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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Maschinenanlage
- a)
mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten, von einem Stator
umgebenen Rotor, der mindestens eine Rotorwicklung aufweist, deren supraleitfähige Leiter
wärmeleitend
an einen zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen
Rotorhohlraum angekoppelt sind,
- b) mit einem feststehend in den Rotorhohlraum unter Einhaltung
eines Ringspaltes hineinragenden Wärmeleitkörper, der einen zentralen Kältemittelraum
aufweist,
- c) mit einem sich in dem Ringspalt befindenden Wärmekontaktgas,
- d) mit einer außerhalb
des Rotors befindlichen, ortsfesten Kälteeinheit mit einem Kondensorraum und
- e) mit zwischen dem zentralen Kältemittelraum und dem Kondensorraum
der Kälteeinheit
verlaufenden, rohrförmigen
Leitungsteilen.
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Dabei
bilden der zentrale Kältemittelraum, die
rohrförmigen
Leitungsteile und der Kondensorraum ein geschlossenes Leitungssystem,
in dem ein Kältemittel
unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert oder zirkulieren
kann. Eine entsprechende Maschinenanlage geht aus der WO 02/15370
A1 hervor.
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Seit
1987 kennt man metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen
Tc von über 77
K. Diese Materialien werden deshalb auch als Hoch(High)-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien
bezeichnet und ermöglichen
prinzipiell eine Kühltechnik
mit flüssigem
Stickstoff (LN2).
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Mit
Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch
supraleitende Wicklungen von Maschinen zu erstel len. Es zeigt sich jedoch,
dass bisher bekannte HTS-Leiter eine verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit
in Magnetfeldern mit Induktionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies
macht es vielfach erforderlich, dass die Leiter solcher Wicklungen
trotz der an sich hohen Sprungtemperatur Tc der
verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden
Temperaturniveau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden
müssen,
um so bei auftretenden hohen Feldstärken nennenswerte Ströme tragen
zu können. Ein
solches Temperaturniveau liegt deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur
des flüssigen
Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien
mit vergleichsweise niedriger Sprungtemperatur Tc,
sogenannte Niedrig(Low)-Tc-Materialien oder
LTS-Materialien gekühlt
werden.
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Zur
Kühlung
von Wicklungen mit HTS-Leitern in dem genannten Temperaturbereich
unter 77 K kommen bevorzugt Kälteanlagen
in Form von sogenannten Kryokühlern
mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf
zum Einsatz. Solche Kryokühler
sind insbesondere vom Typ Gifford McMahon oder Stirling oder sind
als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet.
Sie haben zudem den Vorteil, dass ihre Kälteleistung quasi auf Knopfdruck
zur Verfügung
steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird.
Bei Verwendung solcher Kälteanlagen
wird die supraleitende Wicklung lediglich durch Wärmeleitung
zu einem Kaltkopf eines entsprechenden Refrigerators indirekt gekühlt (vgl.
z.B. auch „Proc.
16th Int. Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996,
Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).
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Eine
entsprechende Kühltechnik
ist auch für den
aus der eingangs genannten WO 02/15370 A1 entnehmbaren Rotor einer
elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotierende Wicklung
aus HTS-Leitern, die sich in einem wärmeleitend ausgebildeten Wicklungsträger befinden.
Dieser Wicklungsträger
ist mit einem sich in Achsrichtung erstreckenden, zylindrischen
Rotorhohlraum ausgestattet. In diesen Rotor hohlraum ragt feststehend
ein zentraler Wärmeleitkörper, der
einen zentralen zylindrischen Kältemittelraum
umschließt.
In dem sich zwischen der mitrotierenden Außenwand des Rotorhohlraums
und der feststehenden Außenwand
des Wärmeleitkörpers ausgebildeten,
hohlzylindrischen Ringspaltes befindet sich ein Wärmekontaktgas
zur Wärmeübertragung
zwischen dem Wicklungsträger und
dem Wärmeleitkörper. An
dessen zentralen Kältemittelraum
schließen
sich seitlich aus dem Rotor herausführende, feststehende rohrförmige Leitungsteile
an. Diese Leitungsteile führen
in einen geodätisch
höher liegenden
Kondensorraum einer Kälteeinheit
und bilden zusammen mit diesem Kondensorraum und dem zentralen Kältemittelraum
ein geschlossenes Ein-Rohr-Leitungssystem. In diesem Leitungssystem
befindet sich ein Kältemittel,
das unter Ausnutzung eines sogenannten Thermosyphon-Effektes zirkuliert.
Hierbei wird in dem Kondensorraum kondensiertes Kältemittel über die
rohrförmigen
Leitungsteile in den zentralen Kältemittelraum geleitet,
wo es wegen der thermischen Ankopplung an den Wicklungsträger über das
Wärmekontaktgas und
damit an die zu kühlende
HTS-Wicklung Wärme aufnimmt
und zumindest teilweise verdampft. Der verdampfte Kältemittelteil
gelangt dann zurück über dieselben
Leitungsteile in den Kondensorraum, wo er zurückkondensiert wird. Die hierfür erforderliche
Kälteleistung
wird von einer Kältemaschine
erbracht, deren Kaltkopf an den Kondensorraum thermisch angekoppelt
ist. Der Rückstrom
des Kältemittels
hin zu dem als Kondensator wirkenden Teilen der Kältemaschine
wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck, welcher sich in dem
als Verdampferteil wirkenden zentralen Kältemittelraum ausbildet. Dieser
durch das Entstehen von Gas im Verdampferteil und das Verflüssigen im
Kondensorraum erzeugte Überdruck
führt zu
dem gewünschten
Kältemittelrückstrom.
Die entsprechende Zirkulation wird auch als natürliche Konvektion bezeichnet.
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Statt
dieses bekannten Ein-Rohr-Thermosyphon-Leitungssystems, bei dem
das flüssige
und das gasförmige
Kältemittel
durch gleiche Rohrteile strömen,
sind auch Zwei-Rohr- Leitungssysteme
für eine Kältemittelzirkulation
unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes bekannt (vgl. z.B.
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WO
00/13296 A). Hierbei muss im Bereich der Hohlwelle des Rotors ein
zusätzliches
Rohr für das
gasförmige
Kältemittel
vorgesehen werden.
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Bei
den bekannten Maschinen mit Thermosyphon-Kühlung erfolgt also der Transport
des Kältemittels
allein unter Ausnutzung der natürlichen
Konvektion, so dass keine weiteren Pumpsysteme erforderlich sind.
Will man eine derartige Maschinenanlage auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen
einsetzen, so muss vielfach mit statischen Schieflagen, einem sogenannten „Trim", von bis zu ± 5° und/oder mit
dynamischen Schifflagen von bis zu ± 7,5° in Längsrichtung gerechnet werden.
Um eine Zulassung einer Klassifizierungsgesellschaft für einen Schiffseinsatz
zu erhalten, muss folglich das Kühlsystem
einer solchen Maschinenanlage eine sichere Kühlung gewährleisten. Will man die genannten Schieflagen
der Maschine zulassen, so besteht jedoch die Gefahr, dass ein Bereich
der rohrförmigen Leitungsteile
zwischen dem zentralen Kältemittelraum
und der Kälteeinheit
geodätisch
tiefer zu liegen kommt als der zentrale Kältemittelraum selbst. Die Folge
davon ist, dass das Kältemittel
unter Einfluss der Schwerkraft den Kältemittelraum nicht mehr erreichen
kann. Eine Kühlung
der Maschine und somit deren Betrieb wären damit nicht mehr sichergestellt.
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Um
dieser Gefahr zu begegnen, sind unter anderem die folgenden Vorschläge bekannt:
- – Eine
einfache Lösung
bestünde
darin, die Maschine gegenüber
der Horizontalen so geneigt anzuordnen, dass auch bei größter anzunehmender Trimlage
oder Oszillationsamplitude in dem Thermosyphon-Leitungssystem immer
noch ein Gefälle
in Richtung auf den zentralen Kältemittelraum vorhanden
ist. Eine entsprechend geneigte Anordnung ist gerade im Schiffsbau
insbesondere bei größerer Maschinenlänge aus Gründen eines dann
erforderlichen großen
Platzbedarfs unerwünscht.
- – Prinzipiell
kann das Kältemittel
auch durch eine Pumpanlage zwangsumgewälzt werden. Hierfür ist jedoch
ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere wenn
sich das Kältemittel
auf einem Temperaturniveau von beispielsweise 25 bis 30 K befinden
soll. Derartige Umwälzanlagen
bedingen zudem erhebliche Verluste und können die Lebensdaueranforderungen
des Schiffsbaus mit seinen langen Wartungsintervallen kaum erfüllen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eine Maschine mit
zugehörender
Kälteeinheit
umfassende Maschinenanlage mit den eingangs genannten Merkmalen
dahingehend auszugestalten, dass auch bei realistisch anzunehmenden Schräg-/bzw. Schieflagen
ihres Rotors, wie sie bei einem Einsatz auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen
auftreten können,
dennoch in dem zentralen Kältemittelraum
eine hinreichende Kühlwirkung
durch das Kältemittel
zu erreichen ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Dementsprechend
soll bei der Maschinenanlage mit den eingangs genannten Merkmalen
der zentrale Kältemittelraum
zumindest teilweise mit einer Auskleidung aus einem porösen Material
hoher thermischer Leitfähigkeit
versehen sein, das für
das Kältemittel
zugängliche,
kapillarähnliche
Strukturen oder Hohlräume
bildet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Auskleidung
der Innenwand eines in den Rotorhohlraum quasi als feststehender
Kühlfinger
hineinragenden, innen hohlen Wärmeleitkörpers ist
dann insbesondere der Vorteil verbunden, dass auch bei geneigter
Achse auf Grund der Kapillarwirkung eine hinreichend gleichmäßige Verteilung
des Kältemittels
erreicht wird. Auf diese Weise ist eine gute Benetzung des porösen Materials
zu gewährleisten.
Da dieses Material eine hinreichend hohe thermische Leitfähigkeit
besitzen soll, lässt
sich dann eine gute thermische Ankopplung der zu kühlenden
Leiter an das Kältemittel über den
den Rotorhohlraum umschließenden
Wicklungsträger, über das
in dem Ringspalt vorhandene Wärmekontaktgas
und die Wand des Wärmeleitkörpers mit
seiner besonderen Auskleidung gewährleisten.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der aus Anspruch 1 entnehmbaren Maschinenanlage
sind den abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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So
kann es sich bei dem porösen
Material bevorzugt um ein Sintermaterial, insbesondere aus oder
mit Kupfer (Cu), handeln. Unter einem Sintermaterial sei in diesem
Zusammenhang jeder Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit
verstanden, der auf pulvermetallurgischem Wege durch Pressen und Erhitzen
ausgebildet ist und dabei noch eine für die geforderte Kapillarität hinreichende
Porosität
aufweist.
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Die
Auskleidung des Kältemittelraums
aus dem Sintermaterial kann insbesondere in diesen eingepresst oder
eingeschrumpft sein. Mit entsprechenden Verfahren lässt sich
auf einfache Weise die gewünschte
Auskleidung realisieren.
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So
kann die Auskleidung aus dem porösen Material
insbesondere eine Porosität
von mindestens 3 %, vorzugsweise mindestens 10 % aufweisen, um so
für die
geforderte Kapillarwirkung eine hinreichend große mit dem Kältemittel
benetzbare Oberfläche
anzubieten.
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Zu
bevorzugen sind insbesondere solche Materialien für die Auskleidung,
deren thermische Leitfähigkeit
mindestens 100 W· pro
(m·K·) bei
der Betriebstemperatur des supraleitenden Materials beträgt. Insbesondere
Kupfer(Cu)-Material erfüllt
ohne weiteres diese Bedingung, da dessen thermische Leitfähigkeit
einen Wert hat, der über
dem beanspruchten Mindestwert liegt.
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Statt
einer Auskleidung mit einem Sintermaterial ist auch eine entsprechend
poröse
Beschichtung möglich.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschinenanlage gehen aus
den vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.
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Zu
einer ergänzenden
Erläuterung
der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen,
an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschinenanlage
noch weiter beschrieben ist. Dabei zeigt in schematisierter Darstellung
deren einzige Figur einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäß ausgestaltete
Maschinenanlage.
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Erfindungsgemäße Maschinenanlagen
umfassen jeweils eine Maschine bzw. einen Motor sowie eine zugeordnete
Kälteeinheit.
Bei der nachfolgend an Hand der Figuren angedeuteten Ausführungsform einer
solchen Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor
oder einen Generator handeln. Die Maschine umfasst eine rotierende,
supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem
LTS-Material oder oxidischem HTS-Material gestattet. Letzteres Material
sei bevorzugt für
das nachfolgende Ausführungsbeispiel
zugrunde gelegt. Mit entsprechenden Leitern kann die Wicklung aus
einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer 2-, 4- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung
bestehen. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Synchron-Motors
geht aus der Figur hervor, wobei von der aus der eingangs genannten WO
02/15370 A1 (5 in Verbindung mit den 2 und 3)
bekannten Ausführungsform
einer Maschinenanlage ausgegangen wird.
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Die
mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein feststehendes, 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 Rota tionsachse A in Lagern 6 gelagert.
Bei diesen Lagern kann es sich um konventionelle mechanische Lager
oder auch um Magnetlager 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 Rotorhohlraum 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.
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Auf
der gegenüberliegenden
Rotorseite ist ein rohrförmiger
Rotorwellenteil 5b vorhanden, in den seitlich ein ortsfestes
Halsrohr 30 hineinragt, das im Bereich des zentralen Rotorhohlraums
an einen zentralen Wärmeleitkörper 31 angeschlossen
ist. Dabei ist gegenüber
der mitrotierenden Wand des Rotorwellenteils 5b und des
zentralen Rotorhohlraums 12 ein hohlzylindrischer Ringspalt 32 eingehalten.
Zu einer gasdichten Abdichtung dieses Ringspaltes ist der Rotorhohlraum 12 des
Wicklungsträgers
auf der dem Rotorwellenteil 5a zugewandten Seite abgeschlossen.
Auf der gegenüberliegenden
Seite an dem rohrförmigen
Rotorwellenteil 5b ist der Ringspalt 32 über eine
nicht näher
ausgeführte
Dichtungseinrichtung 21 mit mindestens einer Dichtung abgedichtet.
Der Ringspalt ist mit einem Wärmekontaktgas
g, vorzugsweise Helium oder für
Temperaturen über
30 K Betriebstemperatur Neon, befüllt. Über dieses Kontaktgas wird
ein Wärmekontakt
zwischen dem Wärmeleitkörper 31 und
der den Rotorhohlraum 12 begrenzenden Wand des Wicklungskörpers 9 geschaffen. Der
Wicklungskörper
soll hinreichend wärmeleitend ausgeführt sein,
d.h., er weist gutwärmeleitende
Teile zwischen der Wand des Rotorhohlraums 12 und der Wicklung 10 auf.
Auf diese Weise ist die Wicklung über den Wicklungskörper 9,
das Wärmekontaktgas g
und die Wand des Wärmeleitkörpers 31 auf
einfache Weise thermisch an den Innenraum 31a dieses Wärmeleitkörpers angekoppelt.
Als Material für
den zylinderförmigen
Wärmeleitkörper kommen
deshalb thermisch gut-leitende Metalle wie Al oder Cu in Frage.
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Zu
einer indirekten Kühlung
der HTS-Wicklung 10 über
die wärmeleitenden
Teile des Wicklungsträgers 9 ist
eine allgemein mit 15 bezeichnete Kälteeinheit vorgesehen, von
der lediglich ein Kaltkopf 16 näher angedeutet ist. Bei dieser
an sich bekannten 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 wesentlichen,
weiteren Teile der Kälteeinheit
außerhalb
des Rotors 5 bzw. dessen Außengehäuses 3.
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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 angeschlossen,
das in einem axialen Bereich mitrotierenden Hohlraum 13 oder
den zentralen Kältemittelraum 12 hineinragt.
Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 bzw.
des Halsrohres 31 gegenüber
dem seitlichen Wellenteil 5b dient die 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
das seitliche Halsrohr 30 ist der zentrale Kältemittelraum 31a mit
dem Wärmetauschbereich
des Kondensorraums 18 nach außen gasdicht abgedichtet verbunden.
Die zwischen dem zentralen Kältemittelraum 31a und
dem Kondensorraum 18 verlaufenden, rohrförmigen Teile,
die zur Aufnahme eines Kältemittels
dienen, sind allgemein als Leitungsteile 22 bezeichnet.
Diese Leitungsteile werden zusammen mit dem Kondensorraum 18 und
dem zentralen Kältemittelraum 31a als
ein Leitungssystem betrachtet.
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Diese
Räume dieses
Leitungssystems sind mit einem Kältemittel
gefüllt,
das je nach gewünschter
Betriebstemperatur der HTS-Wicklung 10 ausgewählt wird.
So kommen beispielsweise Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4K
bei Normaldruck), Neon (Kondensationstemperatur 27,1K bei Normaldruck),
Stickstoff (Kondensationstemperatur 77,4K bei Normaldruck) oder
Argon (Kondensationstemperatur 87,3K bei Normaldruck) in Frage.
Auch können Gemische
aus diesen Gasen vorgesehen werden. Die Zirkulation des Kältemittels
erfolgt dabei unter Ausnutzungen eines sogenannten Thermosyphon-Effektes.
Hierzu wird an einer Kaltfläche
des Kaltkopfes 16 im Bereich des Kondensorraums 18 das
Kältemittel
kondensiert. Anschließend
fließt
das so verflüssigte,
mit k bezeichnete Kältemittel
durch die Leitungsteile 22 in den zentralen Kältemittelraum 31a.
Der Transport des Kondensats geschieht dabei unter Einfluss der
Schwerkraft. Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige Kältemittel
in dem feststehenden Kältemittelraum 31a zumindest
teilweise verdampft. Das dampfförmige
Kältemittel
ist mit k' 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 Kältemittelraum 31a 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 Kältemittelraum 31a und
die Rückströmung des
verdampften Kältemittels
k' aus diesem Kältemittelraum
zurück
zu dem Kondensorraum in dem aus dem Kondensorraum 18, den
Leitungsteilen 22 und dem Kältemittelraum 12 gebildeten
rohrförmigen
Leitungssystem erfolgt, kann von einem Ein-Rohr-System mit einer
Zirkulation des Kältemittels
k, k' unter Ausnutzung
eines Thermosyphon-Effektes gesprochen werden. Selbstverständlich sind für die erfindungsgemäße Maschinenanlage
auch bekannte Mehrrohr-Leitungssysteme einsetzbar, die eine Thermosyphon-Zirkulation
ermöglichen.
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Bei
einem Einsatz der Maschine 2 auf Schiffen oder Off-Shore-Einrichtungen können Schieflagen
auftreten, bei denen die Rotationsachse A gegenüber der Horizontalen H um einen
Winkel 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 Kältemittelraum 31a erreichen,
so dass dann die Leitungsteile 22 insbesondere im achsnahen
Bereich allmählich
mit flüssigem
Kältemittel
k volllaufen. Bei einer verhältnismäßig geringen
Füllmenge
des Leitungssystems mit Kältemittel kann
dann der Läuferinnenraum
bzw. der Kältemittelraum 31a trocken
laufen und wird somit nicht mehr gekühlt. Bei einer größeren Füllmenge
des Leitungssystems wird der Rückstrom
des gasförmigen
Kältemittels
k' in den Leitungsteilen 22 hin
zum Kondensorraum 18 nach einer gewissen Zeit durch angesammeltes
flüssiges
Kältemittel
blockiert. Eine sichere Kühlung
des Rotors bzw. seiner supraleitenden Wicklung ist in diesem Fall
ebenfalls nicht mehr gewährleistet.
