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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kryokältesystem zum Kühlen einer
Vorrichtung wie z.B. einer Synchronmaschine, die einen Rotor mit einer
supraleitenden Hochtemperaturkomponente aufweist.
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Kryokältemaschinen
werden häufig
zum Kühlen
einer thermischen Last verwendet. Leider neigen diese Kryokältemaschinen
(einschließlich
ihrer Kompressoren) zu Ausfällen
und erfordern deshalb regelmäßig Reparaturen
oder einen Austausch. Während
dieser Zeiträume
der reduzierten Kühlkapazität, wird
die Temperatur des durch die Kältemaschinentemperatur
zirkulierten kryogenen Fluids (z.B. Gas) steigen, es sei denn, die
gesamte thermische Last des Kältesystems
wird so weit reduziert, dass sie unterhalb der übrigen Kühlkapazität liegt. Wenn die thermische
Last weiterhin ohne Reduzierung gekühlt werden muss und die übrige Kühlkapazität geringer
ist als die thermische Last, wird solange eine zusätzliche
Kühlquelle
gebraucht, bis die volle Kühlkapazität wiederhergestellt
ist.
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Ein
Beispiel für
eine thermische Last, die von einer Kryokältemaschine gekühlt werden
kann, ist eine supraleitende Erregerwicklung eines Rotors in einem
elektrischen Synchrongenerator. Die Erregerwicklung wird üblicherweise
durch eine Kryokältemaschine
bei kryogenen Temperaturen gehalten, die kaltes Heliumgas durch
einen Kreislauf in dem Rotor zirkuliert. 5 zeigt
diese Systemform schematisch. Wenn die Kältemaschine ausfällt, wird
die Temperatur des Gases steigen und lässt die Erregerwicklung möglicherweise
eine so hohe Temperatur erreichen, dass die Erregerwicklung quencht
und aufhört, supraleitend
zu sein. Selbst wenn das System eine Reservekälteeinheit umfasst, kann es
viele Minuten dauern, bis die Reservekältemaschine nach ihrem Start
ausreichende Kühlung
liefert. In dieser Zeit kann die Erregerwicklung möglicherweise
noch eine Quenchtemperatur erreichen.
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Drei
Verfahren haben sich bisher mit diesem Problem des Kälteausfalls
befasst. Das erste Verfahren dient dazu, die thermische Last rapide
zu reduzieren. Dieses Verfahren hat zwei Nachteile. Erstens reduziert
die Reduzierung der thermischen Last die Zuverlässigkeit des Systems, das mit
der thermischen Last verbunden ist. Wenn zum Beispiel die thermische
Last eine supraleitende Erregerwicklung eines elektrischen Generators
ist, dann muss die Stromausgabe des elektrischen Generators rapide reduziert
werden, was in einer unzuverlässigen Stromversorgung
resultiert. Außerdem
besteht das Risiko, dass die thermische Last nicht schnell genug reduziert
werden kann, um die in der Kühlung
befindlichen Objekte vor Schaden zu bewahren. Zum Beispiel besteht
das Risiko des Quenchens, gefolgt von dauerhaftem Qualitätsverlust
der supraleitenden Erregerwicklung.
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Das
zweite Verfahren zur Überwindung
des Problems des Kälteausfalls
liegt in der Bereitstellung eines Kältesystems, das eine (mehrere)
redundante Kälteeinheiten)
umfasst. Wenn jedoch eine redundante Einheit nicht schon vor dem
Kälteausfall
gestartet wird, können
Minuten vergehen, bis nach ihrem Start die Reserveeinheit ausreichende
Kälte liefert.
In dieser Zeit kann die Erregerwicklung eventuell noch eine Quenchtemperatur
erreichen.
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Alternativ
kann die redundante Reservekältemaschine
kontinuierlich betrieben werden. Zu den Nachteilen dieses zweiten
Verfahrens gehören
erheblich erhöhte
Kosten für
den Erwerb und den Betrieb der zusätzlichen Kältemaschineneinheiten.
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Das
dritte Verfahren zum Überwinden
des Problems des Kälteausfalls
nutzt einen Lagertank mit einem zweiten Kryogen in flüssigem Zustand
als Kühlquelle
während
des Kälteausfalls.
Dieses Verfahren ist schematisch in 6 dargestellt,
die ein Kältesystem
mit einem Lagertank 9 mit flüssigem Kryogen darstellt. Das
flüssige
Kryogen wird solange nicht über
seine Sättigungstemperatur
steigen, bis die gesamte Flüssigkeit
in Gas umgewandelt ist. Dieses System hat die folgenden Nachteile:
Erstens
verursacht es zusätzliche
Kosten für
den Flüssigkeitslagertank
und das flüssige
Kryogen. Einige flüssige
Kryogene wie z.B. Neon sind sehr kostspielig.
