Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate- rialien wie z. B. NbTi oder Nb3Sn, die sehr niedrige Sprung- temperaturen Tc besitzen und deshalb auch Niedrig (Low)-Tc- Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien genannt werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch (High)-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet und ermöglichen prinzipiell eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN2).

Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Es zeigt sich jedoch, dass bisher bekannte Leiter nur eine verhältnis- mäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induk- tionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es vielfach er- forderlich, dass die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturni- veau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten werden müssen, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können. Ein solches Temperaturniveau liegt deutlich höher als 4,2 K, der Siedetemperatur des flüssigen

Heliums (LHe), mit dem bekannte metallische Supraleitermate- rialien wie Nb3Sn oder NbTi gekühlt werden.

Es kommen deshalb zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern, in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von Kryokühlern mit geschlossenem He-Druckgaskreis- lauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Puls- röhrenkühler ausgebildet. Solche Kälteeinheiten haben zudem den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkal- ten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird eine supraleitende Einrichtung wie z. B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B."Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf.

(ICEC 16)", Kitakyushu, JP, 20. -24. 05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1129).

Eine entsprechende Kühltechnik ist auch für einen aus der US 5,482, 919 A entnehmbaren supraleitenden Rotor einer elekt- rischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine rotieren- de Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als Stirling- oder Gifford-McMahon-oder Pulsröhrenkühler ausgelegten Käl- teeinheit auf einer gewünschten Betriebstemperatur zwischen 30 und 40 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält hierzu in einer speziellen Ausführungsform einen mitrotierenden, in der Schrift nicht weiter ausgeführten Kaltkopf, dessen kältere Seite thermisch an die Wicklung indirekt über wärmeleitende Elemente gekoppelt ist. Ferner umfasst die Kälteeinheit der bekannten Maschine eine außerhalb ihres Rotors befindliche Kompressoreinheit, die den Kaltkopf über eine rotierende, nicht näher ausgeführte Kupplung einer entsprechenden Trans- fereinheit das erforderliche Arbeitsgas zuführt. Die Kupplung versorgt außerdem über zwei Schleifringe auch einen Ventil- trieb der Kälteeinheit, der in den Kaltkopf integriert ist, mit der nötigen elektrischen Energie. Dieses Konzept macht es

erforderlich, dass in der Transfereinheit mindestens zwei Gasverbindungen koaxial geführt und mindestens zwei elektri- sche Schleifringe vorgesehen werden müssen. Zudem ist die Zu- gänglichkeit der mitrotierenden Teile der Kälteeinheit und insbesondere des Ventiltriebs in dem Rotor der Maschine be- hindert, da bei erforderlichen Wartungen das Rotorgehäuse ge- öffnet werden muss. Des Weiteren ist die Funktion eines her- kömmlichen Ventiltriebs bei schneller Rotation, wie sie bei Synchronmotoren oder Generatoren gegeben ist, nicht gesi- chert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von die- sem Stand der Technik die Einrichtung mit den eingangs ge- nannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass mit ihr ein sicherer und wirtschaftlicher Betrieb der Kälteeinheit sowohl bei der Abkühlphase als auch im Stillstand und bei Ro- tation des Rotors in einem Temperaturbereich unter 77 K bei vergleichsweise vermindertem apparativen Aufwand zu gewähr- leisten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 an- gegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend umfasst die Sup- raleitungseinrichtung einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mindestens eine supraleitende Wicklung aufweist, deren Leiter in einem Wicklungsträger angeordnet sind, sowie eine Kälteeinheit, die mindestens einen thermisch an die Wicklung angekoppelten Kaltkopf aufweist. Dabei soll die Supraleitungseinrichtung folgende Merkmale aufweisen, nämlich - dass der Wicklungsträger mit einem zentralen, sich in Achsrichtung erstreckenden Hohlraum versehen ist, der mit einem seitlich aus dem Wicklungsträgerbereich heraus füh- renden seitlichen Hohlraum verbunden ist, - dass sich der Kaltkopf feststehend außerhalb des Rotors befindet und mit einer Kaltfläche in thermischer Verbin- dung mit einer Kondensorvorrichtung zur Kondensation eines ersten und wenigstens eines weiteren Kältemittels in ge-

trennten Kondensorräumen steht, wobei sich die Kältemittel hinsichtlich ihrer Kondensationstemperaturen unterschei- den, - dass ein erstes feststehendes Wärmerohr für das erste Käl- temittel und wenigstens ein weiteres feststehendes Wärme- rohr für das wenigstens eine weitere Kältemittel von der Kondensorvorrichtung in den mitrotierenden seitlichen Hohlraum und gegebenenfalls bis in den Bereich des zentra- len Hohlraums führen, - dass das erste, endseitig offene Wärmerohr, der seitliche Hohlraum und der zentrale Hohlraum mit dem ersten Kälte- mittel gefüllt sind, wobei in einer Betriebsphase der Ein- richtung unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes kon- densiertes Kältemittel in den zentralen Hohlraum sowie dort erwärmtes, gegebenenfalls verdampfendes Kältemittel wieder über das erste Wärmerohr zurück zu dessen Konden- sorraum gelangt, sowie - dass das wenigstens eine weitere Wärmerohr als ein in dem zentralen Hohlraum endseitig abgeschlossener Kühlfinger mit einer Füllung des wenigstens einen weiteren Kältemit- tels ausgebildet ist, wobei in einer Abkühlphase unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes in dem Kondensor- raum des Rohres kondensiertes Kältemittel sich im Bereich des zentralen Hohlraums unter Verdampfung erwärmt und so verdampftes Kältemittel zu dem Kondensorraum zurück ge- langt.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Supraleitungsein- richtung ist folglich die gesamte Kälteeinheit mit ihren eventuell beweglichen Teilen außerhalb des Rotors angeordnet und somit jederzeit leicht zugänglich. Die Bereitstellung der Kälteleistung bzw. der Wärmetransfer erfolgt von einem fest- stehenden Kaltkopf in den Rotor über die Wärmerohre, die ohne mechanisch bewegte Teile den Transport des jeweiligen Kälte- mittels sicherstellen. Dabei wird das für den Dauerbetrieb bzw. die Betriebsphase vorgesehene erste Kältemittel in einem

Kreisprozess an einer Kondensorvorrichtung, die gut wärmelei- tend mit dem Kaltkopf verbunden ist, unter Wärmeabgabe kon- densiert. Anschließend rinnt das flüssige Kondensat durch das hierfür vorgesehene erste Wärmerohr in den seitlichen Hohl- raum des Rotors und von dort in dessen zentralen Hohlraum oder direkt in diesen. Der Transport des Kondensats durch das erste Wärmerohr geschieht unter dem Einfluss der Schwerkraft aufgrund einer sogenannten Thermosyphon-Wirkung und gegebe- nenfalls durch die Kapillarkraft der Innenwand des Wärme- rohrs. Hierzu wirkt dieses Rohr in an sich bekannter Weise als ein"Docht". Diese Funktion kann durch passende Ausges- taltung oder Auskleidung der Innenwand noch optimiert werden.

Am Ende des ersten Wärmerohrs tropft bzw. läuft das Kondensat in den vorgesehenen Hohlraum. Das im Bereich der Wicklung be- findliche Kondensat wird dort unter Aufnahme von Wärme zumin- dest teilweise verdampft. Das erste Kältemittel strömt dann durch das Innere des ersten Wärmerohres zurück in die Konden- sorvorrichtung. Der Rückstrom wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in dem als Verdampferteil wirkenden zentralen Hohlraum relativ zu den als Kondensator wirkenden Teilen der Kondensorvorrichtung. Dieser durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen im Kondensor er- zeugte Unterdruck führt zu dem gewünschten Kältemittelrück- strom. Entsprechende Kältemittelströmungen sind von sogenann- ten"Heat-Pipes"her an sich bekannt.

Das wenigstens eine weitere Wärmerohr, das mit einem bereits bei höheren Temperaturen kondensierenden Gas wie beispiels- weise Stickstoff, Argon oder einem Kohlenwasserstoff als einem weiteren Kältemittel gefüllt ist, stellt einen in den zentralen Hohlraum hineinragenden, dort endseitig abgeschlos- senen Kühlfinger dar. Die Wärmeübertragung während einer Ab- kühlphase erfolgt bis zu diesem Rohrende unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes durch Kondensation und Verdamp- fung des weiteren Kältemittels. Von diesem Rohrende im Be- reich des zentralen Hohlraumes erfolgt die Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile des Rotors durch Konvektion. Die

hierbei auftretende Temperaturdifferenz von einigen Kelvin zwischen dem Ende des Kühlfingers und der Wand des zentralen Hohlraums sind für den Zweck einer Vorkühlung ohne weiteres tolerabel.

Bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung werden al- so zwei unterschiedliche Kühlverfahren kombiniert. Ein erstes Verfahren, das eine reine Thermosyphon-Kühlung darstellt, sieht ein Arbeitsgas als erstes Kältemittel zur Kühlung wäh- rend der Betriebsphase vor. Erst in Verbindung mit diesem ersten Verfahren der konvektiven Kühlung können weitere Ther- mosyphons mit anderen Gasen (d. h. mit mindestens einem weite- ren Kältemittel), und damit anderen Arbeitstemperaturen gleichzeitig thermisch an die zu kühlenden Teile des Rotors angekoppelt werden (= weiteres Verfahren). Dadurch wird eine effektive und kostengünstige Vorkühlung bei optimaler Ausnut- zung der Kälteleistung des Kaltkopfes ermöglicht.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Sup- raleitungseinrichtung sind unter anderem darin zu sehen, dass keine bewegten Teile wie z. B. Ventilatoren oder Pumpen zur Umwälzung des Kältemittels erforderlich sind. Außerdem kann die Kälteeinheit an die unterschiedlichen Anforderungen einer Maschinenaufstellung leicht angepasst werden. Insbesondere lassen sich je nach Auslegung mehrere Meter lange Wärmerohre vorsehen, so dass z. B. eine Kältemaschine zur Erleichterung ihrer Wartung an einer zugänglichen Stelle montiert sein kann, während der eigentliche Motor bzw. Generator schwer zu- gänglich eingebaut ist. Der Wärmetransfer bzw. die Bereit- stellung der Kälteleistung ist bei der erfindungsgemäßen Aus- gestaltung also besonders einfach und wirtschaftlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supralei- tungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können selbstverständlich mehrere als Kühlfinger gestalte- te weitere Wärmerohre mit Füllungen weiterer Kältemittel vor-

gesehen werden, die sich hinsichtlich ihrer Kondensationstem- peraturen unterscheiden. Es wird so eine mehrstufige Abküh- lung ermöglicht.

Ferner ist eine besonders einfache Abdichtung des Kältemit- telraumes dadurch zu erreichen, dass der zentrale Hohlraum auf einer Seite durch den Wicklungsträger abgeschlossen ist und der seitliche Hohlraum an der dem Kaltkopf zugewandten Seite durch eine Dichtungseinrichtung mit mitrotierenden Tei- len abgedichtet wird. Dabei kommt als Dichtungseinrichtung vorzugsweise zumindest eine Dichtung aus der Gruppe Ferroflu- iddichtung, Labyrinthdichtung, Spaltdichtung in Frage.

Als Kälteeinheit lassen sich praktisch alle Typen von Kälte- maschinen vorsehen, die einen auf ein vorbestimmtes Tempera- turniveau zu legenden Kaltkopf aufweisen. Bevorzugt werden Kryokühler insbesondere mit geschlossenem He-Druckgaskreis- lauf vorgesehen, da diese einen einfachen Aufbau aufweisen und für eine indirekte Kühltechnik wie bei der erfindungsge- mäßen Supraleitungseinrichtung besonders geeignet sind. Ent- sprechende, auch als regenerative Kryokühler bezeichnete Küh- ler weisen einen Regenerator bzw. regenerativen Arbeitszyklus entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler auf (vgl. z. B. den genannten Proceedings-Band, Seiten 33 bis 44).

Besonders vorteilhaft kann der Kaltkopf mehrstufig ausgebil- det sein. Mit seiner zweiten, vergleichsweise wärmeren Stufe ist dann insbesondere eine effektive Vorkühlung möglich.

Außerdem ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die zu küh- lende Wicklung und damit ihr Supraleitermaterial mittels des Kaltkopfes auf einer Temperatur unter 77 K, im Falle einer Verwendung von HTS-Material vorzugsweise zwischen 20 und 50 K zu halten ist. Bekannte HTS-Materialien weisen nämlich in diesem mit verhältnismäßig begrenztem Kühlaufwand einzuhal- tenden Temperaturbereich eine für übliche Anwendungen hinrei- chende kritische Stromdichte auf. Die erforderliche Kälte-

leistung ist bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrich- tung ohne weiteres aufzubringen. Sie liegt z. B. im Bereich von einigen 10 W bei 20 K bis 30 K für eine Synchronmaschine der Größenklasse von etwa 1 bis zu einigen 10 MW mechanischer Leistung.

Darüber hinaus ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn der seitliche Hohlraum sich in Richtung auf den mittleren Hohl- raum hin erweitert. Dann kann nämlich zum Transport des ers- ten Kältemittels eventuell neben der Schwerkraft noch die Fliehkraft unterstützend ausgenutzt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung gehen aus den vorstehend nicht ange- sprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch im Längsschnitt deren Figur 1 eine Ausführungsform des Rotors einer Supralei- tungseinrichtung, deren Figur 2 eine Kälteeinheit für diesen Rotor sowie deren Figur 3 einen Ausschnitt aus einer weiteren Supralei- tungseinrichtung nach der Erfindung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei den nachfolgend an Hand der Figuren aufgezeigten Ausfüh- rungsformen von erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtungen kann es sich jeweils insbesondere um einen (Synchron-) Motor oder einen (Synchron-) Generator handeln. Die Supraleitungs- einrichtung umfasst eine rotierende, supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material (Niedrig-Tc-Supraleitermaterial) oder oxidischem HTS-Material (Hoch-Tc-Supraleitermaterial) gestattet. Auch MgB2 kommt als

Supraleitungsmaterial in Frage. Für die nachfolgenden Ausfüh- rungsbeispiele sei ein HTS-Material wie z. B. das bekannte (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3Ox ausgewählt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder aus einem System von Spulen in einer 2-, 4-oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau der sich im Bereich des Rotors befindlichen Teile einer solchen z. B. eine Synchronmaschine bildenden Supralei- tungseinrichtung geht aus Figur 1 hervor, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Maschinen ausgegangen wird (vgl. z. B. die genannte US 5,482, 919 A oder die WO 00/13296 A).

Die allgemein mit 2 bezeichnete, nur teilweise ausgeführte Einrichtung umfasst ein feststehendes, auf Raumtemperatur be- findliches Außengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4. Inner- halb des Außengehäuses und von der Ständerwicklung 4 um- schlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6 gelagert. Bei den Lagern 6 kann es sich um konven- tionelle mechanische Lager oder auch um Magnetlager handeln.

Der Rotor weist dabei auf einer Seite einen in dem entspre- chenden Lager gelagerten, massiven axialen Rotorwellenteil 5a auf. Ferner enthält er ein Vakuumgefäß 7, in dem an z. B. hohlzylindrischen, Drehmoment übertragenden Aufhängeelementen 8 ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS-Wicklung 10 gehaltert ist. In diesem Wicklungsträger ist konzentrisch zur Rota- tionsachse A ein sich in Achsrichtung erstreckender, zylind- rischer Hohlraum vorhanden, der nachfolgend als zentraler Hohlraum 12 bezeichnet ist. Der Wicklungsträger ist dabei va- kuumdicht gegenüber diesem Hohlraum ausgeführt. Er schließt diesen auf der dem Rotorwellenteil 5a zugewandten Seite ab.

Auf der anderen Seite ist der zentrale Hohlraum 12 an einen axial seitlichen Hohlraum 13 mit vergleichsweise kleinerem Durchmesser angeschlossen, d. h. geht in diesen über. Dieser seitliche Hohlraum führt von dem Bereich des Wicklungsträgers nach außen aus dem Bereich des Außengehäuses 3 hinaus. Ein diesen seitlichen Hohlraum 13 umschließender, in einem der Lager 6 gelagerter, rohrförmiger Rotorwellenteil ist mit 5b bezeichnet.

Die Supraleitungseinrichtung 2 weist zu einer indirekten Küh- lung ihrer Wicklung 10 über wärmeleitende Elemente ferner eine Kälteeinheit auf, die aus Figur 2 näher hervorgeht. Die- se allgemein mit 15 bezeichnete Kälteeinheit umfasst mindes- tens einen Kaltkopf 16. Bei der Kälteeinheit kann es sich insbesondere um einem Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon han- deln. Vorzugsweise wird als ein regenerativer Kryokühler ein Pulsröhrenkühler oder Split-Stirling-Kühler gewählt. Dabei soll sich der Kaltkopf 16 und damit alle wesentlichen, weite- ren Teile der Kälteeinheit außerhalb des Rotors 5 und des Au- ßengehäuses 3 befinden. Für die zu verwendende Kälteeinheit mit dem Kaltkopf erforderliche Zusatzteile wie z. B. warme Druckausgleichsbehälter, Füllkapillaren, Überdruckventile zur Absicherung des Systems gegen Überdruck bei Aufwärmen sind in der Figur nicht dargestellt, jedoch allgemein bekannt. Der beispielsweise 0,5 bis etliche Meter seitlich von dem Rotor 5 angeordneten Kaltkopf 16 ragt beispielsweise mit einem Wärme- übertragungskörper in das Vakuum V eines Vakuumgefäßes 23 hinein und weist an seinem kalten Ende eine Kalt-oder Wärme- austauschfläche 17 auf. An diese Kaltfläche sind thermisch mindestens zwei vakuumisolierte, ortsfeste Wärmerohre 19 und 20 gekoppelt. Diese Wärmerohre erweitern sich jeweils in ih- rem an die Kaltfläche 17 angrenzenden Bereich auf einen grö- ßeren Wärmeaustauschquerschnitt und bilden dort erweiterte Kondensorräume 19a bzw. 20a. Die Kondensorräume können so zu- sammen mit der Kaltfläche 17 als eine Kältemittelkondensor- vorrichtung oder-kondensationseinheit 18 angesehen werden.

Von den Wärmerohren 19 und 20 wird nachfolgend das Rohr 20 als ein erstes Wärmerohr und das Rohr 19 als ein weiteres Wärmerohr bezeichnet. Diese Wärmerohre ragen seitlich in einem axialen Bereich in den seitlichen, mitrotierenden Hohl- raum 13 des Rotors hinein. Hierzu ist ein nachfolgend als ein Einsteck-oder Montagerohr bezeichnetes, ortsfestes, be- züglich der Achse A konzentrisches Rohr 24 vorgesehen, das die Wärmerohre 19 und 20 zumindest bis in den Bereich des

seitlichen Hohlraums 13 umschließt. Dieses Montagerohr ist seitlich in den Hohlraum 13 einzuführen. Zu einer radialen Abdichtung dieses Montagerohres 24 gegenüber dem den seitli- chen Hohlraum 13 begrenzenden rohrförmigen Rotorwellenteil 5b dient eine in der Figur nicht näher ausgeführte Dichtungsein- richtung 21, die z. B. als Ferrofluiddichtung und/oder Laby- rinthdichtung und/oder Spaltdichtung ausgebildet sein kann.

In dem Montagerohr herrscht ein Vakuum V, das beispielsweise mit dem Vakuum V in dem Vakuumgefäß 23 verbunden ist.

Mit Hilfe des weiteren Wärmerohrs 19 kann vorteilhaft eine Vorkühlung der zu kühlenden Teile des Rotors 5 erfolgen.

Hierzu ragt dieses Wärmerohr als ein Kühlfinger in den zent- ralen Hohlraum 12 hinein, wo das Rohr an einem Ende 19b abge- schlossen ist. Das Rohr 19 soll dabei mit einem weiteren Käl- temittel k2 wie z. B. mit N2 gefüllt sein, das eine zweite Kondensationstemperatur Tk2 aufweist, welche im Allgemeinen über der Betriebstemperatur des für die Wicklung 10 verwende- ten supraleitenden Materials liegt. In einer Abkühlphase kon- densiert dieses weitere Kältemittel k2 in dem Kondensorraum 19a der Kondensorvorrichtung 18 der Kälteeinheit 15. Unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes erwärmt es sich im Be- reich des zentralen Hohlraums 12 und gelangt in dem Wärmerohr 19 zu der Kondensorvorrichtung 18 zurück.

Über das erste Wärmerohr 20 und den seitlichen Hohlraum 13 ist der zentrale Hohlraum 12 mit dem Wärmetauschbereich der Kondensorvorrichtung 18 gasdicht nach außen abgedichtet ver- bunden. Ein in diesen Räumen eingeschlossenes erstes Kälte- mittel wie z. B. Ne wird in einem Kreisprozess an der Kalt- fläche 17 des Kaltkopfs 16 im Bereich der Kondensorvorrich- tung 18 unter Wärmeabgabe kondensiert. Anschließend fließt das so verflüssigte, mit k1 bezeichnete und in der Figur durch eine verstärkte Linie angedeutete Kondensat dann durch das erste Wärmerohr 20 zunächst durch den Bereich des seitli- chen Hohlraums 13 und von dort in den zentralen Hohlraum 12.

