DE10018169C2

DE10018169C2 - Vorrichtung zur Kühlung mindestens eines elektrischen Betriebselements in mindestens einem Kryostaten

Info

Publication number: DE10018169C2
Application number: DE2000118169
Authority: DE
Inventors: Bernd Gromoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: DE10018169C5; DE10018169A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Küh lung eines elektrischen Betriebselementes nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 198 56 425 A1 bekannt.

Aus dem vorstehend genannten Stand der Technik ist eine für ein in einem Kryostaten angeordnetes Betriebselement zu ent nehmen, dass als supraleitender Fehlerstrombegrenzer ausge führt ist. Die hochtemperatursupraleitfähigen Leiter dieses Fehlerstrombegrenzers sind mittels eines Kältemittels wie flüssigem Stickstoff (LN₂) auf der erforderlichen Betriebs temperatur zu halten. Sie sind mit aus dem Kryostaten heraus führenden Stromleitungen verbunden, die mit Abgas des Kälte mittels nach dem Gegenstromprinzip gekühlt werden. Dieses Ab gas wird in die Stromleitungen umschließenden Auffangleitun gen aufgenommen und über eine Rückleitung in einen Refrigera tor geleitet. Mittels dieses nicht näher ausgeführten Refri gerators wird das Kältemittelabgas verflüssigt und dann in den Kryostaten zurückgeführt. Es ist so ein geschlossener Kältemittelumlauf vorhanden, in welchem der Refrigerator in tegriert ist. Dabei ist davon ausgegangen, dass in diesem Refrigerator das Kältemittel Stickstoff als dessen Arbeitsgas typischerweise verwendet wird (vgl. z. B. das Buch von H. Jungnickel u. a. mit dem Titel "Grundlagen der Kältetechnik", Verlag Technik GmbH Berlin, 3. Auflage, 1990, Seiten 247 und 248). Ein solcher Refrigerator umfasst bekanntermaßen mecha nisch angetriebene und bewegte Maschinenteile, die hier im Stand der Technik somit in dem Kühlmittelkreislauf des Kry ostaten einbezogen sind.

Bei dem im Kryostaten der Erfindung zu betreibenden elektri schen Betriebselement handelt es sich vorzugsweise um Elemente, die bei insbesondere im Bereich der Temperatur der flüs sigen Luft, vorzugsweise des flüssigen Stickstoffs, zu be treiben sind. Ein spezielles solches Betriebselement ist, wie schon oben erwähnt, ein hochtemperatursupraleitendes Element wie z. B. ein Hochtemperatur-Supraleiter-(HTSL)-Strombegren zer. Solche Strombegrenzer werden neuerdings in Starkstroman lagen, vorzugsweise in Mittelspannungsanlagen eingesetzt, wo sie einem mechanischen Kurzschlussstrom-Abschalter schon län ger bekannter Bauart als Schutz wirksam vorgeschaltet sind, bis dieser Abschalter mechanisch wirksam geworden ist. Diese Verwendung eines solchen Betriebselements bedingt auch hier, dass es, - in dem Kryostaten auf der erwähnten tiefen Tempe ratur gekühlt vorhanden -, mittels Zu- und Ableitungen für den elektrischen Betriebsstrom mit Betriebselementen außer halb des Kryostaten verbunden ist. Dabei ist es nicht unüb lich, dass im Falle eines wie erwähnten Strombegrenzers durch solche Stromleitungen mehrere Tausend Ampere im Dauer-Betrieb hindurchfließen.

In einer solchen Vorrichtung treten infolge des innerhalb dieser Vorrichtung fließenden elektrischen Stromes erhebliche Mengen Joulescher Wärme auf, die zuverlässig nach außen abge führt werden müssen, damit das im Kryostaten befindliche Be triebselement auf der tiefen Kryo-Temperatur gehalten werden kann. Dies ist für das einwandfreie Funktionieren dieses Be triebselementes unabdingbar.

