DE10318895B3 - Cooling device for slow cooling of superconductive component e.g. HTS power transformer, has semi-permeable membrane for separation of liquid cooling medium and gaseous cooling medium - Google Patents

Abstract

The cooling device (1) has a closed cooling circuit (2) filled with a cooling medium which is liquefied upon cooling and containing a cryogenerator (3), a pump (6) and a pressure generator (7), providing a raised internal pressure relative to the cryogenerator. A semi-permeable element (20), e.g. a siphon, between the cryogenerator and the pressure generator allows passage of the liquid cooling medium but blocks the gaseous cooling medium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen eines Bauteils mit einem geschlossenen Kühlkreis, der mit einem beim Abkühlen von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand übergehenden Kühlmittel befüllt ist und der einen Kryogenerator zum Abkühlen des Kühlmittels, eine Pumpe sowie Druckerzeugungsmittel zum Erzeugen eines gegenüber dem Kryogenerator erhöhten Innendruckes aufweist.The invention relates to a device to cool down a component with a closed cooling circuit, which with a cooling down from a gaseous into a liquid State passing coolant filled and is a cryogenerator for cooling the coolant, a pump and pressure generating means to create an opposite the cryogenerator Has internal pressure.

Eine solche Vorrichtung ist aus dem in CP613, Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Vol.47, 2002, S. 473 – 480 erschienenden Beitrag "1 ATM Subcooled Liquid Nitrogen Cryogenic System with GM-Refrigerator for a HTS Power Transformer" der Autoren S. Yoshida et al. bereits bekannt. Die dort bekannte Vorrichtung weist einen ersten Kryostaten mit einem Kälteraum zur Aufnahme eines supraleitenden Transformators auf. Dabei ist der Kälteraum mit flüssigem Stickstoff befüllt. Zur Erhöhung des Druckes in dem Kälteraum ist dieser über ein Regelventil mit einer Druckgasflasche verbunden, die gasförmigen Stickstoff enthält. Ferner ist ein zweiter Kryostat mit einem ebenfalls mit flüssigem Stickstoff gefüllten Kühlraum vorgesehen. In dem Kühlraum sind Kühlaggregate sowie eine Pumpe angeordnet. Durch die Pumpe wird ein tiefgekühlter Stickstoff über eine Zuleitung in den Kälteraum des supraleitenden Transformators gepumpt, wobei sich erwärmender Stickstoff über eine Ableitung wieder dem Kühlraum zugeführt wird.Such a device is from the in CP613, Advances in Cryogenic Engineering: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference, Vol.47, 2002, pp. 473-480 Post "1 ATM Subcooled Liquid Nitrogen Cryogenic System with GM Refrigerator for a HTS Power Transformer "of the Authors S. Yoshida et al. already known. The device known there has a first cryostat with a cold room for receiving a superconducting transformer. The cold room is included liquid Filled with nitrogen. To increase of the pressure in the cold room is this over a control valve connected to a pressurized gas cylinder, the gaseous nitrogen contains. There is also a second cryostat with liquid nitrogen filled refrigerator intended. In the cold room are cooling units as well as a pump. Frozen nitrogen is pumped through a supply line in the cold room pumped the superconducting transformer, with heating nitrogen over a Derivation is fed back to the refrigerator.

Der vorbekannten Vorrichtung haftet der Nachteil an, dass die Pumpe lediglich zum Pumpen von flüssigem Stickstoff ausgelegt ist und aus diesem Grunde in einem mit flüssigem Stickstoff befüllten Kryostaten anzuordnen ist. Der zusätzliche zweite Kryostat ist jedoch raumgreifend. Darüber hinaus muss vor der Inbetriebnahme der Kühlraum mit extern abgekühltem flüssigem Stickstoff befüllt werden. Anschließend pumpt die Pumpe den flüssigen Stickstoff aus dem Kühlraum in den bislang unbefüllten Kälteraum des Transformators. Auf diese Weise wird der empfindliche supraleitende Transformator schlagartig auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt. Eine solche sprunghafte Abkühlung kann jedoch zu mechanischen Spannungen an dem zu kühlenden Bauteil führen, die insbesondere bei empfindlichen Bauteilen eine Schädigung des Bauteils oder sogar dessen Zerstörung im Gefolge haben.The previously known device is liable the disadvantage is that the pump is only for pumping liquid nitrogen is designed and for this reason in a liquid nitrogen filled cryostat to be ordered. The additional however, the second cryostat is extensive. In addition, before commissioning the cold room with externally cooled liquid Filled with nitrogen become. Subsequently the pump pumps the liquid Nitrogen from the cold room in the previously unfilled cold room of the transformer. In this way, the sensitive superconducting Transformer suddenly to the temperature of the liquid nitrogen cooled. Such a sudden cooling can however lead to mechanical stresses on the component to be cooled, which damage to the Component or even its destruction in the wake.

