Wacker, Bernd (Haundorferstrasse 2A Herzogenaurach, 91074, DE)
| 1. | Kryostat für elektrische Apparate wie supraleitende Strombegrenzer und elektrische Maschinen wie Transfor matoren, Motoren, Generatoren und elektrische Magnete mit supraleitender Wicklung, in dessen Innenraum (3) ein Kältemittel mit niedriger, insbesondere kryogener Temperatur, z. B. von 77K, ein Kryobad (4) für supralei tende Strombegrenzer (2) und/oder supraleitende Wick lungen ausbildet und der Stromdurchführungen (5,6) aufweist, mittels denen Strom von einem Niveau hoher Temperatur, z. B. Raumtemperatur, auf ein Niveau niedri ger, insbesondere kryogener Temperatur, z. B. 77K, und umgekehrt leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ei ner, vorzugsweise jeder Stromdurchführung (5,6) des Kryostaten (1) eine Wärmetauschvorrichtung (13) zuge ordnet ist, mittels der der Eintrag von Wärmeenergie aus der Umgebung in den Innenraum (3) des Kryostaten (1) über die jeweilige Stromdurchführung (5,6) redu zierbar ist. |
| 2. | Kryostat nach Anspruch 1, bei dem jede Wärmetauschvor richtung (13) eine Rohrwendel (20) aufweist, die an der Stromdurchführung (5,6) an deren in den Innenraum (3) des Kryostaten (1) vorstehenden Abschnitt angeordnet ist, der sich zwischen einem Spiegel (19) des Kryobades (4) und einer Isolierschicht (29) bzw. einem Kryostat deckel (18) befindet. |
| 3. | Kryostat nach Anspruch 2, bei dem die Rohrwendel (20) den in den Innenraum (3) des Kryostaten (1) vorstehen den Abschnitt der Stromdurchführung (5,6) in dessen Umfangsrichtung in unmittelbarer Anlage umgibt, so daß ein guter thermischer Kontakt mit einem Leiter (12) der Stromdurchführung (5,6) vorliegt. |
| 4. | Kryostat nach Anspruch 2 oder 3, bei dem sich die Rohr wendel (20) jeder Wärmetauschvorrichtung (13) am in den Innenraum (3) des Kryostaten (1) vorstehenden Abschnitt der Stromdurchführung (5,6) von der Innenseite (17) des Kryostatdeckels (18) des Kryostaten (1) bzw. von der Unterseite der Isolierschicht (29) bis kurz ober halb des Spiegels (19) des Kryobades (4) erstreckt. |
| 5. | Kryostat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem ein Kühlmittelzulauf (21) der Rohrwendel (20) der Wärme tauschvorrichtung (13) zum dem Kryobad (4) zugewandten Ende der Rohrwendel (20) oberhalb des Spiegels (19) des Kryobades (4) seitlich in den Kryostaten (1) oder durch den Kryostatdeckel (18) in den Kryostaten (1) hineinge führt ist. |
| 6. | Kryostat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem ein Kühlmittelzulauf (25) der Rohrwendel (20) der Wärme tauschvorrichtung (13) zum dem Kryobad (4) zugewandten Ende der Rohrwendel (20) durch die Stromdurchführung (5,6) geführt ist. |
| 7. | Kryostat nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem ein Kühlmittelablauf (22) der Rohrwendel (20) der Wärme tauschvorrichtung (13) vom dem Kryobad (4) abgewandten Ende der Rohrwendel (20) durch die Stromdurchführung (5,6) geführt ist. |
| 8. | Kryostat nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem als Kühlmittel (23) für die Rohrwendel (20) der Wärme tauschvorrichtung (13) Flüssigsauerstoff, Flüssigwas serstoff oder Füssigerdgas eingesetzt wird. |
| 9. | Kryostat nach Anspruch 8, der an Bord von Unterwasser schiffen eingesetzt wird und bei dem der als Kühlmittel (23) für die Rohrwendel (20) der Wärmetauschvorrichtung (13) eingesetzte Flüssigsauerstoff aus an Bord des Un terwasserschiffes zum Betrieb von Brennstoffzellenanla gen vorhandenen Flüssigsauerstofftanks entnommen wird. |
| 10. | Kryostat nach Anspruch 9, bei dem der als Kühlmittel (23) für die Rohrwendel (20) der Wärmetauschvorrichtung (13) eingesetzte Flüssigsauerstoff einen Sauerstoff teilstrom des der Brennstoffzellenanlage des Unterwas serschiffs verdampf und vorgewärmt zuzuführenden Sauer stoffs bildet. |
