DE10057664A1

DE10057664A1 - Supraleitungseinrichtung mit einem thermisch an eine rotierende,supraleitende Wicklung angekoppelten Kaltkopf einer Kälteeinheit

Info

Publication number: DE10057664A1
Application number: DE10057664A
Authority: DE
Inventors: Florian Steinmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-05-29
Also published as: NO20032281D0; WO2002043224A1; JP3799016B2; EP1336236A1; CA2429283A1; DE50103355D1; NO20032281L; US7207178B2; JP2004515192A; EP1336236B1; US20040056541A1

Abstract

Die Supraleitungseinrichtung (2) enthält einen um eine Rotationsachse (A) drehbaren Rotor (5) mit einer supraleitenden Wicklung (10) in einem wärmeleitenden Wicklungsträger (9). Dieser Wicklungsträger (9) weist einen zentralen Kältemittel-Hohlraum (12) auf, an den ein aus dem Wicklungsträger (9) heraus führender seitlicher Hohlraum (13) angeschlossen ist. Außerhalb des Rotors (5) ist ein Kaltkopf (16) einer Kälteeinheit mit einer Kältemittel (k, k') kondensierenden Kondensatoreinheit (18) verbunden. Ein das Kältemittel (k, k') führendes, feststehendes Wärmerohr (20) ist an die Kondensatoreinheit (18) gekoppelt, ragt axial in den mitrotierenden seitlichen Hohlraum (13) hinein und ist gegenüber diesem Raum abgedichtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger an geordnet sind, und mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch über wärmeleitende Teile an die Wicklung an gekoppelten Kaltkopf aufweist. Eine entsprechende Einrichtung geht aus der US 5,482,919 A hervor.

Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate rialien wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn, die sehr niedrige Sprung temperaturen T_c besitzen und deshalb auch Niedrig(Low)-T_c- Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien genannt werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch(High)-T_c-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN₂).

Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Es zeigt sich jedoch, dass bisher bekannte Leiter nur eine verhältnis mäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induk tionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es vielfach er forderlich, dass die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturni veau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt zwar einerseits deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien wie Nb₃Sn gekühlt werden. Andererseits ist aber eine Kühlung mit LN₂ wegen der hohen Leiterverluste unwirtschaftlich. Andere verflüssigte Gase wie Wasserstoff mit einer Siedetemperatur von 20,4 K oder Neon mit einer Sie detemperatur von 27,1 K scheiden wegen ihrer Gefährlichkeit oder wegen mangelnder Verfügbarkeit aus.

Es kommen deshalb zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern, in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreis lauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Puls röhrenkühler ausgebildet. Solche Kälteeinheiten haben zudem den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkal ten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird eine supraleitende Einrichtung wie z. B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B. "Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).

Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der ein gangs genannten US-A-Schrift entnehmbaren supraleitenden Ro tor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als Stirling- oder Gifford-McMahon- oder Pulsröhrenkühler ausgelegten Kälteeinheit auf einer gewünschten Betriebstempe ratur zwischen 30 und 40 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält hierzu in einer speziellen Ausführungsform einen mit rotierenden, in der Schrift nicht weiter ausgeführten Kalt kopf, dessen kältere Seite thermisch an die Wicklung indirekt über wärmeleitende Elemente gekoppelt ist. Ferner enthält die Kälteeinheit der bekannten Maschine eine außerhalb ihres Ro tors befindliche Kompressoreinheit, die den Kaltkopf über eine rotierende, nicht näher ausgeführte Kupplung einer ent sprechenden Transfereinheit das erforderliche Arbeitsgas zu führt. Die Kupplung versorgt außerdem über zwei Schleifringe auch einen Ventiltrieb der Kälteeinheit, der in den Kaltkopf integriert ist, mit der nötigen elektrischen Energie. Dieses Konzept macht es erforderlich, dass in der Transfereinheit mindestens zwei Gasverbindungen koaxial geführt und mindes tens zwei elektrische Schleifringe vorgesehen werden müssen. Zudem ist die Zugänglichkeit der mitrotierenden Teile der Kälteeinheit und insbesondere des Ventiltriebs in dem Rotor der Maschine behindert, da bei erforderlichen Wartungen das Rotorgehäuse geöffnet werden muss. Des Weiteren ist die Funk tion eines herkömmlichen Ventiltriebs bei schneller Rotation, wie sie bei Synchronmotoren oder Generatoren gegeben ist, nicht gesichert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von die sem Stand der Technik die Einrichtung mit den eingangs ge nannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass mit ihr ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb der Kälteeinheit sowohl im Stillstand als auch bei Rotation des Rotors in ei nem Temperaturbereich unter 77 K bei vergleichsweise vermin dertem apparativen Aufwand zu gewährleisten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 an gegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend umfasst die Sup raleitungseinrichtung einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger angeordnet sind, sowie eine Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch über wärmeübertragende Teile an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf aufweist. Dabei soll die Supraleitungseinrichtung folgende Merkmale aufweisen, nämlich

