DE10336277A1

DE10336277A1 - Maschineneinrichtung mit einer supraleitenden Wicklung und einer Thermosyphon-Kühlung derselben

Info

Publication number: DE10336277A1
Application number: DE10336277A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Frank; Adolf KÜHN; Peter Van Dr. Hasselt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-24
Also published as: US20050088048A1; US7049717B2

Abstract

Die Maschine (2) weist einen Rotor (5) mit supraleitender Wicklung (10) auf, deren Leiter wärmeleitend an einen zentralen Rotorhohlraum (12) angekoppelt sind. Dieser Hohlraum ist Teil eines geschlossenen Thermosyphon-Leitungssystems (25) für ein Kältemittel (k, k'). Es sollen Mittel (40) zur Drehung des Rotors (5) im Nicht-Betriebsfall vorgesehen sein. Außerdem soll der Rotorhohlraum (12) für das flüssige Kältemittel (k) mindestens einen von der Eintrittsseite (BS) des Kältemittels axial zur gegenüberliegenden Seite (AS) führenden, schrauben- oder spiralartigen Förderweg (41), insbesondere nach Art einer Archimedischen Spirale, aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschineneinrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter wärmeleitend an einen zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen Rotorhohlraum angekoppelt sind, welcher Teil eines geschlossenen Leitungssystems ist, in dem sich ein Kältemittel befindet, das unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert, wobei kondensiertes Kältemittel in den zentralen Rotorhohlraum gelangt sowie dort verdampfendes Kältemittel aus diesem austritt. Eine entsprechende Maschineneinrichtung geht aus der WO 02/43224 A1 hervor.

Seit 1987 sind metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen T_c von über 77 K bekannt. Diese Materialien werden deshalb auch als Hoch(High)-T_c-Supraleitermaterialien bzw. HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN₂).

Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen von Maschinen zu erstellen. Bisher bekannte Leiter haben jedoch eine verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit insbesondere in Magnetfeldern mit Induktionen im Tesla-Bereich. Man sieht sich deshalb vielfach gezwungen, die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen T_c der verwendeten Materialien auf einem deutlich unter 77 K liegenden Temperaturniveau von beispielsweise zwischen 10 und 50 K zu halten, um so bei den hohen Feldstärken nennenswerte Ströme führen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermaterialien mit vergleichsweise niedrigerer Sprungtemperatur T_c, sogenannte Niedrig(Low)-T_c- Supraleitermaterialien bzw. LTS-Materialien, gekühlt werden. Als Kältemittel kommt deshalb z.B. flüssiges Neon (LNe) in Frage.

Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern in dem genannten Temperaturbereich unter 77 K kommen bevorzugt Kälteanlagen in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Sie ermöglichen, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten vermieden wird. Bei der Verwendung solcher Kälteanlagen wird die supraleitende Wicklung lediglich durch Wärmeübertragung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z.B. Proc. 16^th Int. Cryog. Engng. Conf. (ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20.-24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).

Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für den aus der eingangs genannten WO-A-Schrift zu entnehmenden Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine Wicklung aus HTS-Leitern, die sich in einem wärmeleitend ausgebildeten Wicklungsträger befinden. Dieser Wicklungsträger ist mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden, zumindest weitgehend zylindrischen Rotorhohlraum ausgestattet, an den sich seitlich aus dem Wicklungsträger herausführende, rohrförmige Leitungsteile anschließen. Diese Leitungsteile führen in einen geodätisch höher liegenden Kondensorraum einer Kälteeinheit und bilden zusammen mit diesem Kondensorraum und dem zentralen Rotorhohlraum ein geschlossenes Ein-Rohr-Leitungssystem. In diesem Leitungssystem befindet sich ein Kältemittel, das unter Ausnutzung eines sogenannten Thermosyphon-Effektes zirkuliert. Hierbei wird in dem Kondensorraum kondensiertes Kältemittel über die rohrförmigen Leitungsteile in den zentralen Rotorhohlraum geleitet, wo es wegen der thermischen Ankopplung an den Wicklungsträger und da mit an die HTS-Wicklung Wärme aufnimmt und verdampft. Das verdampfte Kältemittel gelangt dann zurück über dieselben Leitungsteile in den Kondensorraum, wo es rückkondensiert wird. Die hierfür erforderliche Kälteleistung wird von einer Kältemaschine erbracht, deren Kaltkopf an den Kondensorraum thermisch angekoppelt ist. Der Rückstrom des Kältemittels wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Rotorhohlraum hin auf die als Kondensator wirkenden Teile der Kältemaschine. Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampferteil und das Verflüssigen im Kondensorraum erzeugte Überdruck führt also zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom. Entsprechende Kältemittelströmungen sind auch von sogenannten „Heat-Pipes" her prinzipiell bekannt.