Nach dem landläufigen Stand der Technik sind Pumpen bekannt, die sowohl flüssigen als auch gasförmigen Stickstoff pumpen. Es wäre daher eine Vorrichtung mit einer solchen Pumpe und mit einem Kühlaggregat vorstellbar, die das auf Raumtemperatur befindliche Kühlmittel in der Vorrichtung allmählich abkühlen, bis eine ausreichende Menge des Kühlmittels kondensiert und das zu kühlende Bauteil vollständig in einer flüssigen Phase angeordnet ist. Pumpen, die in der Lage sind, sowohl gasförmiges als auch flüssiges Kühlmittel umzuwälzen, sind jedoch kostenintensiv. Darüber hinaus ist ihre Förderleistung bei gasförmigem Kühlmittel lediglich gering, so dass lange Abkühlzeiten in Kauf genommen werden müssten.According to the state of the art Pumps known to be both liquid as well as gaseous Pump nitrogen. It would be therefore a device with such a pump and with a cooling unit conceivable that the coolant is at room temperature gradually in the device cooling down, until a sufficient amount of the coolant condenses and that to be cooled Component completely in a liquid Phase is arranged. Pumps that are capable of both gaseous and also liquid coolant to circulate, are expensive, however. About that beyond is their funding with gaseous coolant only slight, so that long cooling times are accepted would.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die ein allmähliches und gleichzeitig zügiges Abkühlen eines Bauteils erlaubt.The object of the invention is a To provide device of the type mentioned, the one gradually and quick at the same time Cooling one Component allowed.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass zwischen dem Kryogenerator und den Druckerzeugungsmitteln ein semipermeab les Element vorgesehen ist, das den Durchgang von flüssigem Kühlmittel erlaubt, für gasförmiges Kühlmittel jedoch undurchlässig ist.The invention solves this problem in that a semipermeable les between the cryogenerator and the pressure generating means Element is provided that allows the passage of liquid coolant for gaseous coolant however impermeable is.

Erfindungsgemäß wird mit Hilfe des semipermeablen Elements eine Druckdifferenz in der Vorrichtung erzeugt, die zusammen mit der Pumpe oder allein, ohne Unterstützung durch die Pumpe, ein Umwälzen des gasförmigen Kühlmittels in der Vorrichtung bewirkt. Die Druckdifferenz entsteht beidseitig des semipermeablen Elements durch das Verflüssigen des gasförmigen Kühlmittels in dem Kryogenerator einerseits und dem Verdampfen des flüssigen Kühlmittels in den Druckerzeugungsmitteln andererseits. Während des Umwälzens wird das gasförmige Kühlmittel von dem Kryogenerator langsam abgekühlt, bis in einem Betriebszustand das Umwälzen des Kühlmittels von der Pumpe mit ausreichend hoher Förderleistung übernommen wird. Das semipermeable Element ist zum Aufbau der Druckdifferenz zwischen dem Kryogenerator und den Druckerzeugungsmitteln erforderlich. Es zwingt im Wesentlichen das gasförmige Kühlmittel zum Durchströmen des Kühlkreises in einer Richtung, in der es von dem Kühlkreis quasi überbrückt wird. Im Betriebszustand ermöglicht das semipermeable Element hingegen den Stofftransport des flüssigen Kühlmittels von dem Kryogenerator zu den Duckerzeugungsmitteln. Das semipermeable Element kann im Rahmen der Erfindung beliebig ausgestaltet sein.According to the invention, the semipermeable Elements creates a pressure difference in the device that together with the pump or alone, without the support of the pump circulate of the gaseous refrigerant effected in the device. The pressure difference arises on both sides of the semi-permeable element by liquefying the gaseous coolant in the cryogenerator and the evaporation of the liquid coolant in the pressure generating means, on the other hand. During the upheaval the gaseous coolant slowly cooled by the cryogenerator until in an operating state the revolution of the refrigerant taken over by the pump with a sufficiently high delivery rate becomes. The semi-permeable element is used to build up the pressure difference between the cryogenerator and the pressure generating means. It essentially forces the gaseous coolant to flow through of the cooling circuit in a direction in which it is almost bridged by the cooling circuit. Enabled in the operating state the semipermeable element, on the other hand, is the mass transfer of the liquid coolant from the cryogenerator to the pressure generators. The semipermeable Element can be designed in any way within the scope of the invention.