Der Transport des Kondensats durch das Wärmerohr geschieht

dabei mittels einer Thermosyphon-Wirkung unter Einfluss der Schwerkraft. Hierzu kann vorteilhaft das Wärmerohr 20 gering- fügig (um einige wenige Grad) gegenüber der Rotationsachse A geneigt sein, um so das Herausfließen des flüssigen Kältemit- tels k1 aus dem offenen Ende 20b des Rohres 20 zu unterstüt- zen. Gegebenenfalls wird der Kältemitteltransport auch durch eine Kapillarkraftwirkung der Innenwand des Wärmerohres un- terstützt, die als ein"Docht"funktioniert. Die Funktion eines solches Dochtes kann noch durch passende Ausgestaltung wie mit Hilfe von Längsrippen oder Kanälen zur Vergrößerung der Oberfläche oder durch Auskleidung der Rohrinnenwand opti- miert werden. Der Ausfluss des Kondensats k1 in den Hohlraum 12 an dem Ende 20b des ersten Wärmerohres 20 kann noch durch eine besondere Ausformung dieses Endes, z. B. als eine Tropf- kante, verstärkt werden. Desgleichen kann die Ausformung auch so gestaltet werden, dass durch eine Gasbewegung im rotieren- den Innenraum auf Grund eines Windes des gasförmigen Teils des Kältemittels unter Rotation das Abtropfen unterstützt wird.

Endet das Wärmerohr 20 bereits im Bereich des seitlichen Hohlraums 13, so kann der Transport dieses Kältemittels k1 in den zentralen Hohlraum 12 eventuell noch unter Ausnutzung der Schwerkraft und/oder Fliehkraft dadurch unterstützt werden, dass der seitliche Hohlraum 13 als ein sich in Richtung auf den zentralen Hohlraum 12 bezüglich seines Durchmessers er- weiterndes Rohr gestaltet ist.

Im Inneren des Rotors wird dann das flüssige erste Kältemit- tel bzw. Kondensat k1 verdampft. Das dampfförmige Kältemittel ist mit k1 bezeichnet. Dieses unter Aufnahme von Wärme ver- dampfte Kältemittel ksi'strömt dann durch das Innere des ers- ten Wärmerohres 20 zurück in den Kondensorraum 20a der Kon- densorvorrichtung 18. Hierbei wird der Rückstrom durch einen leichten Überdruck im als Verdampfer wirkenden Hohlraum 12 relativ zu der Kondensorvorrichtung getrieben, der durch das Entstehen von Gas im Verdampfer und das Verflüssigen in der

Kondensorvorrichtung verursacht wird. Verdampftes Kältemittel kl, füllt auch den Zwischenraum zwischen dem rohrförmigen Ro- torwellenteil 5b und dem Montagerohr 24 bis zu der Dichtungs- einrichtung 21.

Bei der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung ist also das erste Wärmerohr stationär an eine Kältemaschine gekop- pelt. Hiermit ist eine Übertragung des Kältemittels in den kryogenen Bereich vorgesehen, wobei der Übergang zwischen feststehenden und rotierenden Teilen durch abtropfende Flüs- sigkeit und der Rückweg durch strömendes Gas erfolgt.

Erfindungsgemäß sollen zu der Vorkühlung und der Kühlung wäh- rend der Betriebsphase zumindest zwei verschiedenen Kältemit- tel k2 und kl mit unterschiedlicher Siede-bzw. Kondensati- onstemperatur (Tk) vorgesehen sein. Dabei soll das als weite- res Kältemittel k2 bezeichnete Kältemittel eine zweite Kon- densationstemperatur Tk2 aufweisen, die im Allgemeinen ober- halb der für einen Dauerbetrieb der supraleitenden Wicklung vorgesehenen Betriebstemperatur liegt. Je nach Betriebstempe- ratur kommt für dieses weitere Kältemittel k2 z. B. Stickstoff (Kondensationstemperatur 77,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 65 K, kritischer Punkt bei 125 K und 22 bar) oder Argon (Kondensationstemperatur 87,3 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 85 K, kritischer Punkt bei 145 K und 38 bar) in Frage.

Demgegenüber soll das erste Kältemittel k1 eine vergleichs- weise niedrigere Kondensationstemperatur Tk1 besitzen. Diese Temperatur kann so gewählt werden, dass die Betriebstempera- tur der supraleitenden Wicklung nur wenig, beispielsweise bis zu 20 K, höher als diese Kondensationstemperatur liegt. Des- halb können bevorzugt Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 14 K, kritischer Punkt bei 30 K und 8 bar) oder Neon (Kondensationstemperatur 27,1 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 25 K, kritischer Punkt bei 42 K und 20 bar) als erstes Kältemittel k1 verwen- det werden. Entsprechende Beispiele für Kältemittel-Paare k1-k2 sind Neon (Tk1 von 27,1 K) -Argon (Tk2 von 87,3 K) oder das

Kältemittelpaar Neon-Stickstoff (Tk2 von N2 : 77, 4 K) oder als Kältemittelpaar Wasserstoff (Tk1 von 20,4 K)-Stickstoff, falls eine Betriebstemperatur vorgesehen sein soll, die unter Tk2 liegt und beispielsweise etwa 25 K beträgt. Bei dieser Betriebstemperatur bleibt also das mindestens eine weitere Kältemittel k2 in dem Wärmerohr 19 ausgefroren oder gegebe- nenfalls auch flüssig.

Für einen Abkühlvorgang während einer Abkühlphase dient das ebenfalls stationär an die Kältemaschine 15 angekoppelte wei- tere Wärmerohr 19. Nachfolgend wird dieser Kühlvorgang näher erläutert : Da erfindungsgemäß wenigstens zwei Kältemittel mit unter- schiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen sind, wird bei einer allmählichen Abkühlung des Kaltkopfes zunächst das mindestens eine weitere Kältemittel k2 mit der höchsten Kon- densationstemperatur (hier : Tk2) kondensieren und in einem geschlossenen Thermosyphon-Kreislauf wie im Falle des ersten Kältemittels zur Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile des Rotors herangezogen. Nach einer entsprechenden Vorkühlung dieser Teile bis ungefähr zur Tripelpunkttemperatur dieses weiteren Kältemittels wird dieses dann im Bereich der Konden- sorvorrichtung ausfrieren, worauf diese bis zur Kondensati- onstemperatur des nächsten (ersten) Kältemittels abgekühlt wird. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl der Kältemit- tel eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Aus- nutzung der Kälteleistung des Kaltkopfes realisiert werden.

Selbstverständlich ist auch eine entsprechende stufenweise Vorkühlung mit mehreren als Kühlfinger gestalteten (weiteren) Wärmerohren möglich, die mit Füllungen unterschiedlicher (weiterer) Kältemittel vorgesehen werden, die sich hinsicht- lich ihrer Kondensationstemperaturen unterscheiden.

Bei der vorstehend erläuterten Supraleitungseinrichtung 2 wurde davon ausgegangen, dass ihre wenigstens eine Kälteein- heit 15 einen einstufigen Kaltkopf 16 besitzt. Das bedeutet,

dass lediglich eine Stufe zur Bereitstellung der Kälteleis- tung vorgesehen oder ausgenutzt wird. Es versteht sich jedoch von selbst, dass ebenso gut auch mehrstufig ausgebildete Kaltköpfe geeignet sind, deren Stufen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus liegen. So kann z. B. bei einem entsprechen- den zweistufigen Kaltkopf die zweite (wärmere) Stufe mit dem Kondensorraum 19a des weiteren (zweiten) Wärmerohres 19 für das zweite Kältemittel k2 verbunden sein, während man an die erste, auf vergleichsweise tieferer Temperatur gehaltene Stu- fe thermisch den Kondensorraum 20a des ersten Wärmerohres 20 für das erste Kältemittel k1 ankoppeln kann. Auf diese Weise ist eine effektive Vorkühlung möglich.

Gegebenenfalls lässt sich auch mittels der zweiten (wärmeren) Stufe eines solchen zweistufigen Kaltkopfes eine Stromzufüh- rung oder ein Strahlungsschild kühlen.

