Title:
Kühlvorrichtung für einen Supraleiter
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine kostengünstige und raumsparende Kühlvorrichtung für einen Supraleiter, die eine Beeinträchtigung der Funktion des Supraleiters bei einer Störung einer Kälteanlage verhindert. Eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter bildet einen Zirkulationsweg aus, in dem ein zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe zu einem Wärmetauscher gepumpt wird, so dass das Kühlmittel von einer Kälteanlage gekühlt wird, und in dem das Kühlmittel dem Supraleiter zugeführt wird. Die Kühlvorrichtung für einen Supraleiter umfasst: einen Unterkühlungsbehälter, der stromabwärts des Supraleiters und stromaufwärts der Wärmetauschereinrichtung in dem Zirkulationsweg angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein sekundäres Kühlmittel zum Kühlen des Kühlmittels zu lagern; eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung, die in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendete Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit dem sekundären Kühlmittel zu kühlen; eine Druckentspannungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Unterkühlungsbehälter zu verringern, um das sekundäre Kühlmittel zu kühlen; eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des sekundären Kühlmittels; eine Störungserfassungseinrichtung, die in der Lage ist, einen Störungszustand der Kälteanlage zu erfassen; und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festzustellen, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist, und bei festgestellter Störung der Kälteanlage einen Betrieb der Druckentspannungseinrichtung zu steuern, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen.




Inventors:
Nakamura, Naoko (Tokyo, JP)
Shimoda, Masahiro (Toyko, JP)
Komatsu, Shunsuke (Toyko, JP)
Ono, Ryusuke (Tokyo, JP)
Yaguchi, Hiroharu (Tokyo, JP)
Application Number:
DE102016104298A
Publication Date:
09/15/2016
Filing Date:
03/09/2016
Assignee:
MAYEKAWA MFG. CO. (LTD., Tokyo, JP)
International Classes:



Foreign References:
JP2011054500A2011-03-17
Attorney, Agent or Firm:
advotec. Patent- und Rechtsanwälte, 80538, München, DE
Claims:
1. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter zum Kühlen des Supraleiters mit einem Zirkulationsweg, der ausgebildet ist, indem ein zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe zu einer Wärmetauschereinrichtung gepumpt wird, so dass das Kühlmittel von einer Kälteanlage gekühlt wird, und indem das Kühlmittel anschließend dem Supraleiter zugeführt wird, wobei die Kühlvorrichtung Folgendes umfasst:
einen Unterkühlungsbehälter, der stromabwärts des Supraleiters und stromaufwärts der Wärmetauschereinrichtung in dem Zirkulationsweg angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein sekundäres Kühlmittel zum Kühlen des Kühlmittels zu lagern;
eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung, die in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendete Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit dem in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittel zu kühlen;
eine Druckentspannungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Unterkühlungsbehälter zu verringern, um das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel zu kühlen;
eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittels;
eine Störungserfassungseinrichtung, die in der Lage ist, einen Störungszustand der Kälteanlage zu erfassen; und
eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festzustellen, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist, und bei festgestellter Störung der Kälteanlage einen Betrieb der Druckentspannungseinrichtung zu steuern, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen.

2. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter zum Kühlen des Supraleiters mit einem Zirkulationsweg, der ausgebildet ist, indem ein zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe zu einer Wärmetauschereinrichtung gepumpt wird, so dass das Kühlmittel von einer Kälteanlage gekühlt wird, und indem das Kühlmittel anschließend dem Supraleiter zugeführt wird, wobei die Kühlvorrichtung Folgendes umfasst:
einen Unterkühlungsbehälter, der in dem Zirkulationsweg angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein sekundäres Kühlmittel zum Kühlen des Kühlmittels zu lagern; eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung, die in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendete Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit dem in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittel zu kühlen;
eine Druckentspannungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Unterkühlungsbehälter zu verringern, um das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel zu kühlen;
eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittels;
eine Störungserfassungseinrichtung, die in der Lage ist, einen Störungszustand der Kälteanlage zu erfassen; und
eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festzustellen, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist, und bei festgestellter Störung der Kälteanlage einen Betrieb der Druckentspannungseinrichtung zu steuern, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen, wobei
die Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit einem kälteanlagenseitigen Kühlmittel in der Kälteanlage zu kühlen, und
die sekundäre Wärmetauschereinrichtung dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen dem so gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel zu tauschen, um das Kühlmittel zu kühlen.

3. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend einen Vorratsbehälter zum Lagern des sekundären Kühlmittels, wobei der Vorratsbehälter mit der Druckentspannungseinrichtung und dem Unterkühlungsbehälter in Verbindung steht und das in dem Vorratsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel von der Druckentspannungseinrichtung gekühlt und dem Unterkühlungsbehälter zugeführt wird.