Vorteilhafterweise ist das semipermeable Element jedoch ein Siphon. Dabei weist der Siphon einen U-förmigen Knieabschnitt auf, in dem sich eine beim Abkühlen erzeugte flüssige Phase des Kühlmittels absetzen kann. Der Knieabschnitt geht an der den Druckerzeugungsmitteln zugewandten Seite des Siphons in einen Überlauf über. Übersteigt die Flüssigkeitssäule in den Schenkeln des U-förmigen Knieabschnitts den Überlauf, fließt flüssiges Kühlmittel zu den Druckerzeugungsmitteln. Durch die flüssige Phase des Knieabschnitts ist jedoch ein Stofftransport des Kühlmittels in der Dampfphase im Wesentlichen unterbrochen.However, the semipermeable element is advantageously a siphon. The siphon has a U-shaped knee section, in which a liquid phase of the coolant generated during cooling can settle. The knee section merges into an overflow on the side of the siphon facing the pressure generating means. If the liquid column in the legs of the U-shaped knee section exceeds the overflow, liquid coolant flows to the pressure generating means. Due to the liquid phase of the knee section, however, there is a substance transfer Port of the coolant essentially interrupted in the vapor phase.

Vorteilhafterweise wird als Kühlmittel Stickstoff eingesetzt.It is advantageously used as a coolant Nitrogen used.

Bei einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung ist in dem Kühlkreis ein Phasenabscheider zum Sammeln von flüssigem Kühlmittel vorgesehen. Der Phasenabscheider erlaubt ein Herausfiltern des flüssigen Anteils des Kühlmittels, so dass in der Vorrichtung lediglich gasförmiges Kühlmittel zirkuliert. Auf die im Phasenabscheider zurückbleibende Flüssigkeit kann im Bedarfsfall beispielsweise im Betriebszustand zurückgegriffen werden, so dass flüssiges Kühlmittel, das ausschließlich durch die Pumpe umgewälzt zur Kühlung eingesetzt ist.With an appropriate further development of the Invention is in the refrigeration cycle a phase separator for collecting liquid coolant is provided. The phase separator allows the liquid to be filtered out Proportion of the coolant, so that only gaseous coolant circulates in the device. On the remaining in the phase separator liquid can be used if necessary, for example in the operating state so that liquid Coolant, that exclusively circulated by the pump for cooling is used.

Bei einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung weist der Phasenabscheider einen Sammelbehälter auf, der über eine in dessen Bodenbereich mündende Flüssigkeitsleitung sowie über eine im Deckenbereich mündende Gasleitung an den Kühlkreis angeschlossen ist, wobei in der Flüssigkeitsleitung ein Sperrventil vorgesehen ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung kann nach einer gewissen Anlaufphase ausge- wählt werden, ob in der Vorrichtung im Wesentlichen dampfförmiges oder flüssiges Kühlmittel umgewälzt wird. Ist das Sperrventil der Flüssigkeitsleitung geschlossen, sammelt sich das flüssige Kühlmittel in dem Sammelbehälter, wobei das gasförmige Kühlmittel über die im Deckenbereich des Sammelbehälters mündende Gasleitung seinen Weg durch den Kühlkreis fortsetzt. Durch Öffnen des Sperrventils ist jedoch auch der flüssigen Phase der Transport durch den Kühlkreis ermöglicht, so dass aufgrund der höheren Dichte der Flüssigkeit gegenüber ihrer Dampfphase durch die Pumpe im Wesentlichen die flüssige Phase zur Bereitstellung der Kühlwirkung ausgenutzt wird. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass auch die Gasleitung ein Sperrventil aufweist, welches nach dem Öffnen des Sperrventils der Flüssigkeitsleitung geschlossen wird, so dass der Phasenabscheider den Transport von flüssigen Kühlmitteln erlaubt, gasförmiges Kühlmittel jedoch zurückhält.With an appropriate further development in this regard the phase separator has a collecting container which has a ending in the bottom area liquid line as well as a ending in the ceiling area Gas line to the cooling circuit is connected, with a check valve in the liquid line is provided. According to this Advantageous further development can take place after a certain start-up phase selected whether in the device is essentially vapor or liquid coolant circulated becomes. Is the shut-off valve of the liquid line closed, the liquid collects coolant in the collection container, being the gaseous Coolant over the in the ceiling area of the collecting container outflowing gas pipe its way through the cooling circuit continues. By opening the check valve is also the liquid phase of transport made possible by the cooling circuit, so because of the higher Density of liquid towards her Vapor phase through the pump essentially the liquid phase to provide the cooling effect is exploited. Of course it is also possible in the context of the invention that the gas line has a check valve, which after opening the check valve liquid line is closed so that the phase separator stops the transport of liquid coolants allowed gaseous coolant however holds back.

