Kühlvorrichtung und Kühlverfahren zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Rotor und wenigstens ei- ner Turbine

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst außerdem wenigstens eine erste Turbine, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine derar ^¬ tige Energieumwandlungsvorrichtung sowie ein Kühlverfahren für eine solche Vorrichtung.

Aus dem Stand der Technik sind Energieumwandlungsvorrichtungen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Ins- besondere elektrische Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüs ^¬ siges Helium oder flüssiges Neon im Inneren einer zentralen Welle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supralei ^¬ tende rotierende Erregerwicklungen auf eine Betriebstempera ^¬ tur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden.

Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein dem Rotor der elektrischen Maschine zugehöriger Endbereich der Welle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüs ^¬ sigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Welle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Welle hineinragendes festste ^¬ hendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der EP2603968A1 bekannt. Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein dem Rotor der elektrischen Maschine zugehöriges Wellenende ist je ^¬ doch, dass nicht bei allen Energieumwandlungsvorrichtungen ein freies Ende der Welle in der Nähe des Rotors für diesen Zweck zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anordnung einer elektrischen Maschine ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, so ^¬ wohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und der

Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axia ^¬ ler Weg für die jeweilige Drehmomentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende des Generators zur Einspeisung von Kühlmittel zur Verfügung. Eine Einspeisung von Kühlmittel in einen Hohlraum der Rotorwelle in einem mittleren axialen Bereich der Welle ist dagegen generell mit Schwierigkeiten verbunden, da durch die bei einer Rotation der Welle auftretenden Fliehkräfte ein in der Welle zu transportierendes Kühl- mittel in radial außenliegende Bereiche getrieben wird. Bei einer radialen Einkopplung von Kühlmittel in die Welle muss aber gerade ein Einströmen von flüssigem Kühlmittel in einer diesen Fliehkräften entgegengesetzten Richtung erreicht werden. