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Die
Erfindung betrifft ein Wärmerohr für die Kryotechnik,
mit einem Hüllrohr und einer mittels eines Kondensationselementes
an einem Rohr-ende und eines Verdampfungselementes am anderen Rohrende
hermetisch gekapselten, mit Wärmeübertragungsmittel
gefüllten Kammer. Die Erfindung betrifft ferner eine Kühleinrichtung
für die Kryotechnik zum Kühlen von Supraleiterbauteilen,
insbesondere Supraleiterspulen wie HTS-Spulen (Hochtemperatursupraleiter-Spulen),
mit wenigstens einem Wärmerohr.
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Die
Verwendung sogenannter Wärmerohre ist nicht nur in Wärmetauschersystemen
sondern z. B. auch für die Kühlung von Mikroprozessoren,
Solarmodulen oder die Mikroelektronikkühlung bekannt. Ein
Wärmerohr (auch "heat pipe" genannt) ist ein Wärmeübertrager,
der unter Nutzung von Verdampfungs- und Kondensationswarme eines
Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Die Funktionsweise eines
Wärmerohres basiert darauf, in einem hermetisch gekapselten
Rohr mit je einer Wärmeübertragungsfläche
für die Wärmequelle und einer für die Wärmesenke
ein Wärmeübertragungsmittel, vorzugsweise ausschließlich
durch Schwerkraft, zirkulieren zu lassen, um durch den Phasenübergang
des Wärmeübertragungsmittels zwischen flüssig
und gasförmig dem zu kühlenden Raum, Material
oder Element Wärme zu entziehen. Für die gravitationsunabhängige
Zirkulation kann im Wärmerohr die Kapillarwirkung eines
Schachtes genutzt werden. Nur beispielhaft zum Stand der Technik
für Wärmerohre wird auf die
EP 483 324 B1 verwiesen,
in der ein Wärmerohr in thermischer Kopplung mit einem
Sonnenkollektor beschrieben wird.
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Beim
Einsatz von supraleitfähigen Bauelementen wie beispielsweise
Supraleiterspulen, Supraleitergeneratoren, Linearmotoren mit supra leitfähigen
Spulen, supraleitender Magneten od. dgl. ist es erforderlich, die
supraleitfähigen Komponenten auf ein unterhalb der Sprungtemperatur
des Supraleitermaterials liegendes Temperaturniveau zu kühlen.
Da für die meisten supraleitfähigen HTS-Materialien
ein Temperaturniveau unterhalb von etwa 77 K erreicht werden muß,
erfolgt die Kühlung häufig mittels Kälteeinheiten
in Form von Kryokühlern mit z. B. geschlossenem Helium-Druckkreislauf
(Trockenkühlung) oder in einem Flüssigkeitsbad,
z. B. flüssig Stickstoff (77 K bei Normaldruck). Die klassische
Tieftemperaturtechnik, die sogenannte Tieftemperatursupraleiter
einsetzt, verwendet zu diesem Zwecke sogar flüssiges Helium,
das eine Betriebstemperatur von 4,2 K im Flüssigkeitsbad
erlaubt. Da ein Temperaturniveau unterhalb etwa –150°C
angestrebt wird, können zahlreiche verschiedene Kälteeinheiten
bzw. Kryokühler für die Kryotechnik, Kryogenik
bzw. Tieftemperaturtechnik eingesetzt werden.
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Die
Flüssigkeitsbadkühlung hat jedoch den Nachteil
eines hohen Aufwandes, da ein geschlossenes und druckfestes Gefäß gewährleistet
werden muss. Lässt man hingegen die Flüssigkeit
abdampfen, so muss ständig aus einem Reservoir nachgefüllt werden.
Der direkte Kontakt einer Kälteeinheit" (Kryocooler) mit
einem zu kühlenden Bauteil birgt den Nachteil, daß die
Wärmeabfuhr über Wärmeleitung im Material
erfolgt, damit ist sie hinsichtlich der Strecke und der übertragbaren
Leistung beschränkt oder verlangt den Einsatz von sehr
viel Zusatzmaterial, daß Anwendungen unerwünscht
schwer macht.
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Nur
beispielhaft für die Verwendung von Kälteeinheiten
in Form von Kryokühlern kombiniert mit einem Wärmeleitrohr
bei einem supraleitfähigen Motor wird auf die
DE 102 11 363 A1 verwiesen,
bei der zwischen einem die supraleitfähigen Spulen aufnehmenden
Sekundärteil eines Motors (Rotor) und einer einen Kaltkopf
aufweisenden Kälteeinheit ein feststehendes Wärmerohr
angeordnet ist, das axial in einen mit dem Sekundärteil
mitrotierenden, seitlichen Hohlraum hineinragt und mit einem Kältemittel
(Wärmeübertragungsmittel) zusammenwirkt. Das Wärmeübertragungsmittel
(Kältemittel) besteht aus einem Gemisch von mindestens
zwei Kältemittel-Komponenten, wobei das kondensierte Kältemittel über
das Wärmerohr in den seitlichen Hohlraum unter Nut zung eines
Thermosyphoneffektes eingebracht wird und im Hohlraum verdampfendes
Kältemittel über das Wärmerohr zu der
Kondensationseinheit zurückgelangt. Aus der
DE 102 11 363 A1 ist bekannt,
ein Wärmerohr auch für die Kryotechnik einzusetzen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Wärmerohr für die Kryotechnik
sowie eine Kühleinrichtung mit entsprechenden Wärmerohren
zu schaffen, mit denen supraleitfähige Elemente oder Komponenten
mit hoher Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit bei kurzer Abkühlzeit
auf die erforderliche Sprungtemperatur gekühlt werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Wärmerohre
zuschaffen, mit denen auch supraleitende Bauteile größerer
Ausdehnung gekühlt werden können.
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Die
obigen Aufgaben werden bei einem Wärmerohr erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß in der Kammer zwischen dem Kondensationselement
und dem Verdampfungselement wenigstens ein Kühlmodul eingebaut
ist, das mit einer rohrförmigen Mantelfläche an
der Innenfläche des Hüllrohrs partiell anliegt
und zumindest Kondensationselementseitig mit einer Leiteinrichtung
versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges Wärmeübertragungsmittel
zur Mantelfläche hinzulenken. Da das erfindungsgemäße
Wärmerohr für die Kryotechnik eingesetzt werden soll,
und da als Wärmeübertragungsmittel ein geeignetes
Kältemittel für den gewählten Temperaturbereich
der Kryotechnik zum Einsatz kommt, kann das Wärmerohr auch
als Kälterohr (cold pipe) bezeichnet werden. Das in das
Wärmerohr bzw. Kälterohr eingebaute, nur partiell
relativ zur Gesamtfläche des Hüllrohrs an deren
Innenwand anliegende Kühlmodul bewirkt, daß das
Wärmeübertragungsmittel bzw. Kältemittel
nur an bestimmten Bereichen des Hüllrohrs aufgrund des
unmittelbaren Kontaktes zwischen der Mantelfläche des Kühlmoduls
und der Innenfläche des Hüllrohrs eine Kühlung
der Wandfläche bewirkt. An den Stellen, an denen ein Kontakt
zwischen Kühlmodul und Hüllrohr besteht bzw. an
denen innenseitig das Kühlmodul positioniert ist, kann
daher gezielt Wärme abgeführt werden, insbesondere
Wärme einer supraleitfähigen Komponente, welche
mittelbar oder unmittelbar mit der Zone des Hüllrohrs des
Wärmerohrs bzw. Kälterohrs in Verbindung steht.
Die Funktionsweise des Wärmerohrs (Kälterohrs)
basiert in an sich bekannter Weise darauf, daß das in dem Kälterohr
hermetisch eingeschlossene Kältemittel, bei welchem es
sich vorzugsweise um ein für die Kryotechnik geeignetes,
verflüssigtes Gas oder Gasgemisch handelt, bei Wärmezufuhr
verdampft und am gekühlten Kondensationselement rückverflüssigt wird.
Das an wärmeren Bereichen innerhalb des Wärmerohrs
verdampfende Kältemittel entzieht über die Verdampfungswärme
bzw. Verdampfungsenthalpie der entsprechenden Zone Wärme,
wodurch die Kühlwirkung im Bereich der Kühlmodule
erreicht wird. Bei konstantem Druck des Kältemittels bleibt beim
Phasenübergang auch die Temperatur des Kältemittels
(Siedetemperatur) konstant. Es versteht sich, daß das Kondensationselement
zum Betrieb eines Wärmerohrs bzw. Kälterohrs mit
einem Kryokühler thermisch gekoppelt werden muß,
um das Kondensationselement auf eine Temperatur abzukühlen, bei
der ein Phasenübergang gasförmig-flüssig
für die Rückverflüssigung des Kältemittels
stattfindet.
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Bei
der bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiteinrichtung des Kühlmoduls
mit Durchlaßschlitzen versehen, die zur Innenseite der
Mantelfläche münden, um eine gezielte Beaufschlagung
der Mantelfläche mit dem flüssigen und am Kondensationselement
abtropfenden Kältemittel zu erreichen. Bei der insbesondere
bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiteinrichtung als Kegel bzw.
trichterförmig ausgebildet, wobei sie sich vorzugsweise
vom Kondensationselement in Richtung auf die Mantelfläche
verbreitert. Es versteht sich, daß jedes Kühlmodul
normalerweise einen bestimmten Abstand vom Kondensationselement
haben wird.
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Um
die Kühlwirkung des Hüllrohrs gezielt auf eine
bestimmte Zone zu beschränken, ist ferner vorteilhaft,
wenn das Kühlmodul verdampfungselementseitig mit einem
Leitelement versehen ist, um kondensiertes und/oder flüssiges
Wärmeübertragungsmittel von der Mantelfläche
wieder wegzuführen. Das Leitelement kann ebenfalls vorteilhaft
als Kegel bzw. trichterförmig ausgebildet sein. Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung kann das Leitelement eine siebartige
Wandung aufweisen, aus einem Lochblech bestehen oder aus einem Lochblech
hergestellt sein. Die Aussparungen im Sieb bzw. im Lochblech dienen dazu,
noch flüssiges Kältemittel am Leitelement abtropfen
zu lassen, um es einem weiteren Kühlmodul oder dem Verdampfungselement
am unteren Rohrende des Wärmerohrs zuzuführen.
Alternativ kann das Leitelement mit Ablaufschlitzen versehen sein.
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Um
ein erfindungsgemäßes Kälterohr mit verhältnismäßig
geringem Aufwand fertigen zu können, ist besonders vorteilhaft,
wenn das Kühlmodul mit Leiteinrichtung, Mantelfläche
und Leitelement aus Metall, insbesondere einem Metallblech, vorzugsweise
aus Stahl, Stahlblech, Kupfer, Kupferlegierung oder Kupferblech
besteht. Das Kühlmodul kann dann durch Blechumformung ggf.
ohne Schweißnähte od. dgl. hergestellt werden.
Zur Montage eines Kühlmoduls innerhalb des Hüllrohrs
ist besonders vorteilhaft, wenn der Montagevorgang mittels eines
Schrumpfvorgangs erfolgt, nämlich durch Abkühlen
des Kühlmoduls und/oder gleichzeitigem Erwärmen
des Hüllrohrs, damit insbesondere auch bei den kryogenen
Temperaturen eine sichere Positionierung der Kühlmodule
und gleichzeitig eine sichere Kontaktierung zwischen der Mantelfläche
des Kühlmoduls und der Innenfläche des Hüllrohrs
gewährleistet ist.
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Das
kryogene Kältemittel (Wärmeübertragungsmittel)
kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung aus
einem Gemisch aus wenigstens zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen
Kondensationstemperaturen bestehen, wie z. B. ein für die
Kryotechnik geeignetes Helium-Stickstoffgemisch (n-H2) oder
Stickstoff-Sauerstoffgemisch. Alternativ kann das Kältemittel
aus einem verflüssigten Reinstoffgas oder einem Isotop
hiervon bestehen, insbesondere 4He (flüssiges
Helium I), 3He, Neon, Wasserstoff oder Stickstoff
(N2). Der Vorteil eines mehrphasigen Kältemittels
liegt darin, daß dieses Kältemittel nicht einen genauen
Siedepunkt, sondern einen Siedebereich aufweist. Das thermodynamische
Gleichgewicht kann sich dann zu der schwerer siedenden Komponente
der flüssigen Phase verschieben, wodurch eine Siedepunktserhöhung
bewirkt wird. Beim Erwärmen eines entsprechenden verflüssigten
Wärmeübertragungsmittels (Kältemittels)
beginnt der Phasenübergang, wenn die Temperatur die Siedetemperatur
desjenigen Gemischbestandteils erreicht, der den niedrigeren Siedepunkt
erreicht. Da die Teilchen dieses Bestandteiles vermehrt in die Gasphase übertreten, ändert
sich lokal die Zusammensetzung des Gemischs, wodurch sich auch der
Siedepunkt ändert, bis der Siedepunkt der anderen Komponente
erreicht wird. Gleichzeitig kann der Druck im Wärmerohr
den Erfordernissen angepasst höher oder niedriger gewählt
werden, so daß auch hierüber eine Feinabstimmung
des Kühlbereiches vorgenommen werden kann.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die der Kammer zugewandte
Seite des Kondensationselementes eine prismenartige Oberfläche
mit Abtropfspitzen auf, wobei vorzugsweise die Abtropfspitzen im
Montagezustand fluchtend zu den Durchlaßschlitzen im Kühlmodul
liegen. Auch diese Maßnahme dient der gezielten Zuführung
des am Kondensationselement verflüssigten Kältemittels auf
die kegelförmige Leiteinrichtung des Kühlmoduls sowie
den dort ausgebildeten Durchlaßschlitzen, wenn das Kälterohr
im wesentlichen senkrecht stehend eingesetzt wird und der Kreislauf
des Kältemittels schwerkraftbedingt stattfindet. Die Flächen
der Prismen können auch als Lamellen ausgebildet sein, um
die Wärmeaustauschoberfläche zu vergrößern. Die
Lamellen stehen dabei senkrecht zur Fläche und die Spitzen
der Prismen werden durch die Lamellen geformt, d. h. die Prismen
bilden eine Überstruktur.
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Um
die Zirkulation des Kältemittels zwischen den Kühlmodulen
und dem Kondensationselement bzw. zwischen dem Verdampfungselement
am unteren Rohrende und dem Kondensationselement am oberen Rohrende
ausschließlich passiv mittels Gravitationskräften
zu bewirken, ist besonders vorteilhaft, wenn ein vom Verdampfungselement
zum Kondensationselement führender, vorzugsweise konzentrisch
zur Mittelachse verlegter Schacht verlegt ist, der insbesondere
mittels eines Hohlrohres gebildet werden kann. Durch den Hohlraum
des Schachtes bzw. Schachtrohres kann dann gasförmiges
Kältemittel ungehindert zum Kondensationselement aufsteigen.
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Ein
erfindungsgemäßes Wärmerohr kann nur
ein einziges Kühlmodul in der Kammer aufweisen. In der
bevorzugten Ausgestaltung sind jedoch mehrere Kühlmodule
in die Kammer eingebaut, um mittels eines Kälterohrs ggf.
mehrere supraleitfähige, außerhalb des Kälterohrs
angeordnete Komponenten auf die für die Supraleitfähigkeit
notwendige Betriebstemperatur kühlen zu können.
Bei mehreren Kühlmodulen in der Kammer tritt zusätzlich
der Effekt auf, das mittels jedes Kühlmoduls eine Zone
gebildet wird, zwischen der und dem Kondensationselement das Kältemittel
zirkuliert, bis die Zone auf das gewünschte kryogene Temperaturniveau
(im Idealfall z. B. etwa 27 K oder 33 K) abgekühlt ist,
da erst dann flüssiges Kältemittel durch das Lochblech
des Leitelementes zum Kühlmodul der nächsten Zone
gelangt. Hat ein Kühlmodul das Temperaturniveau erreicht,
entsteht zwischen dem Kondensationselement und diesem Kühlmodul
ein annähernd konstantes Temperaturprofil, wodurch sich
auch die Kondensationszone vergrößert. Zu Beginn
wird das Kältemittel in einer tieferliegenden Zone weitestgehend
vollständig unter hoher Wärmeabfuhr verdampfen.
Aufgrund der ausgedehnten Kondensationszone kann allerdings dieser
Dampf schon am darüberliegenden Kühlmodul wieder
zu Nassdampf oder Tropfen kondensieren, ohne daß der Dampf
bis zum Kondensationselement aufsteigen muß. Auch bei mehreren Kühlmodulen
ist das Vorsehen eines Schachtes vorteilhaft, wozu vorzugsweise
die Kühlmodule zentral eine Durchführung für
einen Schacht bzw. ein hohles Schachtrohr aufweisen. Um sicherzustellen,
daß an den einzelnen Kühlmodulen verdampfendes
Kältemittel zum Kondensationselement aufsteigen kann, kann
der Schacht für jedes Kühlmodul wenigstens eine
Radialöffnung aufweisen, oberhalb der die Leiteinrichtung
dichtend am Hohlrohr anliegt.
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Das
zentrale Hohlrohr oder Schachtrohr kann mit den mehreren Kühlmodulen
wiederum durch einen Schrumpfprozess verbunden werden, wobei vorzugsweise
bei der Fertigung eines Wärmerohrs mit mehreren Kühlmodulen
zuerst sämtliche Kühlmodule am Hohlrohr befestigt
werden und anschließend diese Einheit, wiederum durch einen Schrumpfprozeß,
in das Hüllrohr eingebracht wird. Alternativ kann auch
eine Kombination von Schrumpfprozess in Kombination mit Löten
durchgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann
das Hüllrohr ringförmig ausgeführt sein
und einen Innenringmantel sowie einen Außenringmantel aufweisen,
wobei das Kühlmodul mit seiner Mantelfläche je
nach Positionierung des zu kühlenden Bauteils an der Innenfläche
des Innenringmantel oder an der Innenfläche des Außenringmantel
anliegt. Das zu kühlende supraleitfähige Bauelement
wie insbesondere eine supraleitfähige Spule wird zweckmäßigerweise
an dem Ringmantel positioniert, an dessen Innenfläche die
Mantelflächen des/der Kühlmoduls/e anliegen. Ein
ringförmiges Wärmerohr eignet sich besonders vorteilhaft
zum Kühlen von großen Supraleiterspulen, d. h.
Spulen mit großen Innendurchmessern. Die Spulen und entsprechend
das Wärmerohr können rotationssymmetrisch um eine
Zentralachse ausgebildet sein aber auch elliptisch, oval oder rennbahnförmig
ausgebildet sein. Ein ringförmiger Schacht kann bei derartigen
Ausgestaltungen des Wärmerohrs vorteilhafterweise zwischen
dem/den Kühlmodul/en und demjenigen Ringmantel ausgebildet
sein, an dessen Innenfläche die Mantelflächen
des/der Kühlmoduls/e nicht anliegen. Die Leiteinrichtungen
und die Leitelemente sind dann entsprechend derart schräg
ausgerichtet, daß die Leiteinrichtungen kondensiertes Wärmeübertragungsmittel
zu der Mantelfläche hinlenken, an der die zu kühlende
Spule positioniert ist, und die Leitelemente das Wärmeübertragungsmittel
von der Mantelfläche wieder wegführen. Weiter
vorzugsweise kann, wenn die Spule am Innenmantel des ringförmigen
Wärmerohrs positioniert ist, im Zentrum des zu kühlenden
Bauteils eine thermische Isolierung eingebaut sein, um im Zentrum
der Spule eine Warmbohrung zu erzeugen. Um auch lange Supraleiterspulen oder
Supraleiterelemente gleichmäßig kühlen
zu können, kann zusätzlich zwischen dem zu kühlenden Bauteil
und dem Ringmantel ein Wärmeverteilelement, insbesondere
ein Kupferrohr, angeordnet sein.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird auch mittels einer Kühleinrichtung
für die Kryotechnik zum Kühlen von Supraleiterbauteilen
wie beispielsweise Supraleiterspulen, insbesondere HTS-Spulen, gelöst,
die wenigstens ein derartiges Wärmerohr bzw. Kälterohr aufweist.
Die Kühleinrichtung weist ein Aufnahmerohr auf, in dessen
Innenkammer erfindungsgemäß mehrere Wärmerohre
mit jeweils wenigstens einem eingebauten Kühlmodul angeordnet
sind, deren Kondensationselemente thermisch mit einem Kryokühler gekoppelt
sind und deren Hüllrohre zumindest partiell in Kontakt
mit dem Aufnahmerohr stehen. Die Kühlmodule mehrerer, vorzugsweise
aller Wärmerohre liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen
Ebene und ein supraleitfähiges Bauteil ist in derselben
Ebene am Außenumfang des Aufnahmerohrs positioniert. Um
eine optimale thermische Kopplung zwischen den Kälterohren
und den kryogen zu kühlenden Komponenten zu erreichen,
können im Innenraum des Aufnahmerohrs innere thermische
Kopplerelemente in gleicher Einbauhöhe wie die Kühlmodule ausgebildet
sind und/oder zwischen der supraleitfähigen Komponente
und dem Außenmantel des Aufnahmerohrs ist ein äußeres
thermischer Kopplerelement wie z. B. ein Kupferring ausgebildet.
Mit einer derartigen Kühleinrichtung können nicht
nur beispielsweise Supraleiterspulen mit großem Innendurchmesser
gekühlt werden, sondern es kann zugleich eine hohe Kühlleistung
aufgrund der Vielzahl von Wärmerohren bzw. Kälterohren
erreicht werden. Auch können mit solchen Kälterohren
lange Kombinationen von Spulen gekühlt werden, da ein Wärmetransport über
größere Baueinheiten hin gewährleistet
wird.
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Bei
einer Kühleinrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn die
Wärmerohre mit ihren Verdampfungselementen in einer gemeinsamen
Aufnahmebasis verankert sind, die vorzugsweise thermisch leitend
ausgebildet ist und mit einer Heizeinrichtung thermisch gekoppelt
ist. Mit der Heizeinrichtung kann dann verhindert werden, daß im
Kühlbetrieb, wenn sämtliche Kühlmodule
die entsprechende Partie des Hüllrohrs auf die gewünschte
Temperatur gekühlt haben und selbst die kryogene Temperatur
aufweisen, sich am Fuß des Wärmerohrs sammelndes
flüssiges Kältemittel vereist, da die zusätzliche
Wärmezufuhr das Kältemittel dann verdampft, wobei
der Dampf über den Schacht durch Konvektion bzw. Kapillarwirkung
zum Kondensationselement aufsteigt.