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Aus
diesem Grunde ist, wie aus der Figur hervorgeht, gemäß der Erfindung
an der Innenseite des Wärmeleitkörpers 31 eine
besondere Auskleidung 25 aus einem hinreichend porösen Material, vorzugsweise
aus einem Sintermaterial vorgesehen. Seine Dicke D liegt dabei im
Allgemeinen zwischen 0,1 und 2 mm. Ein solches Sintermaterial sei
für das Ausführungsbeispiel
ausgewählt.
Es ist damit zu gewährleisten,
dass sich auch bei Schieflagen auf Grund von Kapillarkräften in
dem Sintermaterial das Kältemittel
k gleichmäßig auf
der Innenfläche
verteilt, so dass damit eine gleichmäßige Verdampfung und damit
Kühlung
sicherzustellen ist. Die Auskleidung 25 soll zudem aus
einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie z.B. der von Kupfer bestehen Sie sollte mindestens 100 W·m-1·K-1 bei einer gewählten Betriebstemperatur des
verwendeten supraleitenden Materials betragen. Bevorzugt sollte
der Mindestwert bei 400 W·(m·K)-1 liegen. So hat zum Beispiel Cu-Sintermaterial
einen Wert der thermischen Leitfähigkeit bei
einer Temperatur von 30 K von etwa 30 W·cm-1·grad-1 bzw. 3000 W·m-1K-1 (vgl. „Gmelins Handbuch der Anorganischen
Chemie: Kupfer, Teil A",
8.Aufl. 1955, Seite 957).
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Die
Auskleidung 25 weist dabei einen guten thermischen Kontakt
mit dem Wärmeleitkörper 31 auf,
der z.B. durch eine Schrumpfverbindung oder durch ein Einpressen
zu erreichen ist.
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Eine
entsprechende Auskleidung kann auch in Form einer Schicht vorliegen,
die durch Beschichtung der Innenfläche des Wärmeleitkörpers 31 mit einem
Material erreicht wird. Dabei ist eine hinreichend poröse Struktur
zu gewährleisten,
damit die geforderten Kapillarkräfte
wirksam werden können.
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Die
Porosität
der Auskleidung 25 bzw. ihres Materials sollte hierfür mindestens
3 %, vorzugsweise mindestens 10 % betragen. Im Betrieb bei Rotation
mit geneigter Achse bewirkt dann die Auskleidung eine gleichmäßige Verteilung
des flüssigen
Kältemittels
k, wobei die Verteilung des Kältemittels
an den Wänden
oder Flächen
der mit den Strukturen oder Hohlräumen geschaffenen Kältemittelwege
durch die auftretenden Fliehkräfte
noch zusätzlich
unterstützt wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Auskleidung lässt sich
also eine gleichmäßige Verlustwärmeabfuhr über die
gesamte Hohlzylinder-Innenfläche
des Wärmeleitkörpers 31 sowohl
im Betriebszustand als auch bei Rotation im Betrieb unabhängig von
der Neigung der Motorachse A gewährleisten.
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Selbstverständlich müssen die
das Kältemittel
k bzw. k' 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 der Figur ist das von dem Vaku umgefäß 7 eingeschlossene
Vakuum mit V bezeichnet. Es umgibt außerdem das sich bis zu der
Dichtung 21 erstreckende Halsrohr 30. Das Wärmerohr 20 sowie
den Kondensorraum 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 umschließende Vakuum
ist mit V' bezeichnet.
Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von
dem Außengehäuse 3 umschlossenen
Innenraum 27 ein Unterdruck erzeugt werden.