Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung mindestens eine derartige Stromzuführung umfassende Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie sowie ihre Verwendung, insbesondere zur Kühlung und zum Betrieb von Hochtemperatur-Supraleitern bei einer kryogenen Temperatur von 15 K bis 90 K. Andere Anwendungen sind jedoch möglich. Stand der Technik

Eine geschlossene Kühlung auf kryogene Temperaturen von 15 K bis 90 K ist für viele Anwendungen in der Energietechnik, insbesondere von Stromzuführungen für Hochtemperatur-Supraleiter- Anwendungen, von hoher Bedeutung. Wie in T. Kochenburger, Kryogene Gemischkältekreisläufe für Hochtemperatursupraleiter-Anwendungen ,

Doktorarbeit, Karlsruher Institut für Technologie, 2019, ISBN 978-3-8439-3987-4, ausführlicher dargelegt, werden hierfür bevorzugt kryogene Gemischkältekreisläufe verwendet. Insbesondere mit dem Linde-Hampson-Kreisprozess lassen sich kryogene Temperaturen unter 120 K erreichen. Hierbei wird die gewünschte Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht, der eine Temperaturänderung bei adiabatischer, isenthalper Expansion eines realen Fluids beschreibt. Damit eine Abkühlung erzielt werden kann, weist der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient wobei der Term ( — ) eine partielle Ableitung der Temperatur T nach dem Druck p bei konstanter Enthalpie H und damit die Expansion bezeichnet, einen positiven Wert auf. Diese Bedingung ist über einen weiten Zustandsbereich vieler Fluide gegeben oder kann durch Vorkühlung von Fluiden erreicht werden. Da auch bei großen Druckdifferenzen eine Verringerung der Temperatur um mehr als 100 K in der Praxis nicht oder nur mit geringer Effizienz erreichbar ist, wird zur Erzielung kryogener Temperaturen unterhalb von 120 K das Fluid mittels eines inneren Gegenstromwärmeübertragers (Rekuperator) vor dem Entspannen vorgekühlt.

Der Linde-Hampson-Kreisprozess beginnt in einem Verdichter, in dem eine Verdichtung eines fluiden Kältemittels auf einen hohen Druck erfolgt, wobei eine hierdurch entstehende Verdichtungswärme in einem Nachkühler an eine Umgebung des Verdichters abgegeben wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Gegenstromwärmeübertrager abgekühlt. In einer Expansionseinrichtung, vorzugsweise ausgewählt aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterelement, expandiert das Kältemittel adiabatisch auf ein Niederdruck-Niveau und kühlt sich bei gegebenen positiven Joule- Thomson-Koeffizienten \i _JT mittels des Joule-Thomson-Effekts weiter ab. Anschließend kann in einem Verdampfer ein Wärmestrom von einer zu kühlenden Anwendung, insbesondere dem Hochtemperatur-Supraleiter, aufgenommen werden. Abschließend wird das Kältemittel in dem Gegenstromwärmeübertrager wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt, bevor es zurück zum Verdichter fließt. Wird dieser Kreisprozess zur Kühlung von Stromzuführungen oder zur Verflüssigung tiefsiedender Fluide, wie z.B. Wasserstoff, verwendet, wird ein Wärmestrom von der Stromzuführung oder dem abzukühlenden Fluid auch innerhalb des Gegenstromwärmeübertragers von dem Kältemittel aufgenommen.

Um die Effizienz des Linde-Hampson-Kreisprozesses zu verbessern, kann eine hierdurch erfolgte Entropieerzeugung durch Veränderungen im Kreisprozess, z.B. einem Einsatz von mehrstufigen Verdichtungen, mehreren Wärmeübertragern oder Turbinen zur Expansion, verringert werden. Alternativ oder zusätzlich lassen sich thermodynamische Eigenschaften des Kältemittels durch Zugabe mindestens eines weiteren Kältemittels, das eine von dem Kältemittel abweichenden Siedepunkt aufweist, verändern. In einem so genannten „kryogenen Gemischkältekreislauf ‘ wird der Linde-Hampson-Kreisprozess statt mit einem Reinstoff mit einem weitsiedenden Vielkomponentengemisch als Kältemittel betrieben, wobei der Kreisprozess überwiegend in einem Zweiphasengebiet des Gemischs stattfindet. Im Fall, dass der Kreisprozess in Form von mindestens zwei Kühlstufen ausgeführt wird, kann jede Kühlstufe vorzugsweise ein eigenes weitsiedendes Vielkomponentengemisch aufweisen, so dass der Kreisprozess in jeder Kühlstufe überwiegend in einem Zweiphasengebiet des jeweiligen Kältemittelgemischs stattfindet. Dadurch kann das Kältemittelgemisch bereits am warmen Ende seiner Kühlstufe, z.B. in der ersten Kühlstufe in der Nähe der Umgebungstemperatur, seinen Taupunkt erreichen, wobei es anschließend während des Abkühlvorgangs sukzessiv kondensiert und nach dem Passieren des Siedepunkts weiter unterkühlt wird. Die Joule-Thomson-Expansion findet somit teils unterkühlt, teils mit hohen Flüssigkeitsanteilen statt. Durch Wahl der Zusammensetzung des Kältemittelgemisches einer Kühlstufe kann hierbei die effektive Wärmekapazität der Kältemittel ströme der betreffenden Kühl stufe in dem Gegenstromwärmeübertrager derart gesteuert werden, dass sich die Temperaturdifferenz sowohl zwischen den Kältemittel strömen der Kühlstufe, bevorzugt zu einem Kältemittelgemisch mindestens einer weiteren Kühlstufe oder zu einem zu verflüssigenden oder abzukühlenden Gasstrom, bevorzugt über die gesamte Strömungslänge des Gegenstromwärmeübertragers, auf ein Minimum reduziert. Ein weiterer Gesichtspunkt kann der bei einigen Kältemittelgemischen auftretende Zerfall des Fluids in zwei flüssige Phasen sein. Hierbei können sich die beiden flüssigen Phasen durch Polarität, Fluorierungsgrad oder Kettenlänge ihrer Komponenten unterscheiden.

Um eine effiziente Kühlung zu erreichen, können die thermodynamischen Eigenschaften des verwendeten Kältemittelgemischs einer Kühl stufe entsprechend eingestellt werden. Ein effizientes Kältemittelgemisch besitzt einen Taupunkt, der auf Hochdruck-Niveau in der Nähe der Rückkühltemperatur der betreffenden Kühlstufe liegt. Während in der ersten Kühlstufe die Rückkühltemperatur üblicherweise im Bereich der Umgebungstemperatur liegt, liegt in mehrstufigen Prozessen die Rückkühltemperatur einer Kühlstufe im Bereich der durch die isenthalpe Expansion der vorgeschalteten Kühlstufe erzeugten Kühl temperatur. Die Temperatur des Taupunktes einer Kühlstufe lässt sich insbesondere durch Wahl und Anteile von höher siedenden Komponenten für die betreffende Kühlstufe beeinflussen. Die Siedetemperatur des Kältemittelgemischs einer Kühlstufe sollte vorzugsweise auf dem Niederdruck-Niveau knapp unterhalb der Kühltemperatur liegen, um die Entropieerzeugung durch einen hohen Flüssigkeitsanteil bei der Expansion in der Expansionseinrichtung möglichst gering zu halten. Auswahl und Anteile an tiefersiedenden Komponenten haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Siedetemperatur. Um bei den oben angegebenen Temperaturspannen jeweils die gewünschte hohe Effizienz zu erzielen, umfasst das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe somit sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch einer Kühlstufe insgesamt weitsiedend ist. In der Praxis kann das Kältemittelgemisch der ersten Stufe daher bevorzugt etwa vier bis fünf Kältemittel mit höheren Siedepunkten und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Kohlenwasserstoffen und fluorierten Kohlenwasserstoffen, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, und bevorzugt Anteile tiefsiedender Komponenten, insbesondere ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch, das für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Kühlstufe vorgekühlt wird, eingesetzt wird, kann in der Praxis etwa zwei bis vier Kältemittel mit höheren und tieferen Siedepunkten umfassen, bevorzugt ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt sind, wobei jeweils keine Komponenten ausgewählt werden, die bei Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können.

Die Verwendung eines weitsiedenden Kältemittelgemischs ermöglicht es somit, dass das Kältemittelgemisch auf der Hochdruck- Seite eines Gegenstromwärmeübertragers sukzessiv partiell kondensiert, während es auf der Niederdruck-Seite des Gegenstromwärmeüber tragers sukzessive partiell verdampft. Durch Auswahl der Komponenten für das Kälte mittelgemisch und Einstellen ihrer Konzentrationen kann somit ein vorteilhaftes Angleichen von Kapazitätsströmen auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite des Gegenstromwärmeübertragers erfolgen. Die Optimierung der Zusammensetzung des Kältemittelgemischs kann soweit erfolgen, dass die Wärmeübertragung über den gesamten Temperaturbereich bei einer minimalen Temperaturdifferenz DT zwischen den Stoffströmen erfolgen kann, wodurch sich eine erhebliche Effizienzsteigerung erzielen lässt.