Bei der bekannten Maschine mit Thermosyphon-Kühlung mittels einer entsprechenden Kälteeinheit erfolgt also der Transport des Kältemittels allein unter Ausnutzung der Schwerkraft, so dass keine weiteren Pumpsysteme erforderlich sind. Will man eine derartige Maschineneinrichtung , bestehend aus Maschine und zugehörender Kälteeinheit auf Schiffen oder Off-shore-Einrichtungen aussetzen, so muss vielfach mit statischen Schieflagen, einem sogenannten „Trim", einer Größenordnung bis zu ± 5° und/oder mit dynamischen Schieflagen von bis zu ± 7,5° in Längsrichtung gerechnet werden. Um eine Zulassung für einen Schiffseinsatz zu erhalten, muss folglich das Kühlsystem einer solchen Maschineneinheit an Bord eines Seefahrzeuges auch unter diesen Bedingungen eine sichere Kühlung gewährleisten. Will man die genannten Schieflagen der Maschine zulassen, so besteht dann jedoch die Gefahr, dass ein Bereich der rohrförmigen Leitungsteile zwischen dem zentralen Rotorhohlraum und der Kälteeinheit geodätisch tiefer zu liegen kommt als der zentrale Rotorhohlraum. Die Folge davon ist, dass das Kältemittel unter Einfluss der Schwerkraft den zu kühlenden Rotorhohlraum nicht erreichen kann. Eine Kühlung der Maschine und somit deren Betrieb wären damit nicht mehr sichergestellt.

Um dieser Gefahr zu begegnen, sind mehrere Vorschläge bekannt:

– Eine einfache Lösung besteht darin, die Maschine gegenüber der Horizontalen so geneigt anzuordnen, dass auch bei größter anzunehmender Trimlage oder Oszillationsamplitude in dem Thermosyphon-Leitungssystem immer noch ein Gefälle in Richtung auf den Rotorhohlraum hin vorhanden ist. Eine entsprechend geneigte Anordnung ist gerade im Schiffsbau insbesondere bei größerer Maschinenlänge aus Gründen eines dann erforderlichen großen Platzbedarfs unerwünscht.
– Statt eines Ein-Rohr-Leitungssystems, bei dem das flüssige und das gasförmige Kältemittel durch gleiche Rohrteile strömen, sind auch Zwei-Rohr-Leitungssysteme für eine Kältemittelzirkulation unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes bekannt (vgl. z.B. WO 00/13296 A1). Hierbei muss jedoch im Bereich der Hohlwelle des Rotors ein zusätzliches Rohr für das gasförmige Kältemittel vorgesehen werden. Dies bedingt auch einen zusätzlichen Abdichtungsaufwand.
– Prinzipiell kann das Kältemittel auch durch eine Pumpanlage zwangsumgewälzt werden. Hierfür ist jedoch ein entsprechend hoher apparativer Aufwand erforderlich, insbesondere wenn sich das Kältemittel z.B. auf einer tiefen Temperatur von beispielsweise etwa 30 K befinden soll. Derartige Umwälzanlagen bedingen zudem erhebliche Verluste und können die Lebensdaueranforderungen des Schiffbaus mit seinen langen Wartungsintervallen kaum erfüllen.