| 11. | Kryostat nach Anspruch 10, bei dem der die Rohrwendel (20) der Wärmetauschvorrichtung (13) verlassende gas förmige Sauerstoff mittels eines Gaskompressors der Brennstoffzellenanlage des Unterwasserschiffs ansaugbar ist. |
| 12. | Kryostat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Wärmetauschvorrichtung (13) der Stromdurchführung (5, 6) einen am außerhalb des Kryostaten (1) angeordneten Abschnitt der Stromdurchführung (5,6) angeordneten Wärmetauscher (26) aufweist. |
| 13. | Kryostat nach Anspruch 12, bei dem der außerhalb des Kryostaten (1) angeordnete Wärmetauscher (26) als Was serwärmetauscher ausgebildet ist. |
| 14. | Kryostat nach Anspruch 12, bei dem der außerhalb des Kryostaten (1) angeordnete Wärmetauscher (26) als Wär metauscher mit eine kryogenen Flüssigkeit ausgebildet ist. |
| 15. | Kryostat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem zu mindest zwei (5,6), vorzugsweise alle vorhandenen Stromdurchführungen (5,6) von einer Wärmetauschvor richtung (13) umfaßt sind. |
| 16. | Kryostat nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem zumindest zwei (5,6), vorzugsweise alle vorhandenen Stromdurchführungen (5,6) von einem Wärmetauscher (26) umfaßt sind. |
77K, und umgekehrt leitbar ist.
Die Stromdurchführungen eines derartigen Kryostaten sind üb- licherweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.
Metallische Werkstoffe haben üblicherweise sowohl eine gute elektrische als auch eine gute thermische Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu der guten elektrischen Leitfähigkeit ist die gute thermische Leitfähigkeit beim Einsatz für Stromdurchfüh- rungen höchst unerwünscht, da eine hohe thermische Leitfähig- keit den Wärmeeintrag in den Innenraum des Kryostaten zur Folge hat. Darüber hinaus wird in den Stromdurchführungen bei Stromfluß weitere Wärme wegen der endlichen elektrischen Leitfähigkeit des in der Stromdurchführung vorhandenen elekt- rischen Leiters und der damit verbundenen ohmschen Wärme er- zeugt.
Aus den vorstehend erwähnten Gründen sind die Stromdurchfüh- rungen die Hauptverursacher von Wärmeeinträgen in Kryostaten.
Die derart in den Kryostat eingebrachten Verluste müssen mit einer Kälteerzeugungsanlage kompensiert werden, um die Funk-
tionsfähigkeit des Kryostaten langfristig aufrecht zu erhal- ten. Derartige Refrigeratoren bzw. Kälteerzeugungsanlagen ar- beiten physikalisch bedingt mit einem schlechten Carnot-Wir- kungsgrad COP ; dieser Carnot-Wirkungsgrad COP beträgt bei Refrigeratoren bzw. Kälteerzeugungsanlagen im für das techni- sche Gebiet der vorliegenden Erfindung interessanten Kälte- leistungsbedarf von ca. 100W bis 1000W Kälteleistung zwischen 5 und 20 %. Für jedes Watt Kälteleistung müssen daher u. U. beispielsweise 20 Watt elektrische Leistung aufgewendet wer- den.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs ge- schilderten Kryostaten derart weiterzubilden, daß der Wärme- eintrag in den Innenraum des Kryostaten reduziert wird, so daß Kälteerzeugungsanlagen bzw. Refrigeratoren mit geringerer Leistung verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer, vorzugsweise jeder Stromdurchführung des Kryostaten eine Wär- metauschvorrichtung zugeordnet ist, mittels der der Eintrag von Wärmeenergie aus der Umgebung in den Innenraum des Kry- ostaten über die jeweilige Stromdurchführung reduzierbar ist.
Mittels jeweils einer Wärmetauschvorrichtung je Stromdurch- führung kann der Wärmeeintrag in das Kryobad des Kryostaten, das beispielsweise durch flüssigen Stickstoff mit einer Tem- peratur von 77K bei einem Druck von 1 bar gebildet wird, so stark reduziert werden, daß der Refrigerator bzw. die Kälte- erzeugungsanlage erheblich kleiner dimensioniert werden kann.
