WO2015169576A1

WO2015169576A1 - Kühleinrichtung für wenigstens zwei zu kühlende komponenten, schienenfahrzeug und verfahren zur kühlung

Info

Publication number: WO2015169576A1
Application number: PCT/EP2015/058512
Authority: WO
Inventors: Tabea Arndt; Jörn GRUNDMANN; Anne KUHNERT; Peter Kummeth
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2015-11-12
Also published as: DE102014208437A1

Abstract

Kühleinrichtung (19) für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter umfasst, wobei alle Komponenten sequentiell durch dasselbe in einem geschlossenen Kühlkreislauf (3) geführte Kühlmedium gekühlt werden.

Description

Beschreibung

Kühleinrichtung für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, Schienenfahrzeug und Verfahren zur Kühlung

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter umfasst. Daneben umfasst die Erfindung ein Schienenfahrzeug und ein Verfahren zur Kühlung.

Komponenten von Vorrichtungen, die einen Supraleiter umfassen, werden oft auch als supraleitende Komponenten bezeichnet. So spricht man beispielsweise bei elektrischen Maschinen, die zum Antrieb oder als Generator verwendet werden, von einer supraleitenden Maschine, wenn innerhalb des Stators oder häufiger des Rotors Supraleiter verwendet werden. Hochtemperatursupraleiter erlauben die Nutzung der Supraleitertechnologie aufgrund des geringeren notwendigen Bauraums nun auch in mobilen Einheiten, beispielsweise Fahrzeugen, sowie immer dort, wo bauartbedingt weniger Bauraum zur Verfügung steht .

Ein Beispiel für solche mobile Einheiten sind Antriebsfahrzeuge der Eisenbahn, also Schienenfahrzeuge, insbesondere Lo- komotiven und Triebköpfe, die effiziente Antriebe und kleine, effiziente Transformatoren benötigen. Hierfür bieten sich aufgrund ihrer Vorteile supraleitende und in besonderer Weise hochtemperatursupraleitende Anwendungen wie HTS- Transformatoren und HTS-Motoren (hochtemperatursupraleitende Maschinen) an. Alle supraleitenden Komponenten müssen zum Betrieb auf Temperaturen unterhalb ihrer kritischen Temperatur abgekühlt werden, so dass für jede supraleitende Komponente ein Kühlsystem erforderlich ist. Andere Anwendungen, in denen die Vorteile von HTS-Motoren bereits gezeigt wurden, sind Schiffantriebsmaschinen mit einer Nennleistung von 4MW.

Werden supraleitende Komponenten in einem Schienenfahrzeug realisiert, ist neben der supraleitenden Maschine häufig auch ein Transformator nötig, der dann vorteilhaft auch supraleitend realisiert wird. Doch auch in anderen Anwendungen kann es vorkommen, dass mehrere supraleitende Komponenten Kühlung benötigen oder neben einer supraleitenden Komponente weitere Komponenten vorhanden sind, die keine Supraleiter enthalten, dennoch jedoch Kühlung benötigen. In allen Fällen ist es bekannt, jeder dieser Komponenten ein eigenes, unabhängiges Kühlsystem zuzuordnen. Dann sind im Beispiel des Schienenfahrzeugs mit einer supraleitenden Maschine als Antriebsmotor und einem supraleitenden Transformator mehrere Kompressoren mit Kaltköpfen und eine Vielzahl von Leitungen nötig, um Komponenten auf die benötigte Betriebstemperatur abkühlen zu können . Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, demgegenüber verbesserte und insbesondere bauraumsparende Möglichkeiten zur Kühlung von Komponenten, insbesondere supraleitenden Komponenten in Schienenfahrzeugen, anzugeben. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass alle Komponenten sequentiell durch dasselbe in einem geschlossenen Kühlkreislauf geführte Kühlmedium gekühlt werden. Es wird mithin ein kombiniertes Kühlsystem vorgeschlagen, welches eine kaskadierte Kühlung mehrerer Komponenten durch das gleiche Kühlmedium ermöglicht. Somit müssen nicht alle Komponenten, insbesondere alle supraleitenden Komponenten, getrennt voneinander durch jeweils eigenständige Kühleinrich- tungen gekühlt werden, sondern es wird eine einzige Kühleinrichtung mit einem geschlossenen Kühlkreislauf verwendet, bei dem das Kühlmedium zunächst wenigstens eine erste, insbesondere supraleitende Komponente kühlt, um dann, im bereits leicht erwärmten Zustand, zur Kühlung weiterer, insbesondere ebenfalls supraleitender Komponenten eingesetzt zu werden. In einer speziellen Ausführungsform wird durch die Kühlung wenigstens einer Komponente das Kühlmedium verdampft, woraufhin wenigstens eine weitere Komponente mit dem kalten, gasförmi- gen Kühlmedium in diesem geschlossenen Kühlkreislauf ebenso gekühlt wird. Nachdem das schließlich erwärmte, insbesondere gasförmige Kühlmedium aus der letzten zu kühlenden Komponente bzw. einem der letzten zu kühlenden Komponente zugeordneten Wärmetauscher wieder austritt, wird es einem durch wenigstens einen Kaltkopf gekühlten Kondensor (oder auch mehreren Kondensoren) zugeführt, um wieder gekühlt, insbesondere verflüssigt, zu werden, und erneut zur Kühlung der zu kühlenden Komponenten zur Verfügung zu stehen.

