DE602004006674T2 - Kryogene Kälteanlage und Verfahren mit Kältespeicher - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend als Beispiel beschrieben, mit Bezug auf die beiliegenden Figuren, in denen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Kryokältesystems zur Lieferung eines Kühlfluids an eine thermische Last gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2A ein Diagramm eines Materials eines passiven Kältespeichers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2B eine Darstellung eines Eindrucks des Materials ist, das in dem in 2A dargestellten Diagramm dargestellt ist;
  • 3A ein Diagramm eines anderen Materials eines passiven Kältespeichers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3B ein detailliertes Diagramm des in 3A dargestellten Materials ist;
  • 4 ein schematisches Diagramm eines Kryokältesystems zur Lieferung eines Kühlfluids an eine thermische Last gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • 5 ein schematisches Diagramm eines bekannten Kryokältesystems zur Lieferung eines Kühlfluids an eine thermische Last ist; und
  • 6 ein schematisches Diagramm eines anderen bekannten Kryokältesystems zur Lieferung eines Kühlfluids an eine thermische Last ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 24 zeigen ein Material, dass einen Teil der Kälteübertragungsvorrichtung 11 bildet. Insbesondere 2A2B stellen poröse Metalldrahtmaschen 21 eines regenerativen Wärmetauschers dar. Die porösen Metalldrahtmaschen 21 wirken gewissermaßen wie ein thermischer Schwamm. 3A3B 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 35 dargestellten regenerativen Wärmetauscher haben gemeinsam, dass sie die aus dem Kühlfluid kommende Wärme speichern und Wärme an ein Fluid abgeben können.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 6162 (z.B. Betrieb der Kältemaschinen 5162 mit voller Kühlkapazität) gekühlt wurde. Wenn jedoch das Gas nicht vollständig gekühlt wird (z.B. eine oder mehrere Kryokältemaschinen 6162 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 24 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Kälteanlage (40), die kryogenes Kühlfluid an einen Apparat (1) liefert, wobei die Anlage (40) besteht aus: einer Umwälzvorrichtung (2); einem passiven Kältespeicher (11); einem ersten Teil einer Fluidverbindungs-Speiseleitung (20a) zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen der Umwälzvorrichtung (2) und dem passiven Kältespeicher (11); einem zweiten Teil der kommunikativen Fluidverbindungs-Speiseleitung (20b), die den passiven Kältespeicher (11) mit dem Apparat (1) verbindet, um kryogenes Kühlfluid an den Apparat (1) zu übertragen; und einer Fluidverbindungs-Rückführungsleitung (20c), die den Apparat (1) mit der Umwälzvorrichtung (2) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Kältespeicher (11) eine poröse Materialmatrix hat, die direkten Kontakt mit dem kryogenen Kühlfluid hat, wenn das kryogene Kühlfluid den passiven Kältespeicher durchläuft.
  2. Kälteanlage (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Kältespeicher (11) einen regenerativen Wärmetauscher umfasst.
  3. Kälteanlage (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Materialmatrix des passiven Kältespeichers (11) eine poröse Materialmatrix aus Metalldrahtmaschen (21) umfasst.
  4. Kälteanlage (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Materialmatrix des passiven Kältespeichers (11) eine poröse Materialmatrix aus Metallkugeln (22) umfasst.
  5. Kälteanlage (40) nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: eine Kryokältemaschine (61 oder 62) zur Kühlung des Fluids auf eine Anfangstemperatur, wenn sie mit einer ersten Kühlkapazität arbeitet, und zur Kühlung des Fluids auf eine zweite Temperatur, wenn sie mit einer zweiten Kühlungskapazität arbeitet, wobei die erste Temperatur niedriger ist als die zweite und die erste Kühlungskapazität größer ist als die zweite, wobei der passive Kältespeicher (11) das kryogene Kühlfluid direkt berührt, wenn das kryogene Kühlfluid den passiven Kältespeicher (11) durchläuft; ein erster Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung (20a) überträgt das von der Kryokältemaschine (61 oder 62) gekühlte Fluid an den passiven Kältespeicher (11), wobei das an den passiven Kältespeicher (11) übertragene Fluid den passiven Kältespeicher (11) kühlt, wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine (61 o der 62) im Betrieb mit der ersten Kühlungskapazität auf die Ausgangstemperatur abgekühlt worden ist, wobei der passive Kältespeicher (11) das Fluid kühlt, wenn die dem passiven Kältespeicher (11) zugeleitete Flüssigkeit durch die Kryokältemaschine (61 oder 62) im Betrieb mit der zweiten Kühlungskapazität auf die zweite Temperatur abgekühlt worden ist; und wobei der zweite Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitung (20b) eine Fluidverbindung zwischen dem passiven Kältespeicher (11) und dem Apparat (1) herstellt, um das Fluid an den Apparat (1) zu liefern.
  6. Verfahren zur Lieferung von Kühlfluid an den Apparat (1), wobei das Verfahren umfasst: Kühlung des Fluids durch Verwendung einer Kryokältemaschine (61 oder 62) auf eine Anfangstemperatur, wenn die Kryokältemaschine (61 oder 62) mit einer ersten Kühlkapazität läuft und auf eine zweite Temperatur, wenn die Kryokältemaschine (61 oder 62) mit einer zweiten Kühlkapazität läuft, wobei die erste Temperatur niedriger als die zweite Temperatur und die erste Kühlkapazität höher als die zweite Kühlkapazität ist; wobei das durch die Kryokältemaschine (61 oder 62) gekühlte Fluid im Rahmen des Fluidkreislaufs (20) an den passiven Kältespeicher (11) übertragen wird, der eine poröse Materialmatrix hat, die die Flüssigkeit direkt berührt, wenn das Kühlfluid den passiven Kältespeicher (11) durchläuft, wobei das Fluid den passiven Kältespeicher (11) kühlt, wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine (61 oder 62) im Betrieb mit der ersten Kühlkapazität auf die erste Temperatur abgekühlt worden ist, und wobei das Fluid durch den passiven Kältespeicher (11) gekühlt wird, wenn das Fluid durch die Kryokältemaschine (61 oder 62) in Betrieb mit der zweiten Kältekapazität auf die zweite Temperatur abgekühlt worden ist; wobei das Fluid im Rahmen des Fluidkreislaufs von dem passiven Kältespeicher (11) an den Apparat (1) übertragen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Kältespeicher (11) einen regenerativen Wärmetauscher enthält.
  8. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Kältespeicher ein erster passiver Kältespeicher (101) ist und die Kälteanlage weiterhin umfasst: einen zweiten passiven Kältespeicher (102), der flussabwärts von dem ersten passiven Kältespeicher (101) zwischen dem ersten und zweiten Teil der Fluidverbindungs-Speiseleitungen (20a, 20b) seriell angeschlossen ist.
  9. Kälteanlage (70) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite passive Kältespeicher (102) eine poröse Materialmatrix beinhaltet, die die kryogene Kühlflüssigkeit direkt berührt, wenn das kryogene Kühlfluid hindurchfließt.
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