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Zweitens
verdampft ein Teil der Flüssigkeit beim
Erwärmen.
Es entstehen zusätzliche
Kosten und Aufwand, um entweder diesen Dampf durch Flüssigkeit
zu ersetzen oder ihn zu rekondensieren.
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Drittens
ist die Kaltgastemperatur an die Sättigungstemperatur der verfügbaren flüssigen Kryogene
gebunden. Zum Beispiel beträgt
die normale Sättigungstemperatur
von flüssigem
Stickstoff, Neon und Wasserstoff 77,4K, 27,1K bzw. 20,3K. Deshalb beschränkt die
Verwendung dieser Flüssigkeiten
bei atmosphärischem
Druck das Kaltgas auf eine dieser Temperaturen. Selbst wenn die
Sättigungstem peraturen
mit dem Flüssigkeitsdruck
abgestimmt werden können,
ist die Fähigkeit,
die Gastemperatur in Bezug auf die Eigenschaften der thermischen
Last (z.B. Eigenschaften von supraleitendem Drahtmaterial) zu optimieren,
nach wie vor begrenzt.
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Viertens
wird, wenn es unter einigen Bedingungen einen Kühlkapazitätsüberschuss gibt und die Flüssigkeit
unterhalb ihres Gefrierpunktes gekühlt wird, ihr Druck sinken.
Wenn der Druck im Flüssigkeitstank
unter die Umgebungstemperatur fällt,
besteht das Risiko, dass Fremdstoffe (Luft, Öl, Staub etc.) aufgenommen
werden. Eine Möglichkeit
zur Steuerung der Temperatur liegt im Anbringen von Heizgeräten für die Flüssigkeit.
Allerdings bedeutet das Anbringen von Heizgeräten einen höheren Stromverbrauch, einen
höheren
Kontrollaufwand, höhere
Gerätekosten
und ein höheres
Zuverlässigkeitsrisiko.
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In
EP-A-1,276,215 wird
ein Kühlfluidsystem zur
Lieferung von kryogenem Kühlfluid
an einen supraleitenden Hochtemperaturrotor beschrieben, umfassend:
einen Umwälzkompressor;
einen Lagertank mit einem zweiten kryogenen Fluid, eine Einlassleitung,
die den Umwälzkompressor
mit dem Lagertank und dem Rotor verbindet und einen Durchlass bildet, damit
die Kühlflüssigkeit
von dem Umwälzkompressor
durch den Lagertank und zum Apparat fließen kann.
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Dementsprechend
bleibt ein Bedarf nach einem kryogenen Kältesystem bestehen, das ein
sehr zuverlässiges,
passives Verfahren/System bereitstellt, um den untragbaren Anstieg
einer thermischen Last während
der Reparatur oder dem Austausch einer Kryokältemaschine oder ihrer zugehörigen Geräte zu verhindern.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Kühlsystem ein kryogenes Kühlfluid
an einen Apparat. Das System umfasst eine Umwälzvorrichtung, einen passiven
Kältespeicher
mit einer porösen
Materialmatrix, die direkten Kontakt mit dem kryogenen Kühlfluid
hat, wenn das kryogene Kühlfluid
den passiven Kältespeicher
durchläuft,
einen ersten Teil einer Fluidverbindungs-Speiseleitung zur Herstellung
einer Fluidverbindung zwischen der Umwälzvorrichtung und dem passiven
Kältespeicher, einen
zweiten Teil einer kommunikativen Fluidverbindungs-Speiseleitung,
die den passiven Kältespeicher mit
dem Apparat verbindet, um kryogenes Kühlfluid an den Apparat zu übertragen,
und eine Fluidverbindungs-Rückführungsleitung,
die den Apparat mit der Umwälzvorrichtung
verbindet. Der passive Kältespeicher
kann einen regenerativen Wärmetauscher
umfassen. Die poröse
Materialmatrix kann Metalldrahtmaschen, Metallkugeln oder ein mit
einem festen Bleielement verbundenes festes Kupferelement umfassen.
