WO2020043340A1

WO2020043340A1 - Vorrichtung zum kühlen eines supraleitenden elements

Info

Publication number: WO2020043340A1
Application number: PCT/EP2019/065962
Authority: WO
Inventors: Friedhelm Herzog; Thomas Kutz
Original assignee: Messer Group Gmbh; Messer Industriegase Gmbh
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-03-05
Also published as: DE102018006912A1; EP3844445A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements (2) umfasst einen als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und mit dem supraleitenden Element thermisch verbundenen Kryostaten (3), der über eine Flüssigausgleichsleitung (8, 11) mit einem Vorratsbehälter (4) für ein kryogenes Kühlmedium strömungsverbundenen ist. Im Kryostaten oder thermisch an einer Wärmetauscherfläche (14) mit diesem verbunden ist ein Wärmetauscher (16) vorgesehen, der über eine mit einem Entspannungsventil (17) ausgerüsteten Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und in dem ein geringerer Druck als im umgebenden Kryostaten herrscht. Auf diese Weise wird das mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Kühlmedium unterkühlt; im Falle eines plötzliche Druckanstiegs im Kryostaten, etwa infolge eines Quenchens des Supraleiters, fungiert der Vorratsbehälter als Ausgleichsgefäß.

Description

Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements, mit einem als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Aus gleichsleitung mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kühlmedium strö mungsverbundenen Kryostaten, der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist.

Als„supraleitendes Element“ wird hier ein aus supraleitenden Werkstoffen aufge bauter oder ein supraleitendes Bauteil aufweisender Gegenstand verstanden. Bei spielsweise handelt es sich dabei um ein supraleitendes Kabel, supraleitende Strombegrenzer oder eine supraleitende Apparatur, wie etwa supraleitende Ma gnetspulen oder auf supraleitenden Bauelementen basierende Detektoren. Supra leitende Elemente müssen auf eine Betriebstemperatur gekühlt werden, die unter halb der supraleitenden Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) des oder der verwendeten Supraleiter/s liegt. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von T_c < 10 K bei klassischen metallischen Su praleitern wie beispielsweise Blei, Niob oder Nb-Legierungen bis zu Werten von T_c >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, wie beispielsweise Y- Ba₂Cu₃0₇ oder Bi₂Sr₂Ca_nCun_+i02n₊₆.

Um supraleitende Elemente auf ihre Betriebstemperatur zu kühlen, werden sie mit einem Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht. Zur Kühlung kommen dabei in der Regel verflüssigte Gase zum Einsatz. Die Wahl des Gases hängt von der Betrieb stemperatur des zu kühlenden supraleitenden Elements ab; bei Systemen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, kann tiefkalt verflüssigter Stickstoff eingesetzt werden, klassische Supraleiter werden in der Regel mit flüs sigem Helium gekühlt. Andere verflüssigte Gase, wie beispielsweise flüssige Luft, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff oder verflüssigtes Argon, sind ebenfalls als Wärmeübertragungsmittel einsetzbar.

Um zu verhindern, dass das verflüssigte Gas aufgrund eines Wärmeeintrags im Kryostaten siedet, werden die verflüssigten Gase dabei„unterkühlt“, also auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck ge- bracht. Bei einem unterkühlten verflüssigten Gas bewirkt die Aufnahme von Wär me zunächst nur eine Temperaturerhöhung, ohne dass eine Änderung des Aggre gatzustandes eintritt. Als Unterkühler zu diesem Zweck kommt beispielsweise eine Kältemaschine zum Einsatz oder ein Wärmeaustauscher, in welchem auf der wärmeabführenden Seite ein Kühlmedium vorliegt, das bei einer Temperatur ver dampft, die unterhalb der Siedetemperatur des auf der wärmezuführenden Seite vorliegenden, zu unterkühlenden Gases liegt.