Zur Übertragung einer möglichst hohen Leistung Q von der warmen Seite auf die kalte Seite der Kühlstufe kann, basierend auf Wärmeübertragungskinetik gemäß Gleichung (2)

Q = a A AT, (2) wobei a ein Wärmeübergangskoeffizient ist, hergeleitet werden, dass aufgrund einer minimalen Temperaturdifferenz DT ein Gegenstromwärmeübertrager, der eine sehr große Übertragungsfläche A aufweist, bevorzugt ist. Daher wäre es vorteilhaft, einen Gegenstrom wärmeübertrager anzugeben, der über eine möglichst große Übertragungsfläche A verfügt.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Stromzuführungen bekannt, die dazu eingesetzt werden, um elektrische Energie, insbesondere in Form eines elektrischen Stroms, von einer Energiequelle, die sich in einem warmen Bereich der Kühlstufe, insbesondere bei Raumtemperatur, befindet, zu einer Anwendung, die in einem kalten Bereich, insbesondere bei einer kryogenen Temperatur von 15 K bis 90 K angeordnet ist, zu transportieren. Hierbei kann, abhängig von dem verwendeten Kühlungsverfahren, eine Stromzuführung abgas gekühlt oder leistungsgekühlt betrieben werden. In leistungsgekühlten Stromzuführungen erfolgt die Kühlung in der Regel auf einfache, aber ineffiziente Weise nur am kalten Ende, insbesondere mittels eines Kryokühlers oder einer tiefsiedenden Flüssigkeit. Mittels Einsatz einer mehrstufigen Kühlung lässt sich die Effizienz schrittweise verbessern, wobei jedoch gleichzeitig der technische Aufwand steigt. Darüber hinaus sind weiterte Arten der Kühlung bekannt, insbesondere unter Verwendung von Peltier-Elementen, siehe z.B. S. Yamaguchi, M. Emoto, T. Kawahara, M. Hamabe, H. Watanabe, Y. Ivanov, Jian Sun, N. Yamamoto, A. Iiyoshi, A Proposal of Multi-stage current lead for reduction ofheat leak , Physics Procedia 27 (2012 ) 448-451.

E. Shabagin und S. Grohmann, Development of 10 kA Current Leads Cooled by a Cryogenic Mixed-Refrigerant Cycle , IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 502 (2019) 012138, doi:10.1088/1757-899X/502/l/012138, beschreiben einen Multi-Rohr-in-Rohr Gegenstromwärmeübertrager, der um einen Kupfer-Kern gewickelt ist, dessen Länge mehr als 1,2 m beträgt. Zur Kühlung auf ein Temperaturniveau von ca. 80 K einer supraleitenden Anwendung wird das kalte Ende zusätzlich in einem Kryokühler oder flüssigen Stickstoff eingebracht. Eine kürzere Verbindung zu dem kalten Ende würde eine Temperatur verringerung bewirken, die zu einem unerwünschten Ausfrieren des Kältemittelgemischs führen könnte.

Dmitri Goloubev, Kühlung eines resistiven HTSL-Kurzschlussstrombegrenzers mit einer Gemisch-Joule-Thomson-Kältemaschine , Dissertation, Technische Universität Dresden, 2003, beschäftigt sich nach der Analyse und Optimierung der Stromzuführungen auf Flüssigstickstoff-Temperaturniveau hauptsächlich mit der Untersuchung einer Gemisch- Stickstoff-Kaskade als Kälteversorgungssystem eines resistiven HTSL- Strombegrenzers. In der Zusammenfassung wird vorgeschlagen, einen direkten Kontakt zwischen der Stromzuführung und dem Gemisch-Kühl ström, der brennbare Komponenten beinhaltet, zu vermeiden, sowie Druckverluste auf der Niederdruckseite der Gemisch-Kältemaschine zu reduzieren. Als optimale Kombination wird eine relativ lange Stromzuführung sowie ein Stickstoff-Kühl ström mit relativ kleinem Flüssigkeitsanteil von ca. 15 % am kalten Ende der Stromzuführung ermittelt.

D. Gomse, A. Reiner, G. Rabsch, T. Gietzelt, J.J. Brandner, S. Grohmann, Micro-structured heat exchanger for cryogenic mixed refrigerant cycles , IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 278 (2017) 012061, doi:10.1088/1757-899X/278/l/012061, beschreiben einen mikrostrukturierten Gegenstromwärmeübertrager, der 60 mittels Diffusionsschweißen in Form eines Stapels verbundene dünne Platten aus Edelstahl umfasst. Mittels eines Ätz verfahrens sind in jede Platte jeweils 50 parallele Strömungskanäle mit einer Kanalbreite von 400 pm, einer Kanaltiefe von 200 gm und einer Kanallänge von 20 cm eingebracht, wobei zwei gegenüberliegende Platten jeweils derart angeordnet sind, dass sich runde Strömungskanäle mit einem Durchmesser von 400 pm ausbilden. Weiterhin weist jede Platte vier Positionierungslöcher zur Ausrichtung der Platten und vier ausgeschnittene Bereiche auf, die Kopfzeilen ausbilden. DE 10 2016 011 311 Al offenbart ein Verfahren zur Kühlung einer Stromzuführung eines Verbrauchers mit tiefkaltem Gas, wobei die Stromzuführung als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist und das tiefkalte Gas als Kühlmittel durch den Plattenwärmetauscher geführt wird. Beschrieben wird weiterhin der Aufbau einer gasgekühlten Stromzuführung, welche als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.

DE 102005 005 780 Al offenbart eine Stromführungseinrichtung für einen Tieftemperatur leiter mit mindestens einem elektrischen Leiter, der eine warme und eine mit dem Tief temperaturleiter verbundene, kalte Kontaktstelle aufweist und mit mindestens einem Kühl mittelkanal, der zumindest an einer Seite durch den Leiter begrenzt wird. Es wird vorge schlagen, dass der Kühlmittelkanal Führungselemente aufweist, mit denen eine gerichtete Konvektion des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal von der kalten Kontaktstelle zu der warmen Kontaktstelle erzwungen und lokal die Geschwindigkeit des Kühlmittels eingestellt werden kann.

DE 199 04 822 CI offenbart, dass bei einem Verfahren ein tiefkaltes Gas als erstes Kälte mittel in einem ersten Kreislauf geführt wird und dass mit Hilfe des tiefkalten Gases die Stromzuführungen oder der Verbraucher mit Stromzuführungen direkt gekühlt werden, wobei das tiefkalte Gas im Gegenstrom zur einfließenden Wärme entlang der Stromzu führungen geführt wird und wobei das erste Kältemittel mit einem zweiten Kältemittel gekühlt wird, welches zweite Kältemittel in einem zweiten, separaten Kreislauf geführt wird.

DE 21 63 270 C offenbart eine Stromzuführung für elektrische Einrichtungen mit auf Tief temperatur gekühlten Leitern, deren Ende an einem Normalleiter angeschlossen ist, der in einem Gasstrom eines verdampften Kühlmediums angeordnet ist, wobei der Gasstrom des verdampften Kühlmediums in Einzelströme aufgeteilt ist, die jeweils einen Strömungskanal durchströmen, der von wenigstens zwei Wänden aus elektrisch isolierendem Material begrenzt ist, deren Abstand nicht mehr als 30 mm beträgt.

US 4 992 623 A offenbart ein elektronisches System mit Komponenten für niedrige Temperatur an verschiedenen Stellen innerhalb des Systems, wobei kryogenes Fluid und elektrische Leistung mittels derselben Leitung verteilt werden. Die Leitung besteht aus einem Zuführungsabschnitt und einem Rückführungsabschnitt, wobei jeder Abschnitt einen Kanal zum Fördern des kryogenen Fluids mit supraleitenden Wänden zum Fördern der elektrischen Leistung umfasst. Alternativ kann die Leitung einen Kupferstab mit darin ausgebildeten Kanälen für den Transport des kryogenen Fluids und einen Kanal zur Aufnahme eines Stabes aus supraleitendem Material umfassen. Der supraleitende Stab leitet den elektrischen Strom zu einem Teilsystem, während er durch das kryogene Fluid gekühlt wird, wobei das kryogene Fluid an seinem Bestimmungsort weiterhin zu Kühlzwecken verwendet wird. Weiter alternativ kann kryogenes Fluid mittels eines Paares von konzen trischen Leitungen transportiert werden, wobei die Wände jeder Leitung supraleitendes Material zur gleichzeitigen Bereitstellung von elektrischem Strom zu den Subsystemen, die das kryogene Fluid verwenden, umfassen.

WO 2003/081104 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Mantels für ein Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel. Der Mantel wird durch Ko-Extrusion eines zylindrischen Rohlings mit mindestens zwei konzentrischen Zylindern hergestellt. Weiterhin wird ein Mantel für ein Hochtemperatur-Multifilament-Supraleiterkabel vorgeschlagen, der nach dem genannten Verfahren hergestellt wird. Der Mantel besteht aus einem Rohr mit einer mehrschichtigen Wandung, umfassend: eine Reinsilber-Innenschicht und mindestens eine zweite Silberbasis-Legierungsschicht.

Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie und ihre Verwendung bereitzustellen, welche die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.

Insbesondere sollen im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich kompaktere und effizientere Stromzuführungen bereitgestellt werden, die es erlauben, eine entstehende Verlustleistung möglichst unmittelbar an demjenigen Ort abzuführen, an dem sie in Wärme umgewandelt werden kann. Hierbei soll die Wärme möglichst auf dem jeweils höchst möglichen Temperaturniveau abgeführt werden können, um thermodynamisch zu einer Effizienzsteigerung im Vergleich zum Stand der Technik zu gelangen, gemäß dem die Kühlung der Stromzuführung entweder nur an ihrem kalten Ende oder mit höheren Temperaturdifferenzen zu einem Gasstrom erfolgt.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Stromzuführung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport von elektrischer Energie und ihre Verwendung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt. Im Folgenden werden die Begriffe "haben", "aufweisen", "umfassen" oder "einschließen" oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck "A hat B", "A weist B auf', "A umfasst B" oder "A schließt B ein" sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.

Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.

Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicherWeise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale. In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Stromzuführung zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle, wobei die Energiequelle in einem warmen Bereich angeordnet ist und wobei die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist,

- wobei die Stromzuführung einen Stapel, umfassend mindestens zwei Folien, aufweist,

- wobei jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport der elektrischen Energie eingerichtet ist, umfasst,

- wobei jede Folie jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme der elektrischen Energie oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweist,

- wobei jede Folie eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Führung eines Fluidstroms umfasst.