Insbesondere handelt es sich bei den zu kühlenden Komponenten um eine supraleitende Maschine, insbesondere eine HTS- Antriebsmaschine , und einen supraleitenden Transformator, insbesondere einen HTS-Transformator, für Schienenfahrzeuge, die beispielsweise im Triebkopf eines Zuges oder in einer Lokomotive untergebracht sind.

Insgesamt ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung. So sind zum einen die Inves- titionskosten zur Kühlung der wenigstens zwei zu kühlenden

Komponenten, welche insbesondere alle Supraleiter, bevorzugt Hochtemperatursupraleiter, umfassen, deutlich geringer, da nur eine Kühleinrichtung benötigt wird. Das benötigte Kühlmedium kühlt mehrere Komponenten, beispielsweise die supralei- tende Antriebsmaschine in flüssiger Form und einen supraleitenden Transformator und/oder eine weitere Komponente als kaltes Gas, so dass wesentlich weniger Volumen an flüssigem Kühlmedium, beispielsweise teures Neon, benötigt wird, um die Komponenten des Gesamtsystems zu kühlen. Entsprechend sind auch nicht zwei Vorratsbehälter als Puffervolumen für gasförmiges Kühlmedium, beispielsweise Neon oder Stickstoff, nötig. Damit wird der Platzbedarf zur Kühlung der zu kühlenden Komponenten deutlich geringer. Auch durch die Einsparung wenigstens einer weiteren Kühleinrichtung wird zusätzlich Platz und Gewicht gespart. Diese Vorteile sind insbesondere im Rahmen mobiler Anwendungen, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, äußerst wichtig. Das verwendete Kühlmedium wird mithin wesentlich effizienter genutzt. Ein- und dasselbe Kühlmedium kühlt alle Komponenten nacheinander in einem geschlossenen Kühlkreislauf. Dabei können im Übrigen, worauf noch genauer eingegangen werden wird, die Betriebsparameter der Kühleinrichtung entsprechend ange- passt werden, um den Betrieb der Kühleinrichtung auf die Betriebstemperaturen der zu kühlenden Komponenten abzustimmen. Beispielsweise kann eine Anpassung des Betriebsdrucks (Dampfdruck des gasförmigen Kühlmediums) entsprechend der nötigen Anwendung erfolgen.

Die vorliegende Erfindung nutzt aus, dass häufig von unterschiedlichen zu kühlenden Komponenten unterschiedliche Anforderungen an die Betriebstemperatur gestellt werden, bei- spielsweise bei zu kühlenden supraleitenden Komponenten verschiedene kritische Temperaturen bzw. Betriebstemperaturen vorliegen können, so dass ein Wärmeverlust an eine Komponente die Nutzung des Kühlmediums für eine andere Komponente nicht zwangsläufig ausschließt. Betrachtet man das Beispiel des Schienenfahrzeugs, in dem eine supraleitende Maschine und ein supraleitender Transformator gebaut sind, ist bei der supraleitenden Maschine meist ein recht hohes Magnetfeld vorhanden, was die auslegungsgemäße Betriebstemperatur absenken kann, so dass hier eine Kühlung auf geringe Temperatur erfor- derlich ist. Mithin kann die supraleitende Maschine zunächst durch flüssiges Kühlmedium, insbesondere unter dessen Verdampfung, gekühlt werden, das dann gasförmige Kühlmedium kann jedoch problemlos eingesetzt werden, um den in einem deutlich niedrigeren Magnetfeld angeordneten supraleitenden Transfor- mator zu kühlen, dessen Betriebstemperatur entsprechend höher liegen darf.