Zweckmäßigerweise weisen die Druckerzeugungsmittel einen Druckbehälter zum Sammeln von flüssigem Kühlmittel auf, wobei im Bodenbereich des Druckbehälters angeordnete Heizmittel zum Verdampfen von flüssigem Kühlmittel vorgesehen sind. Durch das Verdampfen des Kühlmittels wird in dem Druckbehälter der Druck gegenüber dem Kryogenerator erhöht. Aufgrund der geschlossenen Ausgestaltung des Kühlkreises ist das semipermeable Element durch dieses überbrückt, so dass es zum Stofftransport in der Gasphase kommt. Als Heizmittel kommt beispielsweise eine elektrische Heizschlange in Betracht.The pressure generating means expediently have a pressure vessel for collecting liquid coolant on, heating means arranged in the bottom region of the pressure vessel for vaporizing liquid coolant are provided. The evaporation of the coolant in the pressure vessel Pressure against the cryogenerator increased. Because of the closed design of the cooling circuit, this is semipermeable Element bridged by this, so that mass transport occurs in the gas phase. As a heating medium For example, an electric heating coil can be considered.

Gemäß einer diesbezüglichen Weiterentwicklung sind die Druckerzeugungsmittel über eine im Bodenbereich des Druckbehälters mündende Flüssigleitung sowie über eine im oberen Bereich des Druckbehälters mündende Gasleitung an dem Kühlkreis angeschlossen, wobei in der Flüssigleitung ein Sperrventil angeordnet ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung weisen die Druckerzeugungsmittel eine Filtereigenschaft zur Auswahl der durch die Druckerzeugungsmittel in dem Kühlkreis umgewälzten Phase des Kühlmittels auf. Bei geschlossenem Sperrventil wird in dem Druckbehälter der Druckerzeugungsmittel flüssiges Kühlmittel gesammelt, wobei gasförmiges Kühlmittel über die im oberen Bereich des Druckbehälters mündende Gasleitung seinen Weg durch den Kühlkreis fortsetzt. Nach dem Öffnen des Sperrventils steht jedoch auch der flüssigen Phase der Transport im Kühlkreis offen. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, ein Sperrventil auch in der Gasleitung vorzusehen.According to a related Further development are the pressure generating means via an Bottom area of the pressure vessel flowing liquid pipe as well as about a gas line on the cooling circuit opening in the upper region of the pressure vessel connected, being in the liquid line a check valve is arranged. According to this advantageous further development the pressure generating means have a filter property to choose from the phase circulated by the pressure generating means in the cooling circuit of the coolant on. When the shut-off valve is closed, the Liquid pressure fluid coolant collected, being gaseous Coolant over the in the upper area of the pressure vessel opens Gas line continues its way through the cooling circuit. After opening the The check valve also stands for the liquid phase of transport in the cooling circuit open. Of course it is possible within the scope of the invention, a Check valve should also be provided in the gas line.