Hierbei bezeichnet der Begriff der „Stromzuführung“ eine Einrichtung, die zum Transport von elektrischer Energie, insbesondere in Form eines elektrischen Stroms, von mindestens einer Energiequelle zu mindestens einer Anwendung oder von der mindestens einen Anwendung zu der mindestens einen Energiequelle eingerichtet ist. In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist die Stromzuführung insbesondere dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom aus einem normalleiten Stromkreis, der die mindestens eine Energiequelle umfasst, in einen, mindestens einen Supraleiter, insbesondere einen Hochtemperatur-Supraleiter, umfassenden Stromkreis zu transportieren, bevorzugt um einen möglichst verlustfreien Weitertransport des elektrischen Stroms in dem mindestens einen Supraleiter, insbesondere in dem mindestens einen Hochtemperatur-Supraleiter, zu ermöglichen. Andere Arten von Anwendungen sind jedoch denkbar.

Erfindungsgemäß befindet sich die Energiequelle in einem warmen Bereich einer Kühlstufe einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen, die auch als „Kälteanlage“ bezeichnet werden kann, während die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist. Grundsätzlich umfasst jede Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen mindestens eine Kühlstufe, die jeweils einen kalten Bereich und einen warmen Bereich aufweist. Hierbei bezeichnet der „warme Bereich“ einen ersten Teilbereich der Vorrichtung, der eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem kalten Bereich aufweist. Im Falle von mindestens zwei Kühlstufen kann die Vorrichtung derart ausgeführt sein, dass zumindest ein Teil des warmen Bereichs der jeweils nachfolgenden Kühlstufe dem kalten Bereich der jeweils vorangehenden Stufe entsprechen kann. Vorzugsweise ist der warme Bereich der ersten auch als „Vorkühl stufe“ bezeichneten Kühlstufe für Umgebungstemperatur eingerichtet und wird üblicherweise mindestens bei Umgebungstemperatur gehalten, wobei insbesondere in einem Verdichter auch höhere Temperaturen, etwa bis zu 150 °C, auftreten können. Der Begriff der „Umgebungstemperatur“ betrifft hierbei eine Temperatur von 273 K, bevorzugt von 288 K, besonders bevorzugt von 293 K, bis 313 K, bevorzugt bis 303 K, besonders bevorzugt bis 298 K.

Demgegenüber bezeichnet der „kalte Bereich“ einen weiteren Teilbereich der betreffenden Kühlstufe der Vorrichtung, welcher für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der jeweiligen kryogenen Temperatur dient. Der Begriff „kryogene Temperatur“ umfasst hierbei eine Temperatur von 10 K, bevorzugt von 15 K, bis 120 K, bevorzugt bis 90 K. Insbesondere um den kalten Bereich auf eine kryogenen Temperatur zu bringen und auf einer kryogenen Temperatur zu halten, ist der kalte Bereich in einen Kryostaten, bevorzugt einen vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht. Andere Arten von Kryostaten sind jedoch möglich.

Erfindungsgemäß weist die Stromzuführung einen Stapel auf, der mindestens zwei Folien umfasst. Der Begriff der „Folie“ bezieht sich hierbei auf einen dünnen ausgedehnten Körper eines elektrisch leitfähigen Materials, das zum Transport von elektrischer Energie eingerichtet ist. Bevorzugt kann die Folie eine Oberfläche in Form einer lateralen Ausdehnung, umfassend eine Folienlänge und einer Folienbreite, aufweisen, wobei die Folienbreite eine senkrecht zur lateralen Ausdehnung ausgebildete Foliendicke um einen Faktor von mindestens 10, bevorzugt mindestens 25, besonders bevorzugt mindestens 50, insbesondere mindestens 100 übersteigen kann. Vorzugsweise kann die Folie

- eine Folienlänge von mindestens 5 cm, bevorzugt von mindestens 10 cm, insbesondere von 20 cm bis 25 cm, bis höchstens 1 m, bevorzugt bis höchstens 50 cm;

- eine Folienbreite von mindestens 2 cm, bevorzugt von mindestens 5 cm, insbesondere von 10 cm bis 20 cm, höchstens bis 50 cm, bevorzugt höchstens bis 25 cm; und

- eine Foliendicke von mindestens 200 pm, bevorzugt von mindestens 250 pm, insbesondere von 400 pm bis 500 pm, höchstens bis 2 mm, bevorzugt höchstens bis 1 mm aufweisen. Insbesondere für die Wahl der Foliendicke ist es vorteilhaft zu beachten, dass diese, wie unten näher erläutert, mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden und daher derart ausgestaltet sind, dass diese einen damit verbundenen Energieeintrag ohne Beschädigung oder gar Zerstörung aushalten können. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Werte für die Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke denkbar; allerdings ist es besonders vorteilhaft, wenn die Foliendicke den angegebenen Wert von 1 mm, ab dem sie eher als „Plattendicke“ zu bezeichnen wäre, nicht übersteigt.

Der Begriff des „Stapels“ betrifft eine Anordnung, welche die mindestens zwei Folien, die jeweils parallel zu ihren Oberflächen in der lateralen Ausdehnung aufeinandergelegt und bevorzugt mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind, umfasst. Insbesondere um einen Überstand zwischen benachbart angeordneten Folien in dem Stapel zu vermeiden, können alle Folien des Stapels bevorzugt dieselbe Folienlänge und dieselbe Folienbreite aufweisen. Um, wie unten näher erläutert, eine möglichst gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms gemäß den Kirchhoffschen Gesetzen auf möglichst alle Folien in dem Stapel zu ermöglichen, können zudem alle Folien des Stapels bevorzugt dieselbe Foliendicke aufweisen. Der Stapel kann mindestens zwei Folien, bevorzugt mindestens 10 Folien, besonders bevorzugt mindestens 25 Folien, insbesondere 50 bis 60 Folien, bis 250 Folien, bevorzugt bis 200 Folien, besonders bevorzugt bis 100 Folien umfassen. Ein anderer Wert für die Anzahl der Folien in dem Stapel ist jedoch möglich. Hierdurch können insbesondere die Anzahl, Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke der Folien an eine Höhe einer mittels der Stromzuführung zu transportierenden elektrischen Energie, insbesondere einer zu erwartenden Stromstärke, angepasst werden.

Wie bereits erwähnt, umfasst jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport elektrischer Energie eingerichtet ist. Ein Material ist dann „elektrisch leitfähig“, wenn es einen Transport von elektrischer Energie, insbesondere von elektrischen Ladungs trägern in Form eines elektrischen Stroms, durch das Material hindurch ermöglicht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das elektrisch leitfähige Material ein Metall, insbesondere ein hochleitfähiges Metall, das eine elektrische Leitfähigkeit s von mindestens 10 ⁶ S/m, bevorzugt von mindestens 10 ⁷ S/m, bevorzugt von mindestens 2· 10 ⁷ S/m, aufweist. Zu diesen Metallen gehören insbesondere Kupfer (s ~ 5,8· 10 ⁷ S/m), Aluminium (s ~ 3,7· 10 ⁷ S/m) und Messing (s ~ 2,4· 10 ⁷ S/m), wobei Kupfer und Aluminium besonders bevorzugt sind. Aufgrund seiner niedrigeren elektrische Leitfähigkeit s < 10 ⁷ S/m ist Edelstahl weniger bevorzugt.

Weiterhin ist Kupfer gegenüber Aluminium besonders bevorzugt, da eine aus Kupferfolien hergestellte Stromzuführung eine spezifische Oberfläche oberhalb von 1000 m ² /m ³ bis zu 10.000 m ² /m ³ aufweist, während die spezifische Oberfläche für Aluminiumplatten lediglich 100 m ² /m ³ bis zu 1000 m ² /m ³ beträgt.

Um eine Aufnahme der elektrischen Energie aus der Energiequelle und eine Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung zu ermöglichen, weist jede Folie jeweils einen elektrischen Anschluss auf. Der Begriff des „elektrischen Anschlusses“ betrifft hierbei eine Einrichtung einer Folie, die zur Aufnahme von elektrischer Energie in die Folie und/oder zur Abgabe von elektrischer Energie aus der Folie eingerichtet ist. Insbesondere ist an jeder Querseite der Folie ein eigener elektrischer Anschluss angebracht, so dass daher an einer ersten Querseite der Folie die Aufnahme der elektrischen Energie aus der Energiequelle oder die Abgabe der elektrischen Energie an die Energiequelle und an der anderen Querseite der Folie die Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung oder die Aufnahme der elektrischen Energie aus der Anwendung möglich ist. Bevorzugt kann der elektrische Anschluss an mindestens einer der Querseiten, besonders bevorzugt an beiden Querseiten, der Folie in Form einer elektrisch leitfähigen Anschlussfahne ausgestaltet sein. Der Begriff der „Anschlussfahne“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils ein an der betreffenden Querseite der Folie eingerichtetes elektrisch leitfähiges Anschlussteil, das vorzugsweise in einer beweglichen Form, besonders bevorzugt in einer verjüngten und/oder konisch zulaufenden Form vorliegt, wobei das Anschlussteil vorzugsweise von der jeweiligen Folie umfasst wird. In Bezug auf den Begriff „elektrisch leitfähig“ wird auf die obige Definition verweisen. In vorteilhafter Weise kann so jede Folie in dem Stapel einzeln kontaktiert werden, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stroms gemäß den Kirchhoffschen Gesetzen auf möglichst alle Folien in dem Stapel zu erlauben. Andere Arten der Ausgestaltung des elektrischen Anschlusses sind jedoch denkbar.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der der Anwendung in dem kalten Bereich zugewandte elektrische Anschluss der Folie eine elektrisch leitfähige Verbindung mit einem Hochtemperatur-Supraleiter aufweisen, wobei der Hochtemperatur-Supraleiter zwischen dem elektrischen Anschluss der Stromzuführung und der Anwendung angeordnet ist. Der Hochtemperatur-Supraleiter kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein. Auf diese Weise kann die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Strom zufuhrung und der Anwendung supraleitend ausgestaltet sein, insbesondere in Form eines Hochtemperatur-Supraleiters, um so einen möglichst verlustfreien Weitertransport des elektrischen Stroms von der Stromzuführung zu der Anwendung oder von der Anwendung zu der Stromzuführung zu ermöglichen. Der Begriff des „Hochtemperatur-Supraleiter- Bandes“ bezeichnet hierbei einen bandförmig ausgestalteten elektrischen Leiter, der zumindest teilweise einen Hochtemperatur-Supraleiter umfasst. Der Begriff des „Hochtemperatur-Supraleiter-Kabels“ bezeichnet hierbei einen kabelförmigen elektrischen Leiter, der zumindest teilweise einen Hochtemperatur-Supraleiter umfasst. Ein Hochtemperatur-Supraleiter-Kabel kann mehrere Filamente umfassen, die einzeln oder in Gruppen mit der Folie, oder mit mehreren Folien, elektrisch leitend verbunden sein können.

