DE102012016292B4

DE102012016292B4 - Method and device for cooling objects

Info

Publication number: DE102012016292B4
Application number: DE102012016292.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kutz; Friedhelm Herzog
Original assignee: Messer Industriegase GmbH; Messer SE and Co KGaA
Current assignee: Messer Industriegase De GmbH; Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: WO2014026873A2; WO2014026873A3; DE102012016292A1

Abstract

Verfahren zum Kühlen von Objekten, bei dem ein Kühlmedium aus einem ersten Vorratsbehälter (3, 41) über eine erste Kühlmediumsleitung (5, 43) einem zu kühlenden Objekt (2) zugeführt, mit diesem im Wärmekontakt gebracht und anschließend über eine zweite Kühlmediumsleitung (16, 48) abgeführt wird, wobei das Kühlmedium nach dem Wärmekontakt mit dem Objekt (2) über die zweite Kühlmediumsleitung (16, 48) einem zweiten Vorratsbehälter (17, 42) zugeführt wird und bei Erreichen einer vorgegebenen Füllmenge im ersten oder zweiten Vorratsbehälter (3, 17, 41, 42) das Kühlmedium aus dem zweiten Vorratsbehälter (17, 42) dem Objekt zugeführt und mit diesem in Wärmekontakt gebracht und anschließend in den ersten Vorratsbehälter (3, 41) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium vor dem Wärmekontakt mit dem Objekt (2) unterkühlt wird.

Method for cooling objects, in which a cooling medium is fed from a first storage container (3, 41) via a first cooling medium line (5, 43) to an object (2) to be cooled, brought into thermal contact with it and then fed via a second cooling medium line (16 , 48), the cooling medium is added to a second storage container (17, 42) after the heat contact with the object (2) via the second cooling medium management (16, 48) and when a specified filling quantity is reached in the first or second storage container (3 , 17, 41, 42) the cooling medium from the second reservoir (17, 42) is fed to the object and brought into thermal contact with it and then returned to the first reservoir (3, 41), characterized in that the cooling medium before the thermal contact is supercooled with the object (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von Objekten, bei dem ein Kühlmedium aus einem ersten Vorratsbehälter über eine erste Kühlmediumsleitung einem zu kühlenden Objekt zugeführt, mit diesem im Wärmekontakt gebracht und anschließend über eine zweite Kühlmediumsleitung abgeführt wird, wobei das Kühlmedium nach dem Wärmekontakt mit dem Objekt über die zweite Kühlmediumsleitung einem zweiten Vorratsbehälter zugeführt wird und dass bei Erreichen einer vorgegebenen Füllmenge im ersten oder zweiten Vorratsbehälter das Kühlmedium aus dem zweiten Vorratsbehälter dem Objekt zugeführt, mit diesem in Wärmekontakt gebracht und anschließend in den ersten Vorratsbehälter zurückgeführt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung.The invention relates to a method for cooling objects, in which a cooling medium is fed from a first storage container via a first cooling medium line to an object to be cooled, brought into thermal contact with it and then removed via a second cooling medium line, the cooling medium being in thermal contact with the object is fed to a second storage container via the second cooling medium line and that when a predetermined filling quantity is reached in the first or second storage container, the cooling medium is fed from the second storage container to the object, brought into thermal contact with it and then returned to the first storage container. The invention also relates to a device suitable for carrying out the method according to the invention.

Als „Objekt“ im Sinne der vorliegenden Erfindung soll jedes mit einem flüssigen oder gasförmigen, insbesondere kryogenen Kühlmedium kühlbare Objekt verstanden werden; beispielsweise handelt es sich dabei um zu kühlende elektrische oder elektronische Geräte, Brenner, Motoren, Aggregate zum Kühlen eines Raumes oder eines Gasstroms. Insbesondere zielt die Erfindung auf die Kühlung supraleitender Apparaturen, wie beispielsweise supraleitende Spulen oder Kabel. Supraleitende Kabel müssen, wie alle auf Basis supraleitender Bauelemente arbeitende Einrichtungen, auf eine Betriebstemperatur gekühlt werden, die unterhalb der supraleitenden Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) des verwendeten Supraleiters liegt. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von T_c < 10 K bei klassischen metallischen Supraleitern bis zu Werten von T_c >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, wie beispielsweise Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_2n+6. Zur Kühlung werden nach dem Stand der Technik unterkühlte verflüssigte Gase, beispielsweise tiefkalt verflüssigter Stickstoff, flüssige Luft oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Helium, als Wärmeübertragungsmittel eingesetzt. Als „unterkühltes verflüssigtes Gas“ wird hier ein Gas verstanden, das auf einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck vorliegt. Im Gegensatz zur Verwendung eines nicht- unterkühlten, also bei der entsprechenden Siedetemperatur vorliegenden, verflüssigten Gases bewirkt dabei die Aufnahme von Wärme zunächst nur eine Temperaturerhöhung des verflüssigten Gases, ohne dass eine Änderung des Aggregatzustandes eintritt.An “object” within the meaning of the present invention is to be understood as meaning any object that can be cooled with a liquid or gaseous, in particular cryogenic, cooling medium; for example, these are electrical or electronic devices to be cooled, burners, motors, aggregates for cooling a room or a gas flow. In particular, the invention aims at the cooling of superconducting equipment, such as superconducting coils or cables. Like all devices working on the basis of superconducting components, superconducting cables must be cooled to an operating temperature which is below the superconducting transition temperature (transition temperature) of the superconductor used. Superconductor transition temperatures vary widely, ranging from T _c < 10 K for classic metallic superconductors to values of T _c >100 K for ceramic high-temperature superconductors, such as Bi ₂ Sr ₂ Ca _n Cu _n +1O _2n+6 . According to the prior art, supercooled liquefied gases, for example cryogenic liquefied nitrogen, liquid air or a liquefied inert gas, in particular liquid helium, are used as heat transfer medium for cooling. “Supercooled liquefied gas” is understood here to mean a gas that is at a temperature below the boiling point at the prevailing pressure. In contrast to the use of a liquefied gas that is not supercooled, i.e. one that is present at the corresponding boiling point, the absorption of heat initially only causes the temperature of the liquefied gas to rise, without a change in the state of aggregation occurring.

Beispiele für derartige Kühlsysteme werden in den Druckschriften US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 und US 2006/0150639 A1 beschrieben. Bei all diesen Systemen wird das verflüssigte Gas unterkühlt und mittels einer Pumpe dem Objekt (supraleitendes Kabel) zugeführt. Nach dem Wärmetausch mit dem Objekt wird das Kühlmedium mittels eines Unterkühlers erneut abgekühlt, um die beim Wärmekontakt mit dem Objekt aufgenommene Wärme abzuführen, und steht anschließend wieder zur erneuten Kühlung des Objekts zur Verfügung. Als Unterkühler kommt beispielsweise eine Kältemaschine zum Einsatz, oder, wie bei den Gegenständen der der EP 1 850 354 A1 und der US 6 732 536 B1 , ein Wärmeaustauscher, in welchem auf der wärmeabführenden Seite ein Kühlmedium bei einer Temperatur verdampft, die unterhalb der Kühltemperatur des zu kühlenden Objektes liegt. Beispielsweise wird das gleiche Kühlmedium wie im Kältekreislauf bei einem Druck verdampft, der geringer als der Systemdruck im Kältekreislauf ist, und mit dem bei höherem Druck vorliegenden Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht. Dadurch wird das bei höherem Druck vorliegende Kühlmedium unterkühlt. Durch den Einsatz von Vakuumpumpen kann der Verdampfungsdruck und damit die Verdampfungstemperatur des zur Unterkühlung eingesetzten Mediums noch weiter abgesenkt werden. Die Wahl des Kühlmediums hängt von der Betriebstemperatur des zu kühlenden Objekts ab; bei Systemen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, kommt häufig flüssiger Stickstoff als Kühlmedium zum Einsatz.Examples of such cooling systems are in the references U.S. 6,732,536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 and U.S. 2006/0150639 A1 described. In all of these systems, the liquefied gas is supercooled and fed to the object (superconducting cable) by means of a pump. After the heat exchange with the object, the cooling medium is cooled again by means of a supercooler in order to dissipate the heat absorbed during thermal contact with the object, and is then available again for cooling the object again. For example, a chiller is used as a subcooler, or, as with the objects, the der EP 1 850 354 A1 and the U.S. 6,732,536 B1 , a heat exchanger in which a cooling medium evaporates on the heat-dissipating side at a temperature that is below the cooling temperature of the object to be cooled. For example, the same cooling medium as in the refrigeration cycle is vaporized at a pressure lower than the system pressure in the refrigeration cycle and brought into thermal contact with the cooling medium present at higher pressure. As a result, the cooling medium present at higher pressure is supercooled. By using vacuum pumps, the evaporation pressure and thus the evaporation temperature of the medium used for supercooling can be further reduced. The choice of cooling medium depends on the operating temperature of the object to be cooled; in systems that work on the basis of high-temperature superconductors, liquid nitrogen is often used as a cooling medium.

Die bekannten Systeme weisen Nachteile auf, die insbesondere bei langen Kühlstrecken, insbesondere bei der Kühlung von Kabeln, zum Tragen kommen. Da das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird, durchläuft nach dem Stande der Technik das Kühlmedium entweder das zu kühlende Objekt sowohl auf dem Hin- als auch Rückweg, oder das Kühlmedium wird über eine parallel zum Objekt führende Rückleitung zum Kühlmediumstank bzw. zur Saugseite der Pumpe zurückgeführt. Im ersten Fall verkompliziert das Vorsehen von zwei Strömungswegen im zu kühlenden. Objekt den Aufbau des Objekts, 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 einer aufwändigen, wärmeisolierten Rückleitung erforderlich. Die zunächst naheliegende Lösung, auf den Kreislauf und damit auf die Rückführung des Kältemediums zu verzichten, scheitert an den hohen Kosten des verflüssigten Gases. Um auftretende Druckverluste möglichst gering zu halten, wird das zu kühlende Objekt daher in strömungstechnisch voneinander getrennte Kühlsegmente unterteilt, für die jeweils ein eigenes Kreislauf- Kühlsystem zum Einsatz kommt. Auch dies ist jedoch mit einem hohen apparatetechnischen Aufwand verknüpft.The known systems have disadvantages that come into play in particular in the case of long cooling sections, in particular when cooling cables. Since the cooling medium is circulated, according to the prior art, the cooling medium either runs through the object to be cooled both on the way there and back, or the cooling medium is returned to the cooling medium tank or to the suction side of the pump via a return line running parallel to the object . In the first case, the provision of two flow paths in the to be cooled complicates. Object depends on the structure of the object, and the pressure loss that occurs over twice the length of the cooling path must be compensated for with correspondingly complex pump and pressure pipe systems. In the second case, the construction of a complex, thermally insulated return line is required. The initially obvious solution of doing without the circuit and thus the recirculation of the cooling medium fails due to the high costs of the liquefied gas. In order to keep the pressure losses that occur as low as possible, the object to be cooled is divided into cooling segments that are separated from one another in terms of flow, each with its own circulatory cooling system. However, this is also associated with a high outlay in terms of apparatus.

Aus der US 5 848 532 A ist ein Kühlsystem zum Kühlen eines Objekts, insbesondere eines Hochtemperatursupraleiter bekannt, das in einer Kühlleitung zwischen zwischen zwei Vorratsbehältern für ein Kühlmedium angeordnet ist. Durch wechselweisen Druckaufbau in den Vorratsbehältern durch Verdampfen von Kühlmedium gelingt es, das Objekt beständig von Kühlmedium anströmen zu lassen. Nachteilig bei diesem System sind jedoch die vergleichsweise hohen Verdampfungsverluste an Kühlmedium.From the U.S. 5,848,532 A discloses a cooling system for cooling an object, in particular a high-temperature superconductor, which is arranged in a cooling line between two storage containers for a cooling medium. By alternating pressure build-up in the reservoirs by evaporation of cooling medium, it is possible to have the object constantly flown by cooling medium. A disadvantage of this system, however, is the comparatively high evaporation loss of cooling medium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Möglichkeit zum Kühlen von Objekten, insbesondere von supraleitenden Kabeln, anzugeben, die bei ähnlicher Leistungsfähigkeit mit einem geringeren apparatetechnischen Aufwand und geringeren Verlusten an Kühlmedium als nach dem Stand der Technik bekannte Systeme auskommt.The object of the present invention is therefore to specify a possibility for cooling objects, in particular superconducting cables, which, with similar performance, requires less equipment and has fewer losses of cooling medium than systems known from the prior art.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalskombinationen der Unteransprüche.This problem is solved by a method with the features of patent claim 1 and by a device with the features of patent claim 5. Advantageous refinements result from the feature combinations of the subclaims.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium vor dem Wärmekontakt mit dem Objekt unterkühlt wird..According to the invention, a method of the type and purpose mentioned at the outset is characterized in that the cooling medium is supercooled before it comes into thermal contact with the object.

Erfindungsgemäß wird also das Kühlmedium abwechselnd vom ersten Vorratsbehälter zum zweiten Vorratsbehälter und zurück geführt, wobei es bei jedemAccording to the invention, the cooling medium is alternately routed from the first reservoir to the second reservoir and back, with each

Durchgang in jeder Richtung zu einem Wärmekontakt mit dem Objekt kommt. Beispielsweise wird mittels eines Sensors die Füllmenge im ersten oder dem zweiten Vorratsbehälter kontinuierlich gemessen. Bei Erreichen einer vorgegebenen Grenzfüllmenge wird die Förderung aus dem ersten Vorratsbehälter eingestellt, beispielsweise wird eine dazu eingebaute Fördereinrichtung abgestellt und/oder der Druck im ersten Vorratsbehälter reduziert. Gleichzeitig wird die Rückförderung des Kühlmediums aus dem zweiten Vorratsbehälter gestartet. Dabei durchströmt das Kühlmedium bevorzugt die gleichen Strömungswege wie zuvor, nunmehr jedoch in umgekehrter Strömungsrichtung. Im Verlauf einer Kühlaufgabe pendelt das Kühlmedium dabei vorzugsweise mehrfach hintereinander zwischen den Vorratsbehältern. Das Kühlmedium wird also nicht gleichzeitig durch das Objekt hin- und zurück geführt, wie dies bei Systemen nach dem Stand der Technik der Fall ist, sondern durchläuft das Objekt stets nur in einer Richtung. Entsprechend sind die Strömungswege innerhalb des Objekts gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkürzt. Die Pendelführung des Kühlmediums ermöglicht daher eine wirtschaftliche und vorteilhafte Kühlung, insbesondere für Objekte mit langen Kühlstrecken, bei denen es zu einem hohen Druckverlust entlang der Kühlstrecke kommt.passage in any direction comes into thermal contact with the object. For example, the filling quantity in the first or the second reservoir is continuously measured by means of a sensor. When a predetermined limit filling quantity is reached, the delivery from the first storage container is stopped, for example a delivery device installed for this purpose is switched off and/or the pressure in the first storage container is reduced. At the same time, the return of the cooling medium from the second reservoir is started. The cooling medium preferably flows through the same flow paths as before, but now in the opposite direction of flow. In the course of a cooling task, the cooling medium preferably oscillates between the reservoirs several times in succession. The cooling medium is therefore not guided back and forth through the object at the same time, as is the case with systems according to the prior art, but always runs through the object in only one direction. Accordingly, the flow paths within the object are significantly shorter than in the prior art. The pendulum guidance of the cooling medium therefore enables economical and advantageous cooling, in particular for objects with long cooling sections where there is a high pressure loss along the cooling section.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Förderung des Kühlmediums aufgrund eines eingestellten Druckunterschiedes zwischen den Vorratsbehältern erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird - im Falle eines flüssigen Kühlmediums - der Druck in einem der Vorratsbehälter durch Teilverdampfung erhöht und/oder der Druck im anderen Vorratsbehälter durch teilweises Ablassen von verdampftem Kühlmedium auf einen geringeren Wert als im erstgenannten Vorratsbehälter gehalten. Der Druckaufbau erfolgt entweder mittels einer Heizeinrichtung oder dadurch, dass ein Teil der flüssigen Phase einem Luftverdampfer zugeführt und das dabei verdampfende Kühlmedium zum Druckaufbau im Vorratsbehälter verwendet wird. Dabei auftretende Gasverluste können zweckmäßigerweise teilweise dadurch ausgeglichen werden, dass eine Pendelgasleitung vorgesehen ist, die die Gasphasen der Vorratsbehälter verbindet und die mit einer Armatur ausgerüstet ist, die einen teilweisen Druckausgleich zwischen den Vorratsbehältern erlaubt. Diese Ausführungsform der Erfindung kommt also ohne Fördereinrichtungen wie Pumpen, etc. in den Kühlmediumsleitungen aus, jedoch geht zumindest ein Teil des verdampften Kühlmediums durch Abblasen verloren oder muss aufwändig wieder verflüssigt und einem der Vorratsbehälter erneut zugeführt werden.An advantageous further development of the invention provides that the cooling medium is conveyed on the basis of a set pressure difference between the reservoirs. In this embodiment of the invention - in the case of a liquid cooling medium - the pressure in one of the reservoirs is increased by partial evaporation and/or the pressure in the other reservoir is kept at a lower value than in the first-mentioned reservoir by partially releasing evaporated cooling medium. The pressure is built up either by means of a heating device or by supplying part of the liquid phase to an air evaporator and using the cooling medium which evaporates in the process to build up pressure in the reservoir. Any gas losses that occur can expediently be partially compensated for by providing a reciprocating gas line which connects the gas phases of the reservoirs and which is equipped with a fitting which allows partial pressure equalization between the reservoirs. This embodiment of the invention does not require conveying devices such as pumps, etc. in the cooling medium lines, but at least part of the evaporated cooling medium is lost by blowing off or has to be liquefied again at great expense and fed back to one of the reservoirs.

Alternativ oder ergänzend zur vorgenannten Ausführungsform kommen Fördereinrichtungen, beispielsweise Pumpen, zum Fördern des Kühlmediums zum Einsatz. Im einfachsten Fall genügt der Einsatz einer einzigen Fördereinrichtung, die entweder zugleich mit der Förderung des Kühlmediums einen Druckaufbau im zweiten Vorratsbehälter bewirkt, der wiederum nach Erreichen der Grenzfüllhöhe für die Rückströmung des Kühlmediums in den ersten Vorratsbehälter sorgt, oder aber die eine Fördereinrichtung kann mit den beiden Vorratsbehältern derart verschaltet werden, dass sie zum abwechselnden Fördern von Kühlmedium vom ersten Vorratsbehälter zum zweiten und umgekehrt in der Lage ist. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einbau zweier gegenläufig arbeitender Fördereinrichtungen, die jeweils abwechselnd betrieben werden. Eine Druckdifferenz zwischen den beiden Vorratsbehältern ist dann zur Förderung des Kühlmediums nicht erforderlich.As an alternative or in addition to the aforementioned embodiment, conveying devices, for example pumps, are used to convey the cooling medium. In the simplest case, it is sufficient to use a single pumping device, which either causes a pressure build-up in the second storage tank at the same time as the cooling medium is pumped, which in turn ensures that the cooling medium flows back into the first storage tank after the filling level has been reached, or one pumping device can be connected to the both reservoirs are connected in such a way that they are capable of alternately conveying cooling medium from the first reservoir to the second and vice versa. However, the installation of two conveyor devices working in opposite directions, which are each operated alternately, is particularly advantageous. A pressure difference between the two reservoirs is then not required to convey the cooling medium.

Erfindungsgemäß wird das Kühlmedium vor seinem Wärmekontakt mit dem Objekt unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunktes gebracht. Dazu ist zumindest ein Unterkühler in einer der Kühlmediumsleitungen angeordnet, wobei das Kühlmedium zumindest so weit unterkühlt werden sollte, dass das Kühlmedium weder bei der Kühlung des Objekts, noch bei der anschließenden Speicherung im zweiten Vorratsbehälter, noch bei der Rückführung zum ersten Vorratsbehälter zu wesentlichen Teilen verdampft. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind in beiden Kühlmediumsleitungen Unterkühler vorgesehen und das Kühlmedium wird vor jedem Wärmekontakt an das Objekt einer Unterkühlung unterzogen.According to the invention, the cooling medium is supercooled before it comes into thermal contact with the object, ie it is brought to a temperature below its boiling point. There is at least one Unterküh ler in one of the cooling medium lines, whereby the cooling medium should be supercooled at least to such an extent that the cooling medium does not evaporate to any significant extent either during the cooling of the object, nor during the subsequent storage in the second storage container, nor during the return to the first storage container. In a particularly preferred embodiment, subcoolers are provided in both cooling medium lines and the cooling medium is subjected to supercooling before any thermal contact with the object.

Bevorzugt kommt als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, beispielsweise Flüssigstickstoff, LNG oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Argon oder flüssiges Helium. Flüssigstickstoff ist insbesondere zum Kühlen von Apparaturen geeignet, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, insbesondere von supraleitenden Kabeln oder Segmenten von supraleitenden Kabeln.A liquefied gas is preferably used as the cooling medium, for example liquid nitrogen, LNG or a liquefied noble gas, in particular liquid argon or liquid helium. Liquid nitrogen is particularly suitable for cooling apparatus that work on the basis of high-temperature superconductors, in particular superconducting cables or segments of superconducting cables.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Kühlen eines Objekts umfasst die Merkmale des Patentanspruchs 5. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei einen ersten Vorratsbehälter zum Speichern von Kühlmedium auf, der über eine erste Kühlmediumsleitung mit einem zu kühlenden Objekt strömungsverbunden ist. Dabei ist dem Objekt eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme vom Objekt auf das Kühlmedium zugeordnet, die wiederum mit einer zweiten Kühlmediumsleitung zum Abführen von Kühlmedium strömungsverbunden ist, die an einen zweiten Vorratsbehälter zum Speichern von Kühlmedium angeschlossen ist. Weiterhin sind Mittel zum Rückfördern von Kühlmedium vom zweiten Vorratsbehälter über die Wärmetauscherfläche des Objekts zum ersten Vorratsbehälter vorgesehen sowie in der ersten und/oder in der zweiten Kühlmediumsleitung eine Einrichtung zum Unterkühlen des durch die Kühlmediumsleitung geführten Kühlmediums vorgesehen ist.A device suitable for carrying out the method according to the invention for cooling an object comprises the features of patent claim 5. A device according to the invention has a first reservoir for storing cooling medium, which is flow-connected to an object to be cooled via a first cooling medium line. The object is assigned a heat exchanger surface for transferring heat from the object to the cooling medium, which in turn is flow-connected to a second cooling medium line for discharging cooling medium, which is connected to a second reservoir for storing cooling medium. Furthermore, means are provided for returning cooling medium from the second storage container via the heat exchanger surface of the object to the first storage container, and a device for supercooling the cooling medium guided through the cooling medium line is provided in the first and/or in the second cooling medium line.

Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, das Kühlmedium nach dem Wärmekontakt mit dem Objekt einem zweiten Vorratsbehälter zuzuführen und darin zu speichern. Das dem zweiten Vorratsbehälter zugeführte Kühlmedium wird anschließend wieder zur Kühlung des Objekts eingesetzt, und zwar derart, dass es der Wärmetauscherfläche des Objekts und anschließend dem ersten Vorratsbehälter zugeführt wird, wobei bevorzugt die dabei benutzten Strömungswege zumindest weitgehend identisch mit den Strömungswegen sind, die zuvor zur Führung des Kühlmediums aus dem ersten Vorratsbehälter eingesetzt wurden. Das Kühlmedium wird also in einer Pendelbewegung zwischen den beiden Vorratsbehältern hin- und her geführt, wobei bei in beiden Richtungen ein Wärmekontakt mit dem Objekt stattfindet. Als „Wärmetauscherfläche“ soll hier im Übrigen jede zur Wärmeübertragung vom Objekt auf das Kühlmedium geeignete Einrichtung verstanden werden, beispielsweise eine Metallfläche, die zur Wärmeübertragung von einem aus einem supraleitenden Material bestehenden Bauteil dient.According to the invention, provision is therefore made for the cooling medium to be supplied to a second reservoir after thermal contact with the object and to be stored therein. The cooling medium fed to the second reservoir is then used again to cool the object in such a way that it is fed to the heat exchanger surface of the object and then to the first reservoir, with the flow paths used preferably being at least largely identical to the flow paths previously used for Guide the cooling medium were used from the first reservoir. The cooling medium is thus guided back and forth between the two reservoirs in a pendulum movement, with thermal contact taking place with the object in both directions. Incidentally, a “heat exchanger surface” is to be understood here as any device suitable for heat transfer from the object to the cooling medium, for example a metal surface that is used for heat transfer from a component made of a superconducting material.

Vorteilhafterweise umfassen die Mittel zum Rückführen des Kühlmediums Einrichtungen zur Druckänderung in den Vorratsbehältern, beispielsweise Druckaufbauverdampfer, Kompressoren oder dergleichen. Die Förderung des Kühlmediums erfolgt somit aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Vorratsbehältern. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzfüllstandes, was beispielsweise mittels eines Sensors festgestellt wird, werden die Druckverhältnisse umgestellt und der bisher füllende Behälter wird auf einen niedrigeren Druck eingestellt als der bis dahin befüllte Behälter, woraufhin das Kühlmedium in umgekehrte Richtung strömt. Beispielsweise erfolgt die Umkehrung der Druckverhältnisse durch Ablassen eines Teils der Gasphase im ersten Vorratsbehälter und gleichzeitigem Druckaufbau im zweiten Vorratsbehälter.The means for returning the cooling medium advantageously include devices for changing the pressure in the storage containers, for example pressure build-up evaporators, compressors or the like. The cooling medium is thus conveyed on the basis of the pressure difference between the reservoirs. When a predetermined limit fill level is reached, which is determined by a sensor, for example, the pressure ratios are changed and the previously filling container is set to a lower pressure than the previously filled container, whereupon the cooling medium flows in the opposite direction. For example, the pressure conditions are reversed by releasing part of the gas phase in the first reservoir and simultaneously building up pressure in the second reservoir.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zudem vor, dass in der ersten Kühlmediumsleitung eine Fördereinrichtung zum Fördern von Kühlmedium zum Objekt angeordnet ist und dass die Mittel zum Rückfördern des Kühlmediums eine zuschaltbare Zweigleitung umfassen, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen Wärmetauscherfläche und dem erstem Vorratsbehälter unter Umgehung dieser Fördereinrichtung herstellbar ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung dient die Fördereinrichtung zum einen dazu, das Kühlmedium zum zweiten Vorratsbehälter zu fördern und zum anderen dazu, im zweiten Vorratsbehälter einen Druckaufbau zu bewirken, der die Rückförderung des Kühlmediums vom zweiten Vorratsbehälter zum ersten Vorratsbehälter ermöglicht. Zur Rückförderung muss die Zweigleitung zugeschaltet und die Strömungsverbindung zur Fördereinrichtung in der ersten Kühlmediumsleitung unterbrochen und/oder die Fördereinrichtung abgestellt werden. Das Kühlmedium strömt dann über die Zweigleitung unter Umgehung der Fördereinrichtung und entgegen deren Förderrichtung. Eine weitere Fördereinrichtung für die Rückförderung ist in diesem Fall nicht erforderlich.The device according to the invention also provides that a conveying device for conveying cooling medium to the object is arranged in the first cooling medium line and that the means for conveying back the cooling medium comprise a switchable branch line, by means of which a flow connection can be established between the heat exchanger surface and the first storage container, bypassing this conveying device is. In this embodiment of the invention, the conveying device serves to convey the cooling medium to the second reservoir and also to cause a pressure build-up in the second reservoir, which enables the cooling medium to be conveyed back from the second reservoir to the first reservoir. For return transport, the branch line must be switched on and the flow connection to the transport device in the first cooling medium line must be interrupted and/or the transport device must be switched off. The cooling medium then flows via the branch line, bypassing the conveying device and counter to its conveying direction. A further conveying device for the return conveyance is not necessary in this case.

In einer alternativen Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird die in der ersten Kühlmediumszuführung angeordnete Fördereinrichtung direkt zur Rückführung des Kühlmediums aus dem zweiten Vorratsbehälter eingesetzt. Dazu umfassen die Mittel zum Rückführen des Kühlmediums zwei zuschaltbare Zweigleitungen, mit denen, bei entsprechender Verschaltung der Leitungen, eine Strömungsführung des Kühlmediums vom zweiten Vorratsbehälter zur Fördereinrichtung, von dort zum Objekt bzw. zur Wärmetauscherfläche und von dort zum ersten Vorratsbehälter möglich ist. Als „zuschaltbar“ wird hier eine Leitung verstanden, die mit eingebauten Sperrarmaturen geöffnet und geschlossen werden kann. Eine erste zuschaltbare Zweigleitung führt dabei vom zweiten Vorratsbehälter zur ersten Kühlmediumsleitung, und zwar saugseitig zur Fördereinrichtung. Eine zweite zuschaltbare Zweigleitung führt von der zweiten Kühlmediumsleitung, vorzugsweise stromab zur Wärmetauscherfläche, zum ersten Vorratsbehälter. Weiterhin ist eine Sperrarmatur in der ersten Kühlmediumsleitung, zwischen deren Anschluss zum erstem Vorratsbehälter und dem Anschluss der ersten Zweigleitung vorgesehen, und eine weitere Sperrarmatur in der zweiten Kühlmediumsleitung, zwischen dem Anschluss der zweiten Zweigleitung und dem Anschluss des zweiten Vorratsbehälters. Die Sperrarmaturen in den Zweigleitungen und in den Kühlmediumsleitungen ermöglichen die Schaltung von einem ersten Betriebszustand, in dem die Fördereinrichtung Kühlmedium vom ersten Vorratsbehälter über das Objekt zum zweiten Vorratsbehälter fördert, zu einem zweiten Betriebszustand, in dem die Fördereinrichtung Kühlmedium vom zweiten Vorratsbehälter über das Objekt zum ersten Vorratsbehälter fördert. Der Wechsel der Betriebszustände findet dabei bevorzugt automatisch statt und wird von einer elektronischen Überwachungseinheit gesteuert.In an alternative embodiment of the device described above, the conveying device arranged in the first coolant feed is used directly for returning the coolant from the second reservoir. For this purpose, the means for returning the cooling medium include two switchable branch lines, with which, with appropriate wiring of the lines, a flow of the cooling medium from second reservoir to the conveyor, from there to the object or to the heat exchanger surface and from there to the first reservoir is possible. A line that can be opened and closed with built-in shut-off valves is understood here to be “switchable”. A first switchable branch line leads from the second reservoir to the first cooling medium line, namely on the suction side to the conveying device. A second switchable branch line leads from the second coolant line, preferably downstream to the heat exchanger surface, to the first reservoir. Furthermore, a shut-off valve is provided in the first coolant line, between its connection to the first reservoir and the connection of the first branch line, and a further shut-off valve is provided in the second coolant line, between the connection of the second branch line and the connection of the second reservoir. The shut-off fittings in the branch lines and in the cooling medium lines enable switching from a first operating state, in which the conveying device conveys cooling medium from the first reservoir via the object to the second reservoir, to a second operating state in which the conveying device conveys cooling medium from the second reservoir via the object to the promotes first reservoir. The change in the operating states preferably takes place automatically and is controlled by an electronic monitoring unit.

Eine wieder andere, zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass in der zweiten Kühlmediumsleitung eine Fördereinrichtung zum Fördern von Kühlmedium vom zweiten Vorratsbehälter zur Wärmetauscherfläche angeordnet sowie eine zuschaltbare Zweigleitung vorgesehen ist, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen der Wärmetauscherfläche und zweitem Vorratsbehälter unter Umgehung der Fördereinrichtung herstellbar ist. In diesem Falle sind also zwei in entgegen gesetzte Richtungen arbeitende Fördereinrichtungen vorgesehen, die abwechselnd betrieben werden. Das Kühlmedium wird dabei, an der jeweils nicht betriebenen Fördereinrichtung vorbei, durch eine der Zweigleitungen geführt. Auch bei dieser Variante findet die Steuerung der Strömungsführungen und Fördereinrichtungen bevorzugt automatisch statt.Yet another expedient embodiment of the device according to the invention provides that a conveying device for conveying cooling medium from the second reservoir to the heat exchanger surface is arranged in the second coolant line, and a switchable branch line is provided, by means of which a flow connection is established between the heat exchanger surface and the second reservoir, bypassing the conveying device is producible. In this case, two conveying devices working in opposite directions are provided, which are operated alternately. The cooling medium is guided through one of the branch lines, past the conveying device that is not in operation. In this variant, too, the control of the flow guides and conveying devices preferably takes place automatically.

Erfindungsgemäß ist/sind in der ersten und/oder in der zweiten Kühlmediumsleitung eine Einrichtung zum Unterkühlen des durch die Kühlmediumsleitung geführten Kühlmediums vorgesehen. Dadurch wird gewährleistet, dass das Kühlmedium vor dem Wärmekontakt mit dem Objekt stets im unterkühlten Zustand vorliegt. Als Unterkühler kommt beispielsweise eine Apparatur zum Einsatz, bei der ein verflüssigtes, bei einem gegebenen Druck vorliegendes kryogenes Kühlmedium mit dem gleichen Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht wird, das gleichfalls im verflüssigten Zustand, jedoch bei einem niedrigeren Druck vorliegt. Da die Siedetemperatur mit abnehmenden Druck sinkt, wird das beim höheren Druck vorliegende Kühlmedium beim Wärmekontakt auf eine Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur abgekühlt. Auf diese Weise kann das kryogene Kühlmedium auf eine Temperatur abgekühlt werden, die beispielsweise 5 bis 10K oder noch weiter unterhalb seines Siedepunkts liegt. Alternativ kann jedoch auch eine Kältemaschine oder ein Wärmetauscher zum Einsatz kommen, der einen thermischen Kontakt mit einem weiteren, noch kälteren Medium herstellt.According to the invention, a device is/are provided in the first and/or in the second coolant line for supercooling the coolant that is routed through the coolant line. This ensures that the cooling medium is always in the supercooled state before it comes into thermal contact with the object. An example of a subcooler is an apparatus in which a liquefied cryogenic cooling medium at a given pressure is brought into thermal contact with the same cooling medium which is also in the liquefied state but at a lower pressure. Since the boiling temperature falls with decreasing pressure, the cooling medium present at the higher pressure is cooled to a temperature below its boiling temperature on thermal contact. In this way, the cryogenic cooling medium can be cooled to a temperature which is, for example, 5 to 10K or even further below its boiling point. Alternatively, however, a refrigeration machine or a heat exchanger can also be used, which creates thermal contact with another, even colder medium.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Apparatur, insbesondere eines supraleitenden Kabels.The use of the method according to the invention or the device according to the invention for cooling a superconducting apparatus, in particular a superconducting cable, is particularly preferred.