Ist wenigstens eine keinen Supraleiter aufweisende Komponente vorhanden, kann vorgesehen sein, dass diese nach der wenigs- tens einen Supraleiter aufweisenden Komponente von dem Kühlmedium gekühlt wird. Komponenten, die nicht supraleitend sind, werden meist bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben, so dass sie sekundär durch das bereits von der we- nigstens einen supraleitenden Komponente erwärmte Kühlmedium gekühlt werden können.

Es sind jedoch auch Ausgestaltungen denkbar, insbesondere wie bezüglich des Schienenfahrzeugs schon dargelegt, in denen wenigstens zwei, insbesondere alle, Komponenten Supraleiter aufweisen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Kühlreihenfolge der Supraleiter-Komponenten in Abhängigkeit einer dort aufgrund der Randbedingungen ihrer Anordnung und/oder ihrer Nutzung möglichen Betriebstemperatur so gewählt ist, dass die Supraleiter-Komponenten niedrigerer kritischer Temperatur bzw. Betriebstemperatur früher von dem Kühlmedium gekühlt werden als jene höherer kritischer Temperatur bzw. Betriebstemperatur. Beispielsweise können also das Magnetfeld im Bereich des Supraleiters und/oder der Strom, insbesondere die Stromdichte, durch den Supraleiter ausgewertet werden, woraus sich bestimmte maximal zulässige Betriebstemperaturen ergeben, die für die Komponenten im Betrieb zu unterschreiten sind. Dann bietet es sich selbstverständlich an, zunächst die supraleitenden Komponenten zu kühlen, die die niedrigere maximal zulässige Betriebstemperatur aufweisen und danach jene, die eine höhere maximal zulässige Betriebstemperatur aufweisen. Dabei ist in diesem Zusammenhang noch anzumerken, dass nicht nur die Kühlreihenfolge, sondern auch Betriebsparameter der Kühleinrichtung entsprechend der vorliegenden Anforderungen gewählt werden können, insbesondere der Dampfdruck des gasförmigen Kühlmediums. Wird beispielsweise ein verwendeter Kaltkopf so betrieben und seine Betriebstemperatur, beispielsweise mittels einer geregelten, insbesondere elektri- sehen Heizeinrichtung am Kondensor, so geregelt, dass das Kühlmedium, beispielsweise Neon oder Stickstoff, bei einem Absolutdruck unterhalb des atmosphärischen Druckes, also weniger als etwa 1 bar, im Kühlkreislauf vorliegt, so kann vorteilhafterweise die zur Verfügung stehende geringere Kühltem- peratur genutzt werden, um die verwendeten supraleitenden Komponenten besser auszunutzen, das heißt insbesondere mit einem höheren Betriebsstrom (aufgrund des höheren kritischen Stroms) zu betreiben. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar und kann vorteilhaft sein, den absoluten Betriebsdruck (Dampfdruck) oberhalb des atmosphärischen Drucks, also oberhalb von etwa 1 bar, zu halten. Damit wird erreicht, dass zwar die Temperatur des Kühlmediums höher, somit der erreichbare Betriebsstrom insbesondere in durch flüssiges Kühlmedium gekühlten Komponenten etwas geringer ist, allerdings wird durch den höheren Dampfdruck und damit die höhere Dichte im gasförmigen Kühlme- dium ein effektiverer Wärmeaustausch und damit eine effektivere Kühlung der Komponente begünstigt, die durch das gasförmige Kühlmedium gekühlt werden. Der Wärmeaustausch zwischen dem gasförmigen Kühlmedium und der bzw. den zu kühlenden Komponenten wird durch eine höhere Gasdichte erhöht und kann so zu einer geringeren Betriebstemperatur der gasgekühlten Komponenten führen.