Erfindungsgemäß umfasst jede Folie weiterhin eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Führung eines Fluidstroms. Bevorzugt kann der Fluidstrom hierbei ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen. Der Gasstrom kann hierbei ein Gas oder ein beliebiges Gemisch aus mindestens zwei Gasen umfassen, wobei das Gas ausgewählt sein kann insbesondere aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Wie eingangs erwähnt, bezeichnet der Begriff des „Kältemittelgemischs“ eine Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff des „Kältemittels“ jeweils ein bevorzugt inertes Fluid, das bei Eintritt in den kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe einen positiven Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT > 0 aufweist, und das somit zur Verwendung als Mittel zur Erzeugung der kryogenen Temperatur in einer Kühlstufe des Linde-Hampson-Kreisprozesses geeignet ist. Um vor allem bei einer Abkühlung um die oben genannten Temperaturspanne von etwa 300 K auf 15 K bis 90 K eine hohe Effizienz erzielen zu können, umfasst das Kältemittelgemisch für die jeweilige Kühlstufe jeweils sowohl höhersiedende Komponenten als auch tiefersiedende Komponenten, wodurch das Kältemittelgemisch insgesamt als „weitsiedend“ bezeichnet werden kann. Vorzugsweise umfasst das Kältemittelgemisch für jede Kühlstufe daher mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, bis acht, bevorzugt bis sechs, bevorzugt bis fünf Kältemittel, wobei mindestens eines der Kältemittel eine höhersiedende Komponente und mindestens ein weiteres der Kältemittel eine tiefersiedende Komponente darstellt. Der Begriff „höhersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur am Eintritt in den kalten Bereich der jeweiligen Kühlstufe aufweist. Für den Begriff des „kalten Bereichs“ wird auf die obige Definition verweisen. Der Begriff „tiefersiedend“ betrifft Fluide, deren Siedepunkt eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Temperatur der höhersiedenden Komponente der jeweiligen Kühlstufe liegt. Die am tiefsten siedende Komponente des Kältemittelgemischs der jeweiligen Kühlstufe weist eine Siedetemperatur auf, die unterhalb der Temperatur nach der isenthalpen Expansion der jeweiligen Kühlstufe liegt und somit insbesondere eine kryogene Temperatur sein kann. Für den Begriff der „kryogenen Temperatur“ wird auf die obige Definition verwiesen. Insbesondere für die Vorkühlstufe kann hierbei die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Das Kältemittelgemisch für eine weitere Kühlstufe, die durch eine vorangehende Vorkühlstufe vorgekühlt wird, kann bevorzugt ein Kältemittel umfassen, ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium, die bevorzugt in einem für die vorgesehene Anwendung angepassten Verhältnis vermischt werden, wobei vorzugsweise jeweils solche Komponenten vermieden werden, die bei den Temperaturen in der betreffenden Kühlstufe ausfrieren können. Andere Arten von Kältemitteln sind möglich.

Wie bereits erwähnt, umfasst jede Folie zur Führung des Fluidstroms eine Vielzahl von Strömungskanälen. Der Begriff des „Strömungskanals“ bezeichnet hierbei eine in die jeweilige Folie eingebrachte längliche Vertiefüng, die sich insbesondere über die gesamte Folienlänge der betreffenden Folie, insbesondere abzüglich mindestens eines Eintritts bereichs und mindestens eines Austrittsbereichs, erstrecken kann, und die daher zur Aufnahme des Fluidstroms aus einem ersten Bereich, ausgewählt aus dem warmen Bereich oder dem kalten Bereich einer Kühlstufe, zur Führung des Fluidstroms über die Folie und zur Abgabe des Fluidstroms an einen zweiten Bereich, ausgewählt aus dem jeweils anderen Bereich der betreffenden Kühlstufe, eingerichtet ist. Besonders bevorzugt können hierbei Anzahl, Form und Ausgestaltung der Strömungskanäle derart gewählt werden, dass der Fluidstroms möglichst in einer laminaren Strömung die Vielzahl der Strömungskanäle in den Folien durchströmt.

Die Vielzahl der Strömungskanäle kann vorzugsweise mittels eines subtraktiven Verfahrens, insbesondere ausgewählt aus einem Ätzverfahren oder aus Mikrofräsen, in die jeweilige Folie eingebacht werden, wodurch die betreffende Folie auch als „mikrostrukturierte Folie“ bezeichnet werden kann. Hierbei kann jeder Strömungskanal grundsätzlich einen beliebigen Kanal quer schnitt aufweisen, der zur Oberfläche der Folie hin eine Öffnung aufweist. Insbesondere bei Einsatz des Ätzverfahrens wird fertigungsbedingt ein halbrunder Kanal querschnitt erzeugt, während beim Mikrofräsen auch andere Arten der Kanal quer schnitte möglich sind; allerdings benötigt eine Fertigung der Strömungskanäle mittels Mikrofräsen gegenüber den Ätzverfahren einen höheren Zeitaufwand.

Jede Folie kann hierbei mindestens 10 Strömungskanäle, bevorzugt mindestens 20 Strömungskanäle, besonders bevorzugt mindestens 25 Strömungskanäle, insbesondere 50 bis 100 Strömungskanäle, bis 500 Strömungskanäle, bevorzugt bis 250 Strömungskanäle, besonders bevorzugt bis 200 Strömungskanäle, umfassen. Eine andere Anzahl der Strömungskanäle in der Folie ist jedoch möglich. Insbesondere um eine Fertigung der Strömungskanäle zu vereinfachen, können hierbei alle Strömungskanäle in einer Folie, vorzugsweise in jeder Folie, bevorzugt dieselbe Kanallänge, Kanalbreite, Kanaltiefe und Stegbreite aufweisen und parallel zueinander in periodischer Abfolge in der Folie angeordnet sein, wobei

- die Kanallänge bevorzugt der Folienlänge der zugehörigen Folie entsprechen kann insbesondere abzüglich mindestens eines Eintrittsbereichs und mindestens eines Austrittsbereichs;

- die Kanalbreite mindestens 100 pm, bevorzugt mindestens 250 pm, insbesondere 400 pm bis 500 pm, höchstens bis 2 mm, bevorzugt höchstens bis 1 mm betragen kann, wobei eine Stegbreite, mit welcher benachbarte Strömungskanäle voneinander entfernt sind, mindestens 0,5, bevorzugt mindestens 1,0, insbesondere von 1,0 bis 2,0, höchstens 5,0, bevorzugt höchstens 2,5 der Kanalbreite der Strömungskanäle betragen kann; und - die Kanaltiefe mindestens 50 mih, bevorzugt von mindestens 100 gm, insbesondere von 200 gm bis 250 gm, höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 500 gm, jedoch weniger als die Foliendicke, bevorzugt weniger als 75 % der Foliendicke, besonders bevorzugt weniger als 50 % der Foliendicke, betragen kann, so dass eine ausreichende Bodenstärke der Folie verbleiben kann, wobei ein Verhältnis von Kanalbreite zu Kanaltiefe, insbesondere bei Verwendung eines Ätzverfahrens, bevorzugt von 1,0 bis 3,0, insbesondere von etwa 2,0, betragen kann, während bei einem Einsatz von Mikrofräsen andere Werte möglich sind. Andere Werte für die Kanallänge, Kanalbreite und Kanaltiefe der Strömungskanäle sind jedoch denkbar.

Wie oben bereits erwähnt, kann es weiterhin vorteilhaft sein zu beachten, dass die Folien mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden und daher insbesondere eine ausreichende Bodenstärke und Stegbreite aufweisen, so dass die Folien den damit verbundenen Energieeintrag ohne Beschädigung oder gar Zerstörung aushalten können. Weiterhin weist das Diffusionsschweißen den Vorteil auf, dass dadurch der Stapel aus den Folien nur ein einheitliches Material umfasst; insbesondere kann hierdurch auf ein Lot als weiteres Material in dem Stapel verzichtet werden. Auf diese Weise kann ein monolithisches Design bereitgestellt werden, mit dem sich Thermospannungen, die zu Undichtigkeiten während des Betriebs der Stromzufuhrungen führen können, effektiv verhindern lassen.

Unabhängig von der Art der Ausgestaltung der Strömungskanäle, sind die Strömungskanäle jeweils vorzugsweise ausschließlich auf eine einzelne Seite der Oberfläche jeder Folie eingebracht. Damit können benachbarte Folien, insbesondere Folien, die unterschiedlichen Strömungswegen zugeordnet sind, derart in den Stapel eingebracht sein, dass die Öffnungen der Strömungskanäle auf der Oberfläche der Folien einander abgewandt angeordnet sind. Damit lässt sich ein in Gomse et al., s.o., beschriebener Versatz zwischen einander zugewandt angeordneten Strömungskanälen benachbarter Folien vermeiden. Zu weiteren Details der Anordnung der Folien in dem Stapel, die auch als „Stapelung“ bezeichnet werden kann, wird auf die Ausführungsbeispiele verweisen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Anordnung der Strömungskanäle in einzelnen oder allen Folien denkbar, einschließlich einer Anordnung der Strömungskanäle auf beiden Seiten einer Folie, was jedoch in der Regel mit Nachteilen, insbesondere einem Versatz oder einem höheren Fertigungsaufwand, verbunden ist.

