DE102018006912A1

DE102018006912A1 - Device for cooling a superconducting element

Info

Publication number: DE102018006912A1
Application number: DE102018006912.6A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Herzog; Thomas Kutz
Original assignee: Messer Group GmbH; Messer Industriegase GmbH
Current assignee: Messer Industriegase De GmbH; Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-03-05
Also published as: WO2020043340A1; EP3844445A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements umfasst einen als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und mit dem supraleitenden Element thermisch verbundenen Kryostaten, der über eine Flüssigausgleichsleitung mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kühlmedium strömungsverbundenen ist. Im Kryostaten oder thermisch an einer Wärmetauscherfläche mit diesem verbunden ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der über eine mit einem Entspannungsventil ausgerüsteten Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und in dem ein geringerer Druck als im umgebenden Kryostaten herrscht. Auf diese Weise wird das mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Kühlmedium unterkühlt; im Falle eines plötzliche Druckanstiegs im Kryostaten, etwa infolge eines Quenchens des Supraleiters, fungiert der Vorratsbehälter als Ausgleichsgefäß.A device for cooling a superconducting element comprises a cryostat designed as a closed pressure container and thermally connected to the superconducting element, which is flow-connected via a liquid compensation line to a storage container for a cryogenic cooling medium. In the cryostat or thermally connected to it on a heat exchanger surface, a heat exchanger is provided which is flow-connected to the storage container via a supply line equipped with a relief valve and in which there is a lower pressure than in the surrounding cryostat. In this way, the cooling medium in thermal contact with the superconducting element is subcooled; In the event of a sudden increase in pressure in the cryostat, for example as a result of quenching of the superconductor, the reservoir acts as an expansion tank.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Elements, mit einem als geschlossener Druckbehälter ausgebildeten und über eine Ausgleichsleitung mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kühlmedium strömungsverbundenen Kryostaten, der mit dem supraleitenden Element thermisch verbunden ist.The invention relates to a device for cooling a superconducting element, with a cryostat designed as a closed pressure container and flow-connected via a compensating line with a storage container for a cryogenic cooling medium, which is thermally connected to the superconducting element.

Als „supraleitendes Element“ wird hier ein aus supraleitenden Werkstoffen aufgebauter oder ein supraleitendes Bauteil aufweisender Gegenstand verstanden. Beispielsweise handelt es sich dabei um ein supraleitendes Kabel, supraleitende Strombegrenzer oder eine supraleitende Apparatur, wie etwa supraleitende Magnetspulen oder auf supraleitenden Bauelementen basierende Detektoren. Supraleitende Elemente müssen auf eine Betriebstemperatur gekühlt werden, die unterhalb der supraleitenden Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) des oder der verwendeten Supraleiter/s liegt. Sprungtemperaturen von Supraleitern variieren in einem weiten Bereich und reichen von T_c < 10 K bei klassischen metallischen Supraleitern wie beispielsweise Blei, Niob oder Nb-Legierungen bis zu Werten von T_c >100 K bei keramischen Hochtemperatursupraleitern, wie beispielsweise Y-Ba₂Cu₃O₇ oder Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+1O_2n+6.An “superconducting element” is understood here to mean an object constructed from superconducting materials or having a superconducting component. For example, it is a superconducting cable, superconducting current limiters or a superconducting apparatus, such as superconducting magnetic coils or detectors based on superconducting components. Superconducting elements must be cooled to an operating temperature that is below the superconducting transition temperature (transition temperature) of the superconductor (s) used. Crack temperatures of superconductors vary in a wide range and range from T _c <10 K for classic metallic superconductors such as lead, niobium or Nb alloys to values of T _c > 100 K for ceramic high temperature superconductors such as Y-Ba ₂ Cu ₃ O ₇ or Bi ₂ Sr ₂ Ca _n Cu _{n + 1} O _{2n + 6} .

Um supraleitende Elemente auf ihre Betriebstemperatur zu kühlen, werden sie mit einem Kühlmedium in Wärmekontakt gebracht. Zur Kühlung kommen dabei in der Regel verflüssigte Gase zum Einsatz. Die Wahl des Gases hängt von der Betriebstemperatur des zu kühlenden supraleitenden Elements ab; bei Systemen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten, kann tiefkalt verflüssigter Stickstoff eingesetzt werden, klassische Supraleiter werden in der Regel mit flüssigem Helium gekühlt. Andere verflüssigte Gase, wie beispielsweise flüssige Luft, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff oder verflüssigtes Argon, sind ebenfalls als Wärmeübertragungsmittel einsetzbar.In order to cool superconducting elements to their operating temperature, they are brought into thermal contact with a cooling medium. Liquefied gases are generally used for cooling. The choice of gas depends on the operating temperature of the superconducting element to be cooled; In systems that work on the basis of high-temperature superconductors, cryogenic liquefied nitrogen can be used, classic superconductors are usually cooled with liquid helium. Other liquefied gases, such as liquid air, liquefied oxygen, liquefied hydrogen or liquefied argon, can also be used as heat transfer media.

Um zu verhindern, dass das verflüssigte Gas aufgrund eines Wärmeeintrags im Kryostaten siedet, werden die verflüssigten Gase dabei „unterkühlt“, also auf eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur beim jeweils herrschenden Druck gebracht. Bei einem unterkühlten verflüssigten Gas bewirkt die Aufnahme von Wärme zunächst nur eine Temperaturerhöhung, ohne dass eine Änderung des Aggregatzustandes eintritt. Als Unterkühler zu diesem Zweck kommt beispielsweise eine Kältemaschine zum Einsatz oder ein Wärmeaustauscher, in welchem auf der wärmeabführenden Seite ein Kühlmedium vorliegt, das bei einer Temperatur verdampft, die unterhalb der Siedetemperatur des auf der wärmezuführenden Seite vorliegenden, zu unterkühlenden Gases liegt.To prevent the liquefied gas from boiling due to heat input in the cryostat, the liquefied gases are "supercooled", ie brought to a temperature below the boiling temperature at the prevailing pressure. In the case of a supercooled liquefied gas, the absorption of heat initially only causes a temperature increase without a change in the state of matter. A subcooler for this purpose is, for example, a chiller or a heat exchanger in which there is a cooling medium on the heat-dissipating side that evaporates at a temperature that is below the boiling point of the gas to be supercooled on the heat-supplying side.