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

1: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform,
2: den Aufbau eines supraleitenden Kabels und
3: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

Exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. Show in schematic views:

1 : A device according to the invention in a first embodiment,
2 : the construction of a superconducting cable and
3 : A device according to the invention in a second embodiment.

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen eines Objekts 2, beispielsweise eines supraleitenden Kabels, umfasst einen ersten Vorratsbehälter 3, beispielsweise einen mit thermisch gut isolierten Wänden ausgerüsteter Standtank, zum Speichern von verflüssigtem Gas, der über eine Kühlmediumsleitung 5 mit einem ersten Kühlmediumsanschluss 6 des Objekts 2 strömungsverbunden ist. In der Kühlmediumsleitung 5 ist eine Pumpe 7 zum Fördern des verflüssigten Gases aus dem Vorratsbehälter 3 sowie eine Einrichtung 8 zum Unterkühlen des durch die Kühlmediumsleitung 5 geführten verflüssigten Gases vorgesehen. Mittels einer Sperrarmatur 9 kann die Durchleitung von verflüssigtem Gas durch die Kühlmediumsleitung 5 unterbrochen oder geöffnet werden. Weiterhin ist eine Zweigleitung 10 vorgesehen, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten Kühlmediumsanschluss 6 des Objekts 2 und dem Vorratsbehälter 3 unter Umgehung von Pumpe 7 und Einrichtung 8 hergestellt werden kann. Eine Sperrarmatur 11 ermöglicht das Schließen bzw. Öffnen der Zweigleitung 10.In the 1 The device 1 shown for cooling an object 2, e.g. a superconducting cable, comprises a first reservoir 3, e.g is. A pump 7 for conveying the liquefied gas from the reservoir 3 and a device 8 for supercooling the liquefied gas guided through the cooling medium line 5 are provided in the cooling medium line 5 . The passage of liquefied gas through the cooling medium line 5 can be interrupted or opened by means of a shut-off fitting 9 . Furthermore, a branch line 10 is provided, by means of which a flow connection can be established between the first cooling medium connection 6 of the object 2 and the reservoir 3 , bypassing the pump 7 and the device 8 . A shut-off valve 11 enables the branch line 10 to be closed or opened.

Bei der Einrichtung 8 handelt es sich beispielsweise um einen Unterkühler, der nach folgendem Prinzip arbeitet: Von der Kühlmediumsleitung 5 zweigt, stromauf zur Pumpe 7, eine Ausleitung 12 ab, durch die Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 3 abgeführt und in einem in der Einrichtung 8 eingebauten Wärmetauscher mit dem durch die Kühlmediumsleitung 5 geführten Medium stromab zur Pumpe 7 in thermischen Kontakt gebracht wird. Da beim Eintritt in die Einrichtung 8 das Kühlmedium innerhalb der Kühlmediumsleitung 5 auf einem höheren Druck und damit auf einer höheren Temperatur vorliegt als das in der Ausleitung 12 vorliegende Medium, wird das durch die Kühlmediumsleitung 5 geführte Medium durch den Wärmetausch auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunkts gebracht, also unterkühlt. Beispielsweise wird das dem Kühlmediumsanschluss 6 zugeführte Kühlmedium auf eine Temperatur gekühlt, die 5 K bis 10 K oder mehr unterhalb seines Siedepunktes liegt. Um die Temperatur des Kühlmediums in einem weiten Bereich einstellen zu können, ist es im Übrigen vorteilhaft, an die Ausleitung 12 eine hier nicht gezeigte Vakuumpumpe anzuschließen, mittels der, nach Betätigung einer dort vorgesehenen Regelarmatur 13, der Druck des Kühlmediums in der Ausleitung 12, und damit dessen Temperatur, weiter reduziert werden kann.The device 8 is, for example, a subcooler that works according to the following principle: From the cooling medium line 5 branches off, upstream of the pump 7, from an outlet line 12, through which the cooling medium is discharged from the reservoir 3 and is brought into thermal contact in a heat exchanger installed in the device 8 with the medium conducted through the cooling medium line 5 downstream to the pump 7. Since the coolant inside the coolant line 5 is at a higher pressure and therefore at a higher temperature when it enters the device 8 than the medium in the outlet line 12, the medium conducted through the coolant line 5 is brought to a temperature below its boiling point by the heat exchange brought, so supercooled. For example, the cooling medium supplied to the cooling medium connection 6 is cooled to a temperature which is 5 K to 10 K or more below its boiling point. In order to be able to set the temperature of the cooling medium within a wide range, it is also advantageous to connect a vacuum pump (not shown here) to the outlet line 12, by means of which, after actuation of a control valve 13 provided there, the pressure of the cooling medium in the outlet line 12, and thus its temperature, can be further reduced.

An einem zweiten Kühlmediumsanschluss 15 des Objekts 2 ist eine zweite Kühlmediumsleitung 16 angeschlossen, die eine Strömungsverbindung mit einem zweiten Vorratsbehälter 17 herstellt, bei dem es sich ebenfalls um einen thermisch gut isolierten Behälter zum Speichern von verflüssigtem Gas handelt. In der Kühlmediumsleitung 16 ist eine Pumpe 18 zum Fördern von Kühlmedium aus dem zweiten Vorratsbehälter 17 und eine Einrichtung 19 zum Unterkühlen vorgesehen, ebenso eine Sperrarmatur 21, mittels der die Kühlmediumsleitung 16 gesperrt oder geöffnet werden kann. Innerhalb des Objekts 2 sind die Kühlmediumsanschlüsse 6, 15 miteinander strömungsverbunden, wobei eine hier nicht gezeigte Wärmetauscherfläche im Objekt 2 die Übertragung von Wärme auf das Kühlmedium gestattet,A second coolant line 16 is connected to a second coolant connection 15 of the object 2, which creates a flow connection with a second storage container 17, which is also a thermally well-insulated container for storing liquefied gas. A pump 18 for conveying cooling medium from the second reservoir 17 and a device 19 for supercooling are provided in the cooling medium line 16, as is a shut-off valve 21, by means of which the cooling medium line 16 can be blocked or opened. Within object 2, the cooling medium connections 6, 15 are flow-connected to one another, with a heat exchanger surface not shown here in object 2 allowing the transfer of heat to the cooling medium,

Weiterhin ist eine Zweigleitung 23 vorgehen, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen dem Vorratsbehälter 17 und dem ersten Kühlmediumsanschluss 15 des Objekts 2 unter Umgehung von Pumpe 18 und Einrichtung 19 zum Unterkühlen hergestellt werden kann. Eine Sperrarmatur 24 ermöglicht das Schließen bzw. Öffnen der Zweigleitung 23. Die Unterkühlung von verflüssigtem Gas in der Einrichtung 19 zum Unterkühlen erfolgt - ähnlich wie bei der Einrichtung 8 - mittels einer zwischen Pumpe 18 und Vorratsbehälter 17 abzweigenden Ausleitung 25, die mit einem Wärmetauscher in der Einrichtung 19 strömungsverbunden ist. Ebenso wie in der Ausleitung 12 dient in der Ausleitung 25 eine Regelarmatur 26 dazu, den Druck und damit die Temperatur des Kühlmediums im Bereich des Wärmetauschers einzustellen.Furthermore, a branch line 23 is provided, by means of which a flow connection can be established between the reservoir 17 and the first cooling medium connection 15 of the object 2, bypassing the pump 18 and the device 19 for supercooling. A shut-off valve 24 enables the branch line 23 to be closed or opened. The supercooling of liquefied gas in the device 19 for supercooling takes place - similar to the device 8 - by means of a discharge line 25 branching off between the pump 18 and the storage tank 17, which is connected to a heat exchanger in the device 19 is fluidly connected. As in the outlet line 12, a control fitting 26 is used in the outlet line 25 to set the pressure and thus the temperature of the cooling medium in the region of the heat exchanger.