Die von dem Stapel umfassten Folien weisen

- einen ersten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist; und - einen zweiten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe, oder zur Aufnahme einer Flüssigphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist auf. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik handelt es sich um einen Gegenstrom- Wärmeübertrager mit Hochdruckstrom und Niederdruckstrom des Kühlmediums, wobei der Hochdruckstrom aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich in Fließrichtung des elektrischen Stroms fließt, während der Niederdruckstrom in die entgegengesetzte Richtung aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich fließt.

Darüber hinaus können die von dem Stapel umfassten Folien bevorzugt mindestens einen weiteren Strömungsweg aufweisen, ausgewählt aus:

- einem dritten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme einer Dampfphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist;

- einem vierten Strömungsweg durch die Strömungskanäle, der zur Aufnahme des abzukühlenden Gasstroms oder des zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist.

In dieser Ausgestaltung kann vorzugsweise eine getrennte Aufnahme einer Dampfphase und einer Flüssigkeitsphase des Kältemittelgemischs erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung können hierbei die Strömungskanäle jeder Folie entweder als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck- Niveau aus dem warmen Bereich, als zweiter oder dritter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich, oder als vierter Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet sein. Durch Anpassung der Geometrie der Strömungskanäle und/oder eines Verhältnisses der Anzahl der Folien, die den ersten Strömungsweg umfassen, zur Anzahl der Folien, die den zweiten, dritten oder vierten Strömungsweg umfassen, lassen sich Druckverluste und Wärmeübertragerflächen auf einfache Weise einstellen.

In Bezug auf eine Reihenfolge der Anordnung der Folien in dem Stapel können insbesondere folgende Ausgestaltungen bevorzugt sein:

- Die Strömungskanäle benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können abwechselnd als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau und als zweiter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sein. - Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als erster Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine hieran jeweils angrenzende weitere Folie zweite oder dritte Strömungswege zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweist.

- Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als zweiter oder dritter Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine jeweils hieran angrenzende weitere Folie Strömungskanäle im ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau oder im vierten Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe aufweist.

- Die Strömungskanäle höchstens zwei benachbart gestapelter Folien in dem Stapel können als vierter Strömungsweg zur Aufnahme des abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms aus dem warmen Bereich der Kühlstufe eingerichtet sein, während eine hieran angrenzende weitere Folie Strömungskanäle in dem ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau, oder in dem zweiten oder dritten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweist.

Weiter Ausgestaltungen der Anordnung der Folien in dem Stapel sind jedoch möglich. Durch eine derartige lagenweise oder intervallmäßige abwechselnde Einrichtung der ersten und der zweiten Strömungswege, sowie optional der dritten Strömungswege und/oder der vierten Strömungswege, lässt sich so eine Durchströmung des Stapels im Gegenstrom erreichen.

Jede Folie weist einen Eintrittsbereich und Austrittsbereich für die Strömungskanäle auf, wobei der „Eintrittsbereich“ einen ersten Abschnitt der Folie bezeichnet, der an einen ersten Bereich der Strömungskanäle angrenzt, der zu einem Eintritt des Fluidstroms in die Strömungskanäle eingerichtet ist, während der „Austrittsbereich“ einen zweiten Abschnitt der Folie bezeichnet, der an einen zweiten Bereich der Strömungskanäle angrenzt, der zu einem Austritt des Fluidstroms aus den Strömungskanälen eingerichtet ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung können der Eintrittsbereich und/oder der Austrittsbereich ein Verteilelement aufweisen, das zu einer Aufteilung des Fluidstroms auf die vorzugsweise parallel angeordneten Strömungskanäle der Folie eingerichtet ist. Insbesondere zur Erzielung einer Gleichverteilung des Fluidstroms auf die Strömungskanäle kann das Verteilelement vorzugsweise eine Vielzahl von periodisch angeordneten Erhebungen und sich dazwischen befindlichen Vertiefungen aufweisen. Bevorzugt können die Erhebungen hierbei dasselbe Niveau wie die Oberfläche der Folie annehmen, während die Vertiefungen vorzugsweise dieselbe Kanaltiefe wie die Strömungskanäle aufweisen können. Die Verteil elemente können in vorteilhafter Weise insbesondere dazu dienen, eine Fehlverteilung der Strömung im Betrieb während der Verteilung des Fluidstroms über mehrere parallele Strömungskanäle zu unterbinden. Die Einbringung des Verteilelements kann zusammen mit der Einbringung der Strömungskanäle in die Folie erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können eine Seite, bevorzugt beide Seiten, des Stapels mit einer Deckplatte versehen sein. Hierbei kann zumindest eine der Deckplatten mindestens eine Zuleitung zur Zuführung des Fluidstroms in die Strömungskanäle des Stapels und eine Ableitung zur Abführung des Fluidstroms aus den Strömungskanälen des Stapels aufweisen. Zu Herstellung der Zuleitung und/oder der Ableitung kann die Deckplatte vor ihrer Verwendung in der Stromzuführung zunächst nur entsprechende Stutzen aufweisen, an welche die Zuleitung und/oder die Ableitung befestigt werden. Hier kann vorzugsweise eine Hartlötverbindung zu einem Rohrstück und eine anschließende Rohrverschraubung, insbesondere mittels Schneidringdichtungen oder Klemmringdichtungen, oder eine Schweißverbindung eingesetzt werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle, umfassend mindestens eine Kühlstufe, die einen warmen Bereich und einen kalten Bereich aufweist, wobei in dem warmen Bereich ein jeweils für die Kühlstufe eingerichtetes Kältemittelgemisch und eine Energiequelle bereitgestellt ist, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten mit voneinander verschiedenen Siedetemperaturen aufweist, wobei der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe umfasst:

- mindestens eine Stromzuführung wie oben oder unten beschrieben, wobei die Stromzuführung mindestens einen ersten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus dem warmen Bereich der Kühlstufe und mindestens einen zweiten Strömungsweg zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aus dem kalten Bereich der Kühlstufe aufweist, wobei die mindestens eine Stromzuführung gleichzeitig als erster Wärmeübertrager eingerichtet ist;

- mindestens eine Expansionseinrichtung, die zur Expansion und zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet ist; und

- die Anwendung, die zu Aufnahme der elektrischen Energie und/oder zur Abgabe der elektrischen Energie eingerichtet ist. Hierbei kann der kalte Bereich mindestens einer Kühlstufe, der für eine kryogene Temperatur eingerichtet ist und bestimmungsgemäß zur Erzeugung der kryogenen Temperatur dient, bevorzugt in einen Kryostaten, insbesondere in einen vakuumisolierten Kryostaten, eingebracht sein.

Zunächst umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe mindestens eine oben oder unten näher beschriebene Stromzuführung, die gleichzeitig als erster Wärmeübertrager eingerichtet ist, der insbesondere als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt ist. Der Begriff „Wärmeübertrager“ bezeichnet eine beliebig ausgestaltete Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Übertragung von thermischer Energie von mindestens einem Hochdruck- Stoff ström auf mindestens einen Niederdruck-Stoffstrom zu bewirken. Der Begriff „thermische Energie“ betrifft hierbei eine Energie des jeweiligen Stoffstroms, welche im Wesentlichen als Funktion der Temperatur des betreffenden Stoffstroms beschrieben werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen sowohl der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström als auch der mindestens eine Niederdruck- Stoffstrom das hierbei für die jeweilige Kühlstufe verwendete Kältemittelgemisch, wobei sich die Stoffströme in einer Temperatur des Kältemittelgemischs oder der Kältemittelgemische voneinander unterscheiden. Zusätzlich kann der mindestens eine Hochdruck- Stoff ström einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen. Der mindestens eine Niederdruck-Stoffstrom der tiefsten Stufe hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers jeweils eine tiefste Temperatur, gefolgt von der Temperatur des mindestens einen Niederdruck-Stoffstroms einer optional zur Vorkühlung vorgeschalteten Stufe. Der mindestens eine Hochdruck- Stoffstrom hat in jedem Abschnitt des Wärmeübertragers eine Temperatur, die oberhalb des mindestens einen Niederdruck- Stoffstroms liegt. Weiterhin betrifft der Begriff des „Gegenstromwärmeübertragers“ eine besondere Art eines Wärmeübertragers, in welchem der Hochdruck- Stoff ström eine Richtung einnimmt, die der Richtung des Niederdruck-Stoffstroms entgegengerichtet ist. Damit kann in vorteilhafter Weise ein besonders kalter Stoffstrom auf einen besonders warmen Stoffstrom treffen, wodurch sich eine Übertragung an thermischer Energie von dem mindestens einen Hochdruck- Stoffstrom an den mindestens einen Niederdruck- Stoff ström möglichst effizient ausgestalten lässt.

Der erfmdungsgemäß von dem kalten Bereich der betreffenden Kühlstufe umfasste erste Wärmeübertrager weist demnach einen ersten als „Hochdruckseite“ bezeichneten Teilbereich und einen zweiten als „Niederdruckseite“ bezeichneten Teilbereich auf, wobei die Hochdruckseite zur Aufnahme des Kältemittelgemischs sowie optional des Gasstroms aus dem warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe und die Niederdruckseite zur Abgabe des Kältemittelgemischs an den warmen Bereich der betreffenden Kühlstufe eingerichtet sind. Somit weist das an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführte Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an der Niederdruckseite zur Abgabe an den zugehörigen warmen Bereich vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an der Hochdruckseite aus dem zugehörigen warmen Bereich zugeführten Kältemittelgemischs und des optional zugeführten Gasstroms bei, wobei sich die Übertragung an thermischer Energie durch den vorzugsweise eingesetzten Gegenstromwärmeübertrager effizienter ausgestalten lässt. Zusätzlich zu der thermischen Energie von der Hochdruckseite der betreffenden Stufe kann das Kältemittelgemisch auf der Niederdruckseite der betreffenden Stufe thermische Energie von weiteren Stoffströmen aufnehmen, beispielsweise von der Hochdruckseite einer nachgeschalteten Kühlstufe oder von der Abkühlung oder der Verflüssigung eines abzukühlenden oder zu verflüssigenden Gasstroms.

