DE102014208437A1

DE102014208437A1 - Cooling device for at least two components to be cooled, rail vehicle and method of cooling

Info

Publication number: DE102014208437A1
Application number: DE102014208437.7A
Authority: DE
Inventors: Tabea Arndt; Jörn Grundmann; Anne Kuhnert; Peter Kummeth
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-12
Also published as: WO2015169576A1

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.Cooling device (19) for at least two components to be cooled, at least one of which comprises a superconductor, wherein all components are sequentially cooled by the same in a closed cooling circuit (3) guided cooling medium.

Description

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. The invention relates to a cooling device for at least two components to be cooled, at least one of which comprises a superconductor. In addition, the invention comprises a rail vehicle and a method for cooling.

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. Components of devices comprising a superconductor are often referred to as superconducting components. For example, in electric machines used for driving or as a generator, a superconducting machine is used when superconductors are used inside the stator or, more commonly, the rotor. High-temperature superconductors now allow the use of superconducting technology due to the smaller installation space required in mobile units, such as vehicles, as well as wherever there is less space available due to the design.

Ein Beispiel für solche mobile Einheiten sind Antriebsfahrzeuge der Eisenbahn, also Schienenfahrzeuge, insbesondere Lokomotiven 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. An example of such mobile units are rail vehicles, ie rail vehicles, in particular locomotives and power cars, which require efficient drives and small, efficient transformers. Due to their advantages, superconducting and in particular high-temperature superconducting applications such as HTS transformers and HTS motors (high-temperature superconducting machines) are suitable for this purpose. All superconducting components must be cooled to temperatures below their critical temperature for operation so that a cooling system is required for each superconducting component. Other applications that have already demonstrated the benefits of HTS engines are 4MW marine propulsion engines.

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. If superconducting components are realized in a rail vehicle, in addition to the superconducting machine often a transformer is necessary, which is then advantageously realized superconducting. However, in other applications, it may happen that several superconducting components require cooling or, in addition to a superconducting component, other components are present which do not contain superconductors but still require cooling. In all cases it is known to associate each of these components with their own independent cooling system. Then, in the example of the rail vehicle with a superconducting machine as a drive motor and a superconducting transformer, a plurality of compressors with cold heads and a plurality of lines necessary to cool components to the required operating temperature can.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, demgegenüber verbesserte und insbesondere bauraumsparende Möglichkeiten zur Kühlung von Komponenten, insbesondere supraleitenden Komponenten in Schienenfahrzeugen, anzugeben. The invention is therefore based on the object, on the other hand, improved and in particular space-saving options for cooling components, in particular superconducting components in rail vehicles specify.

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. To solve this problem, it is provided according to the invention in a cooling device of the type mentioned that all components are cooled sequentially by the same in a closed cooling circuit guided cooling medium.

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 Kühleinrichtungen 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, gasförmigen 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. It is therefore proposed a combined cooling system, which allows a cascaded cooling of several components by the same cooling medium. Thus, not all components, in particular all superconducting components, must be cooled separately from each other by separate cooling devices, but a single cooling device with a closed cooling circuit is used, in which the cooling medium firstly cools at least one first, in particular superconducting component, in order then already slightly heated state, to be used for cooling other, in particular also superconducting components. In a specific embodiment, the cooling medium is evaporated by the cooling of at least one component, whereupon at least one further component with the cold, gaseous cooling medium in this closed cooling circuit is also cooled. After the finally heated, in particular gaseous cooling medium exits from the last component to be cooled or one of the last component to be cooled heat exchanger exits, it is fed to a cooled by at least one cold head condenser (or more condensers) to cooled again, in particular liquefied to become available again for cooling the components to be cooled.

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. In particular, the components to be cooled are a superconducting machine, in particular a HTS drive machine, and a superconducting transformer, in particular a HTS transformer, for rail vehicles which are accommodated, for example, in the power train of a train or in a locomotive.