- dass der Wicklungsträger mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum ausge stattet ist, an den ein aus dem Wicklungsträger herausfüh render seitlicher Hohlraum angeschlossen ist,
- dass sich der Kaltkopf feststehend außerhalb des Rotors befindet und thermisch mit einer Kondensatoreinheit zur Kondensation eines Kältemittels verbunden ist,
- dass ein feststehendes Wärmerohr an die Kondensatoreinheit gekoppelt ist, das axial in den mitrotierenden seitlichen Hohlraum hinein ragt und gegenüber diesem Raum abgedichtet ist

sowie

- dass das Wärmerohr, der seitliche Hohlraum und der zentra le Hohlraum mit dem Kältemittel gefüllt sind, wobei kon densiertes Kältemittel über das Wärmerohr in den seitli chen Hohlraum und von dort in den zentralen Hohlraum sowie dort verdampfendes Kältemittel zurück über den seitlichen Hohlraum und das Wärmerohr zu der Kondensatoreinheit ge langt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Supraleitungsein richtung ist folglich die gesamte Kälteeinheit mit ihren e ventuell beweglichen Teilen außerhalb des Rotors angeordnet und somit jederzeit leicht zugänglich. Die Bereitstellung der Kälteleistung bzw. der Wärmetransfer erfolgt von einem fest stehenden Kaltkopf in den Rotor über das Wärmerohr, das ohne mechanisch bewegte Teile den Transport des Kältemittels si cherstellt. Dabei wird das Kältemittel in einem Kreisprozess an einer Kondensatoreinheit, die gut wärmeleitend mit dem Kaltkopf verbunden ist, unter Wärmeabgabe kondensiert. An schließend rinnt das flüssige Kondensat durch das Wärmerohr in den seitlichen Hohlraum und von dort in den zentralen Hohlraum des Rotors. Der Transport des Kondensats durch das Wärmerohr geschieht unter dem Einfluss der Schwerkraft auf grund einer sogenannten Thermosyphon-Wirkung und/oder durch die Kapillarkraft der Innenwand des Wärmerohrs. Hierzu wirkt dieses Rohr in an sich bekannter Weise als ein "Docht". Diese Funktion kann durch passende Ausgestaltung oder Auskleidung der Innenwand noch optimiert werden. Am Ende des Wärmerohrs tropft das Kondensat in den seitlichen Hohlraum. Das von die sem seitlichen Hohlraum in den zentralen, sich im Bereich der Wicklung befindlichen Hohlraum gelangte Kondensat wird dort zumindest teilweise verdampft. Das so unter Aufnahme von Wär me verdampfte Kältemittel strömt dann durch das Innere des Wärmerohres zurück in die Kondensatoreinrichtung. Der Rück strom wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Hohlraum relativ zu den als Kondensator wirkenden Teilen der Kondensatorein heit. Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen im Kondensator erzeugte Unterdruck führt zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Entsprechende Kältemit telströmungen sind von sogenannten "Heat-Pipes" her bekannt.

Die Vorteile dieser Ausgestaltung sind unter anderem darin zu sehen, dass keine bewegten Teile wie z. B. Ventilatoren oder Pumpen zur Umwälzung des Kältemittels erforderlich sind. Fer ner ist nur ein einziges, verhältnismäßig dünn auszuführen des, thermisch isoliertes Wärme(transport)rohr zur Zirkula tion des Kältemittels erforderlich. Dies vermindert die Kom plexität besonders an der rotierenden Dichtung, die den Gas raum des Kältemittels gegenüber dem Außenraum des Rotors ab dichtet. Eine somit nur verhältnismäßig kleine Dichtung ist auf Grund der geringeren Umfangsgeschwindigkeit zuverlässiger und wartungsärmer. Dabei beeinflussen Gasverluste des Kälte mittels aus dem Innenraum in den Außenraum die Funktion des Wärmerohrs nur unwesentlich, da die Flüssigkeitsmenge in dem System nur wenig betroffen wird. Durch einen ausreichenden Vorrat sind folglich lange Standzeiten möglich. Außerdem kann die Kälteeinheit an die unterschiedlichen Anforderungen einer Maschinenaufstellung leicht angepasst werden. Insbesondere lässt sich je nach Auslegung ein viele Meter langes Wärmerohr vorsehen, so dass z. B. eine Kältemaschine zur Erleichterung ihrer Wartung an einer zugänglichen Stelle montiert sein kann, während der eigentliche Motor bzw. Generator schwer zu gänglich eingebaut ist. Der Wärmetransfer bzw. die Bereit stellung der Kälteleistung ist bei der erfindungsgemäßen Aus gestaltung also besonders einfach und wirtschaftlich, insbesondere da nur eine verhältnismäßig einfache Abdichtung er forderlich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supralei tungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So ist eine besonders einfache Abdichtung des Kältemittelrau mes dadurch zu erreichen, dass der zentrale Hohlraum auf ei ner Seite durch den Wicklungsträger abgeschlossen ist und der seitliche Hohlraum an der dem Kaltkopf zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung mit mitrotierenden Teilen ab gedichtet wird. Dabei kommt als Dichtungseinrichtung vorzugs weise zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddich tung, Labyrinthdichtung, Spaltdichtung in Frage.

Als Kälteeinheit lassen sich praktisch alle Typen von Kälte maschinen vorsehen, die einen auf ein vorbestimmtes Tempera turniveau zu legenden Kaltkopf aufweisen. Bevorzugt werden Kryokühler insbesondere mit geschlossenem He-Druckgaskreis lauf vorgesehen, da diese einen einfachen Aufbau aufweisen und für eine indirekte Kühltechnik wie bei der erfindungsge mäßen Supraleitungseinrichtung besonders geeignet sind. Ent sprechende, auch als regenerative Kryokühler bezeichnete Küh ler weisen einen Regenerator bzw. regenerativen Arbeitszyklus entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler auf (vgl. z. B. den genannten Proceedings-Band, Seiten 33 bis 44).

Besonders vorteilhaft kann der Kaltkopf mehrstufig ausgebil det sein. Mit seiner ersten Stufe sind dann insbesondere Tei le einer Stromzuführung oder ein thermischer Strahlungsschild auf eine vergleichsweise höhere Zwischentemperatur zu legen. Mit einem entsprechend konzipierten Kaltkopf lassen sich so auf einfache Weise feststehende Teile der Supraleitungseinrichtung jeweils auf einem für eine effektive Kühlung günsti gen Temperaturniveau halten.

Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die zu küh lende Wicklung und damit ihr Supraleitermaterial mittels des Kaltkopfes auf einer Temperatur unter 77 K, im Falle einer Verwendung von HTS-Material vorzugsweise zwischen 20 und 50 K zu halten ist. Bekannte HTS-Materialien weisen nämlich in diesem mit verhältnismäßig begrenztem Kühlaufwand einzuhal tenden Temperaturbereich eine für übliche Anwendungen hinrei chende kritische Stromdichte auf. Die erforderliche Kälte leistung ist bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrich tung ohne weiteres aufzubringen. Sie liegt z. B. im Bereich von einigen 10 W bei 20 K bis 30 K für eine Synchronmaschine der Größenklasse von etwa 1 bis 20 MW mechanischer Leistung.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Wärmerohr an seinem in den seitlichen Hohlraum hinein ragenden Ende als Tropfkante ausgebildet ist. Der Eintritt des Kondensats in den seitli chen Hohlraum wird dadurch erleichtert. Desgleichen kann die Ausgestaltung auch so vorgenommen sein, dass durch die Gasbe wegung im rotierenden Innenraum aufgrund des Windes des gas förmigen Teils des Kältemittels unter Rotation das Abtropfen unterstützt wird.

Darüber hinaus ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn der seitliche Hohlraum sich in Richtung auf den mittleren Hohl raum erweitert. Dann kann nämlich zum Transport des Kältemit tels eventuell noch die Schwerkraft oder Fliehkraft unter stützend ausgenutzt werden, indem der Transportweg des Kälte mittels somit gegen die Rotationsachse nach außen zeigend ge neigt ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch je weils im Längsschnitt

deren Fig. 1 eine Ausführungsform einer Supraleitungsein richtung mit Rotor und zugehörender Kälteein heit

sowie deren Fig. 2 eine spezielle Ausgestaltung dieser Einrichtung nach Fig. 1.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen versehen.

Bei den nachfolgend an Hand der Figuren aufgezeigten Ausfüh rungsformen von erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen kann es sich jeweils insbesondere um einen Synchron-Motor o der einen Generator handeln. Die Supraleitungseinrichtung um fasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzi piell eine Verwendung von metallischem LTS-Material (Niedrig- T_c-Supraleitermaterial) oder oxidischem HTS-Material (Hoch- T_c-Supraleitermaterial) gestattet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ausgewählt. Die Wick lung kann aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer 2-, 4- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen z. B. eine Synchronma schine bildenden Supraleitungseinrichtung geht aus Fig. 1 hervor, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Maschi nen ausgegangen wird (vgl. z. B. die eingangs genannte US-A- Schrift).

Die allgemein mit 2 bezeichnete Einrichtung umfasst ein fest stehendes, auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert, der auf einer Seite einen in dem entsprechenden Lager gelagerten, massiven axialen Rotorwellenteil 5a umfasst. Bei den Lagern 6 kann es sich um konventionelle mechanische Lager oder auch um Magnet lager handeln. Der Rotor weist ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z. B. hohlzylindrischen, Drehmoment übertragenden Aufhänge elementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS-Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender, zy lindrischer Hohlraum vorhanden, der nachfolgend als zentraler Hohlraum 12 bezeichnet ist. Der Wicklungsträger ist dabei va kuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt. Er schließt diesen auf der dem Rotorwellenteil 5a zugewandten Seite ab. Auf der anderen Seite ist der zentrale Hohlraum 12 an einen seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durch messer angeschlossen. Dieser seitliche Hohlraum führt von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus. Ein diesen seitlichen Hohlraum 13 um schließender, in einem der Lager 6 gelagerter, rohrförmiger Rotorwellenteil ist mit 5b bezeichnet.

Die Supraleitungseinrichtung 2 weist zu einer indirekten Küh lung ihrer Wicklung 10 über wärmeleitende Elemente ferner ei ne Kälteeinheit auf, von der lediglich ein Kaltkopf 16 darge stellt ist. Bei der Kälteeinheit kann es sich insbesondere um einem Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon handeln. Vorzugswei se wird als ein regenerativer Kryokühler ein Pulsröhrenkühler oder Split-Stirling-Kühler gewählt. Dabei soll sich der Kalt kopf 16 und damit alle wesentlichen, weiteren Teile der Käl teeinheit außerhalb des Rotors 5 und des Außengehäuses 3 be finden. Für die zu verwendende Kälteeinheit mit dem Kaltkopf erforderliche Zusatzteile wie z. B. warme Druckausgleichsbe hälter, Füllkapillaren, Überdruckventile zur Absicherung des Systems gegen Überdruck bei Aufwärmen sind in der Figur nicht dargestellt, jedoch allgemein bekannt. Das Kaltteil des bei spielsweise 0,5 bis etliche Meter seitlich von dem Rotor S angeordneten Kaltkopfes 16 steht in einem Vakuumgefäß 23 über einen Wärmeübertragungskörper 17 in gutem thermischen Kontakt mit einer Kältemittelkondensatoreinheit bzw. -kondensations einheit 18. An diese Kondensatoreinheit ist ein vakuumiso liertes, ortsfestes Wärmerohr 20 angeschlossen, das seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohlraum 13 hinein ragt. Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 gegenüber dem seitlichen Hohlraum 13 dient eine in der Figur nicht näher ausgeführte Dichtungseinrichtung 21 mit mindes tens einem Dichtungselement, die als eine Ferrofluiddichtung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdichtung ausgebildet sein kann. Über das Wärmerohr 20 und den seitli chen Hohlraum 13 ist der zentrale Hohlraum 12 mit dem Wärme tauschbereich der Kondensatoreinheit 18 gasdicht nach außen abgedichtet verbunden. Ein in diesen Räumen eingeschlossenes Kältemittel wird in einem Kreisprozess an der von dem Kalt kopf 16 gekühlten Kondensatoreinheit unter Wärmeabgabe kon densiert. Anschließend fließt das so verflüssigte, mit k be zeichnete und in der Figur durch eine verstärkte Linie ange deutete Kondensat dann durch das Wärmerohr 20 zunächst in den seitlichen Hohlraum 13 und von dort in den zentralen Hohlraum 12. Der Transport des Kondensats durch das Wärmerohr ge schieht dabei mittels einer Thermosyphon-Wirkung unter Ein fluss der Schwerkraft und/oder einer Kapillarkraft der Innen wand des Wärmerohres, das als ein "Docht" funktioniert. Die Funktion eines solches Dochtes kann durch passende Ausgestal tung wie mit Hilfe von Längsrippen oder Kanälen zur Vergröße rung der Oberfläche oder durch Auskleidung der Innenwand op timiert werden. An dem in den seitlichen Hohlraum 13 hinein ragenden Ende 20a des Wärmerohres 20 tropft dann das Konden sat k in den Hohlraum 13 bzw. 12, wobei dieser Prozess durch Ausformung einer Tropfkante an dem Ende 20a des Rohres ver stärkt werden kann. Desgleichen kann die Ausformung auch so gestaltet werden, dass durch eine Gasbewegung im rotierenden Innenraum auf Grund eines Windes des gasförmigen Teils des Kältemittels unter Rotation das Abtropfen unterstützt wird.

Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige Kältemittel bzw. Kondensat k verdampft. Das dampfförmige Kältemittel ist mit k' bezeichnet. Zum Transport des Kältemittels kann eventuell noch die Schwerkraft oder Fliehkraft ausgenutzt werden, wenn der Transportweg des Kältemittels gegen die Rotationsachse nach außen zeigend geneigt ist. Hierzu ist der seitliche Hohlraum 13 als ein sich in Richtung auf den zentralen Hohl raum 12 bezüglich seines Durchmessers erweiterndes Rohr gestaltet. Das unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittel k' strömt dann durch das Innere des Wärmerohres 20 zurück in die Kondensatoreinheit 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leichten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Hohlraum 12 relativ zu der Kondensatoreinheit getrieben, der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in der Kondensatoreinheit verursacht wird.