Der erste Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung kann mindestens
einen Wärmetauscher
umfassen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kühlsystem
zur Lieferung eines Kühlfluids
an einen Apparat eine Kryokältemaschine
zum Kühlen
des Fluids auf eine erste Temperatur, wenn sie mit einer ersten
Kühlkapazität arbeitet,
und zur Kühlung
des Fluids auf eine zweite Temperatur, wenn sie mit einer zweiten
Kühlkapazität arbeitet,
wobei die erste Temperatur niedriger ist als die zweite und die
erste Kühlkapazität größer ist als die
zweite, einen passiven Kältespeicher
mit einer porösen
Materialmatrix, die direkten Kontakt mit dem kryogenen Kühlfluid
hat, wenn das kryogene Kühlfluid
den passiven Kältespeicher
durchläuft,
wobei ein erster Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung das von
der Kryokältemaschine
gekühlte
Fluid an den passiven Kältespeicher überträgt, wobei
das an den passiven Kältespeicher übertragene
Fluid den passiven Kältespeicher
kühlt,
wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine
auf die erste Temperatur gekühlt worden
ist, wobei die Kältemaschine
mit der ersten Kühlkapazität arbeitet
und der passive Kältespeicher das
Fluid kühlt,
wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine
mit der zweiten Kühlkapazität auf die
zweite Temperatur gekühlt
wurde, und ein zweiter Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung eine
Fluidverbindung zwischen dem passiven Kältespeicher und dem Apparat
herstellt, um das Fluid an den Apparat zu liefern. Der passive Kältespeicher
kann einen regenerativen Wärmetauscher
umfassen. Die poröse
Materialmatrix kann Metalldrahtmaschen, Metallkugeln oder ein mit
einem festen Bleielement verbundenes festes Kupferelement umfassen.
Der passive Kältespeicher
kann das Fluid kühlen,
wenn das Fluid auf die zweite Temperatur gekühlt worden ist und während die
Kühlkapazität der Kryokältemaschine
auf die erste Kühlkapazität geändert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Lieferung eines Kühlfluids
an einen Apparat die Kühlung des
Fluids unter Verwendung einer Kryokältemaschine auf eine erste
Temperatur, wenn die Kryokältemaschine
mit einer ersten Kühlkapazität arbeitet
und auf eine zweite Temperatur, wenn die Kryokältemaschi ne mit einer zweiten
Kühlkapazität arbeitet,
wobei die erste Temperatur niedriger als die zweite Temperatur und
die erste Kühlkapazität höher ist
als die zweite Kühlkapazität; wobei
das durch die Kryokältemaschine
gekühlte
Fluid im Rahmen des Fluidkreislaufs an den passiven Kältespeicher übertragen
wird, der eine poröse
Materialmatrix aufweist, die die kryogene Flüssigkeit direkt überträgt, wenn
das Kühlfluid
den passiven Kältespeicher
durchläuft,
wobei das Fluid den passiven Kältespeicher
kühlt,
wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine
im Betrieb mit der ersten Kühlkapazität auf die
erste Temperatur gekühlt worden
ist, und wobei das Fluid durch den passiven Kältespeicher gekühlt wird,
wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine
im Betrieb mit der zweiten Kühlkapazität auf die
zweite Temperatur gekühlt
worden ist; wobei das Fluid im Rahmen des Fluidkreislaufs von dem
passiven Kältespeicher
an den Apparat übertragen
wird. Der passive Kältespeicher
kann das Fluid kühlen,
wenn das Fluid auf die zweite Temperatur gekühlt worden ist und während die
Kühlkapazität der Kryokältemaschine
auf die erste Kühlkapazität geändert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Kühlsystem einen ersten passiven
Kältespeicher
und einen zweiten passiven Kältespeicher,
der flussabwärts
von dem ersten passiven Kältespeicher
seriell angeschlossen ist. Mindestens einer des ersten und zweiten
passiven Kältespeichers kann
eine poröse
Materialmatrix umfassen, die die kryogene Kühlflüssigkeit direkt berührt, wenn
das kryogene Kühlfluid
hindurchfliegt.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachstehend als Beispiel beschrieben, mit Bezug
auf die beiliegenden Figuren, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Kryokältesystems zur Lieferung eines
Kühlfluids
an eine thermische Last gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2A ein
Diagramm eines Materials eines passiven Kältespeichers gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2B eine
Darstellung eines Eindrucks des Materials ist, das in dem in 2A dargestellten Diagramm
dargestellt ist;
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3A ein
Diagramm eines anderen Materials eines passiven Kältespeichers
gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3B ein
detailliertes Diagramm des in 3A dargestellten
Materials ist;
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4 ein
schematisches Diagramm eines Kryokältesystems zur Lieferung eines
Kühlfluids
an eine thermische Last gemäß einer
anderen beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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5 ein
schematisches Diagramm eines bekannten Kryokältesystems zur Lieferung eines Kühlfluids
an eine thermische Last ist; und
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6 ein
schematisches Diagramm eines anderen bekannten Kryokältesystems
zur Lieferung eines Kühlfluids
an eine thermische Last ist.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Kryokältesystems 40 zum
Kühlen
einer thermischen Last 1. Eine thermische Last 1 kann
zum Beispiel eine supraleitende Erregerspule eines Rotors in einem
elektrischen Synchrongenerator sein. Während die beispielhaften nachstehenden
Ausführungsformen
Kryokältesysteme
beschreiben, die ein komprimierbares Gas als Kühlfluid verwenden, können stattdessen
andere Kühlfluids
wie z.B. Flüssigkeiten verwendet
werden.