Insgesamt ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung. So sind zum einen die Investitionskosten 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 supraleitende 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. Overall, a large number of advantages results from this embodiment according to the invention. For example, the investment costs for cooling the at least two components to be cooled, which in particular include all superconductors, preferably high-temperature superconductors, are significantly lower, since only one cooling device is required. The required cooling medium cools several components, for example the superconducting drive machine in liquid form and a superconducting transformer and / or a further component as a cold gas, so that substantially less volume of liquid cooling medium, for example expensive neon, is needed to cool the components of the overall system. Accordingly, two storage tanks are not necessary as a buffer volume for gaseous cooling medium, for example neon or nitrogen. Thus, the space required for cooling the components to be cooled is significantly lower. Also by saving at least one other cooling device space and weight is additionally saved. These advantages are particularly important in the context of mobile applications, such as a rail vehicle, extremely important.

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 angepasst 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. The cooling medium used is therefore used much more efficiently. One and the same cooling medium cools all components one after the other in a closed cooling circuit. Incidentally, as will be explained in more detail below, the operating parameters of the cooling device can be correspondingly adapted in order to tune the operation of the cooling device to the operating temperatures of the components to be cooled. For example, an adjustment of the operating pressure (vapor pressure of the gaseous cooling medium) can be made according to the required application.

Die vorliegende Erfindung nutzt aus, dass häufig von unterschiedlichen zu kühlenden Komponenten unterschiedliche Anforderungen an die Betriebstemperatur gestellt werden, beispielsweise 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 erforderlich 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 Transformator zu kühlen, dessen Betriebstemperatur entsprechend höher liegen darf. The present invention makes use of the fact that different operating temperature requirements are often imposed by different components to be cooled, for example, different critical temperatures or operating temperatures may exist for superconducting components to be cooled, such that heat loss to one component may result in the use of the cooling medium for another Component does not necessarily exclude. Considering the example of the rail vehicle, in which a superconducting machine and a superconducting transformer are built, the superconducting machine usually has a fairly high magnetic field, which can lower the design operating temperature, so that cooling to a low temperature is required here. Consequently, the superconducting machine can first be cooled by liquid cooling medium, in particular with its evaporation, but then the gaseous cooling medium can be used without problems to cool the arranged in a much lower magnetic field superconducting transformer whose operating temperature may be correspondingly higher.

Ist wenigstens eine keinen Supraleiter aufweisende Komponente vorhanden, kann vorgesehen sein, dass diese nach der wenigstens 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 wenigstens einen supraleitenden Komponente erwärmte Kühlmedium gekühlt werden können. If at least one component without a superconductor is present, it can be provided that it is cooled by the cooling medium according to the component having at least one superconductor. Components that are not superconducting are usually operated at a higher operating temperature so that they can be cooled secondarily by the cooling medium already heated by the at least one superconducting component.

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 elektrischen 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 Kühltemperatur genutzt werden, um die verwendeten supraleitenden Komponenten besser auszunutzen, das heißt insbesondere mit einem höheren Betriebsstrom (aufgrund des höheren kritischen Stroms) zu betreiben. However, embodiments are also conceivable, in particular as already described with regard to the rail vehicle, in which at least two, in particular all, components have superconductors. In this case, it is expedient for the cooling sequence of the superconductor components to be selected as a function of a possible operating temperature based on the boundary conditions of their arrangement and / or their use such that the superconductor components of lower critical temperature or operating temperature are cooled earlier by the cooling medium are considered to be those of higher critical temperature or operating temperature. For example, therefore, the magnetic field in the region of the superconductor and / or the current, in particular the current density, can be evaluated by the superconductor, resulting in certain maximum permissible operating temperatures which are to be undercut for the components during operation. It then goes without saying that it is advisable first to cool the superconducting components which have the lower maximum permissible operating temperature and then those which have a higher maximum permissible operating temperature. It should also be noted in this context that not only the cooling sequence, but also operating parameters of the cooling device can be selected according to the present requirements, in particular the vapor pressure of the gaseous cooling medium. For example, if a cold head used so operated and its operating temperature, for example by means of a regulated, in particular electric heater on the condenser, so regulated that the cooling medium, such as neon or nitrogen, at an absolute pressure below atmospheric pressure, ie less than about 1 bar, im Cooling circuit is present, so advantageously the available lower cooling temperature can be used to better exploit the superconducting components used, that is, in particular to operate with a higher operating current (due to the higher critical current).