Description:
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter zum Kühlen des Supraleiters auf eine extrem niedrige Temperatur.

HINTERGRUND

Ein supraleitendes Kabel, das ein Beispiel für einen Supraleiter darstellt, kann aufgrund eines Temperaturanstiegs, der durch eine mit der Verwendung und mit dem Eindringen von Außenwärme zusammenhängende thermische Last verursacht wird, seine supraleitende Funktion verlieren und in seiner Leitfähigkeit beeinträchtigt werden. Daher muss das supraleitende Kabel während des Leitens elektrischer Energie fortwährend gekühlt werden, um in einem extrem niedrigen Temperaturzustand gehalten zu werden. Ein allgemein bekanntes Verfahren zum Kühlen des supraleitenden Kabels nutzt eine Zirkulationskühlung mit einem unterkühlten Kühlmittel. Das Zirkulationskühlungsverfahren mit dem unterkühlten Kühlmittel umfasst: das Kühlen des Kühlmittels auf einen unterkühlten Zustand mit einer Kälteanlage; das Leiten des gekühlten Kühlmittels zu dem supraleitenden Kabel mittels einer Pumpe; und das Rückführen des zum Kühlen des supraleitenden Kabels verwendeten Kühlmittels zu der Kälteanlage.

Das Zirkulationskühlungsverfahren mit unterkühltem Kühlmittel weist jedoch das folgende Risiko auf: Insbesondere wenn die Kälteanlage eine Störung erfährt, steigt die Temperatur des unterkühlten Kühlungsmittels und somit auch die Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen des supraleitenden Kabels. Infolgedessen kann das supraleitende Kabel seine supraleitende Funktion verlieren und in seiner Leitfähigkeit beeinträchtigt werden. Um dieses Risiko auszuräumen, wird in einem vorgeschlagenen Verfahren eine Vielzahl von Kälteanlagen bereitgestellt. Eine der Kälteanlagen wird in einem normalen Zustand betrieben, und wenn diese Kälteanlage eine Störung erfährt, wird eine der anderen Kälteanlagen betrieben (siehe japanische Offenlegungsschrift Nr. 2011-54500).

LiteraturlistePatentliteratur

  • Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrift Nr. 2011-54500

ZUSAMMENFASSUNGTechnisches Problem

Die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2011-54500 beschriebene Kühlvorrichtung für ein supraleitendes Kabel umfasst die Vielzahl von Kälteanlagen und ist somit kostenintensiv und benötigt einen großen Bauraum. Des Weiteren birgt das Umschalten auf eine störungsfreie Kälteanlage das Risiko eines vorübergehenden Temperaturanstiegs des zirkulierenden unterkühlten Kühlmittels während der mehreren Stunden, die für die Kühlung der Kälteanlage notwendig sind. Infolge dessen kann das supraleitende Kabel seine supraleitende Funktion verlieren und in seiner Leitfähigkeit beeinträchtigt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe von mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter vorzuschlagen, die geringen Kosten und einen kleinen Bauraum ermöglicht und bei der kein Risiko der Funktionsbeeinträchtigung des Supraleiters im Fall einer Störung einer Kälteanlage besteht.

Lösung des Problems

Eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient zum Kühlen des Supraleiters mit einem Zirkulationsweg, der ausgebildet ist, indem ein zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe zu einer Wärmetauschereinrichtung gepumpt wird, so dass das Kühlmittel durch eine Kälteanlage gekühlt wird, und indem das Kühlmittel anschließend dem Supraleiter zugeführt wird, und umfasst: einen Unterkühlungsbehälter, der stromabwärts des Supraleiters und stromaufwärts der Wärmetauschereinrichtung in dem Zirkulationsweg angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein sekundäres Kühlmittel zum Kühlen des Kühlmittels zu lagern; eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung, die in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendete Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit dem in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittel zu kühlen; eine Druckentspannungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Unterkühlungsbehälter zu verringern, um das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel zu kühlen; eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittels; eine Störungserfassungseinrichtung, die in der Lage ist, einen Störungszustand der Kälteanlage zu erfassen; und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festzustellen, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist, und bei festgestellter Störung der Kälteanlage einen Betrieb der Druckentspannungseinrichtung zu steuern, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen.

Bei der oben beschriebenen Kühlvorrichtung für einen Supraleiter stellt die Steuereinrichtung anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen fest, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist. Bei festgestellter Störung der Kälteanlage steuert die Steuereinrichtung den Betrieb der Druckentspannungseinrichtung, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen. Somit wird das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter gekühlt und durch einen Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel mittels der Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter ein gekühltes Kühlmittel gewonnen. Der Temperaturanstieg des Supraleiters kann somit vermieden werden, wodurch eine Beeinträchtigung der Leitfähigkeit des Supraleiters bei einer Störung der Kälteanlage verhindert werden kann. Bei einer Störung der Kälteanlage kann das Kühlmittel lediglich mithilfe des Unterkühlungsbehälters, der sekundären Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter und der Druckentspannungsvorrichtung gekühlt werden. Somit muss keine zusätzliche Kälteanlage einschließlich Verdichter, Gaskühler, Regenerator und Expander als Sicherung vorgesehen werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die geringe Kosten und einen kleinen Bauraum ermöglicht.

Eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient zum Kühlen des Supraleiters mit einem Zirkulationsweg, der ausgebildet ist, indem ein zuvor zum Kühlen des zum Leiten elektrischer Energie dienenden Supraleiters verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe zu einer Wärmetauschereinrichtung gepumpt wird, so dass das Kühlmittel von einer Kälteanlage gekühlt wird, und indem das Kühlmittel anschließend dem Supraleiter zugeführt wird, und umfasst: einen Unterkühlungsbehälter, der in dem Zirkulationsweg angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein sekundäres Kühlmittel zum Kühlen des Kühlmittels zu lagern; eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung, die in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet ist, das zuvor zum Kühlen des Supraleiters verwendete Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit dem in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittel zu kühlen; eine Druckentspannungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Druck in dem Unterkühlungsbehälter zu verringern, um das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel zu kühlen; eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittels; eine Störungserfassungseinrichtung, die in der Lage ist, einen Störungszustand der Kälteanlage zu erfassen; und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festzustellen, ob die Kälteanlage eine Störung aufweist, und bei festgestellter Störung der Kälteanlage einen Betrieb der Druckentspannungseinrichtung zu steuern, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen. Die Wärmetauschereinrichtung ist in dem Unterkühlungsbehälter angeordnet und dazu ausgebildet, das in dem Unterkühlungsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel durch einen Wärmetausch mit einem Kälteanlagenseitigen Kühlmittel in der Kühlmaschine zu kühlen. Die sekundäre Wärmetauschereinrichtung ist dazu ausgebildet, Wärme zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel zu tauschen, um das Kühlmittel zu kühlen.

Wenn bei der Kühlvorrichtung für einen Supraleiter die Kälteanlage störungsfrei und damit in einem normalen Zustand ist, wird das gekühlte sekundäre Kühlmittel durch einen Wärmetausch zwischen dem in dem Unterkühlungsbehälter gelagerten sekundären Kühlmittel und dem kälteanlagenseitigen Kühlmittel in der Kälteanlage über die Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter gewonnen. Anschließend wird das gekühlte Kühlmittel durch einen Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel über die sekundäre Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter gewonnen. Somit kann der Temperaturanstieg des Supraleiters verhindert werden.

Wird anhand der von der Störungserfassungseinrichtung erfassten Informationen festgestellt, dass die Kälteanlage eine Störung aufweist, steuert die Steuereinrichtung den Betrieb der Druckentspannungseinheit, so dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, den Supraleiter durch das Kühlmittel zu kühlen. Ist die Druckentspannungseinrichtung in Betrieb, wird also das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter gekühlt. Das gekühlte Kühlmittel wird durch einen Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel über die sekundäre Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter gewonnen und zum Kühlen des Supraleiters verwendet. Somit kann der Temperaturanstieg des Supraleiters vermieden und eine Beeinträchtigung der Leitfähigkeit des Supraleiters bei einer Störung der Kälteanlage verhindert werden. Bei einer Störung der Kälteanlage kann das Kühlmittel lediglich mithilfe des Unterkühlungsbehälters, der sekundären Wärmetauschereinrichtung in dem Unterkühlungsbehälter und der Druckentspannungsvorrichtung gekühlt werden. Somit muss keine zusätzliche Kälteanlage einschließlich Verdichter, Gaskühler, Regenerator und Expander als Sicherung vorgesehen werden.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die geringe Kosten und einen kleinen Bauraum ermöglicht.

Bei einigen Ausführungsformen ist des Weiteren ein Vorratsbehälter zum Lager des sekundären Kühlmittels vorgesehen. Der Vorratsbehälter steht mit der Druckentspannungseinrichtung und dem Unterkühlungsbehälter in Verbindung. Das in dem Vorratsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel wird durch die Druckentspannungseinrichtung gekühlt und dem Unterkühlungsbehälter zugeführt.

Wenn sich die Menge des sekundären Kühlmittels in dem Unterkühlungsbehälter in einem solchen Fall verringert, wird das in dem Vorratsbehälter gelagerte sekundäre Kühlmittel durch die Druckentspannungseinrichtung gekühlt und anschließend dem Unterkühlungsbehälter zugeführt, um das Risiko einer Verschlechterung der Kühlleistung beim Kühlen des Kühlmittels durch einen Wärmetausch zwischen dem sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg fließenden Kühlmittel aufgrund des Schwunds des sekundären Kühlmittels in dem Unterkühlungsbehälter auf eine geringe Menge zu vermeiden. Somit kann verhindert werden, dass der Supraleiter seine Supraleitfähigkeit verliert und seine Leitfähigkeit bei einer Störung der Kälteanlage beeinträchtigt wird.

Vorteilhafte Wirkungen

Zumindest bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter vorgeschlagen werden, die geringe Kosten und einen kleinen Bauraum ermöglicht und bei der kein Risiko der Beeinträchtigung der Funktion des Supraleiters bei einer Störung der Kälteanlage besteht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

1 zeigt ein Diagramm einer schematischen Gesamtausführung einer Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt ein Diagramm einer schematischen Gesamtausführung einer Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

3 zeigt eine Kurve, die beispielhaft darstellt, wie sich Druck und Temperatur des zirkulierenden Kühlmittels und des sekundären Kühlmittels während des Betriebs einer Kälteanlage verändern.

4 zeigt eine Kurve, die beispielhaft darstellt, wie sich Druck und Temperatur des zirkulierenden Kühlmittels und des sekundären Kühlmittels während des Betriebs einer Druckentspannungsvorrichtung verändern.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen einer Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf 1 bis 4 beschrieben. Als Beispiel für den Supraleiter ist in den Ausführungsformen ein supraleitendes Kabel beschrieben. Materialien, Formen, jeweilige Verhältnisse und dergleichen von in den Ausführungsformen beschriebenen Teilen dienen in der Beschreibung lediglich als Beispiele und schränken den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht ein.

[Erste Ausführungsform]

Wie in 1 dargestellt, kühlt eine Kühlvorrichtung 1 für einen Supraleiter ein supraleitendes Kabel 3 mit einem Zirkulationsweg 7, der ausgebildet ist, indem ein zuvor zum Kühlen des supraleitenden Kabels 3 verwendetes Kühlmittel mittels einer Zirkulationspumpe 5 zu einer Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 einer Kälteanlage 10 gepumpt wird, so dass das Kühlmittel gekühlt wird, und indem das Kühlmittel anschließend wieder dem supraleitenden Kabel 3 zugeführt wird. Das supraleitende Kabel 3 ist aus einem Hochtemperatursupraleiter gebildet und wird durch ein in dem Zirkulationsweg 7 fließendes Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) gekühlt. Ein Fließweg für das in dem Zirkulationsweg 7 fließende Kühlmittel (im Folgenden als „zirkulierendes Kühlmittel” bezeichnet) weist im Allgemeinen mit Ausnahme eines Abschnitts um die Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 einen in 1 nicht näher dargestellten vakuumisolierten Umfang auf, so dass ein Eintrag von Außenwärme verhindert werden kann.

Ein Speicherbehälter 6 zum Lager des in dem Zirkulationsweg 7 zirkulierenden, währenddessen auf einen vorbestimmten Wert druckbeaufschlagten Kühlmittels ist stromaufwärts der in dem Zirkulationsweg 7 vorgesehenen Zirkulationspumpe 5 angeordnet und mit dieser verbunden. In dem Speicherbehälter 6 wird das Kühlmittel gelagert und dabei von einer nicht dargestellten Druckerzeugungsvorrichtung auf einen vorbestimmten Wert mit Druck beaufschlagt, so dass die von der Temperaturveränderung verursachte Volumenveränderung des zirkulierenden Kühlmittels kompensiert wird, wodurch eine Wahrscheinlichkeit des Verdampfens des zirkulierenden Kühlmittels aufgrund eines Temperaturanstiegs verringert wird. Es kann somit eine hohe Anwendbarkeit erreicht werden, selbst wenn sich die in dem supraleitenden Kabel 3 erzeugte Wärmemenge mit der Zeit verändert.