Vorteilhafterweise sind in der Gasleitung Zusatzheizmittel vorgesehen. Durch die Zusatzheizmittel kann das Gas auf eine über der Siedetemperatur liegende Temperatur erwärmt werden. Hohe Temperaturdifferenzen in der abzukühlenden Einrichtung können auf diese Weise vermieden werden.Are advantageously in the gas line Additional heating means provided. The additional heating means can Gas on an over the boiling temperature are heated. High temperature differences in the one to be cooled Can set up can be avoided in this way.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung umfasst der Kühlkreis ein zur Aufnahme des zu kühlenden Bauteils vorgesehenen Kälteraum. Dabei ist das zu kühlende Bauteil beispielsweise ein supraleitender Transformator, der in dem vakuumisolierten Kälteraum der Vorrichtung angeordnet ist. Nach dem Einbringen des zu kühlenden Bauteils in den Kälteraum kann mit dem Abkühlen des Kühlmittels durch Aktivieren des Kryogenerators begonnen werden, wobei das Bauteil allmählich auf die Temperatur der flüssigen Phase des Kühlmittels abgekühlt wird.According to a preferred further development of the invention comprises the cooling circuit one to hold the one to be cooled Component provided cold room. This is what is to be cooled Component, for example, a superconducting transformer, which in the vacuum-insulated cold room the device is arranged. After inserting the component to be cooled in the cold room can with the cooling of the refrigerant be started by activating the cryogenerator, the component gradually to the temperature of the liquid Phase of the coolant is cooled.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf die Figur, wobeiFurther expedient configurations and advantages The invention is the subject of the following description of a Embodiment of the Invention with reference to the figure, wherein

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Schnittansicht zeigt. 1 shows an embodiment of a device according to the invention in a schematic sectional view.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch in einer geschnittenen Ansicht. Die dargestellte Vorrichtung 1 weist einen Kühlkreis 2 auf, der über einen Kryogenerator 3 und einen Kälteraum 4 verfügt, in dem ein supraleitendes Bauelement 5, wie beispielsweise ein supraleitender Transformator, angeordnet ist. Zum Transport des Kühlmittels im Kühlkreis 2 ist eine Pumpe 6 vorgesehen. Figure 1 shows an embodiment of a device according to the invention 1 schematically in a sectional view. The device shown 1 has a cooling circuit 2 on that via a cryogenerator 3 and a cold room 4 has a superconducting component 5 , such as a superconducting transformer. For transporting the coolant in the cooling circuit 2 is a pump 6 intended.

Die Pumpe 6 des gezeigten Ausführungsbeispiels ist in der Lage, sowohl flüssiges als auch gasförmiges Kühlmittel, das in diesem Fall durch Stickstoff realisiert ist, zu transportieren. Aufgrund der geringen Dichte des gasförmigen Stickstoffs ist die Förderleistung der Pumpe 6 bezogen auf gasförmiges Stickstoff jedoch im Vergleich zu dessen flüssiger Phase gering.The pump 6 of the exemplary embodiment shown is able to transport both liquid and gaseous coolant, which in this case is realized by nitrogen. Due to the low density of the gaseous nitrogen, the delivery rate of the pump 6 based on gaseous However, nitrogen is low compared to its liquid phase.

Um die Förderleistung der Pumpe 6 bei gasförmigem Stickstoff zu erhöhen, weist der Kühlkreis 2 Druckerzeugungsmittel 7 auf, die einen Druckbehälter 8 eine in den Deckenbereich des Druckbehälters 8 mündende Gasleitung 9 sowie eine in den Bodenbereich mündende Flüssigkeitsleitung 10 umfassen. In der Gasleitung 9 und der Flüssigleitung 10 sind jeweils Sperrventile 11 angeordnet, die in einer Sperrstellung den Stofftransport unterbrechen oder in einer Offenstellung sowohl für gasförmigen als auch für flüssigen Stickstoff durchlässig sind. Die Druckerzeugungsmittel 7 sind über eine wärmeisolierte Rohrleitung 12 mit dem Kälteraum 4 des supraleitenden Bauteils 5 verbunden.To the delivery rate of the pump 6 increase in gaseous nitrogen, the cooling circuit 2 Pressure generating means 7 on that a pressure vessel 8th one in the ceiling area of the pressure vessel 8th outflowing gas pipe 9 as well as a liquid line opening into the floor area 10 include. In the gas pipe 9 and the liquid line 10 are check valves 11 arranged, which interrupt the mass transport in a blocking position or are permeable to both gaseous and liquid nitrogen in an open position. The pressure generating means 7 are via a heat insulated pipe 12 with the cold room 4 of the superconducting component 5 connected.