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Das
Kältesystem 40 umfasst
einen Wärmetauscher 3 und
eine Umwälzvorrichtung 2 wie
z.B. einen Umwälzkompressor
(wenn das kryogene Kühlfluid
ein Gas ist), einen Lüfter
oder eine Pumpe. Obwohl in 1 nicht
dargestellt, kann eine redundante (d. h. Reserve) Umwälzvorrichtung
zur Steigerung der Zuverlässigkeit
parallel mit der Umwälzvorrichtung 2 verbunden
werden. Die Umwälzvorrichtung 2 komprimiert
warmes Temperaturgas (z.B. 300°K)
und liefert es an den Wärmetauscher 3.
Die Umwälzvorrichtung 2 kann
einen Lagertank mit Kühlfluid
umfassen. Der Wärmetauscher 3 kühlt das
von der Umwälzvorrichtung 2 erhaltene
Gas auf eine kryogene Temperatur, indem er Wärme aus dem komprimierten Gas
an das von der thermischen Last 1 zurücklaufende Gas überträgt.
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Das
Gas wird durch den Gaskreislauf 20 von der Umwälzvorrichtung 2 umgewälzt. Der
Gaskreislauf 20 umfasst eine Fluid-Speiseleitung mit den
teilen 20a und 20b und eine Fluid-Rückführungsleitung 20c.
Der Teil 20a der Speiseleitung des Gaskreislaufs 20 überträgt das komprimierte
Gas von der Umwälzvorrichtung 2 an
den Wärmetauscher 3.
Der Teil 20a der Speiseleitung transportiert ebenfalls
das komprimierte kryogene Gas vom Wärmetauscher 3 an eine
Kühlspule
des Wärmetauschers 8.
Die Kühlspulen
der Wärmetauscher 3 und 8 bilden
somit im Wesentlichen einen Teil der beispielhaften Speiseleitung
des Gaskreislaufs 20.
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Das
komprimierte kryogene Gas aus dem Wärmetauscher 3 wird
weiter gekühlt,
indem das Gas die Kühlspule
des Wärmetauschers 8 durchläuft. Speziell
wird von dem Gas, während
es die Kühlspule
des Wärmetauschers 8 durchläuft, über die
von den Kryokältemaschinen 61, 62 und
Umwälzvorrichtungen 51, 52 gelieferte
Kühlung
Wärme übertragen. Speziell
die Umwälzvorrichtung 51 wälzt ein
Kühlfluid zur
und von der Kryokältemaschine 61 um
und die Umwälzvorrichtung 52 wälzt ein
Kühlfluid
zur und von der Kryokältemaschine 62 um.
Die Kryokältemaschinen 61, 62 sind
gemeinsam mit den Wärmetauschern 3 und 8 in
einer isolierten Kältebox 7 angeordnet.
Die Kryokältemaschinen 61, 62 sind
in 1 als Gifford-McMahon-Kältemaschinen dargestellt. Allerdings
können
die Kryokältemaschinen 61 und/oder 62 alternativ
aus einem Sterling-Kühler
oder einer Pulse-Tube-Kältemaschine
gebildet sein.
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Das
im Wärmetauscher 8 gekühlte Gas
wird anschließend
an den Kältespeicher 11 übertragen. Der
Kältespeicher 11 ist
eine Form des regenerativen Wärmetauschers.