Kryogene Kühlsysteme werden beispielsweise in den Druckschriften EP 3 017 238 A1 , US 6 732 536 B1 , WO 2007/005091 A1 , EP 1 850 354 A1 und US 2006/0150639 A1 beschrieben. All diese Gegenstände weisen einen Kühlkreislauf auf, in dem ein unterkühltes verflüssigtes Gas als Kühlmedium in Wärmekontakt mit einem supraleitenden Element, beispielsweise einem supraleitenden Kabel, gebracht wird. Zwar besitzen supraleitende Elemente im ordnungsgemäßen Einsatz keinen ohmschen Widerstand, jedoch treten beim Durchleiten insbesondere von Wechselstrom durch supraleitende Elemente geringfügige Verluste auf; zudem erfolgt ein geringer Wärmeeintrag in das Kühlmedium über Kontakte oder Isolationen. Nach dem Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element ist es daher erforderlich, das Kühlmedium erneut einem Unterkühler zuzuführen, um die beim Wärmekontakt mit dem supraleitenden Element aufgenommene Wärme abzuführen und das Kühlmedium im unterkühlten Zustand zu halten.Cryogenic cooling systems are described, for example, in the publications EP 3 017 238 A1 . US 6 732 536 B1 . WO 2007/005091 A1 . EP 1 850 354 A1 and US 2006/0150639 A1 described. All of these objects have a cooling circuit in which a supercooled liquefied gas as cooling medium is brought into thermal contact with a superconducting element, for example a superconducting cable. When properly used, superconducting elements do not have any ohmic resistance, but minor losses occur when AC, in particular, is passed through superconducting elements; in addition, there is little heat input into the cooling medium via contacts or insulation. After the thermal contact with the superconducting element, it is therefore necessary to feed the cooling medium to a subcooler again in order to dissipate the heat absorbed during thermal contact with the superconducting element and to keep the cooling medium in the supercooled state.

Die bekannten Kühlsysteme sind mit Nachteilen behaftet. Da das Kühlmedium im Kreislauf geführt wird, muss es entweder das zu kühlende supraleitende Element sowohl auf dem Hin- als auch Rückweg durchlaufen, oder es wird über eine parallel zum supraleitenden Element führende Leitung zurückgeführt. Im ersten Fall verkompliziert das Vorsehen von zwei Strömungswegen im zu kühlenden supraleitenden Element dessen Aufbau, und der über die doppelte Länge des Kühlweges auftretende Druckverlust muss mit entsprechend aufwändig ausgelegten Pump- und Druckleitungssystemen kompensiert werden. Im zweiten Falle ist der Bau einer aufwändigen, wärmeisolierten Rückleitung erforderlich. Durch die im Kreislauf stets notwendige Pumpe wird zusätzliche Wärme in das Kühlmedium eingetragen, die abgeführt werden muss.The known cooling systems have disadvantages. Since the cooling medium is circulated, it must either pass through the superconducting element to be cooled both on the way there and back, or it is returned via a line running parallel to the superconducting element. In the first case, the provision of two flow paths in the superconducting element to be cooled complicates its structure, and the pressure loss occurring over twice the length of the cooling path must be compensated for with correspondingly complex pump and pressure line systems. In the second case, the construction of a complex, heat-insulated return line is necessary. The pump, which is always necessary in the circuit, introduces additional heat into the cooling medium, which must be dissipated.

Anstelle eines Kühlkreislaufs können supraleitende Elemente auch durch direkten oder indirekten Wärmekontakt mit einem aus Kühlmedium bestehenden Kühlbad gekühlt werden. Das Kühlbad befindet sich dabei in einem thermisch gut isolierten Behälter, einem sogenannten Kryostaten, der zudem druckfest ausgebildet sein kann, um Einflüsse des Umgebungsdrucks auf die Temperatur des Bades zu reduzieren.Instead of a cooling circuit, superconducting elements can also be cooled by direct or indirect thermal contact with a cooling bath consisting of a cooling medium. The cooling bath is located in a thermally well insulated container, a so-called cryostat, which can also be designed to be pressure-resistant in order to reduce influences of the ambient pressure on the temperature of the bath.

Anordnungen mit Kryostaten weisen den Nachteil auf, dass ein plötzlicher Wärmeeintrag in das System, etwa beim sogenannten „Quenchen“, also einem Übergang in den normalleitenden Zustand infolge einer lokalen Überschreitung der Sprungtemperatur, dazu führen kann, dass ein erheblicher Teil des Kühlmediums im Kryostaten verdampft. Der damit verbundene heftige Druckanstieg im Kryostaten kann das supraleitende Element oder sogar die gesamte Apparatur gefährden und/oder eine Notabschaltung des Systems erzwingen.Arrangements with cryostats have the disadvantage that a sudden heat input into the system, for example during so-called "quenching", ie a transition to the normal conducting state due to a local exceeding of the transition temperature, can lead to a substantial part of the cooling medium evaporating in the cryostat . The associated violent pressure increase in the cryostat can be the superconducting element or even the whole Endanger equipment and / or force an emergency shutdown of the system.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Vorrichtung zum Kühlen von supraleitenden Elementen unter Verwendung eines Kryostaten zu schaffen, die zuverlässig und mit hoher Betriebssicherheit arbeitet.The object of the present invention is accordingly to provide a device for cooling superconducting elements using a cryostat, which works reliably and with high operational reliability.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalskombinationen der Unteransprüche.This object is achieved by a device with the features of patent claim 1. Advantageous refinements result from the combinations of features of the subclaims.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist erfindungsgemäß also dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat an einer Wärmetauscherfläche mit einem Wärmetauscher thermisch verbunden ist, der über eine mit einem Entspannungsventil ausgerüstete Zuleitung mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden ist und eine Gasableitung zum Ausleiten von verdampftem Kühlmedium aufweist.A device of the type and intended use mentioned at the outset is thus characterized in that the cryostat is thermally connected to a heat exchanger surface with a heat exchanger which is flow-connected to the storage container via a supply line equipped with a relief valve and has a gas discharge line for discharging evaporated cooling medium.