Der Kühlkreis 2 weist ferner einen Sammelabscheider 13 auf, der über eine ebenfalls wärmeisolierte Rohrleitung 14 an den Kälteraum 4 angeschlossen ist. Der Sammelabscheider 13 umfasst einen Sammelbehälter 15 eine in seinem Deckenbereich mündende Gasleitung 16 sowie eine in seinem Bodenbereich mündende Flüssigkeitsleitung 17. Die Gasleitung 16 und die Flüs sigkeitsleitung 17 sind jeweils mit Sperrventilen 11 versehen, die wahlweise einen Stofftransport ermöglichen oder diesen unterbrechen. Eine Rohrleitung 18 dient zum Anschluss des Sammelabscheiders 13 an die Pumpe 6, wohingegen die Pumpe 6 über eine wärmeisolierte Rohrleitung 19 mit dem Kryogenerator 3 verbunden ist.The cooling circuit 2 also has a collecting separator 13 on the also a heat-insulated pipe 14 to the cold room 4 connected. The collective separator 13 includes a collection container 15 a gas pipe opening into its ceiling area 16 as well as a liquid line opening into its bottom area 17 , The gas pipe 16 and the liquid line 17 are each with check valves 11 provided, which either allow a mass transfer or interrupt it. A pipeline 18 serves to connect the collective separator 13 to the pump 6 , whereas the pump 6 via a heat insulated pipe 19 with the cryogenerator 3 connected is.

Zwischen dem Kryogenerator 3 und den Druckerzeugungsmitteln 7 ist ein semipermeables Element 20 vorgesehen, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Siphon realisiert ist. Der Siphon 20 weist einen U-förmigen Knieabschnitt 21 sowie einen Überlauf 22 auf, wobei der Überlauf 22 in den Deckenbereich des Druckbehälters 8 mündet.Between the cryogenerator 3 and the pressure generating means 7 is a semi-permeable element 20 provided that is realized in the embodiment shown as a siphon. The siphon 20 has a U-shaped knee section 21 as well as an overflow 22 on, the overflow 22 in the ceiling area of the pressure vessel 8th empties.

Zum Abkühlen der beispielsweise Raumtemperatur aufweisenden Vorrichtung 1 wird zunächst der Kryogenerator 3 in Betrieb gesetzt. Der mit gasförmigem Stickstoff befüllte Kühlkreis 2 wird nun langsam abgekühlt. Dabei sorgt die Pumpe 6 für ein langsames Umwälzen des gasförmigen Stickstoffs. Der Siphon 20 ist zweckmäßigerweise in unmittelbarer Nähe des Kryogenerators 3 angeordnet, da in dessen unmittelbarer Umgebung die Kondensation des Stickstoffs bevorzugt auftritt. Der flüssige Stickstoff wird aufgrund der Schwerkraft in dem U-förmigen Knieabschnitt 21 gesammelt, bis die Höhe der Flüssigkeitssäule in seinem Schenkel den Überlauf 22 übersteigt und flüssiger Stickstoff in den Druckbehälter 8 gelangt.For cooling the device, for example at room temperature 1 first becomes the cryogenerator 3 put into operation. The cooling circuit filled with gaseous nitrogen 2 is slowly cooled down. The pump takes care of this 6 for a slow circulation of the gaseous nitrogen. The siphon 20 is conveniently in the immediate vicinity of the cryogenerator 3 arranged because the condensation of nitrogen occurs preferentially in its immediate vicinity. The liquid nitrogen is due to gravity in the U-shaped knee section 21 collected until the height of the liquid column in his thigh overflow 22 exceeds and liquid nitrogen in the pressure vessel 8th arrives.