Außerdem tritt das Problem auf, dass bei einer Neigung der Maschine in Längsrichtung derart, dass die Eintrittsseite des Kältemittels in den zentralen Rotorhohlraum geodätisch tiefer liegt als die axial gegenüberliegende Seite, so dass dann das Kältemittel der Schwerkraft folgend in Richtung auf den Bereich der Kältemitteleintrittsseite strömt. Eine Kühlung der Maschine und damit deren Standby-Betrieb wäre damit nicht mehr sicher zu gewährleisten, da es in diesem Bereich zu ho hen thermischen Verlusten sowie zu einer unerwünschten Abkühlung der Rotorwelle kommt. Im Normalbetrieb, d.h. dem normalen Betriebsfall, tritt dieses Problem nicht auf, da dann durch die Rotation und eine eventuell leicht konische Gestaltung des zentralen Rotorhohlraums das Kältemittel an die Außenwände geschleudert und in Richtung auf die der Eintrittsseite des Kältemittels axial gegenüberliegende Seite gedrückt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Maschineneinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass zumindest die angesprochene Ansammlung von Kältemittel in dem zentralen Rotorhohlraum auf der Kältemitteleintrittsseite im Standby-Zustand der Maschine vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Demgemäss sollen Mittel zur Drehung des Rotors im Nicht-Betriebsfall vorgesehen sein und soll der zentrale Rotorhohlraum für das Kältemittel mindestens einen von der Eintrittsseite des Kältemittels in den Rotorhohlraum axial zur gegenüberliegenden Seite führenden, schrauben- oder spiralartigen Förderweg aufweisen. Unter dem Nicht-Betriebsfall wird dabei jeder Zustand der Maschine verstanden, bei dem eine Soll-Drehzahl des Rotors nicht gegeben ist und insbesondere ein Standby-Betrieb/Wartezustand vorgesehen ist.

Die mit dieser Ausgestaltung der Maschineneinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass auch bei einer Schräglage ihrer Maschine in die geschilderte ungünstige Richtung das Kältemittel noch im gesamten zentralen Innenraum des Rotors verbleibt. Denn wenn sich die Maschine im Nicht-Betriebsfall (bzw. Standby-Modus) befindet, wird der Rotor mit Hilfe der vorgesehenen Drehmittel langsam gedreht (sogenannter „Turn"). Auf Grund der schrauben- oder spiralartigen Ausgestaltung des Kältemittelförderwegs wird dabei das Kältemittel von der Kältemitteleintrittsseite auf die gegenü berliegende Seite gefördert und so im gesamten Innenraum des Rotorhohlraums gehalten. Auf diese Weise sind auch die Standby-Verluste beherrschbar und so ein Standby-Betrieb möglich. Damit ist eine Voraussetzung für eine Klassifizierung der Maschine als ein Hauptgenerator zu erfüllen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Maschineneinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann die Einrichtung einen hohlzylinderförmigen zentralen Rotorhohlraum aufweisen mit einer ein- oder mehrgängigen Förderspindel, insbesondere nach Art einer Archimedischen Spirale. Eine derartige Spindel lässt sich auf einfache Weise in dem Rotorhohlraum installieren.

Stattdessen kann auch der hohlzylinderförmigen zentralen Rotorhohlraum an seiner radial außenliegenden Innenwand eine rinnenartige Ausgestaltung des Förderwegs aufweisen. Bei der langsamen Drehung des Rotors im Nicht-Betriebsfall fließt dann das Kältemittel in der Rinne hin zu der axial gegenüberliegenden Seite.

Außerdem können vorteilhaft Mittel zu einer Druckerhöhung vorgesehen sein, die eine kurzzeitige Pumpwirkung auf das flüssige Kältemittel in Richtung auf den zentralen Rotorhohlraum hin mittels Druckimpulsen an gasförmigem Kältemittel hervorrufen. Auf Grund der thermischen Trägheit des Systems genügt es nämlich, wenn eine Nachfüllung des Kältemittels in den Rotorhohlraum in zeitlichen Abständen für eine hinreichend kurze Zeitdauer, d.h. kurzzeitig, insbesondere gepulst, erfolgt. Damit ist auch bei Schieflagen des Rotors eine sichere Kühlung der supraleitenden Wicklung auf Grund einer hinreichenden Befüllung des zentralen Rotorhohlraums im Betriebszustand zu gewährleisten.

Die Druckerhöhungsmittel können vorzugsweise auf den Bereich eines Kondensorraums oder rohrförmiger Leitungsteile einwir ken, die von dem Kondensorraum zu dem zentralen Rotorhohlraum führen. Eine sichere Förderung des flüssigen Kältemittels in den zentralen Rotorhohlraum ist so auch bei realistischen Schieflagen zu gewährleisten.