Ein Unterkühlungsbehälter 30, der ein sekundäres Kühlmittel lagert, ist stromabwärts der in dem Zirkulationsweg 7 vorgesehenen Zirkulationspumpe 5 angeordnet und mit dieser verbunden. In dem Unterkühlungsbehälter 30 ist eine sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 zur Durchführung des Wärmetauschs zwischen dem zirkulierenden Kühlmittel und dem sekundären Kühlmittel vorgesehen. Das in dem Zirkulationsweg 7 fließende zirkulierende Kühlmittel wird mittels der Zirkulationspumpe 5 zu der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 gepumpt. Das in dem Unterkühlungsbehälter 30 gelagerte sekundäre Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) dient zum Kühlen des zirkulierenden Kühlmittels, wenn die Kälteanlage 10 eine Störung aufweist und das zirkulierende Kühlmittel nicht kühlen kann. Somit wird das zirkulierende Kühlmittel selbst bei einer Störung der Kälteanlage 10 gekühlt, so dass eine Beeinträchtigung der Leitfähigkeit aufgrund des Verlustes der Supraleitfähigkeit des supraleitenden Kabels 3 verhindert werden kann. In dem Unterkühlungsbehälter 30 ist ein Temperatursensor 32 zum Erfassen der Temperatur des in dem Unterkühlungsbehälter 30 gelagerten sekundären Kühlmittels vorgesehen. Der Temperatursensor 32 ist mit einer an späterer Stelle beschriebenen Steuereinrichtung 50 elektrisch verbunden.

Die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet oder weist eine andere derartige Ausführung zum Zweck einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf. Somit kann die von dem in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittel erhaltene Wärmemenge nach außen abgegeben werden. Die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 ist beispielsweise ein Fließweg, der von einem in eine Spiralform gebogenen Rohr aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet ist. In diesem Fall kann die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 eine geeignete und technisch ausgefeilte Form mit einer großen Oberfläche aufweisen. Das in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließende zirkulierende Kühlmittel wird durch einen Wärmetausch mit dem in dem Unterkühlungsbehälter 31 gelagerten sekundären Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) gekühlt.

Das in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 gekühlte zirkulierende Kühlmittel wird wiederum dem supraleitenden Kabel 3 zugeführt. Somit wird das supraleitende Kabel 3 mit einem zirkulierenden Kühlmittel niedriger Temperatur versorgt, um fortwährend in einem extrem niedrigen Temperaturzustand gehalten zu werden.

Eine Druckentspannungsvorrichtung 35 zum Kühlen des sekundären Kühlmittels ist über einen Saugweg 36 mit dem Unterkühlungsbehälter 30 verbunden. Die Druckentspannungsvorrichtung 35 ist beispielsweise eine Vakuumpumpe. Wenn die Druckentspannungsvorrichtung 35 angetrieben wird, wird der Druck in dem Unterkühlungsbehälter 30 entspannt, wodurch das sekundäre Kühlmittel verdampft. Bei diesem Prozess ist das verbleibende sekundäre Kühlmittel von der latenten Verdampfungswärme getrennt und kann somit gekühlt werden.

Ein Vorratsbehälter 40 ist über einen Zuführweg 41 mit dem Unterkühlungsbehälter 30 verbunden. Der Vorratsbehälter 40 lagert das sekundäre Kühlmittel (flüssiger Stickstoff), um dieses zuzuführen, wenn sich die Menge an sekundärem Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 verringert. Das sekundäre Kühlmittel wird dem Vorratsbehälter 40 von einem nicht näher dargestellten Tankfahrzeug zugeführt. Um das sekundäre Kühlmittel von dem Tankfahrzeug in den Vorratsbehälter 40 zu überführen, bedarf es eines Vorgangs, durch welchen der Atmosphärendruck in dem Vorratsbehälter 40 erreicht wird. Wenn der von dem Tankfahrzeug zugeführte flüssige Stickstoff, dessen Temperatur bei oder über seinem Siedepunkt liegt, durch den Vorratsbehälter in den Unterkühlungsbehälter 30 überführt wird, steigt die Temperatur des sekundären Kühlmittels (flüssiger Stickstoff) in dem Unterkühlungsbehälter 30, wodurch die Temperatur des in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittels steigt. Um diesen Temperaturanstieg zu verhindern, ist die Druckentspannungsvorrichtung 35 (Vakuumpumpe) mit dem Vorratsbehälter 40 verbunden, wodurch das von dem Tankfahrzeug zugeführte sekundäre Kühlmittel in dem Vorratsbehälter 40 gekühlt bzw. durch die Druckentspannungsvorrichtung 35 druckentspannt wird, um dem Unterkühlungsbehälter 30 zugeführt zu werden. Somit kann das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 auf einer konstanten Temperatur gehalten werden, um in einem Kühlzustand zu sein.