Regenerative Wärmetauscher
haben im Wesentlichen zwei Betriebsmodi. Im ersten Betriebsmodus
tritt kaltes Fluid in den warmen Re generator ein und kühlt ihn
und verlässt
ihn mit mehr thermischer Energie als es beim Eintreten aufwies. Im
zweiten Betriebsmodus tritt warmes Fluid in den kühlen Regenerator
ein und erwärmt
ihn und verlässt ihn
mit weniger thermischer Energie als es beim Eintreten aufwies. Regenerative
Wärmetauscher
werden typischerweise mit einer porösen Matrix wie z.B. (i) Metalldrahtmaschen,
(ii) Metall- oder Keramikkugeln, (iii) Metall- oder Keramikbändern, oder
(iv) einer Verbundstruktur aus zwei unterschiedlichen Materialien
wie z.B. eine Verbundstruktur aus einem Festelement mit hoher Wärmeleitzahl
(z.B. Kupfer) und einem anderen Festelement mit hoher volumetrischer Wärmekapazität (z.B.
Blei) gefüllt,
die wie ein thermischer Schwamm wirkt. Das aus dem Teil 20a der Speiseleitung
empfangene Gas wird direkt von dem Kältespeicher 11 als
Teil der Speiseleitung empfangen und vom Kältespeicher 11 über den
Teil 20b der Speiseleitung an die thermische Last 1 transportiert. Die
poröse
Matrix des passiven Kältespeichers 11 berührt das
Kühlfluid
direkt, wenn es durch den passiven Kältespeicher 11 als
Teil der Fluid-Speiseleitung übertragen
wird.
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2 – 4 zeigen
ein Material, dass einen Teil der Kälteübertragungsvorrichtung 11 bildet. Insbesondere 2A – 2B stellen
poröse
Metalldrahtmaschen 21 eines regenerativen Wärmetauschers
dar. Die porösen
Metalldrahtmaschen 21 wirken gewissermaßen wie ein thermischer Schwamm. 3A – 3B stellen
eine poröse
Matrix aus Metall- oder Keramikkugeln 22 dar, die einen
Teil eines regenerativen Warmetauschers bildet. Diese poröse Matrix
aus Metall- oder Keramikkugeln 22 wirkt ebenfalls wie ein
thermischer Schwamm. 4 stellt eine Verbundstruktur
eines regene rativen Wärmetauschers
aus zwei unterschiedlichen Materialien dar wie z.B. Hartkupfer 24,
das eine hohe Wärmeleitzahl aufweist,
und Hartblei 23, das eine hohe volumetrische Wärmekapazität aufweist.
Die Wärme
wird in einer Kombination aus Festmaterialien und Formen gespeichert,
die bezüglich
der hohen volumetrischen Wärmekapazität und der
hohen Wärmeübertragung optimiert
wurden. Die Materialien der in 3 – 5 dargestellten
regenerativen Wärmetauscher haben
gemeinsam, dass sie die aus dem Kühlfluid kommende Wärme speichern
und Wärme
an ein Fluid abgeben können.
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Der
Kältespeicher 11 hält das über den
Speiseleitungsteil 20b an die thermische Last 1 gelieferte Gas
zuverlässig
und passiv davon ab, auf eine unzulässige Temperatur anzusteigen.
Speziell verhindert der Kältespeicher 11 zuverlässig und
passiv, dass die Temperatur des an die thermische Last 1 gelieferten Gases,
selbst während
der Reparatur oder dem Austausch der Kryokältemaschine 61, 62 oder
ihrer zugehörigen
Geräte,
auf eine unzulässig
hohe Temperatur ansteigt.
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Wenn
die Kryokältemaschinen 61 und 62 mit voller
Kühlkapazität betrieben
werden, wird das in die Speiseleitung des Gaskreislaufs 20 strömende Gas auf
eine kryogene Temperatur gekühlt
werden. Das auf diese kryogene Temperatur gekühlte durch den Gaskreislauf 20 strömende Gas
wird den Kältespeicher 11 kühlen. Dementsprechend
wird das durch die Speiseleitung des Gaskreislaufs 20 fließende kryogene
Gas den Kältespeicher 11 kühlen, wenn
die Kältemaschinen 61 und 62 mit
voller Kühlkapazität richtig
arbeiten.
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Wenn
jedoch die Kühlkapazität reduziert
wird (z.B. wenn die Kryokältemaschine 61 und/oder 62 oder
ihre zugehörigen
Geräte
nicht richtig arbeiten), wird das durch die Speiseleitung fließende Gas
voraussichtlich nicht auf dieselbe Temperatur gekühlt wie
in dem Falle, in dem die Kältemaschinen 61, 62 mit
voller Kühlkapazität richtig
arbeiten. Das in dem Teil 20a der Fluid-Speiseleitung fließende Gas
wird daher nur auf eine Temperatur gekühlt, die höher ist als die Temperatur,
auf die das Gas während
der Zeiträume
voller Kühlkapazität gekühlt wird.