Beim Betrieb der Vorrichtung 1 sei zunächst der erste Vorratsbehälter 3 mit verflüssigtem Gas, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt und der Vorratsbehälter 17 sei leer. Die Sperrarmaturen 9, 24 sowie 13 sind geöffnet, während die Sperrarmaturen 11, 21 und 26 geschlossen sind. Mittels der Pumpe 7 wird verflüssigtes Gas aus dem Vorratsbehälter 3 zur Einrichtung 8 gefördert, dort unterkühlt und als unterkühltes verflüssigtes Gas dem Objekt 2 zugeführt. Nach Durchlaufen des Objekts 2 und dem dabei erfolgenden Wärmekontakt mit dem Objekt 2 strömt das unterkühlte verflüssigte Gas über die Zweigleitung 23 zum zweiten Vorratsbehälter 17. Im Verlauf der Kühlaufgabe füllt sich der zweite Vorratsbehälter 17 mit verflüssigtem Gas und der Füllstand im ersten Vorratsbehälter 3 sinkt. Bei Erreichen eines vorgegebenen Füllstands in einem der Vorratsbehälter 3, 17, beispielsweise dann, wenn der Vorratsbehälter 3 zumindest weitgehend entleert ist, werden die Sperrarmaturen 9, 24 und 13 geschlossen, die Pumpe 7 abgestellt, die Sperrarmaturen 11, 21, 26 geöffnet und die Pumpe 18 angestellt. In diesem Betriebszustand wird verflüssigtes Gas aus dem Vorratsbehälter 17 mittels der Pumpe 18 zur Einrichtung 19 zum Unterkühlen gefördert, dort unterkühlt und dem Objekt 2 zugeführt. Nach Durchlaufen des Objekts 2 und dem dabei erfolgenden Wärmekontakt mit dem Objekt 2 strömt das unterkühlte verflüssigte Gas über die Zweigleitung 10 in den Vorratsbehälter 3 ein, der sich nunmehr im Verlauf des weiteren Kühlvorgangs wieder füllt, während sich der Vorratsbehälter 17 leert. Das Kühlmedium kann auf diese Weise zwischen den Vorratsbehälter 3, 17 pendeln, bis es vollständig verdampft ist, wobei jedoch bei Unterschreiten einer vorgegebenen Menge an noch flüssigem Kühlmedium einer oder beide der Vorratsbehälter 3, 17 mit frischem verflüssigtem Gas befüllt werden oder mittels einer hier nicht gezeigten Kühleinrichtung verdampftes Kühlmedium aus den Gasphasen der Vorratbehälter 3, 17 verflüssigt werden kann.During operation of the device 1, the first reservoir 3 is initially filled with liquefied gas, for example liquid nitrogen, and the reservoir 17 is empty. The shut-off fittings 9, 24 and 13 are open, while the shut-off fittings 11, 21 and 26 are closed. By means of the pump 7, liquefied gas is conveyed from the reservoir 3 to the device 8, supercooled there and supplied to the object 2 as supercooled liquefied gas. After passing through the object 2 and the resulting thermal contact with the object 2, the supercooled liquefied gas flows via the branch line 23 to the second reservoir 17. In the course of the cooling task, the second reservoir 17 fills with liquefied gas and the fill level in the first reservoir 3 drops. When a specified filling level is reached in one of the reservoirs 3, 17, for example when the reservoir 3 is at least largely empty, the shut-off valves 9, 24 and 13 are closed, the pump 7 is switched off, the shut-off valves 11, 21, 26 are opened and the Pump 18 turned on. In this operating state, liquefied gas is conveyed from the reservoir 17 by means of the pump 18 to the device 19 for supercooling, supercooled there and fed to the object 2 . After passing through the object 2 and the resulting thermal contact with the object 2, the supercooled liquefied gas flows via the branch line 10 into the reservoir 3, which now fills up again in the course of the further cooling process, while the reservoir 17 empties. In this way, the cooling medium can oscillate between the reservoirs 3, 17 until it has completely evaporated, although if the amount of cooling medium that is still liquid falls below a predetermined level, one or both of the reservoirs 3, 17 are filled with fresh liquefied gas or not by means of a here Cooling device shown vaporized cooling medium from the gas phases of the reservoir 3, 17 can be liquefied.

Es ist im Übrigen in einer Variante der in 1 gezeigten Ausführungsform (ohne Abbildung) möglich, auf eine der Einrichtungen 8, 19 zum Unterkühlen zu verzichten, sofern die durch die verbleibende Einrichtung 19, 8 erfolgende Unterkühlung ausreicht, um zu gewährleisten, dass das Kühlmedium, trotz eines unvermeidlichen Wärmeeintrags in den Kühlmediumsleitungen 5, 16, 10, 23 und/oder beim Wärmekontakt mit dem Objekt 2 und/oder in den Vorratsbehälter 3, 17, in einem unterkühlten Zustand vorliegt, der ausreicht, um das Verdampfen eines wesentlichen Teiles des Kühlmediums beim Rücklauf zum jeweils anderen Vorratsbehälter 17, 3 zu unterbinden. Wiederum ist es möglich, die Einrichtungen 8, 19 zum Unterkühlen und die Vorratsbehälter 3, 17 funktional zu kombinieren, in dem die Gasphase eines oder beider Vorratsbehälter 3, 17 mit einer Vakuumpumpe verbunden werden: Durch die Verringerung des Drucks im Vorratsbehälter 3, 17 wird die Temperatur der flüssigen Phase des Kühlmediums im Vorratsbehälter 3, 17, reduziert, wodurch es möglich ist, das Kühlmedium mittels der Pumpen 7, 18 unterkühlt dem Objekt 2 zuzuführen. Einer separaten Einrichtung zur Unterkühlung bedarf es in diesem Falle nicht mehr.Incidentally, it is in a variant of the in 1 In the embodiment shown (not shown), it is possible to dispense with one of the devices 8, 19 for supercooling, provided that the supercooling provided by the remaining device 19, 8 is sufficient to ensure that the cooling medium, despite an unavoidable heat input in the cooling medium lines 5, 16, 10, 23 and/or upon thermal contact with the object 2 and/or in the reservoir 3, 17, is in a supercooled state which is sufficient to prevent a significant part of the cooling medium from evaporating when it returns to the other reservoir 17, 3 to prevent. Again, it is possible, the devices 8, 19 for sub-cooling and the reservoir Ter 3, 17 to be functionally combined, in which the gas phase of one or both reservoirs 3, 17 are connected to a vacuum pump: By reducing the pressure in the reservoir 3, 17, the temperature of the liquid phase of the cooling medium in the reservoir 3, 17 is reduced , Which makes it possible to supply the cooling medium to the object 2 in a supercooled manner by means of the pumps 7, 18. A separate device for supercooling is no longer required in this case.

In einer anderen vereinfachten Variante der in 1 gezeigten Vorrichtung (ebenfalls ohne Abbildung) kann auf beide Pumpen 7, 18, sowie auf die Zweigleitungen 10, 23 verzichtet werden; das Kühlmedium wird bei dieser Variante allein durch den Druckaufbau in einem der Vorratsbehälter 3, 17 durch das Objekt 2 gefördert, während zugleich durch Ablassen von Gas der Druck im anderen Vorratsbehälter 17, 3 konstant oder zumindest auf einen geringeren Wert als im ersten Vorratsbehälter 3, 17 gehalten wird. Die Vorratsbehälter 3, 17 sind in diesem Fall entsprechend druckfest ausgestaltet. Ist eine bestimmte, vorgegebene Füllhöhe in einem der Vorratsbehälter 3, 17 erreicht, wird die Abgasleitung des bis dahin befüllten Vorratsbehälters 17, 3 geschlossen und die Abgasleitung des bis dahin füllenden Vorratsbehälters 3, 17 geöffnet. Aufgrund des allmählichen Druckaufbaus im befüllten Vorratsbehälter 17, 3 strömt anschließend das Kühlmedium in den anderen Vorratsbehälter 3, 17 zurück. Auf diese Weise wird das Kühlmedium ohne Zuhilfenahme einer separaten Fördereinrichtung in stets abwechselnden Richtungen durch das Objekt 2 geführt.In another simplified variant of the in 1 In the device shown (also not shown), both pumps 7, 18 and the branch lines 10, 23 can be dispensed with; In this variant, the cooling medium is conveyed through the object 2 solely by the pressure build-up in one of the storage containers 3, 17, while at the same time the pressure in the other storage container 17, 3 is kept constant or at least at a lower value than in the first storage container 3 by releasing gas. 17 is held. In this case, the reservoirs 3, 17 are designed to be pressure-resistant. If a certain predetermined filling level is reached in one of the reservoirs 3, 17, the exhaust pipe of the reservoir 17, 3 that has been filled up to that point is closed and the exhaust pipe of the reservoir 3, 17 that has been filling up to that point is opened. Due to the gradual pressure build-up in the filled reservoir 17, 3, the cooling medium then flows back into the other reservoir 3, 17. In this way, the cooling medium is guided through the object 2 in constantly alternating directions without the aid of a separate conveying device.

