids liegt. Dies bewirkt, dass zum dritten Zeitpunkt der Kondensorraum 18' ' wie der Kondensorraum 18 zum ersten Zeitpunkt wirkt, und zum dritten Zeitpunkt die Kondensorräume 18 und 18' wie die Kondensorräu¬ me 18' und 18' ' zum ersten Zeitpunkt wirken. Im Kondensorraum 18' ' wird durch die Erhöhung der Temperatur ein Überdruck aufgebaut und flüssiges Kühlfluid k aus der Verbindungslei¬ tung 20' ' in den Verdampferraum 12 bewegt. Da die Situation analog der in Fig. 2 dargestellten Situation ist, nur mit vertauschten Rollen (Temperaturen, Drücken und Fluidströmen) zwischen den Kondensorräumen 18, 18 'und 18' ', ist die Situation bzw. der Prozess zum dritten Zeitpunkt der Einfachheit halber in den Fig. ebenfalls nicht dargestellt.
Zu einem vierten Zeitpunkt kann der Zustand des ersten Zeit¬ punktes wieder hergestellt werden. Durch ein regelmäßiges Tauschen der Wirkungen der Kondensorräume 18, 18', 18' ' nach einer festen Zeitperiode oder nach unterschiedlichen Zeiten, kann so ein kontinuierlicher, quasikontinuierlicher oder ein gepulster Betrieb der Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine 2 sichergestellt werden.
Es sind auch beliebig andere Reihenfolgen bei der Vertau- schung der Wirkung der Kondensorräume 18, 18', 18' ' möglich, wobei sich das Grundprinzip nicht ändert. Ein sicherer Kühlbetrieb kann so gewährleistet werden, selbst bei einer Nei¬ gung der Maschine 2 z.B. bei einem Einsatz in einem Schiff.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2), wobei die Vorrichtung wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') aufweist, welche jeweils mit einem Kaltkopf (16, 16', 16' ') in thermischen Kontakt stehen, und wobei die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') jeweils eine Verbindungsleitung (20, 20', 20' ') aufweisen, über welche die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') fluidisch mit einem Verdampferraum (12) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') derart ausgebildet sind, dass ein Kühlfluid k in flüssiger Form gegen die Schwerkraft bewegbar ist von wenigstens einem Kondensorraum (18, 18', 18' ') in den Verdampfer- räum (12) durch einen Druckunterschied zwischen einem ersten Druck pi im ersten Kondensorraum (18, 18', 18' ') und einem zweiten Druck p2 im zweiten Kondensorraum (18, 18', 18' '), welche jeweils durch die Temperatur in den Kondensorräumen (18, 18', 18' ') bestimmt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Kondensorräume (18, 18', 18' ') mit jeweils einem Kaltkopf (16, 16', 16' ') umfasst sind, wobei insbesondere in den wenigstens drei Kondensorräumen (18, 18', 18' ') über den jeweils zugeordneten Kaltkopf (16, 16', 16' ') unabhängig voneinander eine Temperatur (Ti, T2, T3) geregelt oder gesteuert einstellbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass über die Kondensorräume (18, 18',
18' '), die Verbindungen und den Verdampferraum (12) ein geschlossener, insbesondere ein abgeschlossener Kühlkreislauf gebildet ist, und/oder ein Kühlkreislauf, welcher insbesonde¬ re Füllarmaturen und insbesondere wenigstens einen Vorratsbe- hälter aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem Kühl- fluid k, k' befüllt ist, welches eine homogene Flüssigkeit, insbesondere flüssigen Stickstoff, flüssiges Neon oder flüs¬ siges Helium umfasst, oder welches eine Mischung aus Kühl¬ flüssigkeiten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Maschine (2) ein Motor oder ein Generator ist, insbesondere mit einem Ro- tor (5) mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung (10), insbesondere einer supraleitenden Wicklung (10) welche HTS- Material umfasst, wobei der Rotor (5) um eine Achse (A) ro¬ tierbar angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensorräume (18, 18', 18' ') und die jeweils zugeordne¬ ten Kaltköpfe (16, 16', 16' ') feststehend außerhalb des Ro¬ tors (5) angeordnet sind und der Verdampferraum (12) innerhalb des Rotors (5), insbesondere als Hohlraum (12, 13) ent- lang der Rotationsachse (A) des Rotors (5) rotierbar angeord¬ net ist, wobei der Hohlraum insbesondere zylindrisch ausge¬ bildet ist.