Der über die Wärmetauscherfläche mit dem Kryostaten verbundene Wärmetauscher wirkt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Unterkühler. Über die Wärmetauscherfläche wird Wärme von dem im Innenraum des Kryostaten vorliegenden Kühlmedium durch Wärmeleitung auf das im Wärmetauscher befindliche, aufgrund der Entspannung am Entspannungsventil kühlere Kühlmedium übertragen. Im Unterschied zu den vorgenannten Kreislaufsystemen erfolgt zur Wärmeübertragung kein Transport von Kühlmedium aus dem Kryostaten zum Wärmetauscher oder umgekehrt.The heat exchanger connected to the cryostat via the heat exchanger surface acts as a subcooler in the device according to the invention. Via the heat exchanger surface, heat is transferred from the cooling medium present in the interior of the cryostat by heat conduction to the cooling medium located in the heat exchanger and which is cooler due to the expansion at the expansion valve. In contrast to the aforementioned circulation systems, no cooling medium is transported from the cryostat to the heat exchanger for heat transfer or vice versa.

Beim Wärmetauscher handelt es sich beispielsweise um ein Gefäß, in dem im Einsatz der Vorrichtung ein Bad aus dem gleichen Kühlmedium wie das Kühlmedium im Vorratsbehälter aufrecht erhalten wird, jedoch bei einem niedrigeren Druck; es kann sich aber auch um einen Röhrenwärmetauscher oder eine Rohrschlange handeln, durch den bzw. die hindurch Kühlmedium aus dem Vorratstank mit einem niedrigeren Druck als dem Druck im Vorratsbehälter geleitet wird. Zur Druckreduzierung kommt dabei ein Entspannungsventil zum Einsatz, das stromauf zum Wärmetauscher in der Zuleitung angeordnet ist. Das Kühlmedium liegt im Wärmetauscher bevorzugt bei seiner Gleichgewichtstemperatur vor, also bei der Temperatur, die der Siedetemperatur beim jeweiligen Druck im Wärmetauscher entspricht.The heat exchanger is, for example, a vessel in which, when the device is used, a bath of the same cooling medium as the cooling medium is maintained in the storage container, but at a lower pressure; however, it can also be a tube heat exchanger or a pipe coil through which cooling medium is passed from the storage tank at a lower pressure than the pressure in the storage tank. A pressure relief valve is used to reduce the pressure, which is arranged upstream of the heat exchanger in the supply line. The cooling medium is preferably present in the heat exchanger at its equilibrium temperature, that is to say at the temperature which corresponds to the boiling temperature at the respective pressure in the heat exchanger.

Bei der Wärmetauscherfläche handelt es sich um eine Kontaktfläche, über die ein Wärmetransport durch Wärmeleitung erfolgt. Die Wärmetauscherfläche ist so bemessen, dass über sie der weitaus überwiegende Teil des Wärmetransports vom Kühlmedium im Kryostaten auf das Kühlmedium im Wärmetauscher erfolgt. Beispielsweise handelt es sich bei der Wärmetauscherfläche um einen gemeinsamen Wandabschnitt, um direkt miteinander verbundene Wandabschnitte von Kryostat und Wärmetauscher oder um ein zwischen den Wänden von Kryostat und Wärmetauscher angeordnetes thermisch gut leitendes Element, beispielsweise eine Platte oder ein Kabel aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer.The heat exchanger surface is a contact surface via which heat is transported by heat conduction. The heat exchanger surface is dimensioned such that the vast majority of the heat is transported from the cooling medium in the cryostat to the cooling medium in the heat exchanger. For example, the heat exchanger surface is a common wall section, wall sections of cryostat and heat exchanger that are directly connected to one another, or a thermally highly conductive element arranged between the walls of the cryostat and heat exchanger, for example a plate or a cable made of a good heat-conducting material such as copper .

Für die Anordnung des Wärmetauschers bestehen verschiedene Möglichkeiten: In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher außerhalb des im Übrigen thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Kryostaten angeordnet und ist mit diesem lediglich über eine Wärmetauscherfläche thermisch verbunden. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher innerhalb des Kryostaten angeordnet ist und das dort vorliegende Kühlmedium unterkühlt. In diesem Fall kann die Wärmetauscherfläche von den gesamten Außenwänden des Wärmetauschers, beispielsweise den Außenwänden des oben beschriebenen Gefäßes, der Röhren oder der Rohrschlange, soweit sie innerhalb des Kryostaten liegen, gebildet sein.There are various possibilities for the arrangement of the heat exchanger: In a first embodiment of the invention, the heat exchanger is arranged outside the otherwise thermally well insulated and pressure-resistant cryostat and is only thermally connected to it via a heat exchanger surface. An alternative embodiment of the invention provides that the heat exchanger is arranged inside the cryostat and the cooling medium present there is subcooled. In this case, the heat exchanger surface can be formed by the entire outer walls of the heat exchanger, for example the outer walls of the vessel described above, the tubes or the pipe coil, insofar as they lie within the cryostat.

Die Ausgleichsleitung/en zwischen Kryostat und Vorratsbehälter, die das im Innern des Kryostaten vorliegende Kühlbad aus flüssigem Kühlmedium mit einer flüssigen Phase und/oder einer Gasphase im Vorratsbehälter verbindet, ist im Einsatz der Vorrichtung stets offen. Mit Ausnahme dieser Ausgleichsleitung/en ist der Kryostat dagegen allseits, auch gegenüber dem Wärmetauscher, druckfest geschlossen; sofern der Wärmetauscher und/oder das supraleitende Element im Innern des Kryostaten angeordnet ist, sind alle Verbindungsleitungen für den Wärmetauscher und etwaige Strom- oder sonstige Zuführungen für das supraleitende Element flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten hindurch geführt.The compensating line / s between the cryostat and the storage container, which connects the cooling bath in the interior of the cryostat from liquid cooling medium with a liquid phase and / or a gas phase in the storage container, is always open when the device is used. With the exception of this compensating line (s), the cryostat, on the other hand, is pressure-tight closed, also with respect to the heat exchanger; if the heat exchanger and / or the superconducting element is arranged in the interior of the cryostat, all connecting lines for the heat exchanger and any current or other supply lines for the superconducting element are guided through the walls of the cryostat in a liquid-tight manner.

