DE102018006912A1

DE102018006912A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements

Info

Publication number: DE102018006912A1
Application number: DE102018006912.6A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Herzog; Thomas Kutz
Original assignee: Messer Group GmbH; Messer Industriegase GmbH
Current assignee: Messer Industriegase De GmbH; Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-03-05
Also published as: WO2020043340A1; EP3844445A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements, mit einem als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Ausgleichsleitung mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kühlmedium strömungsverbundenen Kryostaten, der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist.
Als „supraleitendes Element“ wird hier ein aus supraleitenden Werkstoffen aufgebauter oder ein supraleitendes Bauteil aufweisender Gegenstand verstanden. Beispielsweise handelt es sich dabei um ein supraleitendes Kabel, supraleitende Strombegrenzer oder eine supraleitende Apparatur, wie etwa supraleitende Magnetspulen oder auf supraleitenden Bauelementen basierende Detektoren. Supraleitende Elemente müssen auf eine Betriebstemperatur gekühlt werden, die unterhalb der supraleitenden Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) des oder der verwendeten Supraleiter/s liegt. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von T_c < 10 K bei klassischen metallischen Supraleitern wie beispielsweise Blei, Niob oder Nb-Legierungen bis zu Werten von T_c >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, wie beispielsweise Y-Ba₂Cu₃O₇ oder Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_2n+6.
Um supraleitende Elemente auf ihre Betriebstemperatur zu kühlen, werden sie mit einem Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht. Zur Kühlung kommen dabei in der Regel verflüssigte Gase zum Einsatz. Die Wahl des Gases hängt von der Betriebstemperatur des zu kühlenden supraleitenden Elements ab; bei Systemen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, kann tiefkalt verflüssigter Stickstoff eingesetzt werden, klassische Supraleiter werden in der Regel mit flüssigem Helium gekühlt. Andere verflüssigte Gase, wie beispielsweise flüssige Luft, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff oder verflüssigtes Argon, sind ebenfalls als Wärmeübertragungsmittel einsetzbar.
Um zu verhindern, dass das verflüssigte Gas aufgrund eines Wärmeeintrags im Kryostaten siedet, werden die verflüssigten Gase dabei „unterkühlt“, also auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck gebracht. Bei einem unterkühlten verflüssigten Gas bewirkt die Aufnahme von Wärme zunächst nur eine Temperaturerhöhung, ohne dass eine Änderung des Aggregatzustandes eintritt. Als Unterkühler zu diesem Zweck kommt beispielsweise eine Kältemaschine zum Einsatz oder ein Wärmeaustauscher, in welchem auf der wärmeabführenden Seite ein Kühlmedium vorliegt, das bei einer Temperatur verdampft, die unterhalb der Siedetemperatur des auf der wärmezuführenden Seite vorliegenden, zu unterkühlenden Gases liegt.
Kryogene Kühlsysteme werden beispielsweise in den Druckschriften EP 3 017 238 A1 , US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 und US 2006/0150639 A1 beschrieben. All diese Gegenstände weisen einen Kühlkreislauf auf, in dem ein unterkühltes verflüssigtes Gas als Kühlmedium in Wärmekontakt mit einem supraleitenden Element, beispielsweise einem supraleitenden Kabel, gebracht wird. Zwar besitzen supraleitende Elemente im ordnungsgemäßen Einsatz keinen ohmschen Widerstand, jedoch treten beim Durchleiten insbesondere von Wechselstrom durch supraleitende Elemente geringfügige Verluste auf; zudem erfolgt ein geringer Wärmeeintrag in das Kühlmedium über Kontakte oder Isolationen. Nach dem Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element ist es daher erforderlich, das Kühlmedium erneut einem Unterkühler zuzuführen, um die beim Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element aufgenommene Wärme abzuführen und das Kühlmedium im unterkühlten Zustand zu halten.
Die bekannten Kühlsysteme sind mit Nachteilen behaftet. Da das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird, muss es entweder das zu kühlende supraleitende Element sowohl auf dem Hin- als auch Rückweg durchlaufen, oder es wird über eine parallel zum supraleitenden Element führende Leitung zurückgeführt. Im ersten Fall verkompliziert das Vorsehen von zwei Strömungswegen im zu kühlenden supraleitenden Element dessen Aufbau, und der über die doppelte Länge des Kühlweges auftretende Druckverlust muss mit entsprechend aufwändig ausgelegten Pump- und Druckleitungssystemen kompensiert werden. Im zweiten Falle ist der Bau einer aufwändigen, wärmeisolierten Rückleitung erforderlich. Durch die im Kreislauf stets notwendige Pumpe wird zusätzliche Wärme in das Kühlmedium eingetragen, die abgeführt werden muss.
Anstelle eines Kühlkreislaufs können supraleitende Elemente auch durch direkten oder indirekten Wärmekontakt mit einem aus Kühlmedium bestehenden Kühlbad gekühlt werden. Das Kühlbad befindet sich dabei in einem thermisch gut isolierten Behälter, einem sogenannten Kryostaten, der zudem druckfest ausgebildet sein kann, um Einflüsse des Umgebungsdrucks auf die Temperatur des Bades zu reduzieren.
Anordnungen mit Kryostaten weisen den Nachteil auf, dass ein plötzlicher Wärmeeintrag in das System, etwa beim sogenannten „Quenchen“, also einem Übergang in den normalleitenden Zustand infolge einer lokalen Überschreitung der Sprungtemperatur, dazu führen kann, dass ein erheblicher Teil des Kühlmediums im Kryostaten verdampft. Der damit verbundene heftige Druckanstieg im Kryostaten kann das supraleitende Element oder sogar die gesamte Apparatur gefährden und/oder eine Notabschaltung des Systems erzwingen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung zum Kühlen von supraleitenden Elementen unter Verwendung eines Kryostaten zu schaffen, die zuverlässig und mit hoher Betriebssicherheit arbeitet.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalskombinationen der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat an einer Wärmetauscherfläche mit einem Wärmetauscher thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspannungsventil ausgerüstete Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und eine Gasableitung zum Ausleiten von verdampftem Kühlmedium aufweist.
Der über die Wärmetauscherfläche mit dem Kryostaten verbundene Wärmetauscher wirkt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Unterkühler. Über die Wärmetauscherfläche wird Wärme von dem im Innenraum des Kryostaten vorliegenden Kühlmedium durch Wärmeleitung auf das im Wärmetauscher befindliche, aufgrund der Entspannung am Entspannungsventil kühlere Kühlmedium übertragen. Im Unterschied zu den vorgenannten Kreislaufsystemen erfolgt zur Wärmeübertragung kein Transport von Kühlmedium aus dem Kryostaten zum Wärmetauscher oder umgekehrt.
Beim Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um ein Gefäß, in dem im Einsatz der Vorrichtung ein Bad aus dem gleichen Kühlmedium wie das Kühlmedium im Vorratsbehälter aufrecht erhalten wird, jedoch bei einem niedrigeren Druck; es kann sich aber auch um einen Röhrenwärmetauscher oder eine Rohrschlange handeln, durch den bzw. die hindurch Kühlmedium aus dem Vorratstank mit einem niedrigeren Druck als dem Druck im Vorratsbehälter geleitet wird. Zur Druckreduzierung kommt dabei ein Entspannungsventil zum Einsatz, das stromauf zum Wärmetauscher in der Zuleitung angeordnet ist. Das Kühlmedium liegt im Wärmetauscher bevorzugt bei seiner Gleichgewichtstemperatur vor, also bei der Temperatur, die der Siedetemperatur beim jeweiligen Druck im Wärmetauscher entspricht.