2 zeigt schematisch den Aufbau eines als zu kühlendes Objekt 3 zum Einsatz kommenden supraleitenden Kabels 30 („Kabelkryostat“). Im Kern des nur abschnittsweise dargestellten Kabels 30 sind mehrere, im Ausführungsbeispiel zwei, koaxial zueinander angeordnete Leiter 31, 32 aus einem supraleitenden Material vorgesehen, die jeweils durch ein Dielektrikum 33 elektrisch voneinander getrennt sind. Radial außenseitig zu den Leitern und koaxial zu diesem ist eine Kühlmediumsführung 34 vorgesehen. Als Kühlmedium kommt im Falle von Hochtemperatursupraleitern als stromführende Einheiten insbesondere unterkühlter, flüssiger Stickstoff zum Einsatz. Radial außenseitig zur Kühlmediumsführung 34 ist eine Isolierschicht 35 angeordnet. Das in 2 gezeigte supraleitende Kabel 30 verzichtet insbesondere auf die in supraleitenden Kabeln nach dem Stande der Technik vorgesehene Rückleitung des Kühlmediums. 2 1 schematically shows the structure of a superconducting cable 30 (“cable cryostat”) used as the object 3 to be cooled. In the core of the cable 30 , which is only shown in sections, there are several conductors 31 , 32 , arranged coaxially with one another in the exemplary embodiment and made of a superconducting material, which are each electrically separated from one another by a dielectric 33 . A cooling medium guide 34 is provided radially on the outside of the conductors and coaxially thereto. In the case of high-temperature superconductors, supercooled liquid nitrogen is used as the current-carrying units as the cooling medium. An insulating layer 35 is arranged radially on the outside of the cooling medium guide 34 . This in 2 The superconducting cable 30 shown dispenses in particular with the return line of the cooling medium provided in superconducting cables according to the prior art.

Die in 3 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 zum Kühlen eines Objekts 2 umfasst, ebenso wie die Vorrichtung 1 aus 1, zwei Vorratsbehälter 41, 42. Der Vorratsbehälter 41 ist über eine Kühlmediumsleitung 43 mit dem ersten Kühlmediumsanschluss 6 des Objekts 2 strömungsverbunden. In der Kühlmediumsleitung 43 sind - in Strömungsrichtung nacheinander gesehen - eine Pumpe 44 sowie eine Einrichtung 45 zum Unterkühlen vorgesehen. Die Einrichtung 45 zum Unterkühlen arbeitet in der gleichen Weise wie die Einrichtungen 7, 19 zum Unterkühlen, nämlich durch thermische Wechselwirkung des durch die Kühlmediumsleitung 43 geführten Kühlmediums mit Kühlmedium, das durch eine stromauf zur Pumpe 44 abzweigenden Leitung 46 geführt wird. Der zweite Kühlmediumsanschluss 15 des Objekts 2 ist über eine Kühlmediumsleitung 48 mit dem Vorratsbehälter 42 strömungsverbunden. Zwei Zweigleitungen 49, 59 verbinden die Kühlmediumsleitung 43 mit der Kühlmediumsleitung 48 unter Umgehung der Pumpe 44, des Unterkühlers 45 sowie des Objekts 2. Die Regelung der Strömung des Kühlmediums erfolgt mittels Sperrarmaturen 51, 52, 53, 54. Optional ist eine Druckausgleichsleitung 55 vorgesehen, die die Gasphasen zwischen den Vorratsbehältern 41, 42 miteinander verbindet.In the 3 shown embodiment of a device 40 according to the invention for cooling an object 2 comprises, as well as the device 1 from 1 , two reservoirs 41, 42. The reservoir 41 is flow-connected via a cooling medium line 43 to the first cooling medium connection 6 of the object 2. A pump 44 and a device 45 for sub-cooling are provided in the coolant line 43--seen one after the other in the direction of flow. The device 45 for supercooling works in the same way as the devices 7, 19 for supercooling, namely by thermal interaction of the cooling medium conducted through the cooling medium line 43 with the cooling medium which is conducted through a line 46 branching off upstream to the pump 44. The second cooling medium connection 15 of the object 2 is flow-connected to the reservoir 42 via a cooling medium line 48 . Two branch lines 49, 59 connect the cooling medium line 43 to the cooling medium line 48, bypassing the pump 44, the subcooler 45 and the object 2. The flow of the cooling medium is regulated by means of shut-off fittings 51, 52, 53, 54. A pressure equalization line 55 is optionally provided , which connects the gas phases between the reservoirs 41, 42 with each other.

Beim Betrieb der Vorrichtung 40 sei zunächst der Vorratsbehälter 41 mit einem verflüssigten Gas gefüllt und der Vorratsbehälter 42 leer. Zu Beginn der Kühlaufgabe werden die Sperrarmaturen 51 und 53 geöffnet und die Sperrarmaturen 52 und 54 geschlossen. In diesem Betriebszustand strömt Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 41, gefördert von der Pumpe 44, zur Einrichtung 45 zum Unterkühlen, wird dort, wie zuvor beschrieben, unterkühlt, und durchströmt anschließend als unterkühltes verflüssigtes Gas das zu kühlende Objekt 2. Nach Durchlaufen des Objekts 2 strömt das Kühlmedium über die Kühlmediumsleitung 48 zum Vorratsbehälter 42. Im Verlauf der Kühlaufgabe leert sich der Vorratsbehälter 41 zumindest weitgehend und der Vorratsbehälter 42 füllt sich. Nach Erreichen eines vorgegebenen Füllzustandes des Kühlmediums in einem der Vorratsbehälter 41, 42 werden die Sperrarmaturen 51 und 53 geschlossen und die Sperrarmaturen 52, 54 geöffnet. Die Pumpe 44 fördert nun Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 42 über die Zweigleitung 50 und die Kühlmediumsleitung 43 zur Einrichtung 45 zum Unterkühlen sowie dem Objekt 2 und von dort über die Zweigleitung 49 in den Vorratsbehälter 41. Ähnlich der Vorrichtung 1 werden auch bei der Vorrichtung 40 zwei Vorratsbehälter abwechselnd mit Kühlmedium befüllt, jedoch durchläuft das Kühlmedium bei der Vorrichtung 40 das Objekt 2 stets in der gleichen Richtung, es genügt somit eine Pumpe 44 um das Kühlmedium vom Vorratsbehälter 41 zum Vorratsbehälter 42 und umgekehrt zu fördern.During operation of the device 40, the reservoir 41 is initially filled with a liquefied gas and the reservoir 42 is empty. At the beginning of the cooling task, the shut-off fittings 51 and 53 are opened and the shut-off fittings 52 and 54 are closed. In this operating state, cooling medium flows from the reservoir 41, conveyed by the pump 44, to the device 45 for supercooling, is supercooled there, as described above, and then flows through the object to be cooled 2 as supercooled liquefied gas. After passing through the object 2 flows the cooling medium via the cooling medium line 48 to the reservoir 42. In the course of the cooling task, the reservoir 41 empties at least to a large extent and the reservoir 42 fills up. After the cooling medium has reached a predetermined filling level in one of the reservoirs 41, 42, the shut-off fittings 51 and 53 are closed and the shut-off fittings 52, 54 are opened. The pump 44 now conveys cooling medium from the storage container 42 via the branch line 50 and the cooling medium line 43 to the device 45 for supercooling and the object 2 and from there via the branch line 49 into the storage container 41. Similar to device 1, device 40 also has two Reservoir filled alternately with cooling medium, but the cooling medium in the device 40 always runs through the object 2 in the same direction, so one pump 44 is sufficient to convey the cooling medium from the reservoir 41 to the reservoir 42 and vice versa.

Durch die abwechselnde Befüllung der beiden Vorratsbehälter 3, 17 bzw. 41, 42 wird der Kälteinhalt des zur Verfügung stehenden verflüssigten Gases weitestgehend genutzt und aufwändige Doppelleitungen für das Kühlmedium im zu kühlenden Objekt 2 vermieden.By alternately filling the two reservoirs 3, 17 and 41, 42, the cold content of the available liquefied gas is used as far as possible and complex Dop pel lines for the cooling medium in the object to be cooled 2 avoided.