Der erforderliche elektrische Leistungsbedarf wie auch der Kühlwasserbedarf zur Kühlung des Refrigerators bzw. der Käl- teerzeugungsanlage werden erheblich reduziert.
Vorteilhaft weist jede Wärmetauschvorrichtung eine Rohrwendel auf, die an der Stromdurchführung an deren in den Innenraum des Kryostaten vorstehendem Abschnitt angeordnet ist, der sich zwischen einem Spiegel des Kryostatbades und einer Iso- lierschicht bzw. einem Kryostatdeckel befindet, wobei zweck-
mäßigerweise die Rohrwendel den in den Kryostaten vorstehen- den Abschnitt der Stromdurchführung in dessen Umfangsrichtung in unmittelbarer Anlage umgibt, so daß ein guter thermischer Kontakt mit einem Leiter der Stromdurchführung hergestellt wird.
Da das für die Rohrwendel der Wärmetauschvorrichtung zur Ver- fügung stehende Kühlmittel üblicherweise eine Temperatur auf- weist, die über dem Siedepunkt des das Kryobad bildenden flüssigen Stickstoffs liegt, erstreckt sich die Rohrwendel jeder Wärmetauschvorrichtung am in den Innenraum des Kryosta- ten vorstehenden Abschnitt der Stromdurchführung von der In- nenseite des Kryostatdeckels des Kryostaten bzw. von der Un- terseite der Isolierschicht bis kurz oberhalb des Spiegels des Kryobades. Hierdurch wird der für die Anordnung der Rohr- wendel zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt, wobei jedoch vermieden ist, daß die Rohrwendel in unmittelbaren Kontakt mit dem Kryobad kommt.
Eine mechanisch-konstruktiv einfache Ausgestaltung der Rohr- wendel bzw. ihres Kühlmittelzulaufs ist erreichbar, wenn letzterer zum dem Kryobad zugewandten Ende der Rohrwendel oberhalb des Spiegels des Kryobades seitlich in den Kryosta- ten oder durch den Kryostatdeckel in den Kryostaten hineinge- führt ist.
Alternativ kann der Kühlmittelzulauf der Rohrwendel zum dem Kryobad zugewandten Ende der Rohrwendel durch die Stromdurch- führung geführt werden.
Der Kühlmittelablauf der Rohrwendel ist zweckmäßigerweise vom dem Kryobad abgewandten Ende der Rohrwendel durch die Strom- durchführung nach außen geführt.
Der für die Rohrwendel benötigte Flüssigsauerstoff wird prak- tisch nur durch die Rohrwendel hindurch geleitet, wobei kein direkter Kontakt zwischen dem Sauerstoff und der Apparatur
des Kryostaten besteht. Mechanische Schnittstellen sind auf das Geringfügigste reduziert ; in der kryogenen Apparatur des Kryostats wird kein Sauerstoff verbraucht.
Als Kühlmittel für die Rohrwendel der Wärmetauschvorrichtung kann zweckmäßigerweise Flüssigsauerstoff, Flüssigwasserstoff oder Flüssigerdgas eingesetzt werden.
Die Anwendung von Flüssigsauerstoff ist besonders an Bord von Unterwasserschiffen zweckmäßig, da dort üblicherweise zum Be- trieb von Brennstoffzellenanlagen Flüssigsauerstofftanks oh- nehin vorhanden sind. In den in Flüssigsauerstofftanks, die als Isolierbehälter in Form von Isoliertanks oder Dewars üb- licherweise ausgebildet sind, gelagerten Flüssigsauerstoff wurde bereits vor dessen Verbringung an Bord des Unterwasser- schiffes Energie zur Verflüssigung aufgewendet. Wird diese Energie nun zur Entwärmung an anderer Stelle, nämlich an den Stromdurchführungen des Kryostaten, genutzt, so kann die zum Kryostaten gehörige Kälteerzeugungsanlage bzw. der zum Kryo- staten gehörige Refrigerator kleiner ausgelegt werden. Hier- durch können als Kälteerzeugungsanlagen bzw. Refrigeratoren für den Kryostaten marktübliche Geräte mit Kälteleistungen eingesetzt werden, die geringer als 100W bei einer kryogenen Temperatur von 77K betragen.