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Ein
vorteilhaftes Anwendungsgebiet entsprechender Kühleinrichtungen
könnten beispielsweise mit Supraleiterspulen versehene
Generatoren für die Umwandlung von Meereswellen oder Meeresströmungen
in Strom sein. Eine andere vorteilhafte Anwendung ist die Kühlung
eines langgestreckten, polysolenoiden Linearmotors oder einer langgestreckten
oder/und großvolumigen Spule eines Magneten für
Strombegrenzer.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung gezeigten vorteilhaften
Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmerohr
für die Kryotechnik, teilweise aufgebrochen;
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2 in
Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines Kühlmoduls
für ein erfindungsgemäßes Wärmerohr;
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3 perspektivisch
ein Ausführungsbeispiel eines Kondensationselements für
ein erfindungsgemäßes Wärmerohr;
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4 eine
Kühleinrichtung mit erfindungsgemäßen
Wärmerohren in Seitenansicht;
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5 schematisch
einen Längsschnitt durch die Kühleinrichtung nach 4,
teilweise aufgebrochen;
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6 eine
Draufsicht auf den oberen Kopf der Kühleinrichtung gemäß 4 und 5;
und
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7 schematisch
einen Längsschnitt durch ein ringförmiges Wärmerohr
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
zum Kühlen großer HTS-Spulen.
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Das
in 1 insgesamt mit Bezugszeichen 10 bezeichnete
Wärmerohr bzw. Kälterohr für die Kryotechnik
weist ein zylindrisches Hüllrohr 1 als Verbindungsrohr
auf, welches an seinem unteren Ende mit einer Verdampfungsplatte 2 als
Verdampfungselement und an seinem oberen Ende mit einer Kondensationsplatte 3 als
Kondensationselement bzw. Kondensatorelement verschlossen ist. Die
Verbindung zwischen dem Rohrmantel des Hüllrohrs 1,
der Kondensationsplatte 2 und der Verdampfungsplatte 3 erfolgt
dergestalt, daß innerhalb des Hüllrohrs 1 eine hermetisch
gegenüber der Umgebung gekapselte Kammer 4 entsteht.
Damit das in 1 gezeigte Wärmerohr
bzw. Kälterohr 10 für die Kryotechnik,
d. h. für einen Temperaturbereich unterhalb etwa –150°C
eingesetzt werden kann, ist die Kammer 4 mit einem geeigneten,
nicht dargestellten kryogenen Kältemittel als Wärmeübertragungsmittel
gefüllt, wie insbesondere 4He mit
einem Siedepunkt von etwa 4,23 K (Kelvin) bei 1,013 bar, n-H2 mit einem Siedepunkt von etwa 20,4 K oder
N2 mit einem Siedepunkt von etwa 77,35 K.
Das kryogene Kältemittel kann auch aus einem anderen flüssigen
Reinstoffgas oder Gasgemisch bestehen. Für den Betrieb
des Wärmerohrs 10 wird die Kondensationsplatte 3 thermisch mit
einem nicht dargestellten, geeigneten Kryokühler verbunden,
mit dem das Kondensationselement 3 auf eine Temperatur
abgekühlt werden kann, bei der gasförmiges, in
der Kammer 4 eingeschlossenes Kältemittel in den
Aggregatzustand flüssig übergeht. Die Kammer 4 ist
vorzugsweise mit dem Kältemittel bei einem Druck gefüllt,
der größer ist als Atmosphärendruck,
und das Wärmerohr 10 sowie alle Verbindungen innerhalb
des Wärmerohrs 10 können hohem Überdruck
standhalten. Das Wärmerohr 10 ist vorzugsweise
für den stehenden Einbau konzipiert, bei welchem die Mittelachse
des Mantelrohrs 1 senkrecht steht bzw. einen geringen Winkel
zur Senkrechten oder Vertikalen von < 30° einnimmt.
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In
die Kammer 4 ist erfindungsgemäß wenigstens
ein insgesamt mit 20 bezeichnetes Kühlmodul eingebaut,
welches im Detail in 2 dargestellt ist, auf die nun
zuerst Bezug genommen wird. Das vorzugsweise aus Metall wie Stahl
oder Kupfer oder Kupferlegierung bestehende Kühlmodul 20 hat
eine deutlich geringere axiale Länge als das Hüllrohr
und es weist eine zylindrische, rohrförmige Mantelfläche 21 auf,
an die sich nach oben ein erster Kegel oder Kegelelement 22 anschließt,
das sich ausgehend vom Übergang 23 zwischen der
Mantelfläche 21 und dem Kegelelement 22 kegelförmig
bzw. trichterförmig nach oben verjüngt. Die auf
die Mantelfläche 21 zu sich verbreiternde Kegelfläche
des Kegels 22 bildet eine Leiteinrichtung, um flüssiges
bzw. verflüssigtes Kältemittel, welches von oben
aufgrund der Gravitationskräfte auf das Kegelelement 22 herabfällt,
zur Mantelfläche 21 hinzulenken. Die Leitwirkung
des Kegelelementes 22 wird dadurch verstärkt,
daß über den Umfang des Kegelelementes 22 verteilt
mehrere, beispielsweise vier bis acht Leitschlitze 24 ausgebildet
sind, die sich bis zum Rand bzw. Übergang 23 erstrecken
und die es ermöglichen, daß das flüssige und
von oben herabtropfende Kältemittel durch die als Öffnungen
ausgeführten Leitschlitze 24 an die Innenfläche 21' (1)
der Mantelfläche 21 gelangen kann, um dort nach
unten herabzufließen. Das Kegelelement 22 mündet
oben stumpf in einen runden Dom 25, der eine kreisrunde Öffnung
für ein Schachtrohr bzw. Hohlrohr 5 (1)
bildet, welches konzentrisch zur Achse des Hüllrohrs 1 des
Wärmerohrs 10 positioniert ist und sich im wesentlichen über
die gesamte Höhe des Wärmerohrs 10 erstreckt.