Einem plötzlichen Druckanstieg im Innen des Kryostaten aufgrund einer Teilverdampfung des Kühlmediums infolge eines plötzlichen Wärmeeintrags, wie es beispielsweise beim Quenchen des supraleitenden Elements auftreten kann, begegnet die erfindungsgemäße Vorrichtung auf mehrfache Weise:

Zum ersten liegt das kryogene Kühlmedium im Kryostaten im unterkühlten Zustand vor; ein Wärmeeintrag führt also zunächst nur zu einer Temperaturänderung ohne Änderung des Aggregatszustandes. Zumindest bei kleineren Wärmemengen kommt es also nicht zu einem Verdampfen des Kühlmediums im Kryostaten.

The device according to the invention counteracts a sudden increase in pressure inside the cryostat due to partial evaporation of the cooling medium as a result of a sudden heat input, as can occur, for example, when quenching the superconducting element:

First, the cryogenic cooling medium is in the cryostat in the supercooled state; a heat input initially only leads to a temperature change without changing the state of the aggregate. At least with smaller amounts of heat, there is no evaporation of the cooling medium in the cryostat.

Zum zweiten ist der Kryostat als Druckbehälter ausgebildet und gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen. Der Druck in seinem Innern entspricht im wesentlichen dem Druck im Vorratstank, in dem das Kühlmedium bei einem gegenüber der Umgebungsatmosphäre erhöhten Druck von beispielsweise 2-5 bar gelagert wird. Durch den vergleichsweise hohen Druck ist auch der Siedepunkt erhöht, und das Kühlmedium kann entsprechend mehr Wärme aufnehmen, ohne zu sieden. Denkbar ist eine weiterführende Ausgestaltung, in der dem Vorratstank Mittel zum Einstellen eines Druckwerts, beispielsweise ein Verdampfer, zugeordnet sind, mittels derer ein maximaler Druck im Vorratsbehälter, und damit im Kryostaten, gewählt werden kann.Secondly, the cryostat is designed as a pressure vessel and opposite the Ambient atmosphere completed. The pressure inside corresponds essentially to the pressure in the storage tank in which the cooling medium is stored at a pressure of, for example, 2-5 bar, which is higher than the ambient atmosphere. The comparatively high pressure also increases the boiling point and the cooling medium can absorb more heat without boiling. A further embodiment is conceivable in which means for setting a pressure value, for example an evaporator, are assigned to the storage tank, by means of which a maximum pressure in the storage tank, and thus in the cryostat, can be selected.

Zum dritten wird eingetragene Wärme während des Betriebs der Vorrichtung fortwährend von dem mit dem Kryostaten thermisch verbundenen Wärmetauscher abgeführt. Um größere Wärmemengen aufnehmen zu können, kann zu diesem Zweck optional die zum Wärmetauscher führende Zuleitung so ausgestaltet sein, dass der Zuführleitung Mittel zugeordnet sind, mittels derer der Mengenstrom an Kühlmedium, das dem Wärmetauscher zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Wärmeeintrag in den Wärmetauscher regelbar ist. Beispielsweise kann parallel zur Zuführleitung mindestens eine Bypassleitung zwischen Vorratstank und Wärmetauscher vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von einem gemessenen Wärmeeintrag mittels eines steuerbaren Ventils zu- oder abgeschaltet wird und somit bei Bedarf die Zuführung von zusätzlichem Kühlmedium an den Wärmetauscher erlaubt.Thirdly, heat input is continuously removed from the heat exchanger thermally connected to the cryostat during operation of the device. In order to be able to absorb larger quantities of heat, the supply line leading to the heat exchanger can optionally be designed for this purpose in such a way that means are assigned to the supply line, by means of which the mass flow of cooling medium which is supplied to the heat exchanger can be regulated as a function of the heat input into the heat exchanger . For example, parallel to the supply line, at least one bypass line can be provided between the storage tank and the heat exchanger, which is switched on or off depending on a measured heat input by means of a controllable valve and thus allows the supply of additional cooling medium to the heat exchanger if required.

Zum vierten ist die Ausgleichsleitung zwischen Kryostat und Vorratsbehälter im Betrieb der Vorrichtung stets geöffnet, sodass im Falle eines Druckanstiegs - je nach Wahl der Ausgleichsleitung/en -verdampftes Kühlmedium in die Gasphase und/oder flüssiges Kühlmedium in die flüssige Phase des im Vorratsbehälter bevorrateten Kühlmediums abströmen kann; der Vorratsbehälter wirkt also als Ausgleichsgefäß, das den Kryostaten vor einem zu starken Druckanstieg schützt.Fourthly, the compensating line between the cryostat and the storage container is always open during operation of the device, so that in the event of an increase in pressure, depending on the selection of the compensating line (s), evaporated cooling medium flows into the gas phase and / or liquid cooling medium flows into the liquid phase of the cooling medium stored in the storage container can; the storage container thus acts as an expansion vessel, which protects the cryostat from an excessive rise in pressure.

Im einfachsten Fall ist die Gasableitung des Wärmetauschers mit der Umgebungsatmosphäre druckverbunden, d.h. im Wärmetauscher herrscht ein Druck von etwa 1 bar. Um eine stärkere Unterkühlung zu erreichen sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, in der Gasableitung eine Vakuumpumpe anzuordnen, mittels der der Druck im Wärmetauscher auf Werte von unter 1 bar, beispielsweise auf 100-200 mbar gebracht werden kann. So beträgt der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei einem Druck von 150 mbar lediglich 64K, wodurch der im Kryostaten als Kühlmedium vorliegende, mit dem supraleitenden Element in Wärmekontakt stehende Flüssigstickstoff auf 67K oder darunter abgekühlt werden kann. Die Vakuumpumpe kann im Übrigen auch derart ausgebildet sein, dass ein Druck im Wärmetauscher fest eingestellt und/oder in Abhängigkeit von einem gemessenen Parameter, beispielsweise der Temperatur des Kühlmediums im Kryostaten, geregelt werden kann.In the simplest case, the gas discharge of the heat exchanger is pressure-connected to the surrounding atmosphere, i.e. There is a pressure of around 1 bar in the heat exchanger. In order to achieve greater supercooling, an advantageous embodiment of the invention provides for a vacuum pump to be arranged in the gas discharge line, by means of which the pressure in the heat exchanger can be brought to values below 1 bar, for example to 100-200 mbar. For example, the boiling point of liquid nitrogen at a pressure of 150 mbar is only 64K, which means that the liquid nitrogen present in the cryostat as a cooling medium and in thermal contact with the superconducting element can be cooled to 67K or below. The vacuum pump can also be designed such that a pressure in the heat exchanger can be permanently set and / or regulated as a function of a measured parameter, for example the temperature of the cooling medium in the cryostat.