In dem Druckbehälter 8 sammelt sich der flüssige Stickstoff. Sein Pegel steigt mit fortschreitender Abkühldauer an. Zur Druckerzeugung ist in dem Bodenbereich des Druckbehälters 8 eine Heizschlange 23 vorgesehen. Durch Einspeisen eines Heizstromes wird flüssiger Stickstoff in dem Druckbehälter 8 von der Heizschlange 23 in die gasförmige Phase überführt und der Druck indem Druckbehälter 8 gegenüber dem Kryogenerator 3 erhöht. Aufgrund der in dem Knieabschnitt 21 stehenden Flüssigkeit gelangt der gasförmige Stickstoff nicht direkt in den Kryogenerator 3, sondern wird über die Rohrleitungen 12, 14, 16, 18 und 19 in den Kryogenerator 3 geführt, wobei das bereits gekühlte gasförmige Kühlmittel den Kälteraum 4, den Phasenabscheider 13 sowie die Pumpe 6 durchsetzt. In der Gasleitung 9 der Druckerzeugungsmittel 7 ist vor dem Sperrventil 11 ein Zusatzheizmittel 24 vorgesehen, welches den gasförmigen Stickstoff auf eine über der Siedetemperatur liegende Temperatur erwärmen kann.In the pressure vessel 8th the liquid nitrogen collects. Its level increases as the cooling time progresses. To generate pressure is in the bottom area of the pressure vessel 8th a heating coil 23 intended. By feeding a heating current, liquid nitrogen becomes in the pressure vessel 8th from the heating coil 23 transferred into the gaseous phase and the pressure in the pressure vessel 8th towards the cryogenerator 3 elevated. Because of the in the knee section 21 liquid, the gaseous nitrogen does not get directly into the cryogenerator 3 , but is via the piping 12 . 14 . 16 . 18 and 19 into the cryogenerator 3 led, the already cooled gaseous coolant the cold room 4 , the phase separator 13 as well as the pump 6 interspersed. In the gas pipe 9 the pressure generating means 7 is in front of the check valve 11 an additional heating medium 24 provided which can heat the gaseous nitrogen to a temperature above the boiling temperature.

Zu Beginn des Abkühlvorganges ist das Sperrventil 11 der Flüssigkeitsleitung 17 geschlossen, so dass lediglich dampfförmiger Stickstoff über die Gasleitung 16 mit dem geöffneten Ventil 11 und über die Rohrleitungen 18 und 19 zum Kryogenerator 3 geführt wird.The shut-off valve is at the beginning of the cooling process 11 the liquid line 17 closed, so that only vapor nitrogen via the gas line 16 with the valve open 11 and over the pipes 18 and 19 to the cryogenerator 3 to be led.

Nachdem ausreichend flüssiger Stickstoff in dem Druckbehälter 8 sowie dem Sammelbehälter 15 bereitgestellt ist, werden die Gasleitung 9 der Druckerzeugungsmittel 7 und die Gasleitung 16 des Phasenabscheiders 13 mittels der Sperrventile 11 geschlossen. Gleichzeitig werden die Sperrventile 11 der Flüssigleitung 10 bzw. der Flüssigkeitsleitung 17 geöffnet, so dass im Wesentlichen flüssiger Stickstoff durch die Pumpe 6 befördert wird.Having enough liquid nitrogen in the pressure vessel 8th as well as the collection container 15 is provided, the gas line 9 the pressure generating means 7 and the gas pipe 16 of the phase separator 13 by means of the check valves 11 closed. At the same time, the check valves 11 the liquid line 10 or the liquid line 17 opened so that essentially liquid nitrogen through the pump 6 is promoted.

Mit Hilfe der Vorrichtung 1 kann somit das supraleitende Bauelement 5 allmählich abgekühlt werden. Darüber hinaus wird das Umwälzen gasförmigen Stickstoffs im Wesentlichen durch die Druckdifferenz bewirkt, so dass die Abkühldauer verringert ist. Dabei kann der in der abzukühlenden Vorrichtung um laufende Massenstrom mittels der Heizleistung der Heizschlange 23 reguliert werden.With the help of the device 1 can thus be the superconducting component 5 be gradually cooled. In addition, the circulation of gaseous nitrogen is essentially caused by the pressure difference, so that the cooling time is reduced. The mass flow running in the device to be cooled can thereby be achieved by means of the heating power of the heating coil 23 be regulated.

Bei einem abweichenden Ausführungsbeispiel wird das Umwälzen des gasförmigen Stickstoffs allein durch die Druckdifferenz bewirkt, die durch das Verdampfen des flüssigen Stickstoffs im Druckbehälter 8 und dem Verflüssigen des gasförmigen Stickstoffs in dem Kryogenerator 3 entsteht. Die Pumpe ist hingegen lediglich zum Umwälzen von flüssigem Stickstoff geeignet. Neben einer kurzen Abkühldauer können bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung auch hohe Kosten für die Pumpe vermieden werden.In a different embodiment, the circulation of the gaseous nitrogen is effected solely by the pressure difference caused by the vaporization of the liquid nitrogen in the pressure vessel 8th and liquefying the gaseous nitrogen in the cryogenerator 3 arises. The pump, on the other hand, is only suitable for circulating liquid nitrogen. In addition to a short cooling time, high costs for the pump can also be avoided in this exemplary embodiment of the invention.