Das Kältemittelgemisch tritt auf Hochdruck-Niveau an der Hochdruckseite in den ersten Wärmeübertrager ein, während das Kältemittelgemisch an der Niederdruckseite auf Niederdruck-Niveau bereitgestellt wird. Der Begriff „Hochdruck-Niveau“ bezeichnet hierbei ein das dort anliegende Kältemittelgemisch beaufschlagendes Druckniveau, dessen Druck einen Wert aufweist, der den Wert des Druckes, der das an der Niederdruckseite bereitgestellte Kältemittelgemisch beaufschlagt, übertrifft. Insbesondere kann hierbei das Hochdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 1 bar, bevorzugt von 10 bar, besonders bevorzugt von 25 bar, bis 150 bar, bevorzugt bis 25 bar, besonders bevorzugt bis 20 bar, aufweisen, während das Niederdruck-Niveau der Kühlstufe einen Absolutdruck von 100 mbar, bevorzugt von 1 bar, besonders bevorzugt von 2 bar, bis 50 bar, bevorzugt bis 10 bar, besonders bevorzugt bis 5 bar, aufweisen kann. Andere Werte sowohl für das Hochdruck-Niveau als auch für das Niederdruck-Niveau sind jedoch möglich, insbesondere abhängig von dem für die jeweilige Kühlstufe verwendeten Kältemittelgemisch.

Weiterhin umfasst der kalte Bereich der betreffenden Kühlstufe mindestens eine Expansionseinrichtung, die zur Expansion und Abkühlung des Kältemittelgemischs auf das Niederdruck-Niveau eingerichtet ist. Hierbei kann die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs bevorzugt durch den Joule-Thomson-Effekt erreicht werden, wobei der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des Kältemittelgemischs einen positiven Wert annimmt. Damit bewirkt die mindestens eine Expansionseinrichtung einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck-Niveau auf das Niederdruck-Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs. Die mindestens eine Expansionseinrichtung kann hierbei bevorzugt ausgewählt sein aus einem Expansionsventil, einer Drosselkapillare, einer Blende und einem Sinterkörper. Eine Verwendung einer anderen Expansionseinrichtung ist jedoch denkbar.

Darüber hinaus kann der kalte Bereich der mindestens einen Kühlstufe vorzugsweise mindestens einen zweiten Wärmeübertrager umfassen, der zur Kühlung der Anwendung, vorzugsweise der supraleitenden Anwendung, die in dem kalten Bereich angeordnet ist, eingerichtet ist.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Stromzuführung, insbesondere einer oben oder unten beschrieben Stromzuführung, die zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle zu einer Anwendung oder von der Anwendung zu der Energiequelle eingerichtet ist, wobei die Energiequelle in einem warmen Bereich angeordnet ist und wobei die Anwendung in einem kalten Bereich angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von mindestens zwei Folien, wobei jede Folie ein elektrisch leitfähiges Material, das zum Transport von elektrischer Energie eingerichtet ist, umfasst, wobei jede Folie an jedem Ende jeweils einen elektrischen Anschluss, der zur Aufnahme von elektrischer Energie aus einer Energiequelle oder zur Abgabe der elektrischen Energie an eine Anwendung eingerichtet ist, aufweist; b) Einbringen einer Vielzahl von Strömungskanälen, die zur Aufnahme eines Fluidstroms eingerichtet sind, in die mindestens zwei Folien; c) Anordnen der mindestens zwei Folien in Form eines Stapels und Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien, wobei der elektrische Anschluss jeder Folie in dem kalten Bereich unverschweißt bleibt.

Das Einbringen der Vielzahl der Strömungskanäle in die mindestens zwei Folien gemäß Schritt b) kann hierbei vorzugsweise mittels eines Ätzverfahrens oder mittels Mikrofräsen erfolgen. Wie oben erwähnt, kann der Fluidstrom bevorzugt ein Kältemittelgemisch oder einen abzukühlenden Gasstrom oder einen zu verflüssigenden Gasstrom umfassen.

Während die elektrischen Anschlüsse der Folien in dem warmen Bereich miteinander verschweißt werden können, bleiben dagegen die elektrischen Anschlüsse der Folien in dem kalten Bereich unverschweißt, damit die Hochtemperatur- Supraleiter, wie oben erwähnt, in vorteilhafter Weise einzeln kontaktiert werden können.

Das Anordnen der mindestens zwei Folien in Form eines Stapels gemäß Schritt c) kann hierbei bevorzugt das jeweilige Anbringen mindestens einer Deckplatte auf wenigstens eine Seite des Stapels, bevorzugt von jeweils einer Deckplatte auf beide Seiten des Stapels, umfassen, wobei das Diffusionsschweißen der mindestens zwei Folien auch die mindestens eine Deckplatte, bevorzugt die beiden Deckplatten, umfasst, wobei das Verfahren den weiteren Schritt aufweisen kann: d) Einbringen jeweils mindestens einer Zuleitung, die zur Zuführung des Fluidstroms eingerichtet ist, und mindestens einer Ableitung, die zur Abführung des Fluidstroms eingerichtet ist, in zumindest eine der Deckplatten.

Weiterhin kann das vorliegende Verfahren vorzugsweise den folgenden weiteren Schritt aufweisen: e) Anbringen mindestens eines Hochtemperatur-Supraleiters an den elektrischen Anschluss der Folien am kalten Ende, der zur Abgabe der elektrischen Energie an die Anwendung eingerichtet ist.

Der Hochtemperatur- Supraleiter kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das vorliegende Verfahren und die hierbei verwendeten Begriffe wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Stromzuführung verwiesen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie zur Kühlung und zum Betrieb von Hochtemperatur-Supraleitern auf einer Temperatur von 15 K bis 90 K.

Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die vorliegende Verwendung wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.

Die erfindungsgemäße Stromzuführung, das Verfahren zu ihrer Herstellung sowie die Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer Energiequelle sowie ihre Verwendung weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Stromzuführungen, zugehörigen Verfahren und entsprechenden Vorrichtungen auf. Die hierin vorgeschlagene Stromzuführung übernimmt als einheitliches Bauteil eine doppelte Funktion, welche gleichzeitig eine Stromzuführung und eine Wärmeübertragung umfasst. Insbesondere im Vergleich zum Stand der Technik lassen sich so wesentlich kompaktere und effizientere Stromzuführungen bereitstellen, die es erlauben, eine entstehende Verlustleistung unmittelbar an demjenigen Ort abzuführen, an dem sie in Wärme umgewandelt werden kann. Hierbei kann die Wärme auf dem jeweils höchst möglichen Temperaturniveau abgeführt werden, so dass eine Effizienzsteigerung gegenüber einer ausschließlichen Kühlung am kalten Ende der Stromzuführung, eine stufenweise Kühlung oder der Kühlung durch einen Gasstrom auftritt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.

Im Einzelnen zeigen:

Figur 1 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer erfmdungsgemäßen Stromzuführung;

Figur 2 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer Anordnung von Folien innerhalb eines Stapels in der erfindungsgemäßen Stromzuführung ;

Figur 3 schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verteilelements in einem Eintrittsbereich oder Austrittsbereich zur Aufteilung eines Kältemittelgemischs auf Strömungskanäle in einer der Folien der erfmdungsgemäßen Stromzuführung;

Figur 4 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer einstufigen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäße Stromzuführungen umfasst; und

Figur 5 schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer zweistufigen Vorrichtung zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäße Stromzuführungen umfasst. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Figuren la und lb findet sich jeweils eine schematische Darstellung eines bevor zugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromzuführung 110 in Form einer Explosionszeichnung dargestellt. Zwischen einer oberen Deckplatte 112, die vier Stutzen 114, 114% 114“, 114‘“ aufweist, die zum Anschluss einer Zuleitung und/oder einer Ableitung für ein Kältemittelgemisch vorgesehen sind, und einer unteren Deckplatte 116 sind hier jeweils ein Stapel 118, der eine Vielzahl an Folien 120 umfasst, sowie zwei einzelne Folien 120‘, 120“ (Figur la) bzw. drei einzelne Folien 120‘, 120“, 120‘“ gezeichnet, die ebenfalls zur Aufnahme in den Stapel 118 eingerichtet sind.

Wie aus den Figuren la und lb hervorgeht, sind die Folien 120 jeweils parallel zu ihren Oberflächen in der lateralen Ausdehnung aufeinandergelegt und können vorzugsweise mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden. Insbesondere können alle Folien 120 des Stapels 118 bevorzugt dieselbe Folienlänge und dieselbe Folienbreite aufweisen, um so einen Überstand zwischen benachbart angeordneten Folien 120 in dem Stapel 118 zu vermeiden. Um zudem einen Fluss an elektrischer Energie möglichst gleichmäßig auf möglichst alle Folien 120 in dem Stapel 118 zu verteilen, können zudem alle Folien 120 des Stapels 118 vorzugsweise dieselbe Foliendicke aufweisen. Bevorzugt lassen sich Anzahl, Folienlänge, Folienbreite und Foliendicke der Folien 120 an eine Höhe der mittels der Stromzuführung 110 zu transportierenden elektrischen Energie anpassen. Wie oben erwähnt, kann der Stapel 118 insbesondere 10 bis 100 Folien 120 umfassen; ein anderer Wert für die Anzahl der Folien 120 in dem Stapel 118 ist jedoch möglich.

Jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, das zu einem Transport an elektrischer Energie eingerichtet ist. In Bezug auf den Begriff „elektrisch leitfähig“ wird auf die obige Definition verweisen. Hierzu umfasst das elektrisch leitfähige Material vorzugsweise Kupfer, wobei andere elektrisch leitfähige Materialen ebenfalls denkbar sind, sowie an jeder Querseite jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen eigenen elektrischen Anschluss. Wie die Figuren la und lb zeigen, kann eine erste Querseite jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen ersten elektrischen Anschluss 122, 122‘, 122“, 122“ ‘ zur Aufnahme der elektrischen Energie aus einer Energiequelle und die andere Querseite der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ jeweils einen zweiten elektrischen Anschluss 124, 124‘, 124“, 124“ ‘ zur Abgabe der elektrischen Energie an eine zu kühlende Anwendung, die zur Aufnahme der so bereitgestellten elektrischen Energie eingerichtet ist, aufweisen, wobei jeder erste elektrische Anschluss 122, 122‘, 122“, 122 “‘ und jeder zweite elektrische Anschluss 124, 124‘, 124“, 124“‘von der betreffenden Folie umfasst wird. Wie weiterhin in den Figuren la und lb dargestellt, können die elektrischen Anschlüsse jeweils in Form einer elektrisch leitfähigen Anschlussfahne ausgestaltet sein, so dass sowohl der erste elektrische Anschluss 122, 122‘, 122“, 122‘“ als auch der zweite elektrische Anschluss 124, 124‘, 124“, 124‘“ jeder Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ ein elektrisch leitfähiges Anschlussteil aufweist, das vorzugsweise beweglich und in einer gegenüber dem übrigen Körper der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ zumindest teilweise verjüngt ausgestaltet ist. Andere Arten der Anordnung und der Ausgestaltung der elektrischen Anschlüsse der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ sindjedoch denkbar.

Wie aufgrund der Darstellung in den Figuren la und lb besonders gut in den beispielhaften Folien 120‘, 120“ erkennbar, weist jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ einen jeweils unter den vier Stutzen 114, 114% 114“, 114‘“ der oberen Deckplatte 112 angeordneten Durchtritt 126, 126‘, 126“, 126‘“ auf, die zur Zuleitung und/oder zur Ableitung des Kältemittelgemischs in jeder einzelnen Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingerichtet sind. Sowohl zwischen den Durchtritten 126‘ und 126“ ‘ in der Folie 120‘ als auch zwischen den Durchtritten 126 und 126“ in der Folie 120“ sind in jede Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eine Vielzahl von vorzugsweise parallel angeordneten Strömungskanälen 128, die bevorzugt eine Vielzahl von periodisch angeordneten Vertiefüngen und sich dazwischen befindlichen Erhebungen zur Führung eines Kältemittelgemischs auf der lateralen Ausdehnung der Oberfläche entlang der Folienlänge der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingebracht. Zu Einzelheiten der Anordnung und Ausgestaltung der Strömungskanäle 128 wird auf die obige Beschreibung sowie auf die die Darstellung gemäß den Figuren 2a und 2b verwiesen.

Wie in den Figuren la und lb weiterhin dargestellt, befindet sich zwischen den Durchtritten 126‘ und 126“‘als auch zwischen den Durchtritten 126 und 126“ und der jeweils zugehörigen Vielzahl der Strömungskanäle 128 jeweils ein Eintrittsbereich 130 und ein Austrittsbereich 130‘ für die Strömungskanäle 128, wobei die Wahl der Anordnung des Eintrittsbereichs 130 und des Austrittsbereichs 130‘ in den Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ von einer im Betrieb der Stromzuführung 110 gewählten Strömungsrichtung des Kältemittelgemischs durch die Vielzahl der Strömungskanäle 128 abhängt. In der Darstellung gemäß den Figuren la und lb weisen sowohl der Eintrittsbereich 130 als auch der Austrittsbereich 130‘ jeweils ein Verteilelement 132, 132‘ auf, welches zu einer Aufteilung, vorzugsweise einer Gleichverteilung, des von mindestens einer der Durchtritte 126, 126‘, 126“, 126‘“ bereitgestellten Kältemittelgemischs auf die Strömungskanäle 128 der Folie 120, 120‘, 120“, 120‘“ eingerichtet ist. Zu Einzelheiten in Bezug auf Anordnung und Ausgestaltung der Verteilelemente 132, 132‘ wird auf die obige Beschreibung sowie auf die Darstellung gemäß den Figuren 3a und 3b verwiesen. Die Figuren 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen von bevorzugten Ausführungs- beispielen einer Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ und der der Strömungskanäle 128 innerhalb eines Stapels 118 in der erfindungsgemäßen Stromzuführung 110. Wie dort dargestellt, umfassen die von dem Stapel 118 umfassten Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ bevorzugt einen ersten Strömungsweg 134, der zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau aus einem warmen Bereich einer Kühlstufe eingerichtet ist und einen zweiten Strömungsweg 134% die zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau aus einem kalten Bereich der Kühlstufe eingerichtet ist.

Figur 2a zeigt schematisch eine erste bevorzugte Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ in dem Stapel 118. Gemäß dieser Anordnung sind die Strömungskanäle 128 benachbart gestapelter Folien 120, 120“ bzw. 120‘, 120‘“ in dem Stapel 118 abwechselnd als erster Strömungsweg 134 und als zweiter Strömungsweg 134‘ eingerichtet.

Figur 2b zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120‘“ in dem Stapel 118. Gemäß dieser alternativen Anordnung sind die Strömungskanäle 128 zwei benachbart gestapelter Folien 120‘, 120“ in dem Stapel 118 als zweiter Strömungsweg 134‘ und als dritter Strömungsweg 134“ zur getrennten Aufnahme einer Dampfphase und einer Flüssigkeitsphase des Kältemittelgemischs auf Niederdruck- Niveau eingerichtet, während eine hieran jeweils angrenzende weitere Folie 120, 120‘“ einen ersten Strömungsweg 134 zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck- Niveau Bereich aufweist. Hieran anschließend kann der Stapel 118 entsprechend weiter ausgestaltet werden oder sich gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Figur 2a weiter fort setzen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Reihenfolge der Anordnung der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ in dem Stapel 118 (nicht dargestellt) können die Strömungskanäle 128 von zwei benachbart gestapelten Folien 120‘, 120“ in dem Stapel 118 als erster Strömungsweg 134 zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Hochdruck-Niveau eingerichtet sein, während eine jeweils hieran angrenzende weitere Folie 120, 120‘“ einen zweiten Strömungsweg 134‘ zur Aufnahme des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau aufweisen kann. Darüber hinaus sind weiter Ausgestaltungen der Anordnung der Folien der Folien 120, 120‘, 120“, 120“ ‘ in dem Stapel 118 denkbar.

Die Figuren 3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungs beispiels für das Verteilelement 132 in dem Eintrittsbereich 130 oder in dem Austrittsbereich 130‘ zur Aufteilung eines Kältemittelgemischs auf die Strömungskanäle 128 in einer der Folien 120 der erfindungsgemäßen Stromzuführung 110. Insbesondere zur Erzielung einer Gleichverteilung des Kältemittelgemischs in dem Eintrittsbereich 130 auf die Strömungs kanäle 128 in der Folie 120 kann das Verteilelement 132, wie dargestellt, vorzugsweise eine Vielzahl von periodisch angeordneten Erhebungen 136 und sich dazwischen befindlichen Vertiefungen 138 aufweisen. Bevorzugt können die Erhebungen 136 hierbei dasselbe Niveau wie die Oberfläche der Folie 120 annehmen, während die Vertiefungen 138 vorzugsweise dieselbe Kanaltiefe wie die Strömungskanäle 128 aufweisen können. Die Verteilelemente 132, 132‘ können in vorteilhafter Weise insbesondere dazu dienen, eine Fehlverteilung der Strömung im Betrieb während der Verteilung der Strömung über mehrere parallele Strömungskanäle 128 zu unterbinden.

Die Figuren 4a bis 4c zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer einstufigen Vorrichtung 140 zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von einer in einem warmen Bereich 142 der Vorrichtung 140 angeordneten Energiequelle 142 zu einer in einem kalten Bereich 146 der Vorrichtung 140 eingebrachten Anwendung 148, die insbesondere zumindest einen Hochtemperatur-Supraleiter 150 oder ein Bauteil, das mindestens einen Hochtemperatur- Supraleiter 150 umfasst, aufweist. Während der warme Bereich 142 vorzugsweise für Umgebungstemperatur eingerichtet und üblicherweise bei Umgebungstemperatur gehalten wird, herrscht im kalten Bereich 146 während des Betriebs der Vorrichtung 140 typischer weise eine kryogene Temperatur. Für die Begriffe „Umgebungstemperatur“ und „kryogene Temperatur“ wird auf die obigen Definitionen verweisen.

In dem warmen Bereich 142 stellt ein Kühler 152 ein Kältemittelgemisch bereit, das eine für die Vorrichtung 140 eingerichtete Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln umfasst, wobei zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Um bei einer Abkühlung des Kältemittelgemischs von der Umgebungstemperatur auf die kryogene Temperatur eine möglichst hohe Effizienz erzielen zu können, wird ein weitsiedendes Kältemittelgemisch eingesetzt, das sowohl mindestens eine höhersiedende Komponente als auch mindestens eine tiefersiedende Komponente umfasst. Wie oben erwähnt, kann die mindestens eine höhersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein aus einem Kohlenwasserstoff und einem fluorierten Kohlenwasserstoff, während die mindestens eine tiefersiedende Komponente bevorzugt ausgewählt sein kann aus Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Wasserstoff und Helium. Andere Substanzen sind jedoch möglich.