Für den Druckausgleich zwischen Kryostat und Vorratsbehälter bestehen zwei Möglichkeiten: Die Ausgleichsleitung ist entweder eine Flüssigausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit einer im Vorratsbehälter vorliegenden flüssigen Phase herstellt, oder eine Gasausgleichsleitung, die eine Strömungsverbindung des Kryostatinnern mit im Vorratsbehälter vorliegenden Gasphase herstellt. Es können jedoch auch gleichzeitig beide Arten von Ausgleichsleitungen vorhanden sein, die bevorzugt jeweils zu- oder abgeschaltet werden können.There are two options for pressure equalization between the cryostat and the storage container: the compensation line is either a liquid compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and a liquid phase in the storage container, or a gas compensation line that creates a flow connection between the interior of the cryostat and the gas phase in the storage container. However, both types of compensation lines can also be present at the same time, which can preferably each be switched on or off.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Kühlung sowohl von supraleitenden Apparaturen geeignet, die auf der Basis von klassischen Supraleitern arbeiten, wie auch von solchen, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung von supraleitenden Spulen, Magneten, Kabeln oder Detektoren.The device according to the invention is suitable for cooling both superconducting apparatuses which work on the basis of classic superconductors and those which work on the basis of high-temperature superconductors. The device according to the invention is particularly suitable for cooling superconducting coils, magnets, cables or detectors.

Bevorzugt kommt als Kühlmedium ein verflüssigtes Gas zum Einsatz, beispielsweise verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Wasserstoff, LNG oder ein verflüssigtes Edelgas, insbesondere flüssiges Argon oder flüssiges Helium. Insbesondere Flüssigstickstoff ist zum Kühlen von Apparaturen geeignet, die auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern arbeiten.A liquefied gas is preferably used as the cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied oxygen, liquefied hydrogen, LNG or a liquefied noble gas, in particular liquid argon or liquid helium. Liquid nitrogen in particular is suitable for cooling equipment that works on the basis of high-temperature superconductors.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das supraleitende Element an normalleitenden Stromzuführungen angeschlossen ist und wenigstens eine dieser Stromzuführungen zumindest abschnittsweise innerhalb der flüssiges Kühlmedium führenden Ausgleichsleitung (Flüssigausgleichsleitung) oder innerhalb der Zuleitung an den Wärmetauscher verläuft. Dadurch werden die Stromzuleitungen, über die ein wesentlicher Anteil der Wärme in den Kryostaten eingetragen wird, vom Kühlmedium in der jeweiligen Leitung gekühlt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die wenigstens eine Stromzuführung mit der Ausgleichsleitung und/oder der Zuleitung in indirektem Wärmekontakt stehen, und beispielsweise zwischen einem das Kühlmedium tragenden Rohr und einer thermischen Isolation des Rohres aufgewickelt sein.A particularly advantageous embodiment of the invention provides that the superconducting element is connected to normally conducting power supplies and at least one of these power supplies runs at least in sections within the compensation line (liquid compensation line) carrying the cooling medium or within the supply line to the heat exchanger. As a result, the power supply lines, via which a significant proportion of the heat is introduced into the cryostat, are cooled by the cooling medium in the respective line. As an alternative or in addition to this, the at least one power supply can be in indirect thermal contact with the compensating line and / or the supply line, and can be wound, for example, between a tube carrying the cooling medium and a thermal insulation of the tube.

Als besonders zweckmäßig erweist es sich dabei, die mindestens eine Stromzuführung zumindest abschnittsweise innerhalb der Zuleitung stromauf zum Entspannungsventil, also zwischen Entspannungsventil und dem Vorratsbehälter anzuordnen, wobei sie vom darin befindlichen Flüssigstickgas gekühlt wird/werden.It proves to be particularly expedient to arrange the at least one power supply at least in sections within the feed line upstream of the expansion valve, that is to say between the expansion valve and the storage container, being cooled by the liquid nitrogen gas therein.

Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Entspannungsventil innerhalb des Kryostaten angeordnet ist. In diesem Falle ist es besonders zweckmäßig, die Stromzuleitung stromauf zum Entspannungsventil, jedoch noch innerhalb des Kryostaten anzuordnen.A likewise advantageous embodiment of the invention provides that the expansion valve is arranged inside the cryostat. In this case, it is particularly expedient to arrange the power supply line upstream of the expansion valve, but still within the cryostat.

Das zu kühlende supraleitende Element befindet sich im Innern des Kryostaten und wird im Einsatz der Vorrichtung vom Kühlmedium umspült, steht also in direktem Wärmekontakt mit dem Kühlmedium, oder das supraleitende Element ist außerhalb des Kryostaten angeordnet und steht im Einsatz der Vorrichtung mit dem flüssigen Kühlmedium im Kryostaten über eine Wärmetauscherfläche in indirektem Wärmekontakt.The superconducting element to be cooled is located inside the cryostat and is flushed with the cooling medium when the device is in use, i.e. is in direct thermal contact with the cooling medium, or the superconducting element is arranged outside the cryostat and is in use with the device with the liquid cooling medium Cryostats via a heat exchanger surface in indirect thermal contact.

Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform
2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.

Exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with the aid of the drawings. Schematic views show:

1 : a device according to the invention in a first embodiment
2 : a device according to the invention in a second embodiment.

Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zum Kühlen eines supraleitenden Elements 2 umfasst einen Kryostaten 3 in Gestalt eines thermisch gut isolierten und druckfest ausgebildeten Behälters, in dem das supraleitende Element 2 aufgenommen ist und in dem es während seines Einsatzes auf einer Temperatur unterhalb der supraleitenden Sprungtemperatur des Materials seiner supraleitenden Bauteile gehalten wird. Im Kryostaten 3 steht das supraleitende Element 2 dazu in Wärmekontakt mit einem Kühlmedium, das in einem Vorratsbehälter 4 bevorratet wird.In the 1 shown device 1 for cooling a superconducting element 2 includes a cryostat 3 in the form of a thermally well insulated and pressure-resistant container in which the superconducting element 2 is recorded and in which it is kept at a temperature below the superconducting transition temperature of the material of its superconducting components during its use. In the cryostat 3 stands the superconducting element 2 to do this in thermal contact with a cooling medium in a storage container 4 is stocked.