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 Kühlmedium 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. Alternatively, however, it is also conceivable and may be advantageous to keep the absolute operating pressure (vapor pressure) above the atmospheric pressure, ie above about 1 bar. This ensures that, although the temperature of the cooling medium higher, thus the achievable operating current is somewhat lower, especially in cooled by liquid cooling medium components, however, is due to the higher vapor pressure and thus the higher density in the gaseous cooling medium a more effective heat exchange and thus a more effective cooling Component favors that are cooled by the gaseous cooling medium. The heat exchange between the gaseous cooling medium and the component or components to be cooled is increased by a higher gas density and can thus be increased lower operating temperature of the gas-cooled components.

Zusammenfassend kann also durch die Anpassung des Dampfdrucks des Kühlmediums im Kühlsystem eine geschickte, den Anforderungen genügende Ausnutzung der bestehenden Freiheiten im Zustandsdiagramm erreicht werden und insbesondere eine Abstimmung der Betriebstemperaturen der zu kühlenden Komponenten erfolgen. In summary, therefore, by adapting the vapor pressure of the cooling medium in the cooling system a skillful, satisfying the requirements of the existing freedoms in the state diagram can be achieved and in particular a vote of the operating temperatures of the components to be cooled.

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. As already mentioned, the cooling device according to the invention can be used particularly advantageously if the components comprise at least one superconductive component of a superconducting machine, in particular a rotor and / or a stator, and / or a superconducting transformer. The superconductors are preferably high-temperature superconductors.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf an einer insbesondere zuerst zu kühlenden 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 Thermosiphon-Effekt genutzt wird, da durch die zuvor genannte Ausgestaltung dann ein sogenannter Zwei-Rohr-Thermosiphon realisiert 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. In a further embodiment of the invention it can be provided that the cooling circuit comprises a supply line for liquid cooling medium to a component to be cooled, in particular a rotor and / or stator of a superconducting machine, and an exhaust pipe for gaseous cooling medium at a particular first to be cooled component. Such a configuration is particularly useful when at least partially the thermosiphon effect is used to transport the cooling medium, since then by the aforementioned embodiment, a so-called two-tube thermosyphon is realized. Cooling devices that operate on the thermosiphon principle are used particularly frequently in superconducting machines. In the present case, it is therefore proposed to use separate tubes for the liquid and the gaseous cooling medium, so that a simpler way exists to separate the gaseous cooling medium and in particular to supply it to a further component to be cooled. Therefore, a particularly advantageous embodiment provides that at least one further component is cooled by the gaseous cooling medium, in particular a superconducting transformer.

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 supraleitenden Maschine mit supraleitender Rotorwicklung ist der DE 10 2007 030 474 A1 der Anmelderin zu entnehmen, wobei selbstverständlich jedoch auch andere konkrete Ausgestaltungen bezüglich einer supraleitenden Maschine als zu kühlende Komponente denkbar sind. If the component to be cooled is a rotor of a superconducting machine, it is already known from the prior art to guide the liquid coolant into an interior space of the hollow rotor which acts as an evaporator and thereby cools the rotor and thus the superconductors provided therein. The evaporated cooling medium is correspondingly discharged again in the direction of the condenser, in this case via the exhaust pipe. The two tubes can be suitably carried out concentrically. A gas-tight rotary feedthrough, for example a ferrofluid seal, can be used to allow the tubes to protrude into the interior of the rotor. There have also been proposed solutions in which co-rotating feed tubes are used for cooling medium. An example of possibilities for realizing the cooling of a superconducting machine with superconducting rotor winding is the DE 10 2007 030 474 A1 Of course, however, other concrete embodiments with respect to a superconducting machine as a component to be cooled are conceivable.