Kryogene Kühlsysteme werden beispielsweise in den Druckschriften EP 3 017 238 A1 , US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 und US

2006/0150639 A1 beschrieben. All diese Gegenstände weisen einen Kühlkreislauf auf, in dem ein unterkühltes verflüssigtes Gas als Kühlmedium in Wärmekontakt mit einem supraleitenden Element, beispielsweise einem supraleitenden Kabel, gebracht wird. Zwar besitzen supraleitende Elemente im ordnungsgemäßen Ein satz keinen ohmschen Widerstand, jedoch treten beim Durchleiten insbesondere von Wechselstrom durch supraleitende Elemente geringfügige Verluste auf; zu dem erfolgt ein geringer Wärmeeintrag in das Kühlmedium über Kontakte oder Isolationen. Nach dem Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element ist es da her erforderlich, das Kühlmedium erneut einem Unterkühler zuzuführen, um die beim Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element aufgenommene Wärme ab zuführen und das Kühlmedium im unterkühlten Zustand zu halten.

Die bekannten Kühlsysteme sind mit Nachteilen behaftet. Da das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird, muss es entweder das zu kühlende supraleitende Element sowohl auf dem Hin- als auch Rückweg durchlaufen, oder es wird über eine paral lel zum supraleitenden Element führende Leitung zurückgeführt. Im ersten Fall verkompliziert das Vorsehen von zwei Strömungswegen im zu kühlenden supralei tenden Element dessen Aufbau, und der über die doppelte Länge des Kühlweges auftretende Druckverlust muss mit entsprechend aufwändig ausgelegten Pump- und Druckleitungssystemen kompensiert werden. Im zweiten Falle ist der Bau ei ner aufwändigen, wärmeisolierten Rückleitung erforderlich. Durch die im Kreislauf stets notwendige Pumpe wird zusätzliche Wärme in das Kühlmedium eingetragen, die abgeführt werden muss. Anstelle eines Kühlkreislaufs können supraleitende Elemente auch durch direkten oder indirekten Wärmekontakt mit einem aus Kühlmedium bestehenden Kühlbad gekühlt werden. Das Kühlbad befindet sich dabei in einem thermisch gut isolierten Behälter, einem sogenannten Kryostaten, der zudem druckfest ausgebildet sein kann, um Einflüsse des Umgebungsdrucks auf die Temperatur des Bades zu re duzieren.

Anordnungen mit Kryostaten weisen den Nachteil auf, dass ein plötzlicher Wär meeintrag in das System, etwa beim sogenannten„Quenchen“, also einem Über gang in den normalleitenden Zustand infolge einer lokalen Überschreitung der Sprungtemperatur, dazu führen kann, dass ein erheblicher Teil des Kühlmediums im Kryostaten verdampft. Der damit verbundene heftige Druckanstieg im Kryosta ten kann das supraleitende Element oder sogar die gesamte Apparatur gefährden und/oder eine Notabschaltung des Systems erzwingen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung zum Kühlen von supraleitenden Elementen unter Verwendung eines Kryostaten zu schaffen, die zuverlässig und mit hoher Betriebssicherheit arbeitet.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmals kombinationen der Unteransprüche.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfin dungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat an einer Wärme tauscherfläche mit einem Wärmetauscher thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspannungsventil ausgerüstete Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und eine Gasableitung zum Ausleiten von verdampftem Kühlmedium aufweist.

Der über die Wärmetauscherfläche mit dem Kryostaten verbundene Wärmetau scher wirkt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Unterkühler. Über die Wärmetauscherfläche wird Wärme von dem im Innenraum des Kryostaten vorlie genden Kühlmedium durch Wärmeleitung auf das im Wärmetauscher befindliche, aufgrund der Entspannung am Entspannungsventil kühlere Kühlmedium übertra gen. Im Unterschied zu den vorgenannten Kreislaufsystemen erfolgt zur Wärme übertragung kein Transport von Kühlmedium aus dem Kryostaten zum Wärmetau scher oder umgekehrt.

Beim Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um ein Gefäß, in dem im Einsatz der Vorrichtung ein Bad aus dem gleichen Kühlmedium wie das Kühlme dium im Vorratsbehälter aufrecht erhalten wird, jedoch bei einem niedrigeren Druck; es kann sich aber auch um einen Röhrenwärmetauscher oder eine

Rohrschlange handeln, durch den bzw. die hindurch Kühlmedium aus dem Vor ratstank mit einem niedrigeren Druck als dem Druck im Vorratsbehälter geleitet wird. Zur Druckreduzierung kommt dabei ein Entspannungsventil zum Einsatz, das stromauf zum Wärmetauscher in der Zuleitung angeordnet ist. Das Kühlmedium liegt im Wärmetauscher bevorzugt bei seiner Gleichgewichtstemperatur vor, also bei der Temperatur, die der Siedetemperatur beim jeweiligen Druck im Wärmetau scher entspricht.

Bei der Wärmetauscherfläche handelt es sich um eine Kontaktfläche, über die ein Wärmetransport durch Wärmeleitung erfolgt. Die Wärmetauscherfläche ist so be messen, dass über sie der weitaus überwiegende Teil des Wärmetransports vom Kühlmedium im Kryostaten auf das Kühlmedium im Wärmetauscher erfolgt. Bei spielsweise handelt es sich bei der Wärmetauscherfläche um einen gemeinsamen Wandabschnitt, um direkt miteinander verbundene Wandabschnitte von Kryostat und Wärmetauscher oder um ein zwischen den Wänden von Kryostat und Wärme tauscher angeordnetes thermisch gut leitendes Element, beispielsweise eine Plat te oder ein Kabel aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer.

Für die Anordnung des Wärmetauschers bestehen verschiedene Möglichkeiten: In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher außerhalb des im Übrigen thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Kryostaten angeord net und ist mit diesem lediglich über eine Wärmetauscherfläche thermisch verbun den. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetau scher innerhalb des Kryostaten angeordnet ist und das dort vorliegende Kühlme dium unterkühlt. In diesem Fall kann die Wärmetauscherfläche von den gesamten Außenwänden des Wärmetauschers, beispielsweise den Außenwänden des oben beschriebenen Gefäßes, der Röhren oder der Rohrschlange, soweit sie innerhalb des Kryostaten liegen, gebildet sein.

Die Ausgleichsleitung/en zwischen Kryostat und Vorratsbehälter, die das im Innern des Kryostaten vorliegende Kühlbad aus flüssigem Kühlmedium mit einer flüssi gen Phase und/oder einer Gasphase im Vorratsbehälter verbindet, ist im Einsatz der Vorrichtung stets offen. Mit Ausnahme dieser Ausgleichsleitung/en ist der Kryostat dagegen allseits, auch gegenüber dem Wärmetauscher, druckfest ge schlossen; sofern der Wärmetauscher und/oder das supraleitende Element im In nern des Kryostaten angeordnet ist, sind alle Verbindungsleitungen für den Wär metauscher und etwaige Strom- oder sonstige Zuführungen für das supraleitende Element flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten hindurch geführt.

Einem plötzlichen Druckanstieg im Innen des Kryostaten aufgrund einer Teilver dampfung des Kühlmediums infolge eines plötzlichen Wärmeeintrags, wie es bei spielsweise beim Quenchen des supraleitenden Elements auftreten kann, begeg net die erfindungsgemäße Vorrichtung auf mehrfache Weise:

Zum ersten liegt das kryogene Kühlmedium im Kryostaten im unterkühlten Zu stand vor; ein Wärmeeintrag führt also zunächst nur zu einer Temperaturänderung ohne Änderung des Aggregatszustandes. Zumindest bei kleineren Wärmemengen kommt es also nicht zu einem Verdampfen des Kühlmediums im Kryostaten.

Zum zweiten ist der Kryostat als Druckbehälter ausgebildet und gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen. Der Druck in seinem Innern entspricht im wesentlichen dem Druck im Vorratstank, in dem das Kühlmedium bei einem ge genüber der Umgebungsatmosphäre erhöhten Druck von beispielsweise 2-5 bar gelagert wird. Durch den vergleichsweise hohen Druck ist auch der Siedepunkt erhöht, und das Kühlmedium kann entsprechend mehr Wärme aufnehmen, ohne zu sieden. Denkbar ist eine weiterführende Ausgestaltung, in der dem Vorratstank Mittel zum Einstellen eines Druckwerts, beispielsweise ein Verdampfer, zugeord net sind, mittels derer ein maximaler Druck im Vorratsbehälter, und damit im Kryo staten, gewählt werden kann. Zum dritten wird eingetragene Wärme während des Betriebs der Vorrichtung fort während von dem mit dem Kryostaten thermisch verbundenen Wärmetauscher abgeführt. Um größere Wärmemengen aufnehmen zu können, kann zu diesem Zweck optional die zum Wärmetauscher führende Zuleitung so ausgestaltet sein, dass der Zuführleitung Mittel zugeordnet sind, mittels derer der Mengenstrom an Kühlmedium, das dem Wärmetauscher zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wär meeintrag in den Wärmetauscher regelbar ist. Beispielsweise kann parallel zur Zuführleitung mindestens eine Bypassleitung zwischen Vorratstank und Wärme tauscher vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem gemessenen Wärmeein trag mittels eines steuerbaren Ventils zu- oder abgeschaltet wird und somit bei Bedarf die Zuführung von zusätzlichem Kühlmedium an den Wärmetauscher er laubt.