Als Kältemittel kommt z. B. Wasserstoff (Siedetemperatur 20,4 K bei Normaldruck, Trippelpunkt bei 14 K, kritischer Punkt bei 30 K und 8 bar), Neon (Siedetemperatur 20,1 K bei Normaldruck, Trippelpunkt bei 25 K, kritischer Punkt bei 42 K und 20 bar), Stickstoff (Siedetemperatur 77,4 K bei Normal druck, Trippelpunkt bei 65 K, kritischer Punkt bei 125 K und 32 bar), Argon (Siedetemperatur 87,3 K bei Normaldruck, Trippelpunkt bei 85 K, kritischer Punkt bei 145 K und 39 bar) oder auch eine Mischung mehrerer dieser Stoffe zum Einsatz. Bei Mischungen wie z. B. Stickstoff mit Sauerstoff oder auch mit Methan lassen sich leicht auch Zwischentemperaturen rea lisieren.

Bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung wird also ein Wärmerohr vorgesehen, das stationär an eine Kältemaschine gekoppelt ist. Hierbei ist eine Übertragung des Kältemittels in den kryogenen Bereich vorgesehen, wobei der Übergang zwi schen feststehenden und rotierenden Teilen durch abtropfende Flüssigkeit und der Rückweg durch strömendes Gas erfolgt.

Der Wicklungskörper 9 soll hinreichend wärmeleitend ausge führt sein; d. h., er weist gut wärmeleitende Teile zwischen seiner Wand zum zentralen Hohlraum 12 und der Wicklung 10 auf. Auf diese Weise ist die Wicklung über den Wicklungskör per 9, das Kältemittel k und k', die Kondensatoreinheit 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 auf einfache Weise ther misch an den Kaltkopf 16 der Kälteeinheit angekoppelt. Zur Verbesserung des Wärmeübertrags können gegebenenfalls die Wärmeaustauschflächen bezüglich des gasförmigen Kältemittels k' vergrößernde Maßnahmen, beispielsweise eine Rippung in Um fangsrichtung an der Wicklungsträgerwand des zentralen Hohl raums 12, vorgesehen sein.

Zu einer besseren Förderung der flüssigen Phase des Kältemit tels k innerhalb des Wärmerohres 20 kann dieses noch in an sich bekannter Weise mit Einbauten in Form eines sogenannten "Dochtes", z. B. mit einem Edelstahldrahtschwamm oder eine durch Rillen vergrößerte Oberfläche, ausgestattet sein. Neben dem in der Figur dargestellten Transport der flüssigen Phase im horizontalen Teil des Wärmerohrs 20 ist selbstverständlich auch eine Förderung gegen die Schwerkraft möglich.

Selbstverständlich müssen die das Kältemittel k bzw. k' um schließenden Teile/Behältnisse gegen Wärmeeinleitung ge schützt sein. Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenen falls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzliche noch I solationsmittel wie z. B. Superisolation oder Isolationsschaum vorgesehen werden können. In Fig. 1 ist das von dem Vakuum gefäß 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 die Kondensatoreinrichtung 18 und den Wärmeübertra gungskörper 17 umschließende Vakuum ist mit V' bezeichnet. Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Raum 22 ein Unterdruck er zeugt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung einer Supralei tungseinrichtung 2 mit Rotor S ist eine Einmalbefüllung mit gasförmigem Kältemittel k' vorgesehen. Sofern die Kälteein heit abgeschaltet wird und sich die kalten Teile aufwärmen, wird der Druck im Rohr- bzw. Hohlraumsystem durch Verdampfen des Kältemittels ansteigen. Dabei hängt der Enddruck von den eingeschlossenen Volumina und der Menge des Kältemittels im System ab. Sofern z. B. Neon bei etwa 1 bar und 27 K und minimaler Flüssigkeitsmenge k als Kältemittel benutzt wird, ist davon auszugehen, dass nach einem Aufwärmen auf Raumtempera tur von etwa 300 K der Druck bei über 12 bar liegen wird. Da dieser Druck die rotierende Dichtung 21 belastet, kann es ge gebenenfalls vorteilhaft sein, ein externes, warmes Puffervo lumen vorzusehen. Sofern dieses Volumen PV das n-Fache des kalten Volumens des Kältemittels k, k' beträgt, kann der Druckanstieg im Warmen auf das 1 : (n + 1)-Fache auf diese Weise reduziert werden. Fig. 2 zeigt eine entsprechende Ausbildung der Supraleitungseinrichtung nach Fig. 1. Es sind dort be zeichnet mit 2' die gesamte Supraleitungseinrichtung, mit PV das Puffervolumen, mit 25 ein Füllventil, von dem aus das System über eine Füllkapillare 24 mit gasförmigem Kältemittel k' zu befüllen ist, sowie mit 26 ein Überdruckventil. Die üb rigen Teile der Maschine entsprechen denen der Ausführungs form der Supraleitungseinrichtung 2 nach Fig. 1.