Zusammenfassend kann also durch die Anpassung des Dampfdrucks des Kühlmediums im Kühlsystem eine geschickte, den Anforde- rungen genügende Ausnutzung der bestehenden Freiheiten im Zu- standsdiagramm erreicht werden und insbesondere eine Abstimmung der Betriebstemperaturen der zu kühlenden Komponenten erfolgen . Wie bereits erwähnt wurde, ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn die Komponenten wenigstens einen supraleitenden Anteil einer supraleitenden Maschine, insbesondere einen Rotor und/oder einen Stator, und/oder einen supraleitenden Transformator umfassen. Dabei handelt es sich bei den Supraleitern bevorzugt um Hochtemperatursupraleiter .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf an einer insbesondere zuerst zu küh- lenden Komponente ein Zuführungsrohr für flüssiges Kühlmedium zu einer zu kühlenden Komponente, insbesondere einem Rotor und/oder Stator einer supraleitenden Maschine, und ein Abführungsrohr für gasförmiges Kühlmedium aufweist. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn zum Transport des Kühlmediums wenigstens teilweise der Thermosi- phon-Effekt genutzt wird, da durch die zuvor genannte Ausgestaltung dann ein sogenannter Zwei -Rohr-Thermosiphon reali- siert ist. Kühleinrichtungen, die nach dem Thermosiphon-

Prinzip arbeiten, werden besonders häufig bei supraleitenden Maschinen eingesetzt. Vorliegend wird mithin vorgeschlagen, getrennte Rohre für das flüssige und das gasförmige Kühlmedium zu verwenden, so dass ein einfacherer Weg existiert, das gasförmige Kühlmedium abzutrennen und insbesondere einer weiteren zu kühlenden Komponente zuzuführen. Daher sieht zudem eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass wenigstens eine weitere Komponente durch das gasförmige Kühlmedium gekühlt wird, insbesondere ein supraleitender Transformator.

Ist die zu kühlende Komponente ein Rotor einer supraleitenden Maschine, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, das flüssige Kühlmittel in einen Innenraum des hohlen Rotors zu führen, der als Verdampfer wirkt und dabei den Rotor und mithin die in ihm vorgesehenen Supraleiter kühlt. Das verdampfte Kühlmedium wird entsprechend wieder in Richtung des Kondensors abgeführt, vorliegend über das Abführungsrohr. Die beiden Rohre können zweckmäßigerweise konzentrisch ausgeführt sein. Eine gasdichte Drehdurchführung, beispielsweise eine Ferrofluiddichtung, kann eingesetzt werden, um die Rohre in den Innenraum des Rotors hineinragen zu lassen. Es wurden auch bereits Lösungen vorgeschlagen, in denen mitrotierende Zuführungsrohre für Kühlmedium verwendet werden. Ein Beispiel für Möglichkeiten zur Realisierung der Kühlung einer supra- leitenden Maschine mit supraleitender Rotorwicklung ist der DE 10 2007 030 474 AI der Anmelderin zu entnehmen, wobei selbstverständlich jedoch auch andere konkrete Ausgestaltungen bezüglich einer supraleitenden Maschine als zu kühlende Komponente denkbar sind.

Somit ergibt sich, dass eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorliegt, wenn in einer mobilen Einheit, insbesondere einem Schienenfahrzeug, als Komponenten eine supraleitende Maschine und ein supraleitender Transformator durch eine einzige Kühleinrichtung gekühlt werden, wobei ein Zwei-Rohr-Thermosiphon verwendet wird, bei dem das flüssige Kühlmedium in dem entsprechenden Anteil der supraleitenden Maschine kühlend verdampft wird, wonach das kalte gasförmige Kühlmedium dem supraleitenden Transformator zugeführt wird, dort durch seine kühlende Wirkung weiter erwärmt wird und sodann in den Kondensor zurückgeführt wird, wo es erneut verflüssigt und der supraleitenden Maschine zuge- leitet wird. Gerade bei mobilen Einheiten ist der Bauraum beschränkt, so dass sich die beschriebenen Vorteile der Verwendung einer einzigen Kühleinrichtung besonders auszahlen; zudem lässt sich durch die speziellen Eigenschaften der supraleitenden Maschine und des supraleitenden Transformators, der eine höhere kritische Temperatur bzw. Betriebstemperatur besitzt, eine solche Ausgestaltung auf die beschriebene Art, in der das gasförmige, kalte Kühlmedium den Transformator kühlt, erst einfach realisieren. Wie bereits erwähnt, sollte der Betriebsdruck, also der