Bei der Supraleitungseinrichtung 2 kann ihr Wicklungskörper 9 hinreichend wärmeleitend ausgeführt sein ; d. h., er weist dann gut wärmeleitende Teile zwischen seiner Wand zum zentralen Hohlraum 12 und der Wicklung 10 auf. Auf diese Weise ist die Wicklung über den Wicklungskörper 9, das Kältemittel k1 und k1, den Kondensorraum 20a der Kondensorvorrichtung 18 auf einfache Weise thermisch an die Kaltfläche 17 des Kaltkopfes 16 der Kälteeinheit 15 angekoppelt. Zur Verbesserung des Wär- meübertrags können gegebenenfalls die Wärmeaustauschflächen bezüglich des Kältemittels k1, k1 vergrößernde Maßnahmen, beispielsweise eine Rippung in Umfangsrichtung an der Wick- lungsträgerwand des zentralen Hohlraums 12, vorgesehen sein.

Selbstverständlich müssen die die Kältemittel k1 und k2 um- schließenden Teile/Behältnisse gegen Wärmeeinleitung ge- schützt sein. Zu ihrer thermischen Isolation wird deshalb zweckmäßig eine Vakuumumgebung vorgesehen, wobei gegebenen- falls in den entsprechenden Vakuumräumen zusätzliche noch I- solationsmittel wie z. B. Superisolation oder Isolationsschaum vorgesehen werden können. In Figur 1 ist das von dem Vakuum-

gefäß 7 eingeschlossene Vakuum mit V bezeichnet. Es umgibt außerdem das den seitlichen Hohlraum 13 umschließende, sich bis zu der Dichtung 21 erstreckende Montagerohres 24. Das die Wärmerohre 19 und 20 sowie die Kondensorräume 19a und 20a der Kondensorvorrichtung 18 und zumindest die Kaltfläche 17 des Kaltkopfes 16 umschließende Vakuum ist mit V bezeichnet.

Darüber hinaus kann gegebenenfalls auch in dem den Rotor 5 umgebenden, von dem Außengehäuse 3 umschlossenen Raum 22 ein Unterdruck erzeugt werden.

Figur 3 zeigt eine spezielle Ausgestaltung einer Supralei- tungseinrichtung 2 mit einer nicht dargestellten Kälteein- heit 15 im Bereich des Übergangs von einem seitlichen Hohl- raum 13 in einen zentralen Hohlraum 12. Der seitliche Hohl- raum ist dabei in Abweichung gegenüber der in Figur 2 gezeig- ten Ausführungsform in einem Bereich 13a sich in Richtung auf den zentralen Hohlraum 12 hin konisch erweiternd ausgeführt.

In diesem Erweiterungsbereich endet das Montagerohr 24, aus dem zwei Wärmerohre 20 und 19 für ein erstes Kältemittel kl bzw. ein weiteres Kältemittel k2 herausragen. Das ein weite- res Wärmerohr darstellende Rohr 19 endet entsprechend Figur 2 im Bereich des zentralen Hohlraums 12. Demgegenüber hat das als ein erstes Wärmerohr 20 anzusehende Rohr sein offenes Ende 20b in dem Erweiterungsbereich 13a. Aus diesem offenen Ende tritt das erste Kältemittel k1 in flüssiger Form aus.

Verdampftes erstes Kältemittel k1 wird über dieses Wärmerohr 20 in Figur 2 entsprechender Weise einer Kondensorvorrich- tung zur Rekondensation zugeführt.

Bei der in den Figuren dargestellten Ausführung einer Supra- leitungseinrichtung 2 oder 2 mit Rotor 5 ist eine Einmalbe- füllung mit den Kältemitteln vorgesehen. Sofern die Kälteein- heit abgeschaltet wird und sich die kalten Teile aufwärmen, wird der Druck im Rohr-bzw. Hohlraumsystem durch Verdampfen des Kältemittels ansteigen. Dabei hängt der Enddruck von den eingeschlossenen Volumina und der Menge des jeweiligen Kälte- mittels im System ab. Falls z. B. Neon bei etwa 1 bar und 27 K

und minimaler Flüssigkeitsmenge als erstes Kältemittel be- nutzt wird, ist davon auszugehen, dass nach einem Aufwärmen auf Raumtemperatur von etwa 300 K der Druck bei über 12 bar liegen wird. Da dieser Druck die rotierende Dichtung 21 be- lastet, kann es gegebenenfalls vorteilhaft sein, ein exter- nes, warmes Puffervolumen vorzusehen. Sofern dieses Volumen das n-Fache des kalten Volumens des Kältemittels k1, kl, be- trägt, kann der Druckanstieg im Warmen auf das l : (n+1)-Fache auf diese Weise reduziert werden.