Wenn die Kühlkapazität reduziert
wird, wird das Gas nicht vollständig
abgekühlt
und daher ist vor der Lieferung des Gases an die thermische Last 1 ein
zusätzliches
Kühlen
des Gases erforderlich. Dieses zusätzliche Kühlen erfolgt durch den Kältespeicher 11.
Das heißt, wenn
die Kühlkapazität der Kältemaschine 61 und/oder 62 reduziert
wird, wird der Kältespeicher 11 das
Gas kühlen,
so dass das an die thermische Last 1 gelieferte Gas nicht
auf eine unzulässige
Temperatur ansteigt (d. h. die thermische Last wird gekühlt, so dass
sie ihren supraleitenden Zustand beibehält). Der Kältespeicher 11 wird
das Gas für
einen Zeitraum kühlen,
in dem die volle Kühlkapazität der Kältemaschine 61 und/oder 62 wiederhergestellt
wird.
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Das
in die thermische Last 1 eintretende Gas erhält die thermische
Last (z.B. die supraleitende Spule eines Generatorrotors) durch
Konvektionswärmeübertragung
bei kryogenen Temperaturen und stellt sicher, dass die thermische
Last im supraleitenden Zustand arbeiten kann.
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Nach
dem Durchströmen
und Kühlen
der thermischen Last 1, strömt das zirkulierte Gas durch die
Fluid- Rückführungsleitung 20c des
Gaskreislaufs 20. Die Rückführungsleitung 20c überträgt das Gas von
der thermischen Last 1 über
eine Spule im Wärmetauscher 3 zurück zur Umwälzvorrichtung 2.
Das in die Umwälzvorrichtung 2 zurückgeführte Gas
hat eine warme Temperatur. Anschließend kann die Umwälzvorrichtung 2 das
Gas umwälzen,
indem sie es an die Kühlspule
des Wärmetauschers 3 liefert.
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Als
eine Alternative zu Umwälzvorrichtung 2 und
Wärmetauscher 3,
die das Gas an den Speiseleitungsteil 20a liefern, kann
stattdessen das Gas durch einen Kaltgasumwälzer/-lüfter 4 (in gestrichelten
Linien dargestellt, um ihn als eine Alternative darzustellen) an
den Speiseleitungsteil 20a geliefert werden. Vom Umwälzer/Lüfter 4 geliefertes
Kaltgas wird somit über
den Speiseleitungsteil 20a an den Wärmetauscher 8 geliefert.
Da sich der Umwälzer/Lüfter 4 innerhalb
der Kältebox 7 befindet,
bleibt das Kühlfluid ziemlich
kalt, wenn es durch den Umwälzer/Lüfter 4 zirkuliert.
Ein Wärmetauscher
braucht nicht flussabwärts
vom Umwälzer/Lüfter 4 angeschlossen
werden. Ein redundanter Umwälzer/Lüfter (in 1 nicht dargestellt)
kann zur Steigerung der Zuverlässigkeit der
Kühlung
parallel mit dem Umwälzer/Lüfter 4 verbunden
werden.
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Das
Gas aus der Kühlspule
des Wärmetauschers 8 läuft durch
den Kältespeicher 11 und
anschließend,
wie vorstehend beschrieben, über
den Fluid-Speiseleitungsteil 20b zur thermischen Last 1. Das
aus der thermischen Last 1 strömende warme Gas läuft über den
Fluid-Rückführungsleitungsteil 20c zum
Gasumwälzer/-lüfter 4 zurück. Der
Kältespeicher 11 wird
von dem durch ihn durchströmenden
Gas gekühlt,
egal ob ursprünglich
aus (i) dem Kaltgasumwälzer/-lüfter 4 oder
(ii) der Umwälzvorrichtung 2 oder
dem Wärmetauscher 3,
wenn das Gas vollständig
im Wärmetauscher 8 über den
richtigen Betrieb der Kryokältemaschinen 61 – 62 (z.B. Betrieb
der Kältemaschinen 51 – 62 mit
voller Kühlkapazität) gekühlt wurde.