Dampfdruck des gasförmigen Kühlmediums, geeignet nach den Anforderungen der zu kühlenden Komponenten gewählt werden. Mithin kann die Kühleinrichtung zweckmäßigerweise auch eine Dampfdruckregelungseinrichtung, insbesondere aufweisend eine Heizeinrichtung, insbesondere im Bereich des Kondensors bzw. der Kondensoren, aufweisen. Derartige Regelungsmöglichkeiten sind im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt und umfassen meist die Wahl einer geeigneten Betriebstemperatur am Kondensor, die mittels einer insbesondere elektrischen Heizeinrichtung am Kondensor so eingestellt werden kann, dass der Dampfdruck in einem bestimmten gewünschten Druckbereich verbleibt. Auf diese Weise kann beispielsweise auch ein Betrieb bei einem Druck < 1 bar vorgesehen werden, wenn beispielsweise Komponenten mit einem höheren Betriebsstrom be- trieben werden sollen, oder aber auch Dampfdrücke oberhalb des atmosphärischen Drucks gewählt werden, beispielsweise dann, wenn ein effektiverer Wärmeaustausch bei gasgekühlten Komponenten erreicht werden soll. Neben der Kühleinrichtung betrifft die Erfindung auch ein Schienenfahrzeug, insbesondere eine Lokomotive oder einen Triebkopf eines Zuges, aufweisend eine supraleitende Maschine und einen supraleitenden Transformator als zu kühlende Komponenten und eine Kühleinrichtung der erfindungsgemäßen Art. Wie bereits erwähnt wurde, lässt sich die vorliegende Erfindung insbesondere bei derartigen mobilen Einheiten einsetzen, bei denen eine Platz- und Gewichtsersparnis besonders vor- teilhaft und gewinnbringend ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die genannten Vorteile erhalten werden .

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Kühlung von wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter umfasst, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein in einem geschlossenen Kühl- kreislauf zirkulierendes Kühlmedium nach Erwärmung durch Kühlung einer Komponente zur Kühlung der wenigstens einen weiteren Komponente verwendet wird. Auch auf das erfindungsgemäße Verfahren, welches die kaskadierte Kühlung von wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten durch eine einzige Kühleinrich- tung beschreibt, lassen sich die bisherigen Ausführungen anwenden und es können die genannten Vorteile erreicht werden.

Wie bereits bezüglich der Kühleinrichtung dargelegt, ist es besonders vorteilhaft, wenn bei wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten mit einem Supraleiter die Kühlreihenfolge

und/oder der Dampfdruck des Kühlmediums in Abhängigkeit einer aufgrund des Magnetfelds im Bereich des Supraleiters und/oder des Stromes durch die Supraleiter möglichen kritischen Temperatur bzw. Betriebstemperatur gewählt wird. Dabei ist es selbstverständlich zweckmäßig, zu kühlende Komponenten mit niedrigerer kritischer Temperatur bzw. Betriebstemperatur vor Komponenten mit höherer kritischer Temperatur bzw. Betriebstemperatur zu kühlen. Eine weitere Stellschraube zur Optimie- rung des gesamten Kühlvorgangs stellt der Dampfdruck dar, nachdem dieser, wie dargelegt wurde, entgegengesetzte Auswirkungen bei flüssigkeitsgekühlten und gasgekühlten Komponenten hat. Bei Betriebsdrücken < 1 bar ist die Temperatur des flüs- sigen Kühlmediums niedriger, was für flüssigkeitsgekühlte

Komponenten niedrigere Betriebstemperaturen (und somit gegebenenfalls höhere Betriebsströme) erlaubt, während ein höherer Dampfdruck die Kühlung gasgekühlter Komponenten begünstigt .

Entsprechend ist es auch allgemein, wie dargelegt wurde, vorteilhaft, dass wenigstens eine Komponente durch an einer anderen flüssiggekühlten Komponente verdampftes gasförmiges Kühlmedium gekühlt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungs- beispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, und

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs .

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, wie sie in einem Schienenfahrzeug, beispielsweise einer Lokomotive, verwendet werden kann, die eine HTS-Antriebsmaschine, also eine supra- leitende Maschine, mit einem Rotor 1 mit supraleitenden Wicklungen und einen supraleitenden Transformator 2 umfasst, dessen Wicklungen ebenfalls aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial bestehen. Um diese beiden Komponenten zu kühlen, wird die erfindungsgemäße Kühleinrichtung eingesetzt, in welcher ein Kühlmedium, beispielsweise Neon oder Stickstoff, verwendet wird. Das Kühlmedium zirkuliert in einem aus Rohren gebildeten Kühl- kreislauf 3 und wird durch den Thermosiphon-Effekt transportiert. Im vorliegenden Beispiel sind der Kaltkopf 4 und der Kondensor 5, um gasförmiges Kühlmedium durch Kondensation wieder zu flüssigem Kühlmedium umzuwandeln, höher angeordnet als der Verdampfer, der vorliegend von einem Innenraum 6 des hohlen Rotors 1 der supraleitenden Maschine gebildet wird. Dabei können selbstverständlich auch mehr als ein Kaltkopf 4 und/oder mehr als ein Kondensor 5 vorgesehen sein, wie dies im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Nachdem das gasförmige Kühlmedium in dem Kondensor 5 verflüssigt wurde, wird es über eine entsprechende Leitung 7 für flüssiges Kühl- medium zum Rotor 1 als zuerst zu kühlender Komponente geführt. Die Leitung 7 endet in einem Zuführungsrohr 8, um das sich konzentrisch ein Abführungsrohr 9 für gasförmiges Kühl- medium erstreckt. Das Zuführungsrohr 8 und das Abführungsrohr 9 stehen gegenüber dem Rotor 1 fest und werden daher durch eine Drehdurchführung 10, beispielsweise einer Ferrofluid- dichtung, in den Innenraum 6 geführt. Es besteht also insgesamt ein Zwei -Rohr-Thermosiphon, bei dem Vorlauf und Rücklauf des flüssigen bzw. gasförmigen Kühlmediums zumindest in Teilbereichen, hier im Bereich der Rohre 8, 9, getrennt verlaufen .

Konkretere Ausgestaltungen zur Kühlung von Rotoren 1 von sup- raleitenden Maschinen sind im Stand der Technik bereits bekannt, wobei nur beispielhaft auf die bereits genannte DE 10 2007 030 474 AI verwiesen sei.

Im Rotor 1 verdampft das flüssige Kühlmedium und kühlt damit den Rotor 1 und das am oder im Rotor 1 befindliche, hier nicht näher dargestellte Supraleitermaterial.

Das kalte, gasförmige Kühlmedium, mithin beispielsweise

Neongas oder Stickstoffgas , verlässt den Rotor 1 über das Ab- führungsrohr 9 und wird über eine Leitung 11 für gasförmiges Kühlmedium zu dem HTS-Transformator 2 als weitere zu kühlende Komponente geführt . Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist vorliegend der gesamte Transformator 2 innerhalb eines Kryostats 12 angeordnet, das bedeutet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden der Eisenkern 13 und die supraleitenden Wicklungen 14 glei- chermaßen von dem gasförmigen Kühlmedium umströmt.

Alternativ sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen für jede Wicklung ein eigener Kryostat, beispielsweise aus Kunststoff, gebildet wird, so dass nur diese gekühlt werden müs- sen.

Nachdem das gasförmige Kühlmedium den supraleitenden Transformator 2 durchströmt hat, wird es über eine verbindende weitere Leitung 15 wieder dem Kondensor 5 zugeführt, so dass der Kreislauf geschlossen ist.

Dabei sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich neben dem supraleitenden Transformator 2 auch noch weitere Komponenten, die nicht zwangsläufig supraleitend sein müssen, durch das gasförmige Kühlmedium bei Bedarf gekühlt werden können .

Vorliegend wird zunächst der Rotor 1 der supraleitenden Maschine gekühlt, nachdem dort aufgrund der hohen Magnetfelder eine niedrigere maximal zulässige Betriebstemperatur vorliegt. Dieses Problem ist im Bereich des supraleitenden

Transformators 2 nicht gegeben, so dass das gasförmige Kühl- medium ausreicht, um diese Komponente höherer maximal zulässiger Betriebstemperatur dennoch hinreichend zu kühlen. Dabei stellt der Dampfdruck des gasförmigen Kühlmediums eine weitere Optimierungsgröße dar, der beispielsweise über die Betriebstemperatur des Kaltkopfes 4/Kondensors 5 eingestellt werden kann, insbesondere auf einen bestimmten Wunschwert geregelt werden kann, wozu eine Dampfdruckregelungseinrichtung mit einer elektrischen Heizeinrichtung 16 verwendet wird. Wird ein unterkühlter Betrieb der Kühleinrichtung gewählt, ist eine niedrigere Temperatur für das flüssige Kühlmedium möglich, so dass auch der Rotor und dessen Supraleiter auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden kann, was beispielsweise größere Betriebsströme erlauben kann. Allerdings ist dann die Kühlleistung im Bereich des supraleitenden