7. Verfahren zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2) insbesondere unter Verwendung des Thermosiphoneffekts, umfas¬ send die Schritte,
A) dass in einem ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem ersten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) erhöht wird, wobei Kühlfluid verdampft wird und/oder sich Gas in dem Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') ausdehnt und/oder der Druck (pi, P2, oder P3) im Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') erhöht wird, und flüssiges Kühlfluid k in einem ersten Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') zwischen dem ersten Kondensorraum (18, 18', oder
18' ') und einem Verdampferraum (12) durch die Temperaturerhöhung, Verdampfung und/oder Gasausdehnung in den Verdampferraum (12) bewegt wird, und
B) dass gleichzeitig in wenigstens einem zweiten Kondensor¬ raum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem zweiten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) konstant gehalten wird oder erniedrigt wird, insbesondere eine niedrigere Tempe¬ ratur (Ti, T2, oder T3) als im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), wodurch gasförmiges Kühlfluid k' insbe¬ sondere über ein zweites Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') von dem Verdampferraum (12) in den zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') durch die Temperaturerhöhung im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und/oder durch die Temperaturerniedrigung im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') bewegt wird.
8. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 7, zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2) insbesondere unter Verwendung des Thermosiphoneffekts, umfassend die Schritte,
C) dass in einem ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem ersten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht und welcher über ein erstes Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') mit einem Verdampferraum (12) fluidisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) konstant gehalten wird,
und
D) dass gleichzeitig in wenigstens einem zweiten Kondensor¬ raum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem zweiten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) erniedrigt wird, wodurch gasförmiges Kühlfluid k' über ein zweites Verbindungsrohr
(20, 20', oder 20' ') zwischen dem Verdampferraum (12) und dem zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') durch die Temperaturerniedrigung, eine Kondensation von Kühlfluid und/oder eine Kompression von Gas im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') aus dem Verdampferraum (12) in den zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') bewegt wird, und E) wodurch flüssiges Kühlfluid k in dem ersten Verbindungs¬ rohr (20, 20', oder 20' ') zwischen dem ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und dem Verdampferraum (12) in den Verdampferraum (12) bewegt wird, durch die Temperatur- erniedrigung, eine Kondensation von Kühlfluid und/oder eine Kompression von Gas im wenigstens zweiten Kondensorraum (18, 18 ' , oder 18 ' ' ) .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass gleichzeitig wenigstens in einem dritten
Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem dritten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) konstant gehalten wird oder erniedrigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich direkt oder indirekt folgend auf die Schritte A) und B) oder C) bis E) in dem wenigstens einem Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), in welchem die Temperatur (Ti, T2, oder T3) zur Zeit der Schritte A) und B) oder C) bis E) erhöht wurde oder konstant gehalten wurde, die Temperatur (Ti, T2, oder T3) verringert oder konstant gehalten wird, und dass in dem we¬ nigstens einen zweiten, insbesondere dem zweiten und dritten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), in welchen die Temperatur (Ti, T2, oder T3) zur Zeit der Schritte A) und B) oder C) bis E) konstant gehalten wurde oder verringert wurde, die Tempe¬ ratur (Ti, T2, oder T3) erhöht wird oder konstant gehalten wird .
11. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis
10, zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2) insbesondere unter Verwendung des Thermosiphoneffekts, umfassend die Schritte, dass in einem ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem ersten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, und dass gleichzeitig in we¬ nigstens einem zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem zweiten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) erhöht wird, wobei die Temperatur und/oder Temperaturerhöhung im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') größer ist als im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), wodurch im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') mehr Kühlfluid ver- dampft wird als im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und/oder sich Gas mehr ausdehnt und/oder ein Druckunterschied zwischen dem Druck (pi, p2, oder P3) im ersten und zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') entsteht oder erhöht wird, wodurch flüssiges Kühlfluid k in einem ersten Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') zwischen dem ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und einem Verdampferraum (12) bewegt wird, und gasförmiges Kühlfluid k' insbesondere über ein zweites Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') von dem Verdampferraum (12) in den zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') bewegt wird.
12. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 bis 11, zur Kühlung einer supraleitenden Maschine (2) insbesondere unter Verwendung des Thermosiphoneffekts, umfassend die Schritte, dass in einem ersten Kondensorraum (18, 18', oder
18' '), welcher mit einem ersten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, und dass gleichzeitig in we¬ nigstens einem zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem zweiten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') ther- misch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) verringert wird, wobei die Temperatur im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') kleiner ist als im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und/oder die Temperaturverringerung im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') größer ist als im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), wodurch im ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') mehr Kühlfluid kondensiert wird als im zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und/oder Gas mehr komprimiert wird und/oder ein Druckunterschied zwischen dem Druck (pi, P2, oder P3) im ersten und zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') entsteht oder erhöht wird, wodurch flüssiges Kühlfluid k in einem zweiten Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') zwischen dem zweiten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') und einem Verdampferraum (12) bewegt wird, und gasförmiges Kühlfluid k' insbesondere über ein erstes Verbindungsrohr (20, 20', oder 20' ') von dem Verdampferraum (12) in den ersten Kondensorraum (18, 18', oder 18' ') bewegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig wenigstens in einem dritten Kondensorraum (18, 18', oder 18' '), welcher mit einem dritten Kaltkopf (16, 16', oder 16' ') thermisch in Verbindung steht, eine Temperatur (Ti, T2, oder T3) erhöht, gleichgehalten oder verringert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich direkt oder indirekt folgend in Kondensorräumen (18, 18', oder 18' '), in welchen die Temperatur (Ti, T2, oder T3) erhöht wurde, die Temperatur (Ti, T2, oder T3) verringert wird, und/oder dass zeitlich direkt oder indirekt folgend in Kondensorräumen (18, 18', oder 18' '), in welchen die Temperatur (Ti, T2, oder T3) verringert wurde, die Temperatur (Ti, T2, oder T3) erhöht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als ein kontinuierlicher oder gepulster Prozess des Pumpens von flüssigem Kühlfluid k in den Verdampferraum (12) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerniedrigung durch Kühlen mit Hilfe wenigstens eines Kaltkopfes (16, 16', 16' ') erfolgt und/oder eine Temperaturerhöhung mit Hilfe wenigstens eines Kaltkopfes (16, 16', 16' ') und/oder durch Heizen mit Hilfe einer Heizeinrichtung erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Bewegung von Kühlfluid k, k' aus¬ schließlich geregelt oder gesteuert über Druck- und/oder Temperaturunterschiede in den Kondensorräumen (18, 18', 18' ') und dem Verdampferraum (12) erfolgt, insbesondere bei Druck- ausgleich durch Kühlfluidbewegung und/oder insbesondere gegen die Schwerkraft.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem Verdampferraum (12) das Kühlfluid von einem flüssigen k in einen gasförmigen k' Zustand übergeht und eine rotierende Supraleitungseinrichtung, insbesondere eine supraleitende Wicklung (10) eines Rotors (5) eines Motors oder eines Generators kühlt, wobei die supraleitende Wicklung (10) insbesondere HTS-Material umfasst und/oder wo¬ bei der Verdampferraum (12) innerhalb des Rotors (5), insbe¬ sondere als zylindrischer Hohlraum (12, 13) entlang der Rotationsachse (A) des Rotors (5) rotierbar angeordnet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kaltköpfe (16, 16', 16' ') und die wenigstens zwei Kondensorräume (18, 18', 18' ') und insbesondere die wenigstens zwei Verbindungsrohre (20, 20', 20' '), welche insbesondere von einem die Verbindungsroh- re (20, 20', 20' ') umhüllenden Gesamtrohr umfasst werden, feststehend angeordnet werden.
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