Wenn jedoch das Gas nicht vollständig
gekühlt
wird (z.B. eine oder mehrere Kryokältemaschinen 61 – 62 mit
reduzierter Kühlkapazität betrieben
wird/werden), wird der Kältespeicher 11, wie
vorstehend beschrieben, das durch ihn durchströmende Gas passiv kühlen. Die
Temperatur des an die thermische Last 1 gelieferten Gases
wird deshalb zuverlässig
und passiv auf einer akzeptablen kryogenen Temperatur gehalten,
auch wenn die Kryokältemaschine 61 und/oder 62 oder
ihre zugehörigen
Geräte 51 und/oder 52 repariert
oder ausgetauscht werden.
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Die
Kältebox 7 beinhaltet
Teile der Fluid-Speiseleitungsteile 20a, 20b,
mindestens einen Teil der Fluid-Rückführungsleitung 20c,
Wärmetauscher 3 und 8,
mindestens einen Teil der Kryokältemaschinen 61 und 62 und
den Gasumwälzer/-lüfter 4.
Die Kältebox 7 ist
ein isolierter Teil des Kältesystems,
welches bei kryogenen Temperaturen gehalten wird. Die Kältebox 7 kann
ein Vakuum um die Bestandteile innerhalb der Kältebox schaffen.
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines Kryokältesystems 70 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Bestandteile des Kryokältesystems 70,
die denen des in 1 dargestellten Kryokältesystems 40 gleichen, sind
mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Lediglich die Unterschiede
zwi schen den Kryokältesystemen 70 und 40 werden
ausführlich
behandelt.
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Das
Kryokältesystem 70 umfasst
eine Mehrzahl passiver Kältespeicher 101 und 102,
die als Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung des Fluidkreislaufs 20 in
Reihe geschaltet sind. Thermische Verbindungsvorrichtungen 111 und 112 wie
z.B. Wärmerohre,
leitende feste Materialien oder Wärmerohrvorrichtungen, die die
passiven Kältespeicher 101 und 102 umfassen,
verbinden die passiven Kältespeicher 101 und 102 thermisch
mit den Kältemaschinen 61 bzw. 62.
Die Kältemaschinen 61 und 62 kühlen daher
die passiven Kältespeicher 101 bzw. 102 im
normalen Betrieb. Alternativ können
mehrere Kältemaschinen jeden
passiven Kältespeicher 101 und 102 kühlen. Jeder
der passiven Kältespeicher 101 und 102 kann eine
poröse
Materialmatrix enthalten, wie in 2 – 4 dargestellt.
Auch wenn die in 4 dargestellte beispielhafte
Ausführungsform
zwei passive Kältespeicher 101 und 102 zeigt,
kann ebenfalls ein zusätzlicher
Kältespeicher
seriell angeschlossen werden, jeweils mit einer oder mehreren thermisch
damit verbundenen Kältemaschinen.
Die Kältebox 6 beinhaltet
mindestens die Teile der Kältemaschinen 61 und 62,
die thermischen Verbindungsvorrichtungen 111 und 112 und
die passiven Kältespeicher 101 und 102.
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Das
Baukastenprinzip des Kryokältesystems 70 bietet
mehrere Vorteile, umfassend höhere
Effizienz und höhere
Zuverlässigkeit.
Die höhere
Effizienz resultiert aus dem Betrieb der einzelnen Kältemaschinen 61 und 62 mit
unterschiedlichen kryogenen Temperaturen. Die Kältemaschinen 61 und 62 werden
daher die Kältespeicher 101 und 102 auf unterschiedliche
kryogene Temperaturen kühlen.
Der sich am meisten stromaufwärts
befindende Kältespeicher 101 wird
die wärmste
kryogene Temperatur aufweisen und jeder nachfolgende Kältespeicher
(z.B. der Speicher 102) wird von einer Kältemaschine
auf eine eine Stufe kühlere
Temperatur gekühlt.
Die Effizienz der Kühlmaschinen
sinkt im Wesentlichen mit ihrer Kühltemperatur, so dass die Kältemaschine 61 für den sich
am meisten stromaufwärts
befindenden Kältespeicher 101 effizienter
ist als jede nachfolgende Stufe. Da nur der sich am meisten flussabwärts befindende
Kältespeicher
auf die Austrittstemperatur (niedrigste Temperatur) gekühlt werden
muss, wird außerdem
die Zeit reduziert, die das System benötigt, um sich abzukühlen und
zu erwärmen.
Die höhere
Zuverlässigkeit
wird auf zweifache Art und Weise ermöglicht. Die erste ist die Fähigkeit,
ein oder mehrere redundante Module zu bilden, die einen Kältespeicher,
eine thermische Verbindung und eine entsprechende Kältemaschine
bilden. Die zweite ist, dass lediglich ein Bruchteil der gesamten
Kühlkapazität verloren
geht, wenn ein einzelnes Modul nicht richtig funktioniert.