Zum vierten ist die Ausgleichsleitung zwischen Kryostat und Vorratsbehälter im Betrieb der Vorrichtung stets geöffnet, sodass im Falle eines Druckanstiegs - je nach Wahl der Ausgleichsleitung/en -verdampftes Kühlmedium in die Gasphase und/oder flüssiges Kühlmedium in die flüssige Phase des im Vorratsbehälter be vorrateten Kühlmediums abströmen kann; der Vorratsbehälter wirkt also als Aus gleichsgefäß, das den Kryostaten vor einem zu starken Druckanstieg schützt.

Im einfachsten Fall ist die Gasableitung des Wärmetauschers mit der Umge bungsatmosphäre druckverbunden, d.h. im Wärmetauscher herrscht ein Druck von etwa 1 bar. Um eine stärkere Unterkühlung zu erreichen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, in der Gasableitung eine Vakuumpumpe anzu ordnen, mittels der der Druck im Wärmetauscher auf Werte von unter 1 bar, bei spielsweise auf 100-200 mbar gebracht werden kann. So beträgt der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei einem Druck von 150 mbar lediglich 64K, wodurch der im Kryostaten als Kühlmedium vorliegende, mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Flüssigstickstoff auf 67K oder darunter abgekühlt werden kann. Die Vakuumpumpe kann im Übrigen auch derart ausgebildet sein, dass ein Druck im Wärmetauscher fest eingestellt und/oder in Abhängigkeit von einem ge messenen Parameter, beispielsweise der Temperatur des Kühlmediums im Kryo staten, geregelt werden kann. Für den Druckausgleich zwischen Kryostat und Vorratsbehälter bestehen zwei Möglichkeiten: Die Ausgleichsleitung ist entweder eine Flüssigausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit einer im Vorratsbehälter vorliegenden flüssigen Phase herstellt, oder eine Gasausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit im Vorratsbehälter vorliegenden Gasphase herstellt. Es können jedoch auch gleichzeitig beide Arten von Aus gleichsleitungen vorhanden sein, die bevorzugt jeweils zu- oder abgeschaltet wer den können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kühlung sowohl von supraleitenden Ap paraturen geeignet, die auf der Basis von klassischen Supraleitern arbeiten, wie auch von solchen, die auf der Basis von Flochtemperatursupraleitern arbeiten. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von sup raleitenden Spulen, Magneten, Kabeln oder Detektoren.

Bevorzugt kommt als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, beispiels weise verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff, LNG oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Argon oder flüssiges Flelium. Insbesondere Flüssigstickstoff ist zum Kühlen von Apparaturen geeignet, die auf der Basis von Flochtemperatursupraleitern arbeiten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das sup raleitende Element an normalleitenden Stromzuführungen angeschlossen ist und wenigstens eine dieser Stromzuführungen zumindest abschnittsweise innerhalb der flüssiges Kühlmedium führenden Ausgleichsleitung (Flüssigausgleichsleitung) oder innerhalb der Zuleitung an den Wärmetauscher verläuft. Dadurch werden die Stromzuleitungen, über die ein wesentlicher Anteil der Wärme in den Kryostaten eingetragen wird, vom Kühlmedium in der jeweiligen Leitung gekühlt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die wenigstens eine Stromzuführung mit der Aus gleichsleitung und/oder der Zuleitung in indirektem Wärmekontakt stehen, und beispielsweise zwischen einem das Kühlmedium tragenden Rohr und einer ther mischen Isolation des Rohres aufgewickelt sein. Als besonders zweckmäßig erweist es sich dabei, die mindestens eine Stromzu führung zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung stromauf zum Ent spannungsventil, also zwischen Entspannungsventil und dem Vorratsbehälter an zuordnen, wobei sie vom darin befindlichen Flüssigstickgas gekühlt wird/werden.

Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Ent spannungsventil innerhalb des Kryostaten angeordnet ist. In diesem Falle ist es besonders zweckmäßig, die Stromzuleitung stromauf zum Entspannungsventil, jedoch noch innerhalb des Kryostaten anzuordnen.

Das zu kühlende supraleitende Element befindet sich im Innern des Kryostaten und wird im Einsatz der Vorrichtung vom Kühlmedium umspült, steht also in direk tem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium, oder das supraleitende Element ist au ßerhalb des Kryostaten angeordnet und steht im Einsatz der Vorrichtung mit dem flüssigen Kühlmedium im Kryostaten über eine Wärmetauscherfläche in indirektem Wärmekontakt.

Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform Fig. 2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen eines supraleitenden Elements 2 umfasst einen Kryostaten 3 in Gestalt eines thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Behälters, in dem das supraleitende Element 2 aufgenommen ist und in dem es während seines Einsatzes auf einer Temperatur unterhalb der sup raleitenden Sprungtemperatur des Materials seiner supraleitenden Bauteile gehal ten wird. Im Kryostaten 3 steht das supraleitende Element 2 dazu in Wärmekon takt mit einem Kühlmedium, das in einem Vorratsbehälter 4 bevorratet wird.

Beim supraleitenden Element 2 handelt es sich beispielsweise um eine Apparatur mit supraleitenden Bauteilen, beispielsweise ein Kabel, eine Magnetspule, ein Strombegrenzer oder ein Detektor. Das supraleitende Element 2 ist in an sich be- kannter und hier nicht weiter interessierender Weise an normalleitenden Stromzu führungen 5, 6, beispielsweise Kabel oder massiven Zuführungen aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, angeschlossen, die flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten 3 geführt sind.

Beim Vorratsbehälter 4 handelt es sich um einen Behälter, beispielsweise einen mit thermisch gut isolierten Wänden ausgerüsteten Standtank, zum Speichern ei nes kryogenen Kühlmediums, beispielsweise von verflüssigtem Stickstoff, verflüs sigtem Wasserstoff oder einem verflüssigten Edelgas, wie beispielsweise Helium oder Argon.

Der Vorratsbehälter 4 ist mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Flüs sigausgleichsleitung 8 verbunden, die an einem Flüssiganschluss 9 des Vorrats behälters 4 angeschlossen ist. Über diesen steht der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden flüssigen Phase 10 des Kühlmedi ums in Strömungsverbindung.

Anstelle oder ergänzend zur Flüssigausgleichsleitung 8 kann der Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Gasausgleichsleitung 11 mit einem Gasanschluss 12 des Vorratsbehälters 4 verbunden und somit mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegen den Gasphase 13 des Kühlmediums strömungsverbunden sein.

An einer Verzweigungsstelle 14 zweigt stromab zum Flüssiganschluss 9 von der Flüssigausgleichsleitung 8 eine Kühlmediumsleitung 15 ab. Die Kühlmediumslei tung 15 ist durch eine Wand des Kryostaten 3 flüssigkeitsdicht hindurchgeführt und mündet in einen Wärmetauscher 16 ein. Beim Wärmetauscher 16 handelt es sich in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Behälter, der inner halb des Kryostaten 3 angeordnet ist, jedoch nicht mit dem Innenraum 7 in Strö mungsverbindung steht. Der Wärmetauscher 16 ist mit thermisch gut leitenden Wänden ausgerüstet, die als Wärmetauscherfläche 14 zum thermischen Kontakt mit dem Innenraum 7 wirken. Anstelle einer solchen Ausgestaltung können im Üb rigen auch andere Formen von Wärmetauschern zum Einsatz kommen, beispiels weise eine oder mehrere Rohrschlange/n oder eine oder mehrere durch das Inne re des Kryostaten 3 geführte Röhre/n. Wesentlich ist dabei jedoch stets, dass zwi- sehen den Röhren oder der Kühlschlange zwar eine thermische Verbindung, je doch keine Strömungsverbindung mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 besteht.