Eine bevorzugte Maßnahme für ein kurzzeitiges Pumpen während einer entsprechenden Zeitdauer ist in einem mit gasförmigem, unter Überdruck stehenden Kältemittel gefüllten Puffervolumen zu sehen, das mit dem Kondensorraum oder den sich daran anschließenden Leitungsteilen über eine das gasförmige Kältemittel fördernde Pumpe zu verbinden ist.

Stattdessen kann an den rohrförmigen Leitungsteilen eine auf das flüssige Kältemittel einwirkenden Heizvorrichtung angebracht sein, die für ein kurzzeitiges Pumpen während einer entsprechenden Zeitdauer zu aktivieren ist. Dabei kann die Heizvorrichtung vorteilhaft in einem zumindest teilweise mit flüssigem Kältemittel gefüllten Puffervolumen angeordnet sein. Entsprechende Druckerhöhungsmittel sind verhältnismäßig einfach zu realisieren.

Zur Förderung des flüssigen Kältemittels in den zentralen Rotorhohlraum kann vorteilhaft eine permanent pulsierende Druckerhöhung vorgesehen werden. Eine entsprechende Förderung bedarf nur eines geringen apparativen Aufwands. Stattdessen oder zusätzlich kann eine sensorisch ausgelöste Druckerhöhung vorgesehen werden. Hierzu lässt sich ein die Druckerhöhung auslösender, die Neigung der Rotationsachse gegenüber der Horizontalen detektierender Lagesensor oder ein die Druckerhöhung auslösender Füllstandssensor an den rohrförmigen Leitungsteilen verwenden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Maschineneinrichtung noch weiter beschrieben werden. Dabei zeigen jeweils in einem Längsschnitt schematisch
deren 1 eine Ausführungsform einer Maschine dieser Einrichtung,
deren 2 eine zu dieser Maschine gehörende Kälteeinheit sowie
deren 3 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Kälteeinheit für die Maschine.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Erfindungsgemäße Maschineneinrichtungen umfassen jeweils eine Maschine bzw. einen Motor sowie eine zugeordnete Kälteeinheit. Bei der nachfolgend an Hand der Figuren angedeuteten Ausführungsform ihrer Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Die Maschine umfasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material (Niedrig-T_c-Supraleitermaterial) oder oxidischem HTS-Material (Hoch-T_c-Supraleitermaterial) gestattet. Letzteres Material sei für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zu Grunde gelegt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer zwei-, vier- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Synchron-Motors geht aus 1 hervor, wobei von der aus der eingangs genannten WO 02/43224 bekannten Ausführungsform einer solchen Maschine ausgegangen wird.
Die mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein feststehendes, auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Innerhalb des Außengehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert. Die Lagerung erfolgt auf einer Antriebsseite AS an einem massiven Rotorwellenteil 5a, der beispielsweise mit einer Turbine als Antriebsmittel starr verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite geht der Rotor in einen rohrförmigen Wellenteil 5b über, über den unter anderem eine Kryoversorgung sowie elektrische Anschlüsse erfolgen. Diese Seite des Rotors wird deshalb auch als Be triebsseite BS bezeichnet. Bei den Lagern 6 kann es sich um konventionelle mechanische Lager oder auch um Magnetlager handeln. Der Rotor weist ferner ein Vakuumgefäß 7 auf, in dem an z.B. hohlzylindrischen, drehmomentübertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS-Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rotationsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender zentraler Rotorhohlraum 12 vorhanden, der beispielsweise eine Zylinderform hat oder im Querschnitt gesehen leicht konisch ausgebildet ist. Der Wicklungsträger ist dabei vakuumdicht gegenüber diesem Rotorhohlraum ausgeführt. Er schließt diesen auf der Antriebsseite AS des Rotors ab, der auf dieser Seite mittels des massiven axialen Rotorwellenteils 5a gelagert ist. Auf der gegenüberliegenden Seite BS ist der zentrale Rotorhohlraum 12 an einen seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durchmesser angeschlossen. Dieser seitliche Hohlraum führt von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus. Diesen seitlichen Hohlraum 13 umschließt der in einem der Lager 6 gelagerte, rohrförmige Rotorwellenteil 5b.
Zu einer indirekten Kühlung der HTS-Wicklung 10 über wärmeleitende Teile ist eine Kälteeinheit vorgesehen, die in 2 angedeutet ist. Von dieser Kälteeinheit ist lediglich ein Kaltkopf 16 angedeutet. Bei dieser Kälteeinheit kann es sich um einen Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon oder insbesondere um einen regenerativen Kryokühler wie z.B. einen Pulsröhrenkühler oder einer Split-Stirling-Kühler handeln. Dabei befinden sich der Kaltkopf 16 und damit alle wesentlichen, weiteren Teile der Kälteeinheit außerhalb des Rotors 5 bzw. dessen Außengehäuses 3.