Transformators 2 etwas schlechter zu bewerten. Wird jedoch ein Dampfdruck gewählt, der höher als der atmosphärische

Druck ist, ist die Kühlwirkung aufgrund der höheren Temperatur des flüssigen Kühlmediums im Bereich des Rotors 1 als schlechter einzustufen, jedoch begünstigt der hohe Dampfdruck den Wärmeaustausch im Bereich des supraleitenden Transforma- tors 2, bei dem mithin eine bessere Kühleffektivität gegeben ist. Die konkrete Wahl des Dampfdruckes des gasförmigen Kühlmediums ist daher hauptsächlich von den Anforderungen und der konkreten Auslegung abhängig und stellt eine Optimierungsgröße für den Betrieb des Kühlsystems dar.

Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug 17. Dieses weist, wie erwähnt, die supraleitende Maschine 18 mit dem Rotor 1 und den supraleitenden Transformator 2 auf. Beide Komponenten werden von der gemeinsamen erfindungs- gemäßen Kühleinrichtung 19 gekühlt, wie sie in Fig. 1 erläutert wurde .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche

1. Kühleinrichtung (19) für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten sequentiell durch dasselbe in einem geschlossenen Kühlkreislauf (3) geführte Kühlmedium gekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine keinen Supraleiter aufweisende Komponente vorhanden ist, die nach der wenigstens einen Supraleiter aufweisenden Komponente von dem Kühlmedium gekühlt wird.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass wenigstens zwei, insbesondere alle, Komponenten Supraleiter aufweisen.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlreihenfolge der supraleitenden Komponenten in Abhängigkeit einer dort aufgrund der Randbedingungen ihrer

Anordnung und/oder ihrer Nutzung möglichen maximalen Betriebstemperatur so gewählt ist, dass die supraleitenden Komponenten niedrigerer maximal zulässiger Betriebstemperatur früher von dem Kühlmedium gekühlt werden als jene höherer ma- ximal zulässiger Betriebstemperatur.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten wenigstens einen supraleitenden Anteil einer supraleitenden Maschine (18) , insbesondere einen Rotor (1) und/oder einen Stator, und/oder einen supraleitenden Transformator (2) umfassen.

6. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (3) an einer insbesondere zuerst zu kühlenden Komponente ein Zuführungs- rohr (8) für flüssiges Kühlmedium zu einer zu kühlenden Komponente, insbesondere einem Rotor (1) und/oder Stator einer supraleitenden Maschine (18), und ein Abführungsrohr (9) für gasförmiges Kühlmedium aufweist.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Komponente durch das gasförmige

Kühlmedium gekühlt wird, insbesondere ein supraleitender Transformator (2) .

8. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport des Kühlmediums wenigstens teilweise der Thermosiphon-Effekt genutzt wird.

9. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine

Dampfdruckregelungsseinrichtung, insbesondere aufweisend eine Heizeinrichtung (16), insbesondere im Bereich eines oder mehrerer Kondensoren (5), vorgesehen ist.

10. Schienenfahrzeug (17), aufweisend eine supraleitende Ma- schine (18) und einen supraleitenden Transformator (2) als zu kühlende Komponenten und eine Kühleinrichtung (19) nach einem der vorangehenden Ansprüche .

11. Verfahren zur Kühlung von wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem geschlossenen Kühlkreislauf (3) zirkulierendes Kühlmedium nach Erwärmung durch Kühlung einer Komponente zur Kühlung der wenigstens einen weiteren Komponente verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten mit einem Supraleiter die Kühlreihenfolge und/oder der Dampfdruck des Kühl- mediums in Abhängigkeit einer aufgrund des Magnetfelds im Be- reich des Supraleiters und/oder des Stroms durch den Supraleiter maximal zulässigen Betriebstemperatur gewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Komponente durch an einer anderen flüssiggekühlten Komponente verdampftes gasförmiges Kühlmedium gekühlt wird.