Claims

1. Supraleitungseinrichtung
mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem wärmeleitend ausgeführten Wicklungsträger angeordnet sind, und
mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch über wärmeübertragende Teile an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf aufweist,
dadurch gekennzeichnet,

a) dass der Wicklungsträger (9) mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum (12) ausgestattet ist, an den ein aus dem Wicklungsträger (9) heraus führender seitlicher Hohlraum (13) angeschlossen ist,
b) dass sich der Kaltkopf (16) feststehend außerhalb des Ro tors (5) befindet und thermisch mit einer Kondensatorein heit (18) zur Kondensation eines Kältemittels (k, k') ver bunden ist,
c) dass ein feststehendes Wärmerohr (20) an die Kondensator einheit (18) gekoppelt ist, das axial in den mitrotieren den seitlichen Hohlraum (13) hinein ragt und gegenüber diesem Raum abgedichtet ist

sowie

a) dass das Wärmerohr (20), der seitliche Hohlraum (13) und der zentrale Hohlraum (12) mit dem Kältemittel (k, k') ge füllt sind, wobei kondensiertes Kältemittel (k) über das Wärmerohr (20) in den seitlichen Hohlraum (13) und von dort in den zentralen Hohlraum (12) sowie dort verdampfen des Kältemittel (k') zurück über den seitlichen Hohlraum (13) und das Wärmerohr (20) zu der Kondensatoreinheit (18) gelangt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der zentrale Hohlraum (12) auf einer Seite durch den Wicklungsträger (9) abgeschlossen ist und der seitliche Hohlraum (13) an der dem Kaltkopf (18) zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung (21) mit mitrotierenden Teilen abgedichtet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (21) zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferrofluiddich tung, Labyrinthdichtung, Spaltdichtung aufweist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kaltkopf (16) umfassende Kälteeinheit mindestens einen insbe sondere regenerativen Kryokühler aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kryokühler ein Pulsröh renkühler oder ein Split-Stirling-Kühler oder ein Gifford- McMahon-Kühler ist.

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Ausbil dung des Kaltkopfes.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kaltkopf zwei Kältestu fen aufweist, wobei die erste Stufe thermisch mit einer Stromzuführung oder einem Strahlungsschild und die zweite Stufe thermisch mit dem Kondensator (18) verbunden sind.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sup raleitende Wicklung (10) mittels des Kaltkopfes (16) auf ei ner Temperatur unter 77 K zu halten ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lei ter der Wicklung (10) metallisches Niedrig-T_c-Supraleiter material oder metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthalten.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wär merohr (20) an seinem in den seitlichen Hohlraum (13) hinein ragenden Ende (20a) als Tropfkante ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Hohlraum (13) sich in Richtung auf den zentralen Hohlraum (12) erweiternd ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kältemittelfluss auf Grund einer Thermosyphon-Wirkung und/oder Heat-Pipe- Wirkung.

13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest die kalten Teile des Rotors (5) und das Wärmerohr (20) vakuumisoliert sind.