Vorteilhaft bildet der als Kühlmittel für die Rohrwendel der Wärmetauschvorrichtung eingesetzte Flüssigsauerstoff einen Sauerstoffteilstrom des der Brennstoffzellenanlage des Unter- wasserschiffs verdampft und vorgewärmt zuzuführenden Sauer- stoffs.
Der die Rohrwendel der Wärmetauschvorrichtung verlassende gasförmige Sauerstoff kann zweckmäßigerweise mittels eines Gaskompressors der Brennstoffzellenanlage des Unterwasser- schiffs angesaugt werden.
Um die Temperatur der externen an die Stromdurchführung ange- schlossenen Sammelschiene bzw. Leitung von bis zu 80 °C bei Vollast zu verringern und bei Leerlauf-kein Strom-höchs- tens so zu erwärmen, daß keine Kondensation mit Vereisung auftritt, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten am außerhalb des Kryostaten angeordneten Abschnitt der Stromdurchführung ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen.
Der außerhalb des Kryostaten angeordnete Wärmetauscher ist zweckmäßigerweise als Wasserwärmetauscher bzw. Wasserkühler ausgebildet.
Alternativ kann der außerhalb des Kryostaten angeordnete Wär- metauscher auch als Wärmetauscher mit einer kryogenen Flüs- sigkeit ausgebildet sein, wobei er dann den innerhalb des Kryostaten angeordneten Wärmetauscher teilweise oder voll- ständig ersetzen kann. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch besondere Maßnahmen gegen Vereisung zu treffen.
Zumindest zwei oder vorzugsweise sämtliche Stromdurchführun- gen können innerhalb und/oder außerhalb des Kryostaten von einer ihnen gemeinsamen Wärmetauschvorrichtung bzw. einem ihnen gemeinsamen Wärmetauscher umfaßt sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen : FIGUR 1 eine Prinzipdarstellung eines mit einem erfindungsgemäßen Kryostaten ausgerüsteten Strombegrenzers ; FIGUR 2 in Prinzipdarstellung eine erste Ausführungsform einer Wärmetauschvorrichtung einer Stromdurch- führung des erfindungsgemäßen Kryostaten ; FIGUR 3 ein Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungs-
form der Wärmetauschvorrichtung der Stromdurch- führung des erfindungsgemäßen Kryostaten ; und FIGUR 4 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungs- form der Wärmetauschvorrichtung der Stromdurch- führung des erfindungsgemäßen Kryostaten.
Ein anhand der FIGUREN 1 bis 4 näher dargestellter erfin- dungsgemäßer Kryostat 1 ist bei der in FIGUR 1 dargestellten Ausführungsform einem supraleitenden Strombegrenzer 2 zuge- ordnet.
Im Kryostaten 1 bzw. in dessen Innenraum 3 ist ein Kryobad 4 aus-im dargestellten Ausführungsbeispiel-flüssigem Stick- stoff vorhanden. Der Kryostat 1 kann doppelwandig ausgeführt sein und eine Vakuumisolation aufweisen.
Im Kryobad 4 des Kryostaten sind die eigentlichen Funktions- elemente des supraleitenden Strombegrenzers 2 eingetaucht.
Der das Kryobad 4 bildende flüssige Stickstoff hat eine Tem- peratur von ca. 77K bei ca. 1 bar.
Der supraleitende Strombegrenzer 2 ist über Stromdurchführun- gen 5,6 an eine außerhalb des Kryostaten 1 angeordnete elektrische Leitung angeschlossen, die üblicherweise von Raumtemperatur umgeben ist.