Bei der Wärmetauscherfläche handelt es sich um eine Kontaktfläche, über die ein Wärmetransport durch Wärmeleitung erfolgt. Die Wärmetauscherfläche ist so bemessen, dass über sie der weitaus überwiegende Teil des Wärmetransports vom Kühlmedium im Kryostaten auf das Kühlmedium im Wärmetauscher erfolgt. Beispielsweise handelt es sich bei der Wärmetauscherfläche um einen gemeinsamen Wandabschnitt, um direkt miteinander verbundene Wandabschnitte von Kryostat und Wärmetauscher oder um ein zwischen den Wänden von Kryostat und Wärmetauscher angeordnetes thermisch gut leitendes Element, beispielsweise eine Platte oder ein Kabel aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer.
Für die Anordnung des Wärmetauschers bestehen verschiedene Möglichkeiten: In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher außerhalb des im Übrigen thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Kryostaten angeordnet und ist mit diesem lediglich über eine Wärmetauscherfläche thermisch verbunden. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher innerhalb des Kryostaten angeordnet ist und das dort vorliegende Kühlmedium unterkühlt. In diesem Fall kann die Wärmetauscherfläche von den gesamten Außenwänden des Wärmetauschers, beispielsweise den Außenwänden des oben beschriebenen Gefäßes, der Röhren oder der Rohrschlange, soweit sie innerhalb des Kryostaten liegen, gebildet sein.
Die Ausgleichsleitung/en zwischen Kryostat und Vorratsbehälter, die das im Innern des Kryostaten vorliegende Kühlbad aus flüssigem Kühlmedium mit einer flüssigen Phase und/oder einer Gasphase im Vorratsbehälter verbindet, ist im Einsatz der Vorrichtung stets offen. Mit Ausnahme dieser Ausgleichsleitung/en ist der Kryostat dagegen allseits, auch gegenüber dem Wärmetauscher, druckfest geschlossen; sofern der Wärmetauscher und/oder das supraleitende Element im Innern des Kryostaten angeordnet ist, sind alle Verbindungsleitungen für den Wärmetauscher und etwaige Strom- oder sonstige Zuführungen für das supraleitende Element flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten hindurch geführt.
Einem plötzlichen Druckanstieg im Innen des Kryostaten aufgrund einer Teilverdampfung des Kühlmediums infolge eines plötzlichen Wärmeeintrags, wie es beispielsweise beim Quenchen des supraleitenden Elements auftreten kann, begegnet die erfindungsgemäße Vorrichtung auf mehrfache Weise:

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

Zum zweiten ist der Kryostat als Druckbehälter ausgebildet und gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen. Der Druck in seinem Innern entspricht im wesentlichen dem Druck im Vorratstank, in dem das Kühlmedium bei einem gegenüber der Umgebungsatmosphäre erhöhten Druck von beispielsweise 2-5 bar gelagert wird. Durch den vergleichsweise hohen Druck ist auch der Siedepunkt erhöht, und das Kühlmedium kann entsprechend mehr Wärme aufnehmen, ohne zu sieden. Denkbar ist eine weiterführende Ausgestaltung, in der dem Vorratstank Mittel zum Einstellen eines Druckwerts, beispielsweise ein Verdampfer, zugeordnet sind, mittels derer ein maximaler Druck im Vorratsbehälter, und damit im Kryostaten, gewählt werden kann.
Zum dritten wird eingetragene Wärme während des Betriebs der Vorrichtung fortwährend von dem mit dem Kryostaten thermisch verbundenen Wärmetauscher abgeführt. Um größere Wärmemengen aufnehmen zu können, kann zu diesem Zweck optional die zum Wärmetauscher führende Zuleitung so ausgestaltet sein, dass der Zuführleitung Mittel zugeordnet sind, mittels derer der Mengenstrom an Kühlmedium, das dem Wärmetauscher zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag in den Wärmetauscher regelbar ist. Beispielsweise kann parallel zur Zuführleitung mindestens eine Bypassleitung zwischen Vorratstank und Wärmetauscher vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem gemessenen Wärmeeintrag mittels eines steuerbaren Ventils zu- oder abgeschaltet wird und somit bei Bedarf die Zuführung von zusätzlichem Kühlmedium an den Wärmetauscher erlaubt.
Zum vierten ist die Ausgleichsleitung zwischen Kryostat und Vorratsbehälter im Betrieb der Vorrichtung stets geöffnet, sodass im Falle eines Druckanstiegs - je nach Wahl der Ausgleichsleitung/en -verdampftes Kühlmedium in die Gasphase und/oder flüssiges Kühlmedium in die flüssige Phase des im Vorratsbehälter bevorrateten Kühlmediums abströmen kann; der Vorratsbehälter wirkt also als Ausgleichsgefäß, das den Kryostaten vor einem zu starken Druckanstieg schützt.
Im einfachsten Fall ist die Gasableitung des Wärmetauschers mit der Umgebungsatmosphäre druckverbunden, d.h. im Wärmetauscher herrscht ein Druck von etwa 1 bar. Um eine stärkere Unterkühlung zu erreichen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, in der Gasableitung eine Vakuumpumpe anzuordnen, mittels der der Druck im Wärmetauscher auf Werte von unter 1 bar, beispielsweise auf 100-200 mbar gebracht werden kann. So beträgt der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei einem Druck von 150 mbar lediglich 64K, wodurch der im Kryostaten als Kühlmedium vorliegende, mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Flüssigstickstoff auf 67K oder darunter abgekühlt werden kann. Die Vakuumpumpe kann im Übrigen auch derart ausgebildet sein, dass ein Druck im Wärmetauscher fest eingestellt und/oder in Abhängigkeit von einem gemessenen Parameter, beispielsweise der Temperatur des Kühlmediums im Kryostaten, geregelt werden kann.
Für den Druckausgleich zwischen Kryostat und Vorratsbehälter bestehen zwei Möglichkeiten: Die Ausgleichsleitung ist entweder eine Flüssigausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit einer im Vorratsbehälter vorliegenden flüssigen Phase herstellt, oder eine Gasausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit im Vorratsbehälter vorliegenden Gasphase herstellt. Es können jedoch auch gleichzeitig beide Arten von Ausgleichsleitungen vorhanden sein, die bevorzugt jeweils zu- oder abgeschaltet werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kühlung sowohl von supraleitenden Apparaturen geeignet, die auf der Basis von klassischen Supraleitern arbeiten, wie auch von solchen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von supraleitenden Spulen, Magneten, Kabeln oder Detektoren.
Bevorzugt kommt als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, beispielsweise verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff, LNG oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Argon oder flüssiges Helium. Insbesondere Flüssigstickstoff ist zum Kühlen von Apparaturen geeignet, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das supraleitende Element an normalleitenden Stromzuführungen angeschlossen ist und wenigstens eine dieser Stromzuführungen zumindest abschnittsweise innerhalb der flüssiges Kühlmedium führenden Ausgleichsleitung (Flüssigausgleichsleitung) oder innerhalb der Zuleitung an den Wärmetauscher verläuft. Dadurch werden die Stromzuleitungen, über die ein wesentlicher Anteil der Wärme in den Kryostaten eingetragen wird, vom Kühlmedium in der jeweiligen Leitung gekühlt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die wenigstens eine Stromzuführung mit der Ausgleichsleitung und/oder der Zuleitung in indirektem Wärmekontakt stehen, und beispielsweise zwischen einem das Kühlmedium tragenden Rohr und einer thermischen Isolation des Rohres aufgewickelt sein.
Als besonders zweckmäßig erweist es sich dabei, die mindestens eine Stromzuführung zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung stromauf zum Entspannungsventil, also zwischen Entspannungsventil und dem Vorratsbehälter anzuordnen, wobei sie vom darin befindlichen Flüssigstickgas gekühlt wird/werden.
Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Entspannungsventil innerhalb des Kryostaten angeordnet ist. In diesem Falle ist es besonders zweckmäßig, die Stromzuleitung stromauf zum Entspannungsventil, jedoch noch innerhalb des Kryostaten anzuordnen.
Das zu kühlende supraleitende Element befindet sich im Innern des Kryostaten und wird im Einsatz der Vorrichtung vom Kühlmedium umspült, steht also in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium, oder das supraleitende Element ist außerhalb des Kryostaten angeordnet und steht im Einsatz der Vorrichtung mit dem flüssigen Kühlmedium im Kryostaten über eine Wärmetauscherfläche in indirektem Wärmekontakt.
Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

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

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen eines supraleitenden Elements 2 umfasst einen Kryostaten 3 in Gestalt eines thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Behälters, in dem das supraleitende Element 2 aufgenommen ist und in dem es während seines Einsatzes auf einer Temperatur unterhalb der supraleitenden Sprungtemperatur des Materials seiner supraleitenden Bauteile gehalten wird. Im Kryostaten 3 steht das supraleitende Element 2 dazu in Wärmekontakt mit einem Kühlmedium, das in einem Vorratsbehälter 4 bevorratet wird.
Beim supraleitenden Element 2 handelt es sich beispielsweise um eine Apparatur mit supraleitenden Bauteilen, beispielsweise ein Kabel, eine Magnetspule, ein Strombegrenzer oder ein Detektor. Das supraleitende Element 2 ist in an sich bekannter und hier nicht weiter interessierender Weise an normalleitenden Stromzuführungen 5, 6, beispielsweise Kabel oder massiven Zuführungen aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, angeschlossen, die flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten 3 geführt sind.
Beim Vorratsbehälter 4 handelt es sich um einen Behälter, beispielsweise einen mit thermisch gut isolierten Wänden ausgerüsteten Standtank, zum Speichern eines kryogenen Kühlmediums, beispielsweise von verflüssigtem Stickstoff, verflüssigtem Wasserstoff oder einem verflüssigten Edelgas, wie beispielsweise Helium oder Argon.
Der Vorratsbehälter 4 ist mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Flüssigausgleichsleitung 8 verbunden, die an einem Flüssiganschluss 9 des Vorratsbehälters 4 angeschlossen ist. Über diesen steht der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden flüssigen Phase 10 des Kühlmediums in Strömungsverbindung.
Anstelle oder ergänzend zur Flüssigausgleichsleitung 8 kann der Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Gasausgleichsleitung 11 mit einem Gasanschluss 12 des Vorratsbehälters 4 verbunden und somit mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden Gasphase 13 des Kühlmediums strömungsverbunden sein.
An einer Verzweigungsstelle 14 zweigt stromab zum Flüssiganschluss 9 von der Flüssigausgleichsleitung 8 eine Kühlmediumsleitung 15 ab. Die Kühlmediumsleitung 15 ist durch eine Wand des Kryostaten 3 flüssigkeitsdicht hindurchgeführt und mündet in einen Wärmetauscher 16 ein. Beim Wärmetauscher 16 handelt es sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Behälter, der innerhalb des Kryostaten 3 angeordnet ist, jedoch nicht mit dem Innenraum 7 in Strömungsverbindung steht. Der Wärmetauscher 16 ist mit thermisch gut leitenden Wänden ausgerüstet, die als Wärmetauscherfläche 14 zum thermischen Kontakt mit dem Innenraum 7 wirken. Anstelle einer solchen Ausgestaltung können im Übrigen auch andere Formen von Wärmetauschern zum Einsatz kommen, beispielsweise eine oder mehrere Rohrschlange/n oder eine oder mehrere durch das Innere des Kryostaten 3 geführte Röhre/n. Wesentlich ist dabei jedoch stets, dass zwischen den Röhren oder der Kühlschlange zwar eine thermische Verbindung, jedoch keine Strömungsverbindung mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 besteht.
Stromauf zum Wärmetauscher 16 ist in der Kühlmediumsleitung 15 ein Entspannungsventil (Druckreduzierventil) 17 angeordnet. Aus einem oberen Abschnitt des Wärmetauschers 16 mündet eine Gasabzugsleitung 18 aus, die gasförmiges Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 16 beispielsweise in die Umgebungsatmosphäre abgibt oder in ein hier nicht gezeigtes Rückleitungssystem, in dem ein geringerer Druck als im Vorratsbehälter 4 herrscht.
Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird zunächst der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit flüssigem Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 befüllt. Das flüssige Kühlmedium bildet somit ein Kühlbad, das das supraleitende Element 2 und den Wärmetauscher 16 umspült. Um einen Druckausleich zwischen Kryostat 2 und Vorratsbehälter 4 herzustellen ist das Ventil des Flüssiganschlusses 9 (und/oder, falls ein Ausgleich über die Gasausgleichsleitung 11 erfolgen soll, das Ventil des Gasanschlusses 12) während des Einsatzes der Vorrichtung 1 stets geöffnet. Im Innenraum 7 des Kryostaten 3 liegt also ein im wesentlicher gleicher Druck vor wie im Vorratsbehälter 4. Durch den thermischen Kontakt mit dem im Kryostaten 3 vorliegenden flüssigen Kühlmedium wird das supraleitende Element 2 auf seine Betriebstemperatur gekühlt.
Über die Kühlmediumsleitung 15 wird flüssiges Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 zum Wärmetauscher 16 geleitet, wobei es am Entspannungsventil 17 eine Druckreduzierung erfährt. Im Wärmetauscher 16 liegt das verflüssigte Kühlmedium somit auf einem gegenüber dem Druck im Vorratstank 4 reduzierten Druck vor, und somit auch auf einer gegenüber der Temperatur des Kühlmediums im Vorratstank 4 reduzierten Temperatur. Dadurch kommt es an den als Wärmetauscherflächen wirkenden Wänden des Wärmetauschers 16 zu einem Wärmeintrag aus dem umgebenden Kühlmedium im Kryostaten 2. Dieses kühlt sich dabei ab und wird somit unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seiner Gleichgewichtstemperatur gebracht. Im Kryostaten 3 ist das supraleitende Element 2 also von flüssigem, blasenfreien Kühlmedium umgeben. Im Wärmetauscher 16 führt der Wärmeeintrag dazu, dass das flüssige Kühlmedium teilweise verdampft und über die Gasabzugsleitung 18 abgeführt wird. Das verdampfte Kühlmedium wird durch frisches Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 4 ersetzt.
Um das Kühlmedium im Wärmetauscher 16 auf eine möglichst geringe Temperatur zu bringen, kann in der Gasabzugsleitung eine Vakuumpumpe 19 angeordnet sein, mittels der der Druck in der Gasabzugsleitung 18, und damit im Wärmetauscher 14, auf einen Wert unterhalb von 1 bar, beispielsweise 100-200 mbar gebracht werden kann.
Im Falle einer plötzlichen Wärmeentwicklung, beispielsweise bei einem Quenchen des supraleitenden Elements 2, erfolgt zunächst eine Temperaturerhöhung des im Innenraum 7 vorliegenden Kühlmediums. Wird dabei die Siedetemperatur überschritten, verdampft ein Teil des Kühlmediums im Kryostaten 3, mit der Folge eines Druckanstiegs im Kryostaten 3. Über die stets offene/n Flüssigausgleichsleitung 8 und/oder Gasausgleichsleitung 11 führt dies zu einem Transport von Kühlmedium in den Vorratsbehälter 4, der insofern als Ausgleichsbehälter wirkt. Nach dem Ende des Wärmeeintrags, beispielsweise nach der Wiederherstellung des supraleitenden Zustands, wird das Kühlmedium im Innenraum 7 des Kryostaten 3 durch den Wärmekontakt am Wärmetauscher 14 rasch wieder auf seine vorherige Betriebstemperatur abgekühlt.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung 20 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 lediglich durch eine andere Anordnung des supraleitenden Elements 2 und des Wärmetauschers 16 gegenüber dem Kryostaten 3. Gleich wirkende Bestandteile sind daher bei der in 2 gezeigten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie bei der Ausführungsform nach 1.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 sind bei der Vorrichtung 20 das supraleitende Element 2 und der Wärmetauscher 16 nicht innerhalb des Kryostaten 3 aufgenommen, sondern befinden sich außerhalb des Kryostaten 3. Der Wärmetauscher 16 steht über eine Wärmetauscherfläche 21, beispielsweise ein gemeinsamer, gut wärmeleitender Wandabschnitt, mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Ebenso steht das supraleitende Element 2 an einer Wärmetauscherfläche 22 mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Im Übrigen sind bei dieser Ausgestaltung sowohl der Wärmetauscher 16 als auch das supraleitende Element mit thermisch gut isolierenden Wänden ausgerüstet.