An die Mantelfläche 21 schließt sich
nach unten ein zweites Kegelelement 26 an, welches im gezeigten
Ausführungsbeispiel aus einem Siebblech od. dgl. hergestellt
ist, zahlreiche Sieblöcher 27 aufweist und sich vom
unteren zylindrischen Rand 28 der Mantelfläche konisch
zur Mittelachse verjüngt. Auch das zweite Kegelelement 26 endet
stumpf in einer Durchgangsbohrung 29 für den Durchgriff
des Hohlrohrs bzw. Schachtrohrs 5. Die Aussparungen bzw.
Löcher 27 im Siebblech des Kegelelementes 26 dienen
dazu, weiterhin flüssiges Kältemittel nach unten
abzuleiten bzw. weiterzuleiten, damit sich flüssiges Kältemittel nicht
innerhalb eines einzelnen Kühlmoduls 20 stauen
kann. Der die Leiteinrichtung bildende Kegel 22 hat im
wesentlichen dieselben Abmessungen wie der das Leitelement bildende
Kegel, ist jedoch umgekehrt ausgerichtet, um einen Zufluß flüssigen
Kältemittels zum Hüllrohr 1 oder einen
Wegfluß zur Achse hin zu erreichen und zugleich einen Strom
gasförmigen Kältemittels innerhalb der Kegel zur
Mittelachse hinzulenken.
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In
einem erfindungsgemäßen Wärmerohr 10 ist
wenigstens ein entsprechendes Kühlmodul 20 zwischen
der das untere Rohrende des Hüllrohrs 1 verschließenden
Verdampfungsplatte 2 und der das obere Rohrende verschließenden
Kondensationsplatte 3 angeordnet und derart in die Kammer 4 eingesetzt,
daß die Mantelfläche 21 mit ihrer Außenseite ringsum
an der Innenfläche 1' des Mantelrohrs 1 flächig
anliegt. Die flächige Anlage wird vorzugsweise mittels
einer Preßpassung bewirkt, die infolge eines Einschrumpfens
des Kühlmoduls 20 in das Mantelrohr 1 erreicht
wird, indem z. B. für den Schrumpfprozeß das Mantelrohr 1 erwärmt
und zugleich das Kühlmodul 20 abgekühlt
wird, um durch Kontraktion bzw. Dehnung ein Zusammenfügen
von Kühlmodul 20 und Hüllrohr 1 zu
erreichen.
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Mit
dem in das Wärmerohr 10 eingebauten Kühlmodul 20 wird
erreicht, daß flüssiges Kältemittel gezielt
an die Mantelfläche 21 eines jeden Kühlmoduls 20 herangeführt
wird, wodurch am Hüllrohr 1 in denjenigen Bereich,
in welchem das Kühlmodul 20 mit seiner Mantelfläche 21 an der
Innenfläche 1' des Hüllrohrs anliegt,
Wärme abgeführt werden kann. Ein supraleitfähiges
Bauelement wie beispielsweise eine supraleitfähige Spule
kann daher in einem Bereich am Außenumfang des Mantelrohrs 1 des
Wärme- bzw. Kälterohrs 10 positioniert
werden, welcher fluchtend mit der Mantelfläche des Kühlmoduls 20 liegt, wodurch
ein dieser Kontaktzone innerhalb der Kammer 4 des Wärmerohrs 10 zugeführtes
flüssiges Kältemittel gezielt und effektiv wärme
von den Supraleiterbauteilen bzw. supraleitfähigen Spulen
abführen kann, damit diese unterhalb der Sprungtemperaturen des
supraleitfähigen Materials betrieben werden. Für die
Wärmeabfuhr wird hierbei die Verdampfungsenthalpie des
Kältemittels ausgenutzt, die das Kältemittel beim
Phasenübergang zwischen den Aggregatzuständen
flüssig-gasförmig benötigt. Der Einbau
der Kühlmodule 20 in das Kälterohr 10 hat
die besondere Wirkung, daß die maximale Kühlleistung
limitiert innerhalb kürzester Zeit in demjenigen Bereich
bereitgestellt wird, in welchem supraleitfähige Bauelemente
am Außenumfang des Wärmerohrs positioniert sind.
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Um
innerhalb der Kammer 4 im Wärme- bzw. Kälterohr 10 einen
optimalen Kreislauf des Kältemittels zu ermöglichen,
weist das den Schacht bildende Hohlrohr 5 im wesentlichen
unmittelbar unterhalb des Doms 25 des oberen, die Durchlaßschlitze 24 aufweisenden
Kegelelements 22 radiale Durchlässe 6 ausreichender
Größe auf, durch welche hindurch innerhalb eines
Kühlmoduls 20 in den gasförmigen Aggregatszustand übergetretenes
Kältemittel in das Innenrohr 7 des Schachtrohres 5 übertreten
und von dort gasförmig der mittels des Kryokühlers
gekühlten Kondensationsplatte 3 zugeführt
werden kann. Auch dies wird durch die Trichterform bzw. Kegelform
des Kühlmoduls 20 unterstützt.
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Die 1 zeigt
zwar nur ein Kühlmodul 20 innerhalb der Kammer 4 des
Kälterohrs 10. Es sind jedoch vorzugsweise über
die Höhe des Kälterohrs 10 ggf. gleichmäßig
verteilt mehrere identische Kühlmodule 20 angeordnet,
wobei nur auf das innerhalb der Kammer 4 oberste, dem Kondensationselement 3 unmittelbar
benachbart liegende Kühlmodul 20 flüssiges
Kältemittel von der Kondensationsplatte 3 herabtropft,
während auf die Leiteinrichtungen bzw. Kegelelemente 22 der
nachfolgenden Kühlmodule flüssiges Kältemittel
herabtropft, welches durch die Löcher 27 im unteren
Kegelelement 26 hindurchtritt. Die Verdampfungsplatte 2 am
unteren Ende des Wärmerohrs 10 kommt dann zum
Tragen, wenn auch das unterste Kühlmodul 20 innerhalb
der Kammer 4 noch flüssiges Kältemittel
nach unten durchtreten läßt. Um eine Ansammlung
flüssigen Kältemittels am Fuß oder Boden
des Kälterohrs 10 zu verhindern, kann die Verdampfungsplatte 2 thermisch
mit einer Heizeinrichtung od. dgl. gekoppelt sein, die verhindert,
daß das flüssige Kältemittel am Fuß des
Kälterohrs 10 vereist. Das an der Verdampfungsplatte 2 in den
gasförmigen Aggregatszustand übertretende Kältemittel
kann hierbei durch Radialeintritte 8 am Fuße des
Hohlrohrs 5 in das Schachtinnenrohr 7 übertreten
und von dort zur Kondensationsplatte 3 überströmen.