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 zugeleitet 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. Thus, it can be seen that there is a particularly advantageous embodiment of the present invention when, in a mobile unit, in particular a rail vehicle, as components a superconducting machine and a superconducting transformer are cooled by a single cooling device using a two-pipe thermosyphon, in which the liquid cooling medium in the corresponding portion of the superconducting machine is coolingly evaporated, after which the cold gaseous cooling medium is supplied to the superconducting transformer where it is further heated by its cooling effect and then returned to the condenser where it is again liquefied and superconducting Machine is supplied. Especially in mobile units, the space is limited, so that the described advantages of using a single cooling device pay particular attention; Moreover, due to the special properties of the superconducting machine and of the superconducting transformer, which has a higher critical temperature or operating temperature, such an embodiment can only be realized in the described manner, in which the gaseous, cold cooling medium cools the transformer.

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 betrieben werden sollen, oder aber auch Dampfdrücke oberhalb des atmosphärischen Drucks gewählt werden, beispielsweise dann, wenn ein effektiverer Wärmeaustausch bei gasgekühlten Komponenten erreicht werden soll. As already mentioned, the operating pressure, that is, the vapor pressure of the gaseous cooling medium, should be suitably selected according to the requirements of the components to be cooled. Consequently, the cooling device can expediently also have a vapor pressure regulating device, in particular comprising a heating device, in particular in the region of the condenser or the condensers. Such control options are already known in principle in the prior art and usually include the choice of a suitable operating temperature at the condenser, which can be adjusted by means of a particular electric heater on the condenser so that the vapor pressure remains in a certain desired pressure range. In this way, for example, an operation at a pressure <1 bar can be provided, for example, if components are to be operated at a higher operating current, or even vapor pressures above atmospheric pressure can be selected, for example, when a more effective heat exchange in gas-cooled components shall be.

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 vorteilhaft 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. In addition to the cooling device, the invention also relates to a rail vehicle, in particular a locomotive or a power train of a train, comprising a superconducting machine and a superconducting transformer as components to be cooled and a cooling device of the type according to the invention. As already mentioned, the present invention can be particularly in use such mobile units, in which a space and weight savings is particularly advantageous and profitable. All statements regarding the cooling device according to the invention can be analogously transferred to the rail vehicle according to the invention, so that the advantages mentioned are obtained with this.

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 Kühlkreislauf 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 Kühleinrichtung beschreibt, lassen sich die bisherigen Ausführungen anwenden und es können die genannten Vorteile erreicht werden. Finally, the invention also relates to a method for cooling at least two components to be cooled, of which at least one comprises a superconductor, which is characterized in that a circulating in a closed cooling circuit cooling medium after heating by cooling a component for cooling the at least one further component is used. Also on the inventive method, which describes the cascaded cooling of at least two components to be cooled by a single cooling device, the previous embodiments can be applied and it can be achieved the advantages mentioned.

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 Optimierung 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 flüssigen Kühlmediums niedriger, was für flüssigkeitsgekühlte Komponenten niedrigere Betriebstemperaturen (und somit gegebenenfalls höhere Betriebsströme) erlaubt, während ein höherer Dampfdruck die Kühlung gasgekühlter Komponenten begünstigt. As already stated with respect to the cooling device, it is particularly advantageous if, with at least two components to be cooled with a superconductor, the cooling sequence and / or the vapor pressure of the cooling medium depending on a possible due to the magnetic field in the region of the superconductor and / or the current through the superconductor critical temperature or operating temperature is selected. It is of course expedient to cool components to be cooled with a lower critical temperature or operating temperature before components with a higher critical temperature or operating temperature. Another set screw for optimizing the overall cooling process is vapor pressure, as set forth, having opposite effects on liquid cooled and gas cooled components. At operating pressures <1 bar, the temperature of the liquid cooling medium is lower, which allows lower operating temperatures (and hence possibly higher operating currents) for liquid-cooled components, while a higher vapor pressure promotes the cooling of gas-cooled components.

Entsprechend ist es auch allgemein, wie dargelegt wurde, vorteilhaft, dass wenigstens eine Komponente durch an einer anderen flüssiggekühlten Komponente verdampftes gasförmiges Kühlmedium gekühlt wird. Accordingly, it is also generally, as stated, advantageous that at least one component is cooled by vaporized on another liquid-cooled component gaseous cooling medium.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawing. Showing:

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, und 1 a schematic diagram of a cooling device according to the invention, and

2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs. 2 a schematic diagram of a rail vehicle according to the invention.

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 supraleitende Maschine, mit einem Rotor 1 mit supraleitenden Wicklungen und einen supraleitenden Transformator 2 umfasst, dessen Wicklungen ebenfalls aus einem Hochtemperatursupraleitermaterial bestehen. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of a cooling device according to the invention, as it can be used in a rail vehicle, such as a locomotive, the HTS a prime mover, so a superconducting machine with a rotor 1 with superconducting windings and a superconducting transformer 2 includes, whose windings also consist of a high temperature superconducting material.

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 Kühlkreislauf 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 Kühlmedium 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 Kühlmedium erstreckt. Das Zuführungsrohr 8 und das Abführungsrohr 9 stehen gegenüber dem Rotor 1 fest und werden daher durch eine Drehdurchführung 10, beispielsweise einer Ferrofluiddichtung, 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. In order to cool these two components, the cooling device according to the invention is used, in which a cooling medium, for example neon or nitrogen, is used. The cooling medium circulates in a cooling circuit formed by pipes 3 and is transported by the thermosiphon effect. In the present example, the cold head 4 and the condenser 5 To convert gaseous cooling medium by condensation back to liquid cooling medium, arranged higher than the evaporator, which in this case from an interior 6 the hollow rotor 1 the superconducting machine is formed. Of course, more than one cold head can do so 4 and / or more than one condenser 5 be provided, as is basically known in the art. After the gaseous cooling medium in the condenser 5 is liquefied, it is via a corresponding line 7 for liquid cooling medium to the rotor 1 as the component to be cooled first. The administration 7 ends in a feed tube 8th Concentric around an exhaust pipe 9 extends for gaseous cooling medium. The feed pipe 8th and the exhaust pipe 9 stand opposite the rotor 1 fixed and therefore by a rotary feedthrough 10 , For example, a ferrofluid seal, in the interior 6 guided. Thus, there is a total of a two-pipe thermosyphon, in the flow and return of the liquid or gaseous cooling medium at least in some areas, here in the region of the tubes 8th . 9 , separated.

Konkretere Ausgestaltungen zur Kühlung von Rotoren 1 von supraleitenden Maschinen sind im Stand der Technik bereits bekannt, wobei nur beispielhaft auf die bereits genannte DE 10 2007 030 474 A1 verwiesen sei. More concretes for cooling rotors 1 Superconducting machines are already known in the art, only by way of example to the already mentioned DE 10 2007 030 474 A1 referenced.

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. In the rotor 1 evaporates the liquid cooling medium and thus cools the rotor 1 and that on or in the rotor 1 located, not shown here superconductor material.

Das kalte, gasförmige Kühlmedium, mithin beispielsweise Neongas oder Stickstoffgas, verlässt den Rotor 1 über das Abführungsrohr 9 und wird über eine Leitung 11 für gasförmiges Kühlmedium zu dem HTS-Transformator 2 als weitere zu kühlende Komponente geführt. The cold, gaseous cooling medium, thus for example neon gas or nitrogen gas, leaves the rotor 1 over the exhaust pipe 9 and is over a line 11 for gaseous cooling medium to the HTS transformer 2 as a further component to be cooled.

Wie in 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 gleichermaßen von dem gasförmigen Kühlmedium umströmt. As in 1 is shown schematically, in the present case, the entire transformer 2 inside a cryostat 12 arranged, that is, in the present embodiment, the iron core 13 and the superconducting windings 14 equally flows around the gaseous cooling medium.

Alternativ sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen für jede Wicklung ein eigener Kryostat, beispielsweise aus Kunststoff, gebildet wird, so dass nur diese gekühlt werden müssen. Alternatively, embodiments are also conceivable in which a separate cryostat, for example of plastic, is formed for each winding, so that only these have to be cooled.

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. After the gaseous cooling medium the superconducting transformer 2 through it, it becomes over a connecting further line 15 again the condenser 5 fed so that the circuit is closed.

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. It should be noted that, of course, in addition to the superconducting transformer 2 Also, other components that need not necessarily be superconducting, can be cooled by the gaseous cooling medium if necessary.

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 Kühlmedium 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 Transformators 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. In the present case, first the rotor 1 the superconducting machine cooled after there is a lower maximum allowable operating temperature due to the high magnetic fields. This problem is in the field of superconducting transformers 2 not given, so that the gaseous cooling medium is sufficient to cool this component higher maximum allowable operating temperature yet sufficiently. In this case, the vapor pressure of the gaseous cooling medium represents a further optimization variable, for example, the operating temperature of the cold head 4 / condenser 5 can be adjusted, in particular to a certain desired value can be regulated, including a vapor pressure control device with an electric heater 16 is used. If a supercooled operation of the cooling device is selected, a lower temperature for the liquid cooling medium is possible, so that the rotor and its superconductor can be kept at a lower temperature, which may allow, for example, larger operating currents. However, then the cooling capacity in the area of the superconducting transformer 2 to rate something worse. However, if a vapor pressure higher than the atmospheric pressure is selected, the cooling effect will be in the region of the rotor due to the higher temperature of the liquid cooling medium 1 to classify as worse, however, the high vapor pressure promotes the heat exchange in the superconducting transformer area 2 , which therefore gives a better cooling efficiency. The concrete choice of the vapor pressure of the gaseous cooling medium is therefore mainly dependent on the requirements and the specific design and represents an optimization variable for the operation of the cooling system.

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 erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 19 gekühlt, wie sie in 1 erläutert wurde. 2 schematically shows a railway vehicle according to the invention 17 , This, as mentioned, the superconducting machine 18 with the rotor 1 and the superconducting transformer 2 on. Both components are of the common cooling device according to the invention 19 chilled as they are in 1 was explained.

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. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007030474 A1 [0018, 0030]

Claims

Cooling device ( 19 ) for at least two components to be cooled, at least one of which comprises a superconductor, characterized in that all components are sequentially passed through it in a closed cooling circuit ( 3 ) cooled cooling medium to be cooled.

A method according to claim 1, characterized in that at least one superconductor-containing component is present, which is cooled after the at least one superconductor having component of the cooling medium.

Cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that at least two, in particular all, components have superconductors.

Cooling device according to claim 3, characterized in that the cooling order of the superconducting components depending on a possible there due to the boundary conditions of their arrangement and / or their use maximum operating temperature is selected so that the superconducting components lower maximum allowable operating temperature are cooled earlier than the cooling medium that higher maximum allowable operating temperature.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the components comprise at least one superconducting portion of a superconducting machine ( 18 ), in particular a rotor ( 1 ) and / or a stator, and / or a superconducting transformer ( 2 ).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling circuit ( 3 ) at a particular first to be cooled component, a supply pipe ( 8th ) for liquid cooling medium to a component to be cooled, in particular a rotor ( 1 ) and / or stator of a superconducting machine ( 18 ), and an exhaust pipe ( 9 ) for gaseous cooling medium.

Cooling device according to claim 6, characterized in that at least one further component is cooled by the gaseous cooling medium, in particular a superconducting transformer ( 2 ).

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that at least partially the thermosiphon effect is used for transporting the cooling medium.

Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that a vapor pressure regulating device, in particular comprising a heating device ( 16 ), in particular in the region of one or more condensers ( 5 ), is provided.

Rail vehicle ( 17 ), comprising a superconducting machine ( 18 ) and a superconducting transformer ( 2 ) as components to be cooled and a cooling device ( 19 ) according to one of the preceding claims.

Method for cooling at least two components to be cooled, at least one of which comprises a superconductor, characterized in that a component in a closed cooling circuit ( 3 ) circulating cooling medium is used after heating by cooling a component for cooling the at least one further component.

A method according to claim 11, characterized in that at least two components to be cooled with a superconductor, the cooling order and / or the vapor pressure of the cooling medium in dependence of a maximum permissible due to the magnetic field in the region of the superconductor and / or the current through the superconductor operating temperature is selected ,

A method according to claim 11 or 12, characterized in that at least one component is cooled by vaporized at another liquid-cooled component gaseous cooling medium.