Zur Kühlung des im Kryostaten 1 vorhandenen Kryobads 4 bzw. des dieses bildenden flüssigen Stickstoffs wird eine Kälte- erzeugungsanlage bzw. ein Refrigerator 7 eingesetzt. Zum Refrigerator 7 gehört ein geschlossener Kühlkreislauf, wobei innerhalb des Kryostaten 1 verdampfter gasförmiger Stickstoff an einem Kondensator 30 eines Kaltkopfes 9 des Refrigeratoren 7 rekondensiert ; hierdurch ist es nicht erforderlich, im Normalbetrieb Kältemittel in Form von flüssigem Stickstoff (LN2) nachzufüllen. Der Refrigerator 7 hat neben dem Kaltkopf 9 einen Heliumverdichter 10. Der Heliumverdichter 10 versorgt den Kaltkopf 9 durch einen Vor-und Rücklaufdruckleitungen
aufweisenden Kreislauf 8 mit flüssigem Helium. Innerhalb des Kryostaten 1 wird verdampfter Stickstoff am Kondensator 30 des Kaltkopfes 9, der in den Kryostaten 1 hineinragt, rekon- densiert. Die Kühlung des Heliumverdichters 10 erfolgt mit- tels eines Kühlwasserkreislaufs 11, dessen Kühlwasser bei- spielsweise von einem Zwischenkühlsystem eines Unterwasser- schiffes zur Verfügung gestellt werden kann.
Wesentlich für die kapazitive Auslegung der Kälteleistung der Kälteerzeugungsanlage bzw. des Refrigerators 7 sind diejeni- gen Wärmemengen, die durch die beiden Stromdurchführungen 5, 6 in den Innenraum 3 des Kryostaten 1 eingebracht werden. Da der Temperaturunterschied zwischen der die elektrische Lei- tung bzw. Stromzuführung 5,6 umgebenden Raumtemperatur und der Temperatur des flüssigen Stickstoffs im Kryobad 4 be- trächtlich sind, können diese Wärmemengen sehr hoch sein.
Die Stromdurchführungen 5,6 sind üblicherweise aus metalli- schen Werkstoffen hergestellt und haben somit sowohl eine gute elektrische als auch eine gute thermische Leitfähigkeit.
Im Gegensatz zur guten elektrischen Leitfähigkeit ist die gute thermische Leitfähigkeit der Stromdurchführungen 5,6 nachteilig für die Aufrechterhaltung des Niveaus des Kryobads 4, da der Wärmeeintrag zur Verdampfung des flüssigen Stick- stoffs führt, der wieder verflüssigt werden muß. Weitere Wärme wird mittels der Stromdurchführungen 5,6 bei Stromfluß wegen der endlichen elektrischen Leitfähigkeit der in den Stromdurchführungen 5,6 vorgesehenen Leiter 12 und damit verbundener ohmscher Wärme erzeugt.
Um den Wärmeeintrag durch die Stromdurchführungen 5,6 in das Kryobad 4 des Kryostaten 1 zu minimieren, ist jede Strom- durchführung 5,6, wie sich aus FIGUR 2 ergibt, mit einer Wdrmetauschvorrichtung 13 versehen. Die Stromdurchführung 5 wird vom Leiter 12 durchsetzt und hat ein äußeres Endterminal 14, welches von Raumtemperatur umgeben ist, sowie ein inneres Endterminal 15, welches von der kryogenischen Temperatur um-
geben ist. Der Leiter 12 der Stromdurchführung 5 ist von ei- nem Isolator 16 umgeben.
Die Stromdurchführung 5 hat einen außerhalb des Kryostaten 1 und einen in den Kryostaten 1 hineinragenden Abschnitt.
Der in den Kryostaten 1 hineinragende Abschnitt der Strom- durchführung 5 erstreckt sich von der Innenseite 17 des Kryo- statdeckels 18 des Kryostaten bis zum Spiegel 19 des Kryobads 4, oberhalb dem im Kryostaten 1 ein mit gasförmigem Stick- stoff gefüllter Raum sowie eine Isolierschicht 29 vorliegt.
Die Isolierschicht 29 des Kryostaten 1 ist beispielsweise aus einem thermischen Isolierwerkstoff, wie beispielsweise Styren-Schaum ausgebildet.
Bei der in FIGUR 2 gezeigten Ausführungsform liegt die Wärme- tauschvorrichtung 13 in Form einer Rohrwendel 20 vor, die in unmittelbarer Kontaktanlage des Leiters 12 der Stromdurchfüh- rung 5 sich in Umfangsrichtung erstreckt und von der Isolier- schicht 29 unterhalb des Kryostatdeckels 18 des Kryostaten bis in einen Bereich knapp oberhalb des Spiegels 19 des Kryo- bades 4 reicht. Am unteren Ende der Rohrwendel 20 ist diese über einen Kühlmittelzulauf 21 an eine Kühlmittelquelle ange- schlossen. Der Kühlmittelzulauf 21 erstreckt sich vom dem Kryobad 4 zugewandten Ende der Rohrwendel 20 oberhalb des Spiegels 19 des Kryobads 4 durch den Kryostaten 1 und kann z. B. durch den Kryostatdeckel 18 hindurchgeführt werden.