Stromauf zum Wärmetauscher 16 ist in der Kühlmediumsleitung 15 ein Entspan nungsventil (Druckreduzierventil) 17 angeordnet. Aus einem oberen Abschnitt des Wärmetauschers 16 mündet eine Gasabzugsleitung 18 aus, die gasförmiges Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 16 beispielsweise in die Umgebungsat mosphäre abgibt oder in ein hier nicht gezeigtes Rückleitungssystem, in dem ein geringerer Druck als im Vorratsbehälter 4 herrscht.

Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird zunächst der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit flüssigem Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 befüllt. Das flüssi ge Kühlmedium bildet somit ein Kühlbad, das das supraleitende Element 2 und den Wärmetauscher 16 umspült. Um einen Druckausleich zwischen Kryostat 2 und Vorratsbehälter 4 herzustellen ist das Ventil des Flüssiganschlusses 9

(und/oder, falls ein Ausgleich über die Gasausgleichsleitung 1 1 erfolgen soll, das Ventil des Gasanschlusses 12) während des Einsatzes der Vorrichtung 1 stets geöffnet. Im Innenraum 7 des Kryostaten 3 liegt also ein im wesentlicher gleicher Druck vor wie im Vorratsbehälter 4. Durch den thermischen Kontakt mit dem im Kryostaten 3 vorliegenden flüssigen Kühlmedium wird das supraleitende Element 2 auf seine Betriebstemperatur gekühlt.

Über die Kühlmediumsleitung 15 wird flüssiges Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 zum Wärmetauscher 16 geleitet, wobei es am Entspannungsventil 17 eine Druckreduzierung erfährt. Im Wärmetauscher 16 liegt das verflüssigte Kühlmedi um somit auf einem gegenüber dem Druck im Vorratstank 4 reduzierten Druck vor, und somit auch auf einer gegenüber der Temperatur des Kühlmediums im Vorrats tank 4 reduzierten Temperatur. Dadurch kommt es an den als Wärmetauscherflä chen wirkenden Wänden des Wärmetauschers 16 zu einem Wärmeintrag aus dem umgebenden Kühlmedium im Kryostaten 2. Dieses kühlt sich dabei ab und wird somit unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seiner Gleichgewichtstempe ratur gebracht. Im Kryostaten 3 ist das supraleitende Element 2 also von flüssi gem, blasenfreien Kühlmedium umgeben. Im Wärmetauscher 16 führt der Wär meeintrag dazu, dass das flüssige Kühlmedium teilweise verdampft und über die Gasabzugsleitung 18 abgeführt wird. Das verdampfte Kühlmedium wird durch fri sches Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 4 ersetzt.

Um das Kühlmedium im Wärmetauscher 16 auf eine möglichst geringe Tempera tur zu bringen, kann in der Gasabzugsleitung eine Vakuumpumpe 19 angeordnet sein, mittels der der Druck in der Gasabzugsleitung 18, und damit im Wärmetau scher 14, auf einen Wert unterhalb von 1 bar, beispielsweise 100-200 mbar ge bracht werden kann.

Im Falle einer plötzlichen Wärmeentwicklung, beispielsweise bei einem Quenchen des supraleitenden Elements 2, erfolgt zunächst eine Temperaturerhöhung des im Innenraum 7 vorliegenden Kühlmediums. Wird dabei die Siedetemperatur über schritten, verdampft ein Teil des Kühlmediums im Kryostaten 3, mit der Folge ei nes Druckanstiegs im Kryostaten 3. Über die stets offene/n Flüssigausgleichslei tung 8 und/oder Gasausgleichsleitung 1 1 führt dies zu einem Transport von Kühl medium in den Vorratsbehälter 4, der insofern als Ausgleichsbehälter wirkt. Nach dem Ende des Wärmeeintrags, beispielsweise nach der Wiederherstellung des supraleitenden Zustands, wird das Kühlmedium im Innenraum 7 des Kryostaten 3 durch den Wärmekontakt am Wärmetauscher 14 rasch wieder auf seine vorherige Betriebstemperatur abgekühlt.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 20 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 le diglich durch eine andere Anordnung des supraleitenden Elements 2 und des Wärmetauschers 16 gegenüber dem Kryostaten 3. Gleich wirkende Bestandteile sind daher bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform mit den gleichen Bezugs zeichen versehen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 .