Das Kaltteil des beispielsweise etliche Meter seitlich von dem Rotor 5 angeordneten Kaltkopfes 16 steht in einem Vakuumgefäß 23 über einen Wärmeübertragungskörper 17 in gutem thermischen Kontakt mit einer Kältemittelkondensationseinheit, die einen Kondensorraum 18 aufweist. An diesem Kondensorraum ist ein vakuumisoliertes, ortsfestes Wärmerohr 20 angeschlossen, das gemäß der Darstellung nach 1 seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohlraum 13 oder den zentralen Rotorhohlraum 12 hineinragt. Zur Abdichtung des Wärmerohres 20 gegenüber dem seitlichen Hohlraum 13 dient eine in 1 nicht näher ausgeführte Dichtungseinrichtung 21 mit mindestens einem Dichtungselement, das als eine Ferrofluiddichtung und/oder eine Labyrinthdichtung und/oder eine Spaltdichtung ausgebildet sein kann. Über das Wärmerohr 20 und den seitlichen Hohlraum 13 ist der zentrale Rotorhohlraum 12 mit dem Wärmetauschbereich des Kondensorraums 18 nach außen gasdicht abgedichtet verbunden. Die zwischen dem zentralen Rotorhohlraum 12 und dem Kondensorraum 18 verlaufenden, rohrförmigen Teile, die zur Aufnahme eines Kältemittels dienen, sind allgemein als Leitungsteile 22 bezeichnet. Diese Leitungsteile werden zusammen mit dem Kondensorraum 18 und dem zentralen Rotorhohlraum 12 als ein in 1 allgemein mit 25 bezeichneten Leitungssystem betrachtet.
Diese Räume dieses Leitungssystems 25 sind mit einem Kältemittel gefüllt, das je nach gewünschter Betriebstemperatur der HTS-Wicklung 10 ausgewählt wird. So kommen beispielsweise Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4 K bei Normaldruck), Neon (Kondensationstemperatur 27,1 K bei Normaldruck), Stickstoff (Kondensationstemperatur 77,4 K bei Normaldruck) oder Argon (Kondensationstemperatur 87,3 K bei Normaldruck) in Frage. Auch können Gemische aus diesen Gasen vorgesehen werden. Die Zirkulation des Kältemittels erfolgt dabei unter Ausnutzungen eines sogenannten Thermosyphon-Effektes. Hierzu wird an einer Kaltfläche des Kaltkopfes 16 im Bereich des Kondensorraums 18 das Kältemittel kondensiert. Anschließend fließt das so verflüssigte, mit k bezeichnete Kältemittel durch die Leitungsteile 22 in den zentralen Rotorhohlraum 12. Der Transport des Kondensats geschieht dabei unter Einfluss der Schwerkraft. Hierzu kann vorteilhaft das Wärmerohr 20 geringfügig (um einige wenige Grad) gegenüber der Rotationsach se A geneigt sein, um so ein Herausfließen des flüssigen Kältemittels k aus dem offenen Ende 20a des Rohres 20 zu unterstützen. Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige Kältemittel verdampft. Das dampfförmige Kältemittel ist mit k' bezeichnet. Dieses unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kältemittel strömt dann durch das Innere der Leitungsteile 22 zurück in den Kondensorraum 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leichten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Rotorhohlraum 12 in Richtung auf den Kondensorraum 18 hin angefacht, der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in dem Kondensorraum verursacht wird. Da die Zirkulation des verflüssigten Kältemittels von dem Kondensorraum 18 in den zentralen Rotorhohlraum 12 und die Rückströmung des verdampften Kältemittels k' aus diesem Rotorhohlraum zurück zu dem Kondensorraum in dem aus dem Kondensorraum 18, den Leitungsteilen 22 und dem Rotorhohlraum 12 gebildeten rohrförmigen Leitungssystem erfolgt, kann von einem Ein-Rohr-System mit einer Zirkulation des Kältemittels k, k' unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes gesprochen werden.
Wie aus 1 ferner ersichtlich ist, kann bei einem Einsatz der Maschine 2 auf Schiffen oder Off-shore-Einrichtungen eine Schieflage auftreten, bei der die Rotationsachse A gegenüber der Horizontalen H um einen Winkel δ von einigen Grad geneigt ist. Dann erfolgt zwar nach wie vor eine Kondensation des Kältemittels in dem Kondensorraum 18; aber das Kältemittel kann nicht mehr den zentralen Rotorhohlraum 12 erreichen, so dass dann die Leitungsteile 22 insbesondere im achsnahen Bereich allmählich mit flüssigem Kältemittel k volllaufen. Bei einer verhältnismäßig geringen Füllmenge des Leitungssystems mit Kältemittel kann dann der Läuferinnenraum bzw. der Rotorhohlraum 12 trocken laufen und wird somit nicht mehr gekühlt. Bei einer größeren Füllmenge des Leitungssystems wird der Rückstrom des gasförmigen Kältemittels k' in den Leitungsteilen 22 hin zum Kondensorraum 18 nach einer gewissen Zeit durch angesammeltes flüssiges Kältemittel blockiert. Eine sichere Kühlung des Rotors bzw. seiner supraleitenden Wicklung ist in diesem Fall ebenfalls nicht mehr gewährleistet. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn sich der Rotor nicht in seinem Betriebsfall mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl von beispielsweise 3600 Umdrehungen pro Minute befindet.
Für einen solchen Nicht-Betriebsfall, der insbesondere einen Standby-Zustand charakterisiert, sollen deshalb gemäß der Erfindung zwei Maßnahmen vorgesehen sein:

– Zum einen sollen Mittel zu einer langsamen Drehung des Rotors in diesem Nicht-Betriebsfall vorgesehen sein. Diese Mittel sind beispielsweise eine an dem Wellenteil 5a auf der Antriebsseite AS angreifende Turbine. Eine entsprechende Turbine ist in der Figur nicht näher ausgeführt und mit 40 bezeichnet. Stattdessen kann auch ein kleiner, beispielsweise elektrischer Hilfsmotor vorgesehen sein, mit dem der Rotor langsam gedreht wird. Die Drehzahlen liegen dabei im Allgemeinen zwischen 10 und 100 Umdrehungen pro Minute. Die Drehung braucht dabei nicht unbedingt permanent und/oder auch nicht mit gleichbleibender Drehzahl erfolgen.
– Zum anderen weist der Rotorhohlraum 12 mindestens einen schrauben- oder spiralartigen Förderweg 41 für das flüssige Kältemittel k auf, der von der Eintrittsseite BS des Kältemittels k axial hin zu dem gegenüberliegenden Bereich an der Antriebsseite AS führt. Zur Ausbildung des Förderwegs 41 kann eine entsprechende Förderspindel 42 vorgesehen sein. Diese kann insbesondere die Gestalt einer sogenannten Archimedischen Schraube haben. Entsprechende Pumpvorrichtungen werden auch als Schrauben- oder Schneckenpumpen bezeichnet. Daneben kann auch an der radial äußeren Seite des zentralen Rotorhohlraums 12 mindestens eine entsprechende Rinne mit schraubenlinienförmigem Verlauf ausgebildet sein. Dabei ist der Drehsinn des Förderwegs 41 so gelegt, dass bei der durch die Drehmittel 40 vorgegebenen Drehrichtung D das Kältemittel k von der Betriebsseite BS in Richtung auf die Antriebsseite AS hin gefördert wird.