Vom dem unteren Ende der Isolierschicht 29 unterhalb der In- nenseite 17 des Kryostatdeckels 18 des Kryostaten 1 zugeord- neten Ende der Rohrwendel 20 erstreckt sich ein Kühlmittelab- lauf 22 in äußerer Richtung durch die Stromdurchführung 5, durch den das Kühlmittel nach dem Durchlauf durch die Rohr- wendel 20 abgeführt wird.
Das in die Rohrwendel 20 einlaufende Kühlmittel ist in den FIGUREN 2 bis 4 jeweils durch den Pfeil 23 gezeigt, während das aus der Rohrwendel 22 auslaufende Kühlmittel in den ge- nannten FIGUREN jeweils durch den Pfeil 24 gezeigt ist.
Die in FIGUR 3 gezeigte Ausführungform der die Wärmetausch- vorrichtung 13 bildenden Rohrwendel 20 unterscheidet sich von der vorstehend anhand von FIGUR 2 geschilderten dadurch, daß die Rohrwendel 20 einen Kühlmittelzulauf 25 aufweist, der durch die Stromzuführung 5 zum dem Kryobad zugewandten Ende der Rohrwendel 20 geführt ist. Bei der in FIGUR 3 gezeigten Ausführungsform müssen sowohl der Kühlmittelablauf 22 als auch der Kühlmittelzulauf 25 durch die Stromdurchführung 5 geführt werden.
Als in die die Wärmetauschvorrichtung 13 der Stromdurchfüh- rung 5 bildende Rohrwendel 20 eingeführtes Kühlmittel wird im dargestellten Ausführungsbeispiel Flüssigsauerstoff einge- setzt. Dieser Flüssigsauerstoff befindet sich beispielsweise in Flüssigsauerstofftanks zum Betrieb von Brennstoffzellenan- lagen an Bord von Unterwasserschiffen. Der Flüssigsauerstoff hat eine Temperatur von 90,188K bei einem Druck von 1 bar.
Das aus flüssigem Stickstoff bestehende Kryobad 4 hat eine Temperatur von ca. 77,3K bei einem Druck von ca. 1 bar.
Die Flüssigsauerstofftanks haben infolge ihrer thermischen Isolierung eine natürliche Verdampfungsrate. Durch die Ent- nahme von flüssigem oder gasförmigem Sauerstoff aus den Flüs- sigsauerstofftanks kann der Druck im Flüssigsauerstofftank im zulässigen Bereich gehalten werden. Beim Betrieb der Brenn- stoffzellenanlage muß der Flüssigsauerstoff verdampft und vorgewärmt werden.
Somit kann ein Teilstrom des der Brennstoffzellenanlage zuzu- führenden Flüssigsauerstoffs zur Entwärmung der Stromdurch- führungen 5,6 des Kryostaten 1 eingesetzt werden und ent-
sprechend durch den Kühlmittelzulauf 21 bzw. den Kühlmittel- zulauf 25 der Rohrwendel 20 zugeführt werden.
Je höher der erforderliche Strombedarf beim Betrieb der Brennstoffzellenanlage ist, desto mehr Strom fließt durch die Stromzuführungen 5,6 des Kryostaten 1 ; desto mehr Flüssig- sauerstoff muß jedoch auch verbrannt werden. Das heißt, der Massenstrom an Flüssigsauerstoff steigt genauso wie die in den Stromdurchführungen 5,6 abzuführenden Verluste. Mit Nut- zung der Wärmeabfuhr durch den flüssig in die Rohrwendel 20 eintretenden 23 bzw. gasförmig aus der Rohrwendel 20 austre- tenden 23 Sauerstoff kann der Refrigerator 7 bzw. die Kälte- erzeugungsanlage des Kryostaten 1 bedeutend kleiner ausgelegt werden, mit geringerer Leistung betrieben und zeitweise aus- geschaltet werden, wordurch der Elektroenergiekonsum und der Kühlwasserbedarf reduziert wird.