Die Kühlung des supraleitenden Elements 2 sowie die Unterkühlung des im Innenraum 7 des Kryostaten 3 vorliegenden Kühlmediums erfolgt also durch Wärmeleitung über die Wärmetauscherflächen 21, 22.
Im Übrigen ist es selbstverständlich auch möglich, nur einen der Gegenstände 2, 16 innerhalb des Kryostaten 3 und den jeweils anderen Gegenstand 16, 2 außerhalb des Kryostaten 3, jedoch mit diesem über eine Wärmetauscherfläche verbunden, anzuordnen.
In einer weiteren Variante der Vorrichtungen 1, 20 kann mindestens eine der Stromzuführungen 5, 6 innerhalb der Flüssig-Ausgleichsleitung 8 oder der Kühlmediumsleitung 15 verlaufen oder mit diesen in indirektem thermischen Kontakt stehen, um die Stromzuführung mit dem dort vorliegenden Kühlmedium zu kühlen. Dies ist jedoch in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

1.: Vorrichtung
2.: Supraleitendes Element
3.: Kryostat
4.: Vorratsbehälter
5.: Stromzuführung
6.: Stromzuführung
7.: Innenraum
8.: Flüssigausgleichsleitung
9.: Flüssiganschluss
10.: Flüssige Phase
11.: Gasausgleichsleitung
12.: Gasanschluss
13.: Gasphase
14.: Wärmetauscherfläche
15.: Kühlmediumsleitung
16.: Wärmetauscher
17.: Entspannungsventil
18.: Gasabzugsleitung
19.: Vakuumpumpe
20.: Vorrichtung
21.: Wärmetauscherfläche
22.: Wärmetauscherfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3017238 A1 [0005]
US 6732536 B1 [0005]
WO 2007/005091 A1 [0005]
EP 1850354 A1 [0005]
US 2006/0150639 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements (2), mit einem als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Ausgleichsleitung (8, 11) mit einem Vorratsbehälter (4) für ein kryogenes Kühlmedium strömungsverbundenen Kryostaten (3), der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (3) an einer Wärmetauscherfläche (14, 21) mit einem Wärmetauscher (16) thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspannungsventil (17) ausgerüsteten Zuleitung (15) mit dem Vorratsbehälter (4) strömungsverbunden ist und eine Gasableitung (18) zum Ausleiten von verdampftem Kühlmedium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (16) innerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasableitung (18) eine Vakuumpumpe (19) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung (8, 11) eine Strömungsverbindung des Kryostaten (3) mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden flüssigen Phase (10) und/oder mit einer im Vorratsbehälter (4) vorliegenden Gasphase (13) herstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium ein tiefkalt verflüssigtes Gas, wie verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff verflüssigter Wasserstoff oder ein verflüssigtes Edelgas zum Einsatz kommt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Element (2) an normalleitenden Stromzuführungen (5, 6) angeschlossen ist und wenigstens eine der Stromzuführungen (56) zumindest abschnittsweise innerhalb der Ausgleichsleitung (8) und/oder innerhalb der Zuleitung (15) verläuft und/oder in indirektem Wärmekontakt mit der Zuleitung (15) und/oder der Ausgleichsleitung (8) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stromzuführung (5, 6) zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung (15) stromauf zum Entspannungsventil (17) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entspannungsventil (17) innerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das supraleitende Element (2) im Innenraum (7) des Kryostaten (3) aufgenommen ist und in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) steht oder außerhalb des Kryostaten (3) angeordnet ist und mit dem Kühlmedium im Kryostaten (3) über eine Wärmetauscherfläche (22) in indirektem Wärmekontakt steht.