BezugszeichenlisteReference List

11: Vorrichtungcontraption
22: Objektobject
33: Vorratsbehälterreservoir
44: --
55: Kühlmediumsleitungcooling medium line
66: Kühlmediumsanschlusscooling medium connection
77: Pumpepump
88th: Einrichtung zum UnterkühlenDevice for subcooling
99: Sperrarmaturshut-off valve
1010: Zweigleitungbranch line
1111: Sperrarmaturshut-off valve
1212: Ausleitungdrainage
1313: Regelaramaturcontrol valve
1414: --
1515: Kühlmediumsanschlusscooling medium connection
1616: Kühlmediumsleitungcooling medium line
1717: Vorratsbehälterreservoir
1818: Pumpepump
1919: Einrichtung zum UnterkühlenDevice for subcooling
2020: --
2121: Sperrarmaturshut-off valve
2222: --
2323: Zweigleitungbranch line
2424: Sperrarmaturshut-off valve
2525: Ausleitungdrainage
2626: Regelarmaturcontrol valve
2727: --
2828: --
2929: --
3030: Supraleitendes KabelSuperconducting Cable
3131: LeiterDirector
3232: LeiterDirector
3333: Dielektrikumdielectric
3434: Kühlmediumsführungcoolant flow
3535: Isolierunginsulation
3636: --
3737: --
3838: --
3939: --
4040: Vorrichtungcontraption
4141: Vorratsbehälterreservoir
4242: Vorratsbehälterreservoir
4343: Kühlmediumsleitungcooling medium line
4444: Pumpepump
4545: Einrichtung zum UnterkühlenDevice for subcooling
4646: LeitungManagement
4747: --
4848: Kühlmediumsleitungcooling medium line
4949: Zweigleitungbranch line
5050: Zweigleitungbranch line
5151: Sperrarmaturshut-off valve
5252: Sperrarmaturshut-off valve
5353: Sperrarmaturshut-off valve
5454: Sperrarmaturshut-off valve
5555: Druckausgleichsleitungpressure compensation line

Claims

Verfahren zum Kühlen von Objekten, bei dem ein Kühlmedium aus einem ersten Vorratsbehälter (3, 41) über eine erste Kühlmediumsleitung (5, 43) einem zu kühlenden Objekt (2) zugeführt, mit diesem im Wärmekontakt gebracht und anschließend über eine zweite Kühlmediumsleitung (16, 48) abgeführt wird, wobei das Kühlmedium nach dem Wärmekontakt mit dem Objekt (2) über die zweite Kühlmediumsleitung (16, 48) einem zweiten Vorratsbehälter (17, 42) zugeführt wird und bei Erreichen einer vorgegebenen Füllmenge im ersten oder zweiten Vorratsbehälter (3, 17, 41, 42) das Kühlmedium aus dem zweiten Vorratsbehälter (17, 42) dem Objekt zugeführt und mit diesem in Wärmekontakt gebracht und anschließend in den ersten Vorratsbehälter (3, 41) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium vor dem Wärmekontakt mit dem Objekt (2) unterkühlt wird.Method for cooling objects, in which a cooling medium is fed from a first storage container (3, 41) via a first cooling medium line (5, 43) to an object (2) to be cooled, brought into thermal contact with it and then fed via a second cooling medium line (16 , 48), the cooling medium is added to a second storage container (17, 42) after the heat contact with the object (2) via the second cooling medium management (16, 48) and when a specified filling quantity is reached in the first or second storage container (3 , 17, 41, 42) the cooling medium from the second reservoir (17, 42) is fed to the object and brought into thermal contact with it and then returned to the first reservoir (3, 41), characterized in that the cooling medium before the thermal contact is supercooled with the object (2).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Kühlmediums aufgrund eines eingestellten Druckunterschiedes zwischen den Vorratsbehältern (3, 17, 41, 42) erfolgt.procedure after claim 1 , characterized in that the conveyance of the cooling medium takes place on the basis of a set pressure difference between the storage containers (3, 17, 41, 42).

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Kühlmediums mittels gegenläufig arbeitender, abwechselnd betriebene Fördereinrichtungen (7, 18) erfolgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the conveying of the cooling medium takes place by means of conveying devices (7, 18) which work in opposite directions and are operated alternately.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a liquefied gas is used as the cooling medium.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ersten Vorratsbehälter (3, 41) zum Speichern von Kühlmedium, der über eine erste Kühlmediumsleitung (5, 43) mit einem zu kühlenden Objekt (2) strömungsverbunden ist, wobei dem Objekt (2) eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme vom Objekt (2) auf das Kühlmedium zugeordnet ist, die mit einer zweiten Kühlmediumsleitung (16, 48) zum Abführen von Kühlmedium strömungsverbunden ist, wobei die zweite Kühlmediumsleitung (16, 48) mit einem zweiten Vorratsbehälter (17, 42) zum Speichern von Kühlmedium strömungsverbunden ist, und Mittel zum Rückfördern von Kühlmedium vom zweiten Vorratsbehälter (17, 42) über die Wärmetauscherfläche des Objekts (2) zum ersten Vorratsbehälter (3, 41) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten und/oder in der zweiten Kühlmediumsleitung (5, 16, 43) eine Einrichtung (8, 19, 45) zum Unterkühlen des durch die Kühlmediumsleitung (5, 16, 43) geführten Kühlmediums vorgesehen ist, und in der ersten Kühlmediumsleitung (5, 43) eine Fördereinrichtung (7, 44) zum Fördern von Kühlmedium zum Objekt (2) angeordnet ist, und die Mittel zum Rückfördern des Kühlmediums eine zuschaltbare Zweigleitung (10, 49) umfassen, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen Wärmetauscherfläche (2) und dem erstem Vorratsbehälter (3, 41) unter Umgehung der Fördereinrichtung (7, 44) herstellbar ist.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a first reservoir (3, 41) for storing cooling medium, which is flow-connected via a first cooling medium line (5, 43) to an object (2) to be cooled, the object ( 2) a heat exchange surface is assigned for transferring heat from the object (2) to the cooling medium, which is flow-connected to a second cooling medium line (16, 48) for discharging cooling medium, the second cooling medium line (16, 48) being connected to a second reservoir ( 17, 42) is flow-connected for storing cooling medium, and means are provided for returning cooling medium from the second storage container (17, 42) via the heat exchanger surface of the object (2) to the first storage container (3, 41), characterized in that in the first and/or in the second coolant line (5, 16, 43) a device (8, 19, 45) for supercooling the coolant that is guided through the coolant line (5, 16, 43). cooling medium is provided, and a conveying device (7, 44) for conveying cooling medium to the object (2) is arranged in the first cooling medium line (5, 43), and the means for conveying the cooling medium back comprise a switchable branch line (10, 49), by means of which a flow connection can be established between the heat exchanger surface (2) and the first storage container (3, 41) while bypassing the conveying device (7, 44).

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Rückführen des Kühlmediums Einrichtungen zur Druckänderung in den Vorratsbehältern (3, 17, 41, 42) umfassen.device after claim 5 , characterized in that the means for returning the cooling medium comprise devices for changing the pressure in the reservoirs (3, 17, 41, 42).

Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Rückführen des Kühlmediums eine erste zuschaltbare Zweigleitung (50), die vom zweiten Vorratsbehälter (17, 42) zur ersten Kühlmediumsleitung, saugseitig zur Fördereinrichtung (7, 44) führt, und eine zweite zuschaltbare Zweigleitung (49), die von der zweiten Kühlmediumsleitung (16, 48), stromab zur Wärmetauscherfläche, zum ersten Vorratsbehälter (3, 41) führt, umfassen, wobei in der ersten Kühlmediumsleitung (5, 43), zwischen deren Anschluss zum erstem Vorratsbehälter (3, 41) und dem Anschluss der ersten Zweigleitung (50), und in der zweiten Kühlmediumsleitung (16, 48), zwischen dem Anschluss der zweiten Zweigleitung (49) und dem Anschluss des zweiten Vorratsbehälters (17, 42), jeweils eine Sperrarmatur (51, 53) vorgesehen ist.device after claim 5 or 6 , characterized in that the means for returning the cooling medium a first switchable branch line (50), which leads from the second storage container (17, 42) to the first cooling medium line, on the suction side to the conveyor (7, 44), and a second switchable branch line (49) , which leads from the second cooling medium line (16, 48), downstream to the heat exchanger surface, to the first storage tank (3, 41), wherein in the first cooling medium line (5, 43), between its connection to the first storage tank (3, 41) and the connection of the first branch line (50), and in the second cooling medium line (16, 48), between the connection of the second branch line (49) and the connection of the second reservoir (17, 42), in each case a shut-off fitting (51, 53) is provided.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Kühlmediumsleitung (16, 48) eine Fördereinrichtung (18) zum Fördern von Kühlmedium vom zweiten Vorratsbehälter (17, 42) zur Wärmetauscherfläche sowie eine zuschaltbare Zweigleitung (23) angeordnet ist, mittels der eine Strömungsverbindung zwischen der Wärmetauscherfläche und zweitem Vorratsbehälter (17, 42) unter Umgehung der Fördereinrichtung (18) herstellbar ist.Device according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that in the second coolant line (16, 48) there is a conveying device (18) for conveying coolant from the second reservoir (17, 42) to the heat exchanger surface and a switchable branch line (23) by means of which a flow connection between the heat exchanger surface and a second storage container (17, 42) which can be produced by bypassing the conveyor device (18).

Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 oder einer Vorrichtung (1, 40) nach Anspruch 5 bis 8 zur Kühlung einer supraleitenden Apparatur, insbesondere eines supraleitenden Kabels.Using a method according to claim 1 until 4 or a device (1, 40). claim 5 until 8th for cooling a superconducting apparatus, in particular a superconducting cable.