Der Flüssigsauerstoff 23 wird im geschlossenen Kryostaten 1 durch die Rohrwendel 20 geleitet. Wie vorstehend beschrieben, hat die Rohrwendel 20 einen guten thermischen Kontakt mit dem Leiter 12 der Stromdurchführung 5. Der Flüssigsauerstoff wird innerhalb der Rohrwendel 20 erhitzt. Es erfolgt ein Wärme- übergang an ein einphasiges Kühlmittel mit folgender Verdamp- fungskühlung mit Phasenumwandlung. Der danach gasförmige Sau- erstoff wird im Kühlmittelablauf 22 durch die Stromdurchfüh- rung 5 nach außen geleitet. Die Strömung des gasförmigen Sau- erstoffs im Kühlmittelablauf 22 kann z. B. durch einen in der Brennstoffzellenanlage des Unterwasserschiffs vorhandenen Gaskompressor bewerkstelligt werden.
Eine in FIGUR 4 gezeigte Wärmetauschvorrichtung 13 hat neben der Rohrwendel 20 einen zusätzlichen Wasserwärmetauscher 26, der mit Kühlwasser 27 versorgt wird und Warmwasser 28 abgibt.
Der Wasserwärmetauscher bzw. Wasserkühler 26 ist am äußeren Endterminal 14 der Stromdurchführung 5 angebracht. Er hat die Aufgabe, die Temperatur an der äußeren Leitung bzw. Sammel- schiene von bis zu 80 Grad C bei Vollast zu verringern und
bei Leerlauf-kein Strom-höchstens so zu erwärmen, daß keine Kondensation mit Vereisung auftritt. Hierdurch kann der als Kühlmittel der Rohrwendel 20 eingesetzte Flüssigsauer- stoff besser ausgenutzt und ein kleinerer Temperaturgradient über die Länge der Stromdurchführung 5 erreicht werden.
Die Rohrwendel 20 ist innerhalb des Kryostaten 1 oberhalb des Spiegels 19 des Kryobads 4 in dem dort ausgebildeten Gasraum des Kryostaten 1 angeordnet ; sie befindet sich keinesfalls innerhalb des aus flüssigem Stickstoff bestehenden Kryobads 4, weil die Temperatur des Flüssigsauerstoffs oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff liegt.
Da der Wärmeeintrag in das Kryobad hauptsächlich an dem Punkt erfolgt, an dem die Stromzuführung 5 in das Kryobad 4 aus flüssigem Stickstoff eintaucht, ist der kalte Flüssigsauer- stoff möglichst nahe des inneren Endterminals 15 der Strom- durchführung 5 an deren Leiter 12 heranzuführen.
Weiterer Wärmeeintrag in das Kryobad 4 des Kryostaten erfolgt u. a. durch Konvektion im Gasraum des Kryostaten 1 an der Stromdurchführung 5 und sich daraus ergebende Erwärmung des gasförmigen Stickstoffs. Diese Konvektion kann ebenfalls ver- ringert werden, wenn die Temperaturdifferenz dadurch redu- ziert wird, daß die Rohrwendel 20 dort an der Stromdurchfüh- rung 5 angebracht ist.
Da der Flüssigsauerstoff nur durch die Stromdurchführung 5 bzw. die Rohrwendel 20 und deren Kühlmittelzulauf 21 bzw. 25 und Kühlmittelablauf 22 geleitet wird, besteht kein direkter Kontakt zwischen dem Flüssigsauerstoff und der Apparatur des Kryostaten 1. Die mechanischen Schnittstellen können auf das Geringfügigste reduziert werden. Ein Sauerstoffverbrauch durch die Apparatur des Kryostaten 1 findet nicht statt.
Anstelle der Rohrwendel 20 kann auch ein anders gestalteter Wärmetauscher vorgesehen sein, wobei jedoch gesichert werden
muß, daß eine genügend große Wärmetauscherfläche zur Verfü- gung steht.
Anstelle des Wasserwärmetauschers 26 kann am außerhalb des Kryostaten 1 angeordneten Abschnitt der Stromdurchführung 5 ein Wärmetauscher mit kryogener Flüssigkeit vorgesehen sein.
In diesem Fall sind jedoch besondere Maßnahmen gegen Verei- sung zu treffen, z. B. die Evakuierung der Stromdurchführung 5 von außen.