Im Unterschied zur Vorrichtung 1 sind bei der Vorrichtung 20 das supraleitende Element 2 und der Wärmetauscher 16 nicht innerhalb des Kryostaten 3 aufge nommen, sondern befinden sich außerhalb des Kryostaten 3. Der Wärmetauscher 16 steht über eine Wärmetauscherfläche 21 , beispielsweise ein gemeinsamer, gut wärmeleitender Wandabschnitt, mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärme verbindung. Ebenso steht das supraleitende Element 2 an einer Wärmetau scherfläche 22 mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Im Übrigen sind bei dieser Ausgestaltung sowohl der Wärmetauscher 16 als auch das supraleitende Element mit thermisch gut isolierenden Wänden ausgerüstet.

Die Kühlung des supraleitenden Elements 2 sowie die Unterkühlung des im Innen raum 7 des Kryostaten 3 vorliegenden Kühlmediums erfolgt also durch Wärmelei tung über die Wärmetauscherflächen 21 , 22.

Im Übrigen ist es selbstverständlich auch möglich, nur einen der Gegenstände 2, 16 innerhalb des Kryostaten 3 und den jeweils anderen Gegenstand 16, 2 au ßerhalb des Kryostaten 3, jedoch mit diesem über eine Wärmetauscherfläche ver bunden, anzuordnen.

In einer weiteren Variante der Vorrichtungen 1 , 20 kann mindestens eine der Stromzuführungen 5, 6 innerhalb der Flüssig-Ausgleichsleitung 8 oder der Kühl mediumsleitung 15 verlaufen oder mit diesen in indirektem thermischen Kontakt stehen, um die Stromzuführung mit dem dort vorliegenden Kühlmedium zu kühlen. Dies ist jedoch in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht ge zeigt ist.

Bezuaszeichenliste

1. Vorrichtung

2. Supraleitendes Element

3. Kryostat

4. Vorratsbehälter

5. Stromzuführung

6. Stromzuführung

7. Innenraum

8. Flüssigausgleichsleitung

9. Flüssiganschluss

10. Flüssige Phase

11. Gasausgleichsleitung

12. Gasanschluss

13. Gasphase

14. Wärmetauscherfläche

15. Kühlmediumsleitung

16. Wärmetauscher

17. Entspannungsventil

18. Gasabzugsleitung

19. Vakuumpumpe

20. Vorrichtung

21. Wärmetauscherfläche

22. Wärmetauscherfläche

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements (2), mit einem als ge schlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Ausgleichsleitung (8,

11) mit einem Vorratsbehälter (4) für ein kryogenes Kühlmedium strömungs verbundenen Kryostaten (3), der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Kryostat (3) an einer Wärmetauscherfläche (14, 21 ) mit einem Wär metauscher (16) thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspan nungsventil (17) ausgerüsteten Zuleitung (15) mit dem Vorratsbehälter (4) strömungsverbunden ist und eine Gasableitung (18) zum Ausleiten von ver dampftem Kühlmedium aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetau scher (16) innerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasableitung (18) eine Vakuumpumpe (19) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ausgleichsleitung (8, 11 ) eine Strömungsverbindung des Kryostaten (3) mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden flüssigen Phase (10) und/oder mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden Gasphase (13) herstellt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass als Kühlmedium ein tiefkalt verflüssigtes Gas, wie verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff verflüssigter Wasserstoff oder ein verflüssig tes Edelgas zum Einsatz kommt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das supraleitende Element (2) an normalleitenden Stromzufüh rungen (5, 6) angeschlossen ist und wenigstens eine der Stromzuführungen (56) zumindest abschnittsweise innerhalb der Ausgleichsleitung (8) und/oder innerhalb der Zuleitung (15) verläuft und/oder in indirektem Wärmekontakt mit der Zuleitung (15) und/oder der Ausgleichsleitung (8) steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stromzuführung (5, 6) zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung (15) stromauf zum Entspannungsventil (17) verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Entspannungsventil (17) innerhalb des Kryostaten (3) an geordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das supraleitende Element (2) im Innenraum (7) des Kryostaten (3) aufgenommen ist und in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) steht oder außerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist und mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) über eine Wärmetauscherfläche (22) in in direktem Wärmekontakt steht.