Beim supraleitenden Element 2 handelt es sich beispielsweise um eine Apparatur mit supraleitenden Bauteilen, beispielsweise ein Kabel, eine Magnetspule, ein Strombegrenzer oder ein Detektor. Das supraleitende Element 2 ist in an sich bekannter und hier nicht weiter interessierender Weise an normalleitenden Stromzuführungen 5, 6, beispielsweise Kabel oder massiven Zuführungen aus einem gut leitenden Material, beispielsweise Kupfer, angeschlossen, die flüssigkeitsdicht durch die Wände des Kryostaten 3 geführt sind.With the superconducting element 2 it is, for example, an apparatus with superconducting components, for example a cable, a magnetic coil, a current limiter or a detector. The superconducting element 2 is in a manner known per se and of no further interest here on normally conducting power supplies 5 . 6 , for example cables or massive feeders made of a highly conductive material, for example copper, are connected, which are liquid-tight through the walls of the cryostat 3 are led.

Beim Vorratsbehälter 4 handelt es sich um einen Behälter, beispielsweise einen mit thermisch gut isolierten Wänden ausgerüsteten Standtank, zum Speichern eines kryogenen Kühlmediums, beispielsweise von verflüssigtem Stickstoff, verflüssigtem Wasserstoff oder einem verflüssigten Edelgas, wie beispielsweise Helium oder Argon.At the storage container 4 it is a container, for example a standing tank equipped with thermally well insulated walls, for storing a cryogenic cooling medium, for example liquefied nitrogen, liquefied hydrogen or a liquefied noble gas, such as helium or argon.

Der Vorratsbehälter 4 ist mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Flüssigausgleichsleitung 8 verbunden, die an einem Flüssiganschluss 9 des Vorratsbehälters 4 angeschlossen ist. Über diesen steht der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden flüssigen Phase 10 des Kühlmediums in Strömungsverbindung.The reservoir 4 is with the interior 7 of the cryostat 3 via a liquid compensation line 8th connected to a fluid connector 9 of the storage container 4 connected. The interior is above this 7 of the cryostat 3 with one in the storage container 4 present liquid phase 10 of the cooling medium in flow connection.

Anstelle oder ergänzend zur Flüssigausgleichsleitung 8 kann der Innenraum 7 des Kryostaten 3 über eine Gasausgleichsleitung 11 mit einem Gasanschluss 12 des Vorratsbehälters 4 verbunden und somit mit einer im Vorratsbehälter 4 vorliegenden Gasphase 13 des Kühlmediums strömungsverbunden sein.Instead of or in addition to the liquid compensation line 8th can the interior 7 of the cryostat 3 via a gas compensation line 11 with a gas connection 12 of the storage container 4 connected and thus with one in the storage container 4 present gas phase 13 of the cooling medium be connected to the flow.

An einer Verzweigungsstelle 14 zweigt stromab zum Flüssiganschluss 9 von der Flüssigausgleichsleitung 8 eine Kühlmediumsleitung 15 ab. Die Kühlmediumsleitung 15 ist durch eine Wand des Kryostaten 3 flüssigkeitsdicht hindurchgeführt und mündet in einen Wärmetauscher 16 ein. Beim Wärmetauscher 16 handelt es sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Behälter, der innerhalb des Kryostaten 3 angeordnet ist, jedoch nicht mit dem Innenraum 7 in Strömungsverbindung steht. Der Wärmetauscher 16 ist mit thermisch gut leitenden Wänden ausgerüstet, die als Wärmetauscherfläche 14 zum thermischen Kontakt mit dem Innenraum 7 wirken. Anstelle einer solchen Ausgestaltung können im Übrigen auch andere Formen von Wärmetauschern zum Einsatz kommen, beispielsweise eine oder mehrere Rohrschlange/n oder eine oder mehrere durch das Innere des Kryostaten 3 geführte Röhre/n. Wesentlich ist dabei jedoch stets, dass zwischen den Röhren oder der Kühlschlange zwar eine thermische Verbindung, jedoch keine Strömungsverbindung mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 besteht.At a junction 14 branches downstream to the liquid connection 9 from the liquid compensation line 8th a cooling medium line 15 from. The cooling medium line 15 is through a wall of the cryostat 3 passed liquid-tight and ends in a heat exchanger 16 on. At the heat exchanger 16 is the in 1 Embodiment shown around a container inside the cryostat 3 is arranged, but not with the interior 7 is in flow connection. The heat exchanger 16 is equipped with thermally well-conductive walls that act as a heat exchanger surface 14 for thermal contact with the interior 7 Act. Instead of such a configuration, other forms of heat exchangers can also be used, for example one or more tube coils or one or more through the interior of the cryostat 3 guided tube (s) However, it is always essential that there is a thermal connection between the tubes or the cooling coil, but no flow connection to the interior 7 of the cryostat 3 consists.

Stromauf zum Wärmetauscher 16 ist in der Kühlmediumsleitung 15 ein Entspannungsventil (Druckreduzierventil) 17 angeordnet. Aus einem oberen Abschnitt des Wärmetauschers 16 mündet eine Gasabzugsleitung 18 aus, die gasförmiges Kühlmedium aus dem Wärmetauscher 16 beispielsweise in die Umgebungsatmosphäre abgibt oder in ein hier nicht gezeigtes Rückleitungssystem, in dem ein geringerer Druck als im Vorratsbehälter 4 herrscht.Upstream to the heat exchanger 16 is in the coolant line 15 a relief valve (pressure reducing valve) 17 arranged. From an upper section of the heat exchanger 16 opens a gas exhaust line 18th out, the gaseous cooling medium from the heat exchanger 16 emits, for example, into the surrounding atmosphere or into a return line system, not shown here, in which the pressure is lower than in the storage container 4 prevails.