Claims (8)

Vorrichtung (1) zum Abkühlen eines Bauteils (5) mit einem geschlossenen Kühlkreis (2), der mit einem beim Abkühlen von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand übergehenden Kühlmittel befüllt ist und der einen Kryogenerator (3) zum Abkühlen des Kühlmittels, eine Pumpe (6) sowie Druckerzeugungsmittel (7) zum Erzeugen eines gegenüber dem Kryogenerator (3) erhöhten Innendruckes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kryogenerator (3) und den Druckerzeugungsmitteln (7) ein semipermeables Element (20) vorgesehen ist, das den Durchgang von flüssigem Kühlmittel erlaubt, für gasförmiges Kühlmittel jedoch undurchlässig ist.Contraption ( 1 ) for cooling a component ( 5 ) with a closed cooling circuit ( 2 ) which is filled with a coolant which changes from a gaseous to a liquid state on cooling and which has a cryogenerator ( 3 ) to cool the coolant, a pump ( 6 ) as well as pressure generating means ( 7 ) to generate a compared to the cryogenerator ( 3 ) has increased internal pressure, characterized in that between the cryogenerator ( 3 ) and the pressure generating means ( 7 ) a semi-permeable element ( 20 ) is provided, that allows the passage of liquid coolant, but is impermeable to gaseous coolant. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das semipermeable Element ein Siphon (20) ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the semipermeable element is a siphon ( 20 ) is. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreis (2) ein Phasenabscheider (13) zum Sammeln von flüssigem Kühlmittel vorgesehen ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that in the cooling circuit ( 2 ) a phase separator ( 13 ) is provided for collecting liquid coolant. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenabscheider (13) einen Sammelbehälter (15) aufweist, der über eine in dessen Bodenbereich mündende Flüssigkeitsleitung (17) sowie über eine im Deckenbereich mündende Gasleitung (16) an den Kühlkreis (2) angeschlossen ist, wobei in der Flüssigkeitsleitung (17) ein Sperrventil (11) vorgesehen ist.Contraption ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the phase separator ( 13 ) a collection container ( 15 ), which via a liquid line opening into the bottom area ( 17 ) as well as via a gas line leading into the ceiling area ( 16 ) to the cooling circuit ( 2 ) is connected, whereby in the liquid line ( 17 ) a shut-off valve ( 11 ) is provided. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungsmittel (7) einen Druckbehälter (8) zum Sammeln von flüssigem Kühlmittel aufweisen, wobei im Bodenbereich des Druckbehälters (8) angeordnete Heizmittel (23) zum Verdampfen von flüssigem Kühlmittel vorgesehen sind.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure generating means ( 7 ) a pressure vessel ( 8th ) for collecting liquid coolant, in the bottom area of the pressure vessel ( 8th ) arranged heating means ( 23 ) are provided for evaporating liquid coolant. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungsmittel (7) über eine im Bodenbereich des Druckbehälters (8) mündende Flüssigleitung (10) sowie über eine im oberen Bereich des Druckbehälters (8) mündende Gasleitung (9) an den Kühlkreis (2) angeschlossen sind, wobei in der Flüssigleitung (10) ein Sperrventil (11) angeordnet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the pressure generating means ( 7 ) in the bottom area of the pressure vessel ( 8th ) flowing liquid line ( 10 ) and one in the upper area of the pressure vessel ( 8th ) opening gas pipe ( 9 ) to the cooling circuit ( 2 ) are connected, whereby in the liquid line ( 10 ) a shut-off valve ( 11 ) is arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasleitung (9) Zusatzheizmittel (24) vorgesehen sind.Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that in the gas line ( 9 ) Additional heating medium ( 24 ) are provided. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis (2) einen zur Aufnahme des zu kühlenden Bauteils (5) vorgesehenen Kälteraum (4) umfasst.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling circuit ( 2 ) one to hold the component to be cooled ( 5 ) provided cold room ( 4 ) includes.