Es sei darauf hingewiesen, daß vorstehend die Wärmetauschvor- richtung 13 im Zusammenhang mit der Stromdurchführung 5 be- schrieben wurde. Dies geschah jedoch lediglich beispielhaft, da eine derartige Wärmetauschvorrichtung 13 an jeder Strom- durchführung des Kryostaten 1 vorgesehen sein kann bzw. ist.
Durch die Anordnung der vorstehend beschriebenen Wärmetausch- vorrichtung 13 an den Stromdurchführungen 5,6 des Kryostaten 1 kann eine erhebliche Reduzierung des Wärmeeintrags in den Kryostaten 1 erzielt werden, wie sich aus folgendem ergibt : Eine übliche Stromdurchführung für 3000A hat beispielsweise Verluste von 50W/kA. Für die hinleitende Stromdurchführung 5 und die rückleitende Stromdurchführung 6 betragen damit die Gesamtverluste ca. 300W. Diese Leistung soll abgeführt wer- den. Die Temperatur des Flüssigsauerstoffs beträgt ca. 90K, die durchschnittliche Temperatur über die Länge des Leiters 12 der Stromdurchführungen 5,6 beträgt 220K. Es wird je Stunde eine maximale Menge von ca. 5kg Flüssigsauerstoff be- nötigt, d. h. je Stromdurchführung 5,6 2,5kg/h. Die benö- tigte Menge Flüssigsauerstoff ist lastabhängig und reduziert sich bei Teillast, d. h. geringerem Strom als Nennstrom durch die HTSL-Apparatur, z. B. den Strombegrenzer oder die elektri- sche Maschine.
Der Wärmestrom kann abgeführt werden, wenn z. B. eine Wärme- tauscherfläche von 3m2 je Stromdurchführung 5,6 bei einem
Wärmedurchgangswiderstand äquivalent zu 1mm dicken Kupfer realisiert wird. Die Wärmetauscherfläche verändert sich bei einem anderen Wärmedurchgangswiderstand. Der Wärmedurchgangs- widerstand verändert sich örtlich mit der dort herrschenden Temperatur. Es wird ein Werkstoff benötigt, welcher einen be- sonders guten Wärmedurchgangswiderstand bei derjenigen Tempe- ratur hat, bei welcher der größte Anteil an Wärmestrom abge- führt werden soll, also z. B. am Ort des Hauptwärmeeintrags in den Kryostaten 1, d. h. an der Stelle, an dem die Stromdurch- führung 5,6 in das aus flüssigem Stickstoff gebildete Kryo- bad 4 eintaucht. Deshalb muß der Temperaturkoeffizient des Werkstoffs beachtet werden.
Der Refrigerator 7 bzw. die Kälteerzeugungsanlage für das vorstehend geschilderte Ausführungsbeispiel müßte an sich eine gesamte Kälteleistung von ca. 340W haben, um sämtliche Verluste aus Stromdurchführungen 5,6, Kryostatverlusten, in- neren Kontaktverlusten usw. abzudecken. Lassen sich die an den Stromdurchführungen 5,6 auftretenden Verluste wie im vorigen Beispiel von 300W anderweitig abführen, so reicht be- reits eine Kälteerzeugungsanlage bzw. ein Refrigerator 7 mit einer Leistung, die deutlich unterhalb von 100W bei einer kryogenen Temperatur im 77K-Bereich liegt. Ein Beispiel für einen anderen Refrigerator bzw. eine andere Kälteerzeugungs- anlage erfordert eine Dimensionierung von ca. 600W Kälteleis- tung bei einer kryogenen Temperatur von 77K, wobei der Anteil der Stromdurchführungen ca. 540W beträgt. Hier reicht dann ebenfalls ein Refrigerator 7 bzw. eine Kälteerzeugungsanlage mit einer Kälteleistung, die unterhalb von 100W bei einer kryogenen Temperatur von 77K liegt. Das bedeutet, daß eine standardisierte Kälteerzeugungsanlage bzw. ein standardisier- ter Refrigerator 7 für alle Unterwasserschiffe mit Brenn- stoffzellenanlagen eingesetzt werden kann, da die Stromdurch- führungen 5,6 immer die Hauptverlustbringer sind.
Als kryogene Flüssigkeiten kommen außer Flüssigsauerstoff noch flüssiger Wasserstoff und flüssiges Erdgas infrage, die für den Betrieb von Brennstoffzellenanlagen jetzt oder zu- künftig eingesetzt werden könnten.