Für die Radialschlitze 8 ist es ggf. ausreichend,
den Fußabschnitt 9 des Schachtsrohrs 5 mit
geeignetem Abstand von der Verdampfungsplatte 2 anzuordnen
bzw. mittels Zwischenstegen an dieser oder am Hüllrohr 1 abzustützen.
Vor der Montage der Kühlmodule 20 innerhalb der
Kammer 4 des Hüllrohrs 1 werden vorzugsweise
sämtliche Kühlmodule 20 mittels eines
Schrumpfprozesses auf das Hohlrohr 5 aufgeschrumpft, bevor
der Verbund von Schachtrohr 5 und Kühlmodulen 20 als
Einheit unter Nutzung von thermischer Ausdehnung/Schrumpfung in
das Hüllrohr 1 eingesetzt wird.
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3 zeigt
ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine
Kondensationsplatte 3 mit einer möglichst großen
Oberfläche, um die Kontaktfläche für gasförmiges
Kältemittel zu maximieren und zugleich ein gezieltes Abtropfen
oder Herabfallen von rückverflüssigtem bzw. verflüssigtem
Kältemittel zu erreichen. Die Kondensationsplatte 3 weist
hierzu an ihrer Unterseite eine prismenartige Oberfläche 13 mit
einer vorzugsweise der Anzahl der Durchlaßschlitze 24 im
obersten Kühlmodul 20 entsprechenden Zahl von Abtropfspitzen 14 auf.
Jede Abtropfspitze kann z. B. vier ebene Flanken als Prismenflächen
aufweisen. Die thermische Kopplung der Kondensationsplatte 3 mit
dem Kaltkopf eines Kryokühlers kann beispielsweise über
einen Kupferstab od. dgl. als thermischen Bus erfolgen oder der
Kaltkopf eines Kryokühlers kann unmittelbar mit der Kondensationsplatte 3 des Wärmerohrs
bzw. Kälterohrs 10 verbunden sein.
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Die 4 bis 6 zeigen
ein Anwendungsbeispiel für die Nutzung mehrerer Kälterohre
(cold pipes) innerhalb einer insgesamt mit 100 bezeichneten Kühleinrichtung.
Jedes Kälterohr 10 hat hierbei einen Aufbau, wie
er mit Bezug zu den 1 bis 3 beschrieben
wurde und jedes Kälterohr 10 weist über seine
Höhe eine Vielzahl von Kühlmodulen 20 auf. Die
einzelnen Kälterohre 10 sind dabei derart ausgebildet,
daß in allen Kälterohren 10 die Kühlmodule 20 im
selben Abstand von der Kondensationsplatte 3 bzw. der Verdampfungsplatte
eines jeden Kälterohrs 10 positioniert sind.
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Bei
der Kühleinrichtung 100 sind insgesamt sechs Kälterohre 10 mit
gleichem Winkelabstand auf einem Teilkreis um eine Zentralachse
Z der Kühleinrichtung 100 angeordnet. Die Außenflächen
des Hüllrohrs 1 eines jeden Kälterohrs 10 liegen
vorzugsweise unmittelbar an einem Aufnahmerohr 80 an, welches
konzentrisch zur Zentralachse Z positioniert ist und sämtliche
Kälterohre 10 über deren gesamte Höhe
einschließt. Im Innenraum dieses Aufnahmerohrs 80,
vorzugsweise ausschließlich in denjenigen Bereichen, in
welchen die Kühlmodule 20 innerhalb der Kälterohre 10 angeordnet
sind, ist je Kühlmodulebene ein innerer thermischer Leiter 81 als
thermisches Koppelelement positioniert, welcher partiell einen unmittelbaren
thermischen Kontakt zwischen der gesamten Außenfläche
des Hüllrohrs 1 der einzelnen Kühlrohre 10 mit
der Innenmantelfläche 82 des Aufnahmerohrs 80 bewirkt,
um eine möglichst hohe Wärmeübertragung
zwischen dem Aufnahmerohr 80 und den Kühlrohren 10 in
demjenigen Bereich zu erreichen, in welchem die einzelnen Kühlmodule 20 positioniert
sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind an den fluchtend
zu den Kühlmodulen 20 sowie den inneren thermischen
Leiterelementen 81 liegenden Bereichen des Außenmantels 83 des
Aufnahmerohrs 80 äußere thermische Kopplungsringen 85 positioniert,
an denen hier ringförmige Supraleiterspulen 90 mit
ihrem Innenring anliegen.
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Die
Supraleiterspulen 90 können mittels der jeweiligen
Kühlmodule 20 in den Kälterohren 10 unterhalb
der Sprungtemperatur des supraleitfähigen Materials gekühlt
werden. Sämtliche Kondensationsplatten 3 der insgesamt
hier sechs Kälterohre 10 sind über einen
Kopplungsring 70 miteinander verbunden, an welchem der
Kaltkopf 75 eines weiter nicht dargestellten Kryokühlers
angeschlossen ist. Das Aufnahmerohr 80 für die
Kälterohre 10 wiederum ist innerhalb einer rohrförmigen
Ummantelung 71 positioniert, die vorzugsweise als kryostatischer
Behälterausgeführt ist. Bei der Kühleinrichtung 100 sind
sämtliche Kälterohre 10 mit ihren unteren,
mit den Verdampfungsplatten verschlossenen Enden in einer Aufnahmebasis 72 angeordnet
bzw. mit dieser thermisch gekoppelt, der vorzugsweise eine Heizeinrichtung
zugeordnet wird, um zu verhindern, daß das Kältemittel
innerhalb der einzelnen, hermetisch gekapselten Kälterohre 10 gefrieren
kann.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für ein Wärmeohr 210 zum
Kühlen einer großen und langen Supraleiterspule 290.