Der Vollständigkeit halber sei auch erwähnt, dass in dem im Kryostaten befindlichen elektrischen Betriebselement eben falls Joulesche Wärme auftreten kann und insbesondere dann sogar in kurzzeitig erheblicher Menge auftritt, wenn der oben erwähnte Kurzschlussfall, d. h. das Betriebselement seine Schutzfunktion erfüllt. Es erfüllt die hier erörterte Vor richtung auch die mit dieser Betriebsfunktion verbundenen Be dingungen hinsichtlich der mit der Vorrichtung zu erreichen den Kühlung bzw. Wärmeabfuhr.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung seien des einfacheren und zweifelsfreien Verständnisses halber im Zusammenhang mit der Beschreibung einer beispielhaften und vorzugsweisen Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben. Zum Stand der Technik sei noch auf P. Komarek, "Hochstromanwen dungen der Supraleitung", Teubner Verlag, Stuttgart (1995), Seiten 113-156; Buyanov, Y. L, et al., The Review of Current Leads for Cryogenic Devices", Cryogenics 15 (1975), Seiten 193-200 verwiesen. Dort sind im übrigen auch weitere Beispie le für mit Kryostaten zu betreibende elektrische Betriebsele mente genannt, für deren Betrieb sich die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichermaßen eignet. Dies gilt auch für den Be trieb der Vorrichtung mit Kryo-Temperaturen unterhalb der der flüssigen Luft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Vorrich tung der oben genannten bekannten Art solche erfindungsgemäß spezialisierte Ausführungsformen anzugeben, die für den Be trieb und insbesondere auch für den Wartungs- und Reparatur betrieb einer solchen Vorrichtung besonders angepasst und vorteilhaft ausgestaltet sind. Insbesondere betrifft dies den gemeinsamen bzw. gleichzeitigen Betrieb mehrerer solcher Vor richtungen, z. B. im Mehrphasenbetrieb und auch in größeren Schaltanlagen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch,

- dass der Umlauf des Kältemittels im geschlossenen System allein aufgrund einer Thermosyphonwirkung erfolgt,
- dass zu einer wärmekontaktierenden Rückkühlung des Abgases ein dem geschlossenen System und der Kältemaschine gemein samer Wärmetauscher vorgesehen ist und
- dass die Kältemaschine vom geschlossenen System abtrennbar ist.

Das Prinzip der Erfindung ist, innerhalb eines von der Kälte maschine abtrennbaren Systems mit geschlossenem Kühlmittelkreislaufs des Kryostaten keine mechanisch bewegten Konstruk tionsteile vorzusehen. Dieses Prinzip und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nach folgend anhand der zur Offenbarung der Erfindung gehörig bei gefügten Figuren beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß aus gebildeten Vorrichtung und

Fig. 2 zeigt ein System mit mehreren solchen erfindungsgemä ßen Vorrichtungen.

Die Vorrichtung 1 umfasst einen Kryostaten 2, der im Wesent lichen aus einem wärmeisolierten, vorzugsweise topfförmigen oder kesselförmigen Behälter 3 mit einem Deckel 4 besteht. In der Fig. 1 und ebenso im Betrieb ist dieser doppelwandige, durch evakuierten Doppelwand-Zwischenraum bekanntermaßen hoch-wärmeisolierende Behälter 3 mit einem Kältemittel 5 bis zu einem wie gezeigten Flüssigkeitsspiegel 6 gefüllt. Für die im Betrieb fortlaufende Zufuhr des Kältemittels 5 im flüssi gen Aggregatzustand dient die Zuführungsleitung 7, wie sie dargestellt ist. Das flüssige Kältemittel ist beispielsweise flüssiger Stickstoff und mit LN₂ (Liquid Nitrogene) bezeich net. Mit 10 ist pauschal das im Kryostaten zu betreibende, vorgegebene elektrische Betriebselement bezeichnet, das z. B. ein wie erwähnter und beschriebener Hochtemperatur-Supra leiter-(HTSL-)Strombegrenzer sei. Dieser kann mit dem LN₂ auf der erforderlich niedrigen Betriebstemperatur gekühlt gehal ten werden.

Mit 11 sind die schon erwähnten Strom-Zuleitungen und -Ab leitungen bezeichnet. Durch diese Leitungen 11 fließt im Be trieb derjenige elektrische Strom, der mittels des Betriebs elementes 10 unter bestimmten äußeren Bedingungen zu schalten ist. Dieser Strom I kann dabei mehrere Tausend Ampere betra gen, so dass im Betrieb ständig von diesen Strom-Zuleitungen 11 ausgehend Wärme an deren unmittelbare Umgebung abgegeben wird. Um diese Wärme abzuführen bzw. zum Zwecke der Wärmeab fuhr dient oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 6 im Inneren des Kryostaten 2 unterhalb des Deckels 4 befindliches Abgas des Kältemittels 5. Dieses ist hier mit GN₂ für gasförmiges Nitrogen bezeichnet. Infolge der mittels der von den strom durchflossenen Leitungen 11 abgegebenen Wärme auftretenden Thermosyphonwirkung erfährt dieses gasförmige Kältemittel einen Thermosyphon-Antrieb mit der mit 20 bezeichneten Strö mung. Für diese Abgas-Strömung 20 ist der aus der Fig. 1 er sichtliche Kreislauf konstruktiv vorgesehen. In diesen Kreis lauf der Strömung 20 ist ein Wärmetauscher 30 eingefügt. Die ser dient dazu, mit der Gasströmung 20 transportierte Wärme menge in diesem Wärmetauscher 30 an eine wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt außerhalb des geschlossenen Kältemittel kreislaufs des Kryostaten befindliche und betriebene Kältema schine 40 abzugeben. Dieser Wärmetauscher, der auch als Ge genstromwärmetauscher zu bezeichnen ist, ist also dazu vorge sehen und nach an sich bekannter Art ausgestaltet und bemes sen, dass mit diesem bei Wärmekontakt-Verbindung 31 mit der Kältemaschine 40 das gasförmige Kältemittel GN₂ dort zu wie der flüssigem Kältemittel LN₂ kondensiert wird.

Bei der Vorrichtung wird der Wärmetauscher einer konventio nellen Gemischkaskaden-Kältemaschine verwendet. Da diese Käl temaschine konventioneller Art ist, ist sie in der Fig. 1 nur dem Prinzip nach dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrich tung 1' mit dem Zusammenwirken einer zentralen Kältemaschine 40 und mehreren geschlossenen Systemen S₁, S₂ und S₃.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorzug, dass diese in Fig. 1 mit 1 und mit den Einzelheiten 2 bis 30 bezeichne te Vorrichtung ein geschlossenes System S aufweist. Dieses System steht nur in einer wärmekontaktierenden und -ableiten den Berührung mit der Kältemaschine 40. Es hat einen in sich geschlossenen Umlauf des Kältemittels innerhalb der Vorrichtung. Es bedarf eines Öffnens des Systems S nur bei z. B. ei nem Ersatz von durch Leckage verloren gegangenem Kältemittel. Gerade weil das geschlossene System S der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 keine mechanisch bewegten und zu bewegenden Teile - z. B. eines Refrigerators, wie dieser im Stand der Technik im internen Kühlmittelkreislauf des Kryostaten vorge sehen ist - umfasst, ist diese Leckage sogar außerordentlich gering.

Eine dennoch bei einer Vorrichtung 1' mit mehreren geschlos senen Systemen S₁ bis S₃ (siehe hierzu Fig. 2) möglicherwei se erforderliche Reparatur oder ein vorzunehmender Austausch kann bei der Erfindung so ausgeführt werden, dass davon wei tere an Verbindungen 31 von Wärmetauschern 30 an die Kältema schine 40 thermisch angekoppelte geschlossene Systeme wie z. B. S₂, S₃ nicht betroffen sind. Ein solcher Eingriff ist z. B. dann notwendig, wenn ein Austausch des Betriebselements 10 vorzunehmen ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Betriebselemen tes, das sich in einem Kryostaten befindet, der mit einem Kältemittel gefüllt ist, und das mit Stromleitungen verbunden ist, die vom Abgas des Kältemittels zu kühlen sind, wobei sich das Kältemittel und das Abgas in einem geschlossenen System befinden und zur Rückkühlung des Abgases eine Kältema schine vorhanden ist, dadurch gekenn zeichnet,
dass der Umlauf (20) des Kältemittels (5, LN₂, GN₂) im ge schlossenen System (S) allein aufgrund einer Thermosyphonwir kung erfolgt,
dass zu einer wärmekontaktierenden Rückkühlung des Abgases (GN₂) ein dem geschlossenen System (S) und der Kältemaschine (40) gemeinsamer Wärmetauscher (30) vorgesehen ist und
dass die Kältemaschine (40) vom geschlossenen System (S) ab trennbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere geschlossene Systeme (S₁ bis S₃) mit Kryostaten (2) und darin befindlichen Be triebselementen (10) mit der Kältemaschine (40) über Wärme tauscher (30) verbunden sind.