Vorteilhaft kann diese Förderung des flüssigen Kältemittels k in diesem Zustand der Maschineneinrichtung und gegebenenfalls auch im Betriebszustand noch dadurch gefördert werden, dass der Gasdruck auf der Kondensorseite für eine kurze Zeit soweit erhöht wird, dass hierdurch die Kältemittelflüssigkeit aus den Leitungsteilen 22 entgegen der Schwerkraft (bei Vorhandensein des Neigungswinkels δ) in den zentralen Rotorhohlraum 12 gedrückt wird.
Eine solche Druckerhöhung kann gemäß der Ausführungsform nach 2 mit Hilfe eines warmen Puffervolumens PV_w und einer Pumpe 28 realisiert werden. Mit Hilfe dieser Mittel kann der Gasdruck in dem Kondensorraum 18 vorübergehend erhöht werden, so dass das dort und in den Leitungsteilen 22 befindliche flüssige Kältemittel k in den zentralen Rotorhohlraum 12 gedrückt wird. In einer Verbindungsleitung 24 zwischen dem unter Überdruck stehenden Puffervolumen PV_w und dem Kondensorraum 18 ist deshalb ein Steuerventil 29 angeordnet, das die Verbindung zu der Pumpe 28 öffnet, die dann das Gas k' aus dem Puffervolumen in den Kondensorraum fördert. Ein Ventil 30 erlaubt eine Rückführung von überschüssigem Gas aus dem Leitungssystem 20.
Eine so hervorzurufende Druckoszillation kann permanent erfolgen, d.h. in kurzen, sich wiederholenden Zeitintervallen (jeweils für eine kurze Zeitdauer), oder kann durch einen in 1 angedeuteten Lagesensor 26 bekannter Bauweise von einer Steuereinheit 27 gesteuert werden. Dieser Lagesensor detektiert die Schieflage mit dem Neigungswinkel δ der Maschine 2 und löst so über die Steuereinheit 27 die erläuterte Einleitung eines Druckvolumens (Gaspulses) aus.
In 2 wurde von einer Darstellung weiterer Teile zur Bereitstellung und Ableitung des Gases wie z.B. von einem Füllventil, von dem aus das System über die Verbindungsleitung 24 mit gasförmigem Kältemittel zu befüllen ist, abgesehen, da diese Teile allgemein bekannt sind. Lediglich ein bei einem unzulässigen Überdruck in dem System ansprechendes Überdruckventil 31 ist angedeutet.
Selbstverständlich müssen die das Kältemittel k bzw. k' umschließenden Teile oder Behältnisse gegen Wärmeeinleitung geschützt sein. Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenenfalls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzlich noch Isolationsmittel wie z.B. Superisolation oder Isolationsschaum vorgesehen werden können. In 1 ist das von dem Vakuumgefäß 7 eingeschlossene Vakuum mit V bezeichnet. Es umgibt außerdem das den seitlichen Hohlraum 13 umschließende, sich bis zu der Dichtung 21 erstreckende Rohr. Das das Wärmerohr 20 sowie den Kondensorraum 18 und den Wärmeübertragungskörper 17 umschließende Vakuum ist mit V' bezeichnet. Gegebenenfalls kann auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Innenraum 32 ein Unterdruck erzeugt werden.
3 zeigt ein Detail einer weiteren Kälteeinheit mit Druckerhöhungsmitteln für die Maschine 2 nach 1. In 3 sind nur die sich außerhalb der Maschine befindlichen Teile der Kälteeinheit angedeutet. Als Möglichkeit zu einer Druckerhöhung ist bei dieser Ausführungsform in dem unteren Teil des Vakuumgefäßes 23 in einem stets mit flüssigem Kältemittel k gefüllten Bereich der angeschlossenen Leitungsteile 22 bzw. des Wärmerohres 20 eine Heizvorrichtung 34 angebracht. Diese sich in einem kalten, somit im Allgemeinen zumindest teilweise mit flüssigem Kältemittel k gefüllten Puffervolumens PV_k befindliche Heizvorrichtung wird immer dann, wenn der Flüssigkeitspegel in dem entsprechenden Behälter bzw. den Leitungsteilen 22 unter eine bestimmte Höhe gesunken ist, kurzzeitig aktiviert. Dabei ist das zu dem warmen Puffervolumen PV_w führende Ventil 30 geschlossen. Durch diese Aktivierung der Heizvorrichtung wird dann eine geringe Menge des flüssigen Kältemittels k schlagartig verdampft. Die Heizvorrichtung 34 wird hierzu von einer Steuereinheit 35 ange steuert, die mit einem Füllstandssensor 36 in dem kalten Puffervolumen PV_k verbunden sein kann. Der durch den Heizpuls ausgelöste Druckanstieg drückt dann das verbleibende Kältemittel k in den zentralen Rotorhohlraum 12 des Rotors 5.
Falls bei einer speziellen Ausführungsform nach 3 auf eine Füllstandserkennung im Bereich des kalten Puffervolumens PV_k bzw. eines entsprechenden Bereichs der Leitungsteile 22 mittels eines solchen Sensors 36 verzichtet werden kann, ist es auch möglich, den Heizpuls periodisch zu erzeugen, um so für jeweils eine kurze Zeitdauer und in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt die erwünschte Druckerhöhung zu realisieren.
Selbstverständlich ist es auch möglich, diese an Hand von 3 erläuterte Ausführungsform eines Druckerhöhungsmittels mit der in 2 angedeuteten, eine Pumpe 28 umfassenden Ausführungsform zu kombinieren.