Vor der Inbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird zunächst der Innenraum 7 des Kryostaten 3 mit flüssigem Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 befüllt. Das flüssige Kühlmedium bildet somit ein Kühlbad, das das supraleitende Element 2 und den Wärmetauscher 16 umspült. Um einen Druckausleich zwischen Kryostat 2 und Vorratsbehälter 4 herzustellen ist das Ventil des Flüssiganschlusses 9 (und/oder, falls ein Ausgleich über die Gasausgleichsleitung 11 erfolgen soll, das Ventil des Gasanschlusses 12) während des Einsatzes der Vorrichtung 1 stets geöffnet. Im Innenraum 7 des Kryostaten 3 liegt also ein im wesentlicher gleicher Druck vor wie im Vorratsbehälter 4. Durch den thermischen Kontakt mit dem im Kryostaten 3 vorliegenden flüssigen Kühlmedium wird das supraleitende Element 2 auf seine Betriebstemperatur gekühlt.Before starting up the device 1 first the interior 7 of the cryostat 3 with liquid cooling medium from the storage tank 4 filled. The liquid cooling medium thus forms a cooling bath, which is the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 washed around. To equalize the pressure between the cryostat 2 and storage container 4 The valve for the liquid connection is to be manufactured 9 (and / or, if there is compensation via the gas compensation line 11 should be done, the valve of the gas connection 12 ) during the Use of the device 1 always open. In the interior 7 of the cryostat 3 so there is essentially the same pressure as in the reservoir 4 , Due to the thermal contact with that in the cryostat 3 The present liquid cooling medium becomes the superconducting element 2 cooled to its operating temperature.

Über die Kühlmediumsleitung 15 wird flüssiges Kühlmedium aus dem Vorratstank 4 zum Wärmetauscher 16 geleitet, wobei es am Entspannungsventil 17 eine Druckreduzierung erfährt. Im Wärmetauscher 16 liegt das verflüssigte Kühlmedium somit auf einem gegenüber dem Druck im Vorratstank 4 reduzierten Druck vor, und somit auch auf einer gegenüber der Temperatur des Kühlmediums im Vorratstank 4 reduzierten Temperatur. Dadurch kommt es an den als Wärmetauscherflächen wirkenden Wänden des Wärmetauschers 16 zu einem Wärmeintrag aus dem umgebenden Kühlmedium im Kryostaten 2. Dieses kühlt sich dabei ab und wird somit unterkühlt, also auf eine Temperatur unterhalb seiner Gleichgewichtstemperatur gebracht. Im Kryostaten 3 ist das supraleitende Element 2 also von flüssigem, blasenfreien Kühlmedium umgeben. Im Wärmetauscher 16 führt der Wärmeeintrag dazu, dass das flüssige Kühlmedium teilweise verdampft und über die Gasabzugsleitung 18 abgeführt wird. Das verdampfte Kühlmedium wird durch frisches Kühlmedium aus dem Vorratsbehälter 4 ersetzt.Via the coolant line 15 becomes liquid cooling medium from the storage tank 4 to the heat exchanger 16 passed, being at the relief valve 17 undergoes a pressure reduction. In the heat exchanger 16 the liquefied cooling medium is therefore at a pressure higher than the pressure in the storage tank 4 reduced pressure before, and thus on a compared to the temperature of the cooling medium in the storage tank 4 reduced temperature. This causes the walls of the heat exchanger to act as heat exchanger surfaces 16 to heat input from the surrounding cooling medium in the cryostat 2 , This cools down and is thus supercooled, i.e. brought to a temperature below its equilibrium temperature. In the cryostat 3 is the superconducting element 2 So surrounded by liquid, bubble-free cooling medium. In the heat exchanger 16 the heat input causes the liquid cooling medium to evaporate partially and via the gas exhaust line 18th is dissipated. The evaporated cooling medium is replaced by fresh cooling medium from the storage container 4 replaced.

Um das Kühlmedium im Wärmetauscher 16 auf eine möglichst geringe Temperatur zu bringen, kann in der Gasabzugsleitung eine Vakuumpumpe 19 angeordnet sein, mittels der der Druck in der Gasabzugsleitung 18, und damit im Wärmetauscher 14, auf einen Wert unterhalb von 1 bar, beispielsweise 100-200 mbar gebracht werden kann.To the cooling medium in the heat exchanger 16 A vacuum pump can be used to bring the temperature to the lowest possible level 19 be arranged by means of which the pressure in the gas discharge line 18th , and thus in the heat exchanger 14 , can be brought to a value below 1 bar, for example 100-200 mbar.

Im Falle einer plötzlichen Wärmeentwicklung, beispielsweise bei einem Quenchen des supraleitenden Elements 2, erfolgt zunächst eine Temperaturerhöhung des im Innenraum 7 vorliegenden Kühlmediums. Wird dabei die Siedetemperatur überschritten, verdampft ein Teil des Kühlmediums im Kryostaten 3, mit der Folge eines Druckanstiegs im Kryostaten 3. Über die stets offene/n Flüssigausgleichsleitung 8 und/oder Gasausgleichsleitung 11 führt dies zu einem Transport von Kühlmedium in den Vorratsbehälter 4, der insofern als Ausgleichsbehälter wirkt. Nach dem Ende des Wärmeeintrags, beispielsweise nach der Wiederherstellung des supraleitenden Zustands, wird das Kühlmedium im Innenraum 7 des Kryostaten 3 durch den Wärmekontakt am Wärmetauscher 14 rasch wieder auf seine vorherige Betriebstemperatur abgekühlt.In the event of a sudden generation of heat, for example when the superconducting element is quenched 2 , there is first an increase in the temperature of the interior 7 present cooling medium. If the boiling temperature is exceeded, part of the cooling medium evaporates in the cryostat 3 , with the consequence of an increase in pressure in the cryostat 3 , Via the always open liquid compensation line 8th and / or gas compensation line 11 this leads to a transport of cooling medium into the storage container 4 , which acts as an expansion tank. After the end of the heat input, for example after the superconducting state has been restored, the cooling medium becomes in the interior 7 of the cryostat 3 through the heat contact on the heat exchanger 14 quickly cooled down to its previous operating temperature.