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Im
Betrieb kühlt
die Kältemaschine 61 den Kältespeicher 101 über eine
thermische Verbindungseinrichtung 111 auf eine erste kryogene
Temperatur. Der Kältespeicher 101 wiederum
kühlt das Fluid,
welches durch den Speiseleitungsteil 20a in den Kältespeicher 101 gelangt.
Das nun gekühlte Fluid
verlässt
den Kältespeicher 101 und
fließt
in den seriell angeschlossenen (flussabwärts) Kältespeicher 102. Die
Kältemaschine 62 kühlt den
Kältespeicher 102 über eine
thermische Verbindungseinrichtung 112 auf eine zweite kryogene
Temperatur, die niedriger ist als die erste kryogene Temperatur,
auf die die Kältemaschine 61 den
Kältespeicher 101 kühlt. Der
Kältespeicher 102 wiederum
kühlt das empfangene
Fluid. Wenn flussabwärts
vom Kältespeicher 102 keine
weiteren Kältespeicher
seriell angeschlossen sind, gelangt das den Kältespeicher 102 verlassende
Kühlfluid über den
Speiseleitungsteil 20b an die thermische Last 1.
Anschließend
verlässt das
Fluid die thermische Last 1 und kehrt über die Fluidverbindungs-Rückführungsleitung 20c zum Wärmetauscher 3 und
zur Umwälzvorrichtung 2 (oder
alternativ zum Umwälzer/Lüfter 4)
zurück. Wenn
flussabwärts
vom Kältespeicher 102 ein
weiterer Kältespeicher
(z.B. passiver Kältespeicher 103, über die
thermische Verbindungsvorrichtung 113 von der Kryokältemaschine 63 mit
der in 4 in gestrichelter Linie dargestellten Umwälzvorrichtung 53)
seriell angeschlossen ist, gelangt das den Kältespeicher 102 verlassende
Kühlfluid über den
Speiseleitungsteil 20b in den zusätzlichen Kältespeicher 103, bevor
es zur thermischen Last 1 gelangt. Die Kältemaschine 63 kühlt den
Kältespeicher 103 über eine thermische
Verbindungseinrichtung 113 auf eine kryogene Temperatur,
die niedriger ist als die zweite kryogene Temperatur, auf die die
Kältemaschine 62 den Kältespeicher 102 kühlt. Der
Kältespeicher 103 wiederum
kühlt das
empfangene Kühlfluid
und leitet das Fluid an die thermische Last 1 über den
Speiseleitungsteil 20b direkt oder durch einen (z.B. vierten, fünften, sechsten
etc.) flussabwärts
passiven Kältespeicher
(in 4 nicht dargestellt) weiter.
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Wie
vorstehend erwähnt,
wird, wenn der Kältespeicher 101,
die thermische Verbindungsvorrichtung 111 und/oder Kältemaschine 61 nicht
richtig arbeiten, so dass der Kälte speicher 101 nur
mit einer reduzierten oder ohne Kühlkapazität arbeitet, das durch die Fluid-Speiseleitung
durchlaufende Fluid noch durch den Kältespeicher 102 gekühlt (vorausgesetzt,
dass die Vorrichtung 102, die thermische Verbindungsvorrichtung 112 und
die Kältemaschine 62 richtig
arbeiten). Wenn andererseits der Kältespeicher 102, die
thermische Verbindungsvorrichtung 112 und/oder Kältemaschine 62 nicht
richtig arbeiten, so dass der Kältespeicher 102 nur
mit einer reduzierten oder ohne Kühlkapazität arbeitet, wird das durch die
Fluid-Speiseleitung
durchlaufende Fluid noch durch den Kältespeicher 101 gekühlt (vorausgesetzt, dass
die Vorrichtung 101, die thermische Verbindungsvorrichtung 111 und
die Kältemaschine 61 richtig
arbeiten). Die thermische Last 1 kann somit zuverlässig gekühlt werden,
wenn nur ein Teil der Kühlkapazität verloren
geht, wenn ein spezieller Kältespeicher
das Fluid, das an die thermische Last 1 übertragen
wird, nicht richtig kühlen
kann.
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Wie
vorstehend erwähnt,
stellen 5 und 6 bekannte
Kryokältesysteme
zum Kühlen
einer thermischen Last dar. Die in 5 und 6 dargestellten
Bestandteile, die den vorstehenden gleichen, wurden mit gleichen
Bezugsziffern versehen.