Claims

Maschineneinrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter wärmeleitend an einen zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden zylindrischen Rotorhohlraum angekoppelt sind, welcher Teil eines geschlossenen Leitungssystems ist, in dem sich ein Kältemittel befindet, das unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert, wobei kondensiertes Kältemittel in den zentralen Rotorhohlraum gelangt sowie dort verdampfendes Kältemittel aus diesem austritt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (40) zur Drehung des Rotors (5) im Nicht-Betriebsfall vorgesehen sind und dass der zentrale Rotorhohlraum (12) für das flüssige Kältemittel (k) mindestens einen von der Eintrittsseite (BS) des Kältemittels in den Rotorhohlraum (12) axial zur gegenüberliegenden Seite (AS) führenden, schrauben- oder spiralartigen Förderweg (41) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen hohlzylinderförmigen zentralen Rotorhohlraum (12) mit einer ein- oder mehrgängigen Förderspindel (42), insbesondere nach Art einer Archimedischen Spirale.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen hohlzylinderförmigen zentralen Rotorhohlraum (12) mit einer rinnenartigen Ausgestaltung seiner Innenwand.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Turbine als Drehmittel (40).
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Hilfsmotor als Drehmittel (40).
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Druckerhöhung vorgesehen sind, die eine kurzzeitige Pumpwirkung auf das flüssige Kältemittel (k) in Richtung auf den zentralen Rotorhohlraum (12) hin mittels Druckpulsen an gasförmigem Kältemittel (k') hervorrufen.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerhöhungsmittel auf den Bereich eines Kondensorraums (18) oder rohrförmiger Leitungsteile (22) des geschlossenen Leitungssystems (25) einwirken.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das kurzzeitige Pumpen während einer entsprechenden Zeitdauer ein mit gasförmigem, unter Überdruck stehendem Kältemittel (k') gefülltes Puffervolumen (PV_w) mit dem Kondensorraum (18) oder den sich daran anschließenden Leitungsteile (22) über eine das gasförmige Kältemittel (k') fördernde Pumpe (28) zu verbinden ist.
Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den rohrförmigen Leitungsteilen (22) eine auf das flüssige Kältemittel (k) einwirkende Heizvorrichtung (34) angebracht ist, die für das kurzzeitige Pumpen während einer entsprechenden Zeitdauer zu aktivieren ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (34) in einem zumindest teilweise mit flüssigem Kältemittel (k) gefüllten Puffervolumen (PV_k) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine permanent pulsierende Druckerhöhung.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, ges kennzeichnet durch eine sensorisch ausgelöste Druckerhöhung.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Druckerhöhung auslösender, eine Neigung (ϑ) in der Rotationsachse (A) gegenüber der Horizontalen (H) detektierender Lagesensor (26) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Druckerhöhung auslösender Füllstandssensor (36) an den rohrförmigen Leitungsteilen (22) vorgesehen ist.