Die Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 ist stromabwärts des in dem Zirkulationsweg 7 vorgesehenen Unterkühlungsbehälters 30 vorgesehen. Die Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 ist dabei in einer Wärmetauschereinrichtung 22 angeordnet, die einen (unter anderem) mit verflüssigtem Gas gefüllten Kühlraum 22a umfasst. Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei dem in den Kühlraum 22a gefüllten verflüssigten Gas, ebenso wie bei dem in dem Zirkulationsweg 7 fließenden zirkulierenden Kühlmittel, um flüssigen Stickstoff. Bevorzugt ist das verflüssigte Gas Stickstoff-Slush, der durch Mischen von flüssigem Stickstoff und festem Stickstoff gewonnen wird.

Eine als Teil der Kälteanlage 10 dienende Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 ist in der Wärmetauschereinrichtung 22 angeordnet. Die Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 ist zusammen mit der oben beschriebenen Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 in dem mit verflüssigtem Gas gefüllten Kühlraum 22a in der Wärmetauschereinrichtung 22 angeordnet.

Die Kälteanlage 10 ist eine Brayton-Kreisprozess-Kälteanlage und umfasst einen Turboverdichter 11, Wärmetauscher 13, 15, 17 und 19, einen Turboexpander 25 und die Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23. In der Kälteanlage 10 zirkuliert ein Gas, das eine geringere Verflüssigungstemperatur als das in den Kühlraum 22a gefüllte verflüssigte Gas aufweist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird Neongas als das den Kühlraum 22a füllende Gas verwendet. Bei dem in der Kälteanlage 10 zirkulierenden Gas kann es sich beispielsweise um Heliumgas handeln. Zirkuliert ein solches Gas in der Kälteanlage 10, wird in der Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 eine Temperatur erreicht, die ausreichend niedriger ist als die Temperatur des in den Kühlraum 22a gefüllten verflüssigten Gases. Somit kann die Kühltemperatur des in den Kühlraum 22a gefüllten verflüssigten Gases durch Steuern eines Betriebszustands der Kälteanlage 10 gesteuert werden.

Das in der Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 fließende Gas (Kühlmittel) nimmt die von dem supraleitenden Kabel 3 erzeugte Wärmemenge auf, während es das supraleitende Kabel 3 durchströmt, und nimmt die Wärmemenge weiterhin auf, während es von der Zirkulationspumpe 5 gepumpt wird, so dass es eine hohe Temperatur aufweist. In der Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 wird das Kühlmittel mit der so angesammelten Wärmemenge durch den Wärmetausch mit dem in den Kühlraum 22a gerillten verflüssigten Gas gekühlt. Wie oben beschrieben kann die Temperatur des verflüssigten Gases durch das wie oben beschriebene Steuern des Betriebszustandes der Kälteanlage 10 gesteuert werden.

Die Steuereinrichtung 50 ist mit der Kälteanlage 10 und der Druckentspannungsvorrichtung 35 elektrisch verbunden und steuert den Betrieb der Kälteanlage 10 und der Druckentspannungsvorrichtung 35 anhand von Informationen, die von einem an späterer Stelle beschriebenen Kälteanlagenstörungssensor 51 gesammelt werden, und anhand eines von dem Temperatursensor 32 erfassten Wertes. Der Kälteanlagenstörungssensor 51 ist zum Beispiel ein Sensor zum Erfassen einer Anomalität des Turboverdichters 11 und des Turboexpanders 25 in der Kälteanlage 10. Wird anhand der von dem Kälteanlagenstörungssensor 51 gesammelten Informationen eine Störung der Kälteanlage 10 festgestellt, stoppt die Steuereinrichtung 50 die Kälteanlage 10 und steuert den Betrieb der Druckentspannungsvorrichtung 35, so dass die von dem Temperatursensor 32 erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, das supraleitende Kabel 3 durch das zirkulierende Kühlmittel zu kühlen.

Der Kälteanlagenstörungssensor 51 kann ein Sensor zum Erfassen der Temperatur des zirkulierenden Kühlmittels sein, das aus einem Auslass der Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 ausgegeben wird. Wenn die von dem Kälteanlagenstörungssensor 51 erfasste Temperatur des zirkulierenden Kühlmittels einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, stoppt in diesem Fall die Steuereinrichtung 50 die Kälteanlage 10 und treibt die Druckentspannungsvorrichtung 35 an.

Als Nächstes wird ein Betrieb der Kühlvorrichtung 1 für einen Supraleiter beschrieben. Das zuvor zum Kühlen des supraleitenden Kabels 3 verwendete zirkulierende Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) fließt aus dem supraleitenden Kabel 3 in den Speicherbehälter 6, der im Zirkulationsweg 7 vorgesehen ist, und anschließend in die Zirkulationspumpe 5. Dann wird das zirkulierende Kühlmittel von der Zirkulationspumpe 5 in die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 gepumpt. Da sich die Druckentspannungsvorrichtung 35 in dem Unterkühlungsbehälter 30 in einem Nichtbetriebszustand befindet, ist das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 in einem nicht gekühlten Zustand. Somit wird das gekühlte sekundäre Kühlmittel durch den Wärmetausch zwischen dem in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 fließenden zirkulierenden Kühlmittel und dem sekundären Kühlmittel gewonnen. Das zuvor in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 geflossene zirkulierende Kühlmittel fließt nun in dem Zirkulationsweg 7, wird von der Brayton-Wärmetauschereinrichtung 21 gekühlt und fließt in das supraleitende Kabel 3 zurück und kühlt dieses.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf 3 beschrieben, wie sich der Druck und die Temperatur des sekundären Kühlmittels (flüssiger Stickstoff) in dem Unterkühlungsbehälter 30 und des in dem Zirkulationsweg 7 zirkulierenden Kühlmittels (flüssiger Stickstoff) während des Betriebs der Kälteanlage 10 verändern. In 3 stellt die vertikale Achse den Druck und die horizontale Achse die Temperatur dar. Die Temperatur und der Druck des sekundären Kühlmittels in dem Unterkühlungsbehälter 30 werden durch das in dem Zirkulationsweg 7 zirkulierende Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) entlang einer Sättigungsdampfdruckkurve L1 verändert. Das zirkulierende Kühlmittel wird durch die Druckerzeugungsvorrichtung des Speicherbehälters 6 mit Druck beaufschlagt, so dass es sich in einem unterkühlten Zustand befindet. Die Druckentspannungsvorrichtung 35 ist im Nichtbetriebszustand, und somit ist eine Temperatur T1 des aus dem Auslass der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 austretenden zirkulierenden Kühlmittels infolge der Absorbierung der Wärme des sekundären Kühlmittels in dem Unterkühlungsbehälter 30 geringfügig höher als eine Temperatur T2 des in einen Einlass der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittels.

Wird andererseits wie in 1 gezeigt anhand der von dem Kälteanlagenstörungssensor 51 gesammelten Informationen festgestellt, dass die Kälteanlage 10 eine Störung aufweist, während das zirkulierende Kühlmittel in dem supraleitenden Kabel 3 zirkuliert, dann stoppt die Steuereinrichtung 50 die Kälteanlage 10 und steuert den Betrieb der Druckentspannungsvorrichtung 35, so dass die von dem Temperatursensor 32 erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, das supraleitende Kabel 3 durch das zirkulierende Kühlmittel zu kühlen. Durch die so erreichte Dekompression in dem Unterkühlungsbehälter 30 wird das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 gekühlt. Somit wird die Kühlung des zirkulierenden Kühlmittels durch den Wärmetausch zwischen dem sekundären Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 und dem in der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittel erreicht. Das so gekühlte zirkulierende Kühlmittel fließt in das supraleitende Kabel 3 zurück und kühlt dieses.

Bezugnehmend auf 4 wird beschrieben, wie sich der Druck und die Temperatur des sekundären Kühlmittels (flüssiger Stickstoff) in dem Unterkühlungsbehälter 30 und des in dem Zirkulationsweg 7 zirkulierenden Kühlmittels (flüssiger Stickstoff) während des Betriebs der Druckentspannungsvorrichtung 35 verändern. In 4 stellt die vertikale Achse den Druck und die horizontale Achse die Temperatur dar. Nachdem die Druckentspannungsvorrichtung 35 angetrieben wird, wird das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 gekühlt, wodurch der Unterkühlungsbehälter 30 eine geringere Temperatur T3 aufweist. Eine Temperatur T4 des aus dem Auslass der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittels ist somit infolge des Wärmetauschs zwischen dem sekundären Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 und dem in der zweiten Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittel niedriger als eine Temperatur T5 des in den Einlass der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 fließenden zirkulierenden Kühlmittels.

Wird anhand der von dem Kälteanlagenstörungssensor 51 gesammelten Informationen festgestellt, dass die Kälteanlage 10 eine Störung aufweist, steuert die Steuereinrichtung 50 wie oben beschrieben und in 1 dargestellt den Betrieb der Druckentspannungsvorrichtung 35, so dass die von dem Temperatursensor 32 erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, das supraleitende Kabel 3 durch das zirkulierende Kühlmittel zu kühlen. Somit wird das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 gekühlt. Das gekühlte zirkulierende Kühlmittel kann durch den Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg 7 fließenden zirkulierenden Kühlmittel über die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 gewonnen werden und dient zum Kühlen des supraleitenden Kabels 3. Im Ergebnis können der Temperaturanstieg des supraleitenden Kabels 3 und eine Beeinträchtigung der Leitfähigkeit des supraleitenden Kabels 3 bei einer Störung der Kälteanlage 10 verhindert werden. Weist die Kälteanlage 10 eine Störung auf, kann das Kühlmittel des Weiteren lediglich mithilfe des Unterkühlungsbehälters 30, der sekundären Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 und der Druckentspannungsvorrichtung 35 gekühlt werden. Somit muss keine zusätzliche Kälteanlage 10 einschließlich Turboverdichter, Gaskühler, Regenerator und Turboexpander als Sicherung vorgesehen werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, die geringe Kosten und einen kleinen Bauraum ermöglicht.

[Zweite Ausführungsform]

Als Nächstes wird eine Kühlvorrichtung 60 für einen Supraleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform werden lediglich die Unterscheidungspunkte zur ersten Ausführungsform beschrieben, und Teile, die denen in der ersten Ausführungsform entsprechen, werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und deren Beschreibung wird ausgelassen. Bei der Kühlvorrichtung 60 für einen Supraleiter umfasst der Unterkühlungsbehälter 30 die Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 der Kälteanlage 10. Somit kann das sekundäre Kühlmittel in einem Normalzustand mit störungsfreier Kälteanlage 10 durch den Wärmetausch zwischen dem in dem Unterkühlungsbehälter 30 gelagerten sekundären Kühlmittel und einem Gas in der Kälteanlage 10 über die in dem Unterkühlungsbehälter 30 angeordnete Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung 23 gekühlt werden. Anschließen kann das gekühlte zirkulierende Kühlmittel durch den Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg 7 fließenden zirkulierenden Kühlmittel über die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 gewonnen werden. Auf diese Weise kann das supraleitende Kabel 3 auf eine gewünschte Temperatur gekühlt werden.

Wird anhand der von dem Kälteanlagenstörungssensor 51 gesammelten Informationen festgestellt, dass die Kälteanlage 10 eine Störung aufweist, steuert die Steuereinrichtung 50 den Betrieb der Druckentspannungsvorrichtung 35, so dass die von dem Temperatursensor 32 erfasste Temperatur des sekundären Kühlmittels auf die vorbestimmte Temperatur gebracht wird, bei der das sekundäre Kühlmittel in der Lage ist, das supraleitende Kabel 3 durch das zirkulierende Kühlmittel zu kühlen. Somit wird das sekundäre Kühlmittel in dem Unterkühlungsbehälter 30 gekühlt. Das gekühlte zirkulierende Kühlmittel wird durch den Wärmetausch zwischen dem gekühlten sekundären Kühlmittel und dem in dem Zirkulationsweg 7 fließenden zirkulierenden Kühlmittel über die sekundäre Wärmetauschereinrichtung 31 in dem Unterkühlungsbehälter 30 gewonnen. Das supraleitende Kabel 3 wird durch das gekühlte zirkulierende Kühlmittel gekühlt. Im Ergebnis können der Temperaturanstieg des supraleitenden Kabels 3 und die Beeinträchtigung der Leitfähigkeit des supraleitenden Kabels 3 bei einer Störung der Kälteanlage 10 verhindert werden. Anders als bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann die Wärmetauschereinrichtung 22 entfallen, wodurch die Kühlvorrichtung 60 geschaffen werden kann, die noch geringere Kosten ermöglicht.

Der bei den oben erläuterten Ausführungsformen als supraleitendes Kabel 3 beschriebene Supraleiter kann beispielsweise ein supraleitender Motor, ein supraleitender Strombegrenzer, ein supraleitender Transformator oder ein supraleitender magnetischer Energiespeicher (SMES) sein.

Bezugszeichenliste

1 und 60
Kühlvorrichtung für Supraleiter
3
supraleitendes Kabel (Supraleiter)
5
Zirkulationspumpe
6
Speicherbehälter
7
Zirkulationsweg
10
Kälteanlage
11
Turboverdichter
13, 15, 17 und 19
Wärmetauscher
21
Brayton-Wärmetauschereinrichtung (Wärmetauschereinrichtung)
22
Wärmetauschereinrichtung
22a
Kühlraum
23
Brayton-Kreisprozess-Wärmetauschereinrichtung
25
Turboexpander
30
Unterkühlungsbehälter
31
sekundäre Wärmetauschereinrichtung
32
Temperatursensor
35
Druckentspannungsvorrichtung (Druckentspannungseinrichtung)
36
Saugweg
40
Vorratsbehälter
41
Zuführweg
50
Steuereinrichtung
51
Kälteanlagenstörungssensor (Störungserfassungseinrichtung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • JP 2011-54500 [0003, 0005]