Die in 2 gezeigte Vorrichtung 20 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 lediglich durch eine andere Anordnung des supraleitenden Elements 2 und des Wärmetauschers 16 gegenüber dem Kryostaten 3. Gleich wirkende Bestandteile sind daher bei der in 2 gezeigten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie bei der Ausführungsform nach 1.In the 2 shown device 20th differs from the device 1 only by a different arrangement of the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 towards the cryostat 3 , Identical components are therefore in the in 2 shown embodiment with the same reference numerals as in the embodiment of 1 ,

Im Unterschied zur Vorrichtung 1 sind bei der Vorrichtung 20 das supraleitende Element 2 und der Wärmetauscher 16 nicht innerhalb des Kryostaten 3 aufgenommen, sondern befinden sich außerhalb des Kryostaten 3. Der Wärmetauscher 16 steht über eine Wärmetauscherfläche 21, beispielsweise ein gemeinsamer, gut wärmeleitender Wandabschnitt, mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Ebenso steht das supraleitende Element 2 an einer Wärmetauscherfläche 22 mit dem Innenraum 7 des Kryostaten 3 in Wärmeverbindung. Im Übrigen sind bei dieser Ausgestaltung sowohl der Wärmetauscher 16 als auch das supraleitende Element mit thermisch gut isolierenden Wänden ausgerüstet.
Die Kühlung des supraleitenden Elements 2 sowie die Unterkühlung des im Innenraum 7 des Kryostaten 3 vorliegenden Kühlmediums erfolgt also durch Wärmeleitung über die Wärmetauscherflächen 21, 22.In contrast to the device 1 are with the device 20th the superconducting element 2 and the heat exchanger 16 not within the cryostat 3 recorded, but are located outside the cryostat 3 , The heat exchanger 16 stands over a heat exchanger surface 21 , for example a common, good heat-conducting wall section with the interior 7 of the cryostat 3 in heat connection. The superconducting element also stands 2 on a heat exchanger surface 22 with the interior 7 of the cryostat 3 in heat connection. Incidentally, in this embodiment, both the heat exchanger 16 as well as the superconducting element with thermally well insulating walls.
The cooling of the superconducting element 2 as well as the hypothermia in the interior 7 of the cryostat 3 Cooling medium is thus carried out by conduction via the heat exchanger surfaces 21 . 22 ,

Im Übrigen ist es selbstverständlich auch möglich, nur einen der Gegenstände 2, 16 innerhalb des Kryostaten 3 und den jeweils anderen Gegenstand 16, 2 außerhalb des Kryostaten 3, jedoch mit diesem über eine Wärmetauscherfläche verbunden, anzuordnen.Incidentally, it is of course also possible to only use one of the objects 2 . 16 inside the cryostat 3 and the other object 16 . 2 outside the cryostat 3 , but connected to it via a heat exchanger surface.

In einer weiteren Variante der Vorrichtungen 1, 20 kann mindestens eine der Stromzuführungen 5, 6 innerhalb der Flüssig-Ausgleichsleitung 8 oder der Kühlmediumsleitung 15 verlaufen oder mit diesen in indirektem thermischen Kontakt stehen, um die Stromzuführung mit dem dort vorliegenden Kühlmedium zu kühlen. Dies ist jedoch in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist.In a further variant of the devices 1 . 20th can have at least one of the power leads 5 . 6 within the liquid compensation line 8th or the coolant line 15 run or are in indirect thermal contact with them in order to cool the power supply with the cooling medium present there. However, this is not shown in the drawings for reasons of clarity.

BezugszeichenlisteReference list

1.1.: Vorrichtungcontraption
2.Second: Supraleitendes ElementSuperconducting element
3.Third: KryostatCryostat
4.4th: VorratsbehälterStorage container
5.5th: StromzuführungPower supply
6.6th: StromzuführungPower supply
7.7th: Innenrauminner space
8.8th.: FlüssigausgleichsleitungLiquid compensation line
9.9th: FlüssiganschlussFluid connection
10.10th: Flüssige PhaseLiquid phase
11.11th: GasausgleichsleitungGas balance line
12. 12th: GasanschlussGas connection
13.13th: GasphaseGas phase
14.14th: WärmetauscherflächeHeat exchanger surface
15.15th: KühlmediumsleitungCoolant medium line
16.16th: WärmetauscherHeat exchanger
17.17th: EntspannungsventilRelief valve
18.18th: GasabzugsleitungGas exhaust line
19.19th: VakuumpumpeVacuum pump
20.20th: Vorrichtungcontraption
21.21st: WärmetauscherflächeHeat exchanger surface
22.22.: WärmetauscherflächeHeat exchanger surface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3017238 A1 [0005]
US 6732536 B1 [0005]
WO 2007/005091 A1 [0005]
EP 1850354 A1 [0005]
US 2006/0150639 A1 [0005]

Claims

Device for cooling a superconducting element (2), with a cryostat (3) which is designed as a closed pressure container and is flow-connected via a compensating line (8, 11) to a storage container (4) for a cryogenic cooling medium and is thermally connected to the superconducting element, characterized in that the cryostat (3) is thermally connected to a heat exchanger surface (14, 21) with a heat exchanger (16) which is flow-connected to the storage container (4) via a supply line (15) equipped with an expansion valve (17) and has a gas discharge line (18) for discharging evaporated cooling medium.

Device after Claim 1 , characterized in that the heat exchanger (16) is arranged within the cryostat (3).

Device after Claim 1 or 2 , characterized in that a vacuum pump (19) is arranged in the gas discharge line (18).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compensating line (8, 11) connects the cryostat (3) with a liquid phase (10) present in the storage container (4) and / or with a gas phase present in the storage container (4) (13) produces.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a cryogenic liquefied gas, such as liquefied nitrogen, liquefied oxygen, liquefied hydrogen or a liquefied noble gas, is used as the cooling medium.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting element (2) is connected to normally conducting power supply lines (5, 6) and at least one of the power supply lines (56) at least in sections within the compensating line (8) and / or within the supply line ( 15) runs and / or is in indirect thermal contact with the supply line (15) and / or the compensating line (8).

Device after Claim 6 , characterized in that the at least one power supply (5, 6) extends at least in sections within the feed line (15) upstream of the expansion valve (17).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion valve (17) is arranged within the cryostat (3).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting element (2) is accommodated in the interior (7) of the cryostat (3) and is in direct thermal contact with the cooling medium in the cryostat (3) or arranged outside the cryostat (3) and is in indirect thermal contact with the cooling medium in the cryostat (3) via a heat exchanger surface (22).