Wie in den Figuren 4a bis 4c dargestellt, umfasst die vorliegende Vorrichtung 140 zwei in dem kalten Bereich 146 angeordnete Stromzuführungen 110, 110% wie insbesondere oben zu den Figuren 1 bis 3c beschrieben. Das Einbringen des warmen Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 142 in den kalten Bereich 146 erfolgt auf Hochdruck-Niveau mittels jeweils einer Zuleitung 154, 154% die in jeweils eine Hochdruckseite 156, 156‘ der jeweils gleichzeitig als erster Wärmeübertrager 158, 158‘ eingerichteten Stromzufuhrungen 110, 110‘ münden, die in der beispielhaften Darstellung gemäß den Figuren 4a bis 4c als Gegenstromwärmeübertrager ausgeführt sind. Weiterhin verfügt der jeweils erste Wärme übertrager 158, 158‘ über je eine Niederdruckseite 160, 160‘, die zur Abgabe des kalten Kältemittelgemischs an den warmen Bereich 142 jeweils mittels einer Ableitung 162, 162‘ ausgeführt ist. Somit weist das an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 142 zugeführte warme Kältemittelgemisch eine höhere Temperatur im Vergleich zu dem an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ zur Abgabe an den warmen Bereich 142 vorgesehene Kältemittelgemisch auf. Folglich trägt das an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ bereit gestellte kalte Kältemittelgemisch wesentlich zur Kühlung des an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 142 zugeführte warme Kältemittelgemisch bei, wobei sich eine Übertragung an thermischer Energie durch den Gegenstromwärmeübertrager dadurch effizienter ausgestalten lässt, dass das an jeder Hochdruckseite 156, 156‘ aus dem warmen Bereich 124 warme Kältemittelgemisch in eine Richtung strömt, die einer Richtung des an jeder Niederdruckseite 160, 160‘ bereitgestellten kalten Kältemittelgemischs entgegen gerichtet ist.

Das auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jedem ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlte, ursprünglich aus dem warmen Bereich 142 zugeführte Kältemittel gemisch gelangt hieran anschließend über eine jeweils weitere Leitung 164, 164‘ in eine jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘, die hier als Expansionsventil ausgeführt ist. Eine alternative Ausführung der Expansionseinrichtung 166, 166‘ als Drosselkapillare, Blende oder Sinterelement ist jedoch möglich. Die Expansionseinrichtung 166, 166‘ befindet sich ebenfalls in dem kalten Bereich 146 und ist zur Abkühlung des Kältemittelgemischs auf Niederdruck-Niveau eingerichtet. Hierbei kann die Expansionseinrichtung 166, 166‘ bevorzugt dazu eingerichtet sein, die gewünschte Abkühlung des Kältemittelgemischs mittels des Joule-Thomson-Effekts zu erreichen, da das Kältemittelgemisch derart angepasst wurde, dass der gemäß Gleichung (1) definierte Joule-Thomson-Koeffizient \i _JT des Kältemittelgemischs bei der Temperatur der kalten Seite 146 der Vorrichtung 146 einen positiven Wert aufweist. Damit bewirkt die Expansionseinrichtung 166, 166‘ einerseits die Verringerung des das Kältemittelgemisch beaufschlagenden Drucks vom Hochdruck- Niveau auf das Niederdruck-Niveau und andererseits die gewünschte weitere Abkühlung des Kältemittelgemischs.

Wie bereits oben im Zusammenhang mit den Figuren la und lb erwähnt, umfasst die Stromzuführung 110 den ersten elektrischen Anschluss 122 zur Aufnahme der elektrischen Energie in Form eines Stroms 1+ aus der Energiequelle 144 und den zweiten elektrischen Anschluss 124 zur Abgabe der elektrischen Energie in Form des Stroms 1+ an die Anwendung 148, die zur Aufnahme der so bereitgestellten elektrischen Energie eingerichtet ist. In der bevorzugten Ausführung gemäß den Figuren 4a bis 4c ist der der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 zugewandte zweite elektrische Anschluss 124 der Stromzuführung 110 elektrisch leitfähig mit einem Hochtemperatur-Supraleiter 168 verbunden. Hierbei ist der Hochtemperatur-Supraleiter 168 in vorteilhafter Weise zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss 124 der Stromzuführung 110 und der Anwendung 148 angeordnet, so dass auf diese Weise ein möglichst verlustfreier Weitertransport der elektrischen Energie von der Stromzuführung 110 zu der Anwendung 148 ermöglicht wird. Der Hochtemperatur-Supraleiter 168 kann hierbei insbesondere als Band oder als Kabel ausgestaltet sein.

Um schließlich einen geschlossenen Stromkreis zu erhalten, erfolgt in analoger Weise ein möglichst verlustfreier Weitertransport der elektrischen Energie in Form eines Stroms I- von der Anwendung 148 zu der Stromzuführung 110‘ über einen zugehörigen Hochtemperatur- Supraleiter 168% der elektrisch leitfähig mit dem der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 zugewandten zweiten elektrischen Anschluss 124‘ der Stromzuführung 110‘ verbunden ist. Weiterhin umfasst die Stromzuführung 110‘ den ersten elektrischen Anschluss 122‘, der zur Abgabe der elektrischen Energie in Form des Stroms I- aus der Anwendung 148 über die Stromzuführung 110‘ zu der Energiequelle 144 eingerichtet ist.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 4b zwei zweite Wärmeübertrager 170, 170‘ auf, die jeweils zur Kühlung der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 eingerichtet sind. Wie Figur 4b zeigt, gelangt hierzu das auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jedem ersten Wärme übertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlte Kältemittelgemisch über die jeweils weitere Leitung 164, 164‘ und die jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘ zu dem jeweils zweiten Wärmeübertrager 170, 170‘.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4b weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 4c einen einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 auf, der zur Kühlung der Anwendung 148, die in dem kalten Bereich 146 angeordnet ist, eingerichtet ist. Hierzu werden die auf jeder Hochdruckseite 156, 156‘ in jeden ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ bereits teilweise abgekühlten Kältemittelgemische über die teilweise gemeinsame weitere Leitung 164 zusammengeführt und über die einzige Expansionseinrichtung 166 zu dem einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 geleitet. In analoger Weise wird das Kälte mittelgemisch aus dem einzigen zweiten Wärmeübertrager 170 auf beide Niederdruckseiten 160, 160‘ der ersten Wärmeübertrager 158, 158‘ aufgeteilt und so wieder dem warmen Bereich 142 zugeführt.

Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, in dem die jeweilige Vorrichtung 140 zur Erzeugung kryogener Temperaturen und zum Transport elektrischer Energie von der im warmen Bereich 142 der Vorrichtung 140 angeordneten Energiequelle 142 zu der im kalten Bereich 146 der Vor richtung 140 eingebrachten Anwendung 148 zweistufig ausgestaltet ist.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 5a im warmen Bereich 142 einen Vorkühler 172 auf, der ein weiteres weitsiedendes Kältemittelgemisch bereitstellt, das eine zur Vorkühlung eingerichtete Mischung aus mindestens zwei Komponenten von Kältemitteln umfasst, wobei auch hier zumindest zwei der Komponenten eine voneinander verschiedene Siedetemperatur aufweisen. Das Einbringen des weiteren Kältemittelgemischs aus dem warmen Bereich 142 in den kalten Bereich 146 erfolgt auf Hochdruck-Niveau mittels jeweils einer weiteren Zuleitung 174, 174‘, die jeweils in die Hochdruckseiten 156, 156‘ der jeweils gleichzeitig als erste Wärmeübertrager 158, 158‘ eingerichteten Stromzuführungen 110, 110‘ münden. Das hierdurch bereits teilweise abgekühlte weitere Kältemittelgemisch gelangt anschließend über eine jeweils weitere Leitung 176, 176‘ in eine jeweils weitere Expansionseinrichtung 178, 178‘. Die Abgabe des kalten Kältemittelgemischs an den warmen Bereich 142 erfolgt über die jeweilige Niederdruckseite 160, 160’des ersten Wärmeübertragers 158, 158‘ mittels einer jeweiligen weiteren Ableitung 180, 180‘. Weiterhin weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 140 gemäß Figur 5a gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4a im kalten Bereich 146 weitere Stromzuführungen 110“, 110‘“ auf, die gleichzeitig als weitere erste Wärmeübertrager 158“, 158“ verwendet werden, insbesondere um die jeweiligen Stromzuführungen 110“, 110‘“ weiter zu kühlen.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5a weist das Ausführungsbeispiel der ebenfalls zweistufigen Vorrichtung 140 gemäß Figur 5b die beiden zweiten Wärmeüber trager 170, 170‘ auf, die jeweils zur Kühlung der Anwendung 148 in dem kalten Bereich 146 eingerichtet sind. Hierzu gelangt das in jedem ersten Wärmeübertrager 158, 158% 158“, 158‘“ bereits teilweise abgekühlte Kältemittelgemisch über die jeweils weitere Leitung 164, 164‘ und die jeweilige Expansionseinrichtung 166, 166‘ zu dem jeweils zweiten Wärmeübertrager 170, 170‘. Bezugszeichenliste

110, 110‘ ... Stromzuführung 144 Energiequelle

112 obere Deckplatte 146 kalter Bereich

114, 114‘ ... Stutzen 148 Anwendung

116 untere Deckplatte 150 Hochtemperatur- Supraleiter

118 Stapel 152 Kühler

120, 120‘ Folie 154, 154‘ Zuleitung 122, 122‘ erster elektrischer Anschluss 156, 156‘ Hochdruckseite 124, 124‘ zweiter elektrischer Anschluss 158, 158‘ ... erster Wärmeübertrager 126, 126‘ Durchtritt 160, 160‘ Niederdruckseite 128 Strömungskanal 162, 162‘ Ableitung 130 Eintrittsbereich 164, 164‘ weitere Leitung 130‘ Austrittsbereich 166, 166‘ erste Expansions einrichtung

132, 132‘ Verteilelement 168, 168‘ Hochtemperatur- Supraleiter

134 erster Strömungsweg 170 zweiter Wärmeübertrager

134‘ zweiter Strömungsweg 172 Vorkühler

134“ dritter Strömungsweg

134‘“ vierter Strömungsweg

136 Erhebung 174, 174‘ weitere Zuleitung

138 Vertiefung 176, 176’ weitere Leitung

140 Vorrichtung 178, 178‘ weitere Expansionseinrichtung

142 warmer Bereich 180, 180‘ weitere Ableitung