Das Wärmerohr 210 ist hier rotationssymmetrisch
um die Zentralachse Z ausgebildet und weist ein ringförmiges
Hüllrohr 201 mit einem Innenringmantel 261 und
einem Außenringmantel 262 auf. Am oberen Ende
der beiden Ringmäntel des Hüllrohrs 201 ist
eine ringförmige Kondensationsplatte 203 mit Abtropfspitzen 214 an
ihrer Unterseite befestigt und am unteren Ende ist eine ringförmige
Verdampfungsplatte 202 derart befestigt, daß im
Hüllrohr 201 eine hermetisch abgekapselte Kammer 204 gebildet
wird, die mit einem geeigneten kryogenen Kältemittel gefüllt
ist. In der ringförmigen Kammer 4 sind mehrere
Kühlmodule 220 eingebaut, von denen hier nur eines
dargestellt ist. Jedes Kühlmodul 220 liegt mit
einer zylindrischen Mantelfläche 221 an der Innenfläche 261' des
Innenringmantels 261 an. Oberhalb jeder Mantelfläche 221 ist
eine schräge, ringförmig um den Innenringmantel 261 umlaufende
Leiteinrichtung 222 ausgebildet, die flüssiges
oder kondensiertes Kältemittel zur Mantelfläche 221 hinlenkt. Unterhalb
jeder Mantelfläche 221 weist das Kühlmodul 220 eine
schräge Leitwand 226 auf, die flüssiges Kältemittel
von der Mantelfläche 221 wegführt. Die Leitwand 226 ist
mit Sieblöchern 227 versehen, damit Kältemittel
nach unten zu einem weiteren Kühlmodul oder zur Verdampfungsplatte 204 abtropfen
kann. Zwischen den Kühlmodulen 220 und dem Außenringmantel 262 ist
eine ringförmige Zwischenwand 265 angeordnet,
mit der innerhalb der Kammer 4 ein ringförmiger
Schacht 207 zwischen den Kühlmodulen 220 und
dem Außenringmantel 262 gebildet wird. Die Zwischenwand 265 ist
von der Kondensationsplatte 203 und der Verdampfungsplatte 204 beabstandet, damit
flüssiges und/oder gasförmiges Kältemittel
in den Teil der Kammer 204 übertreten kann, in
dem die Kühlmodule angeordnet sind. Die Abtropfspitzen 214 an
der Kondensationsplatte 203 liegen entsprechend radial
innerhalb der Zwischenwand 265. Die Zwischenwand 265 ist
unmittelbar unterhalb der Kontaktstelle zwischen der hier mit etwa
45° schräg nach oben verlaufenden Leitring 222 und
dessen Kontakstelle mit der Zwischenwand 265 mit Durchlässen 206 versehen,
damit innerhalb der Kühlmodule 220 verdampfendes
Kältemittel über den Schacht noch oben zur Kondensationsplatte 203 aufsteigen
kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zu kühlenden
Supraleiterspule 290 innerhalb des Innenrohrmantels 261 positioniert.
Um eine gute Wärmeleitung zwischen den Kühlmodulen 220 und
der zu kühlenden Spule 290 zu erreichen, sind
außerhalb des Hüllrohrs 201, den Mantelflächen 221 gegenüberliegend, thermische
Koppelringe 281 angeordnet. Da die Spule 290 sich
fast über die gesamte Höhe des Wärmeohrs 210 erstreckt,
liegt an der Außenseite der Spule 290 ein Kupferrohr 285 als
Wärmeverteilelement an, das wiederum an mehreren Stellen
jeweils in Kontakt mit den Koppelringen 281 steht.
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Für
den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche
Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden
Ansprüche fallen sollen. Die Figuren zeigen nur bevorzugte
Ausführungsbeispiele und insbesondere die Anzahl der Kühlmodule
in einem Kälterohr bzw. Wärmerohr, die Anzahl
der Kälterohre in einer Kälteeinrichtung, die
thermische Kopplung zwischen einem Kryokühler und den Kondensationselementen
der einzelnen Kälterohre kann variieren, ohne den Schutzbereich
der anhängenden Ansprüche zu verlassen. Auch als
Kältemittel können verschiedene Reinstoffgase,
Gase oder Gasgemische, die für die Kryotechnik bzw. Kryogenik
geeignet sind, zum Einsatz kommen. Die supraleitfähigen
Bauelemente und Komponenten können unmittelbar an den Kälterohren
oder dem Aufnahmerohr der Kühleinrichtung oder mittelbar
an diesen befestigt bzw. mit diesen thermisch gekoppelt sein. Die
Rohre können zusätzlich mit Sicherheitsventilen
für Überdruck, Abpumpventilen für die
Erzeugung eines Unterdrucks und/oder Zugangsventilen für
die Einbringung von Kühlmedien versehen sein. Bei dem ringförmigen Wärmeohr
könnte im Zentrum der Spule eine thermische Isolierung
eingebaut sein, wodurch im Zentrum der Spule eine Wärmebohrung
entsteht. Alternativ könnte die Spule auch außen
am Außenringmantel anliegen. Die Leiteinrichtung und Leitwand
der Kühlmodule wären dann entsprechend schräg
zum Außenringmantel hin geneigt und die Mantelfläche
läge an diesem an. Das ringförmige Wärmerohr
könnte auch oval od. dgl. ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 483324
B1 [0002]
- - DE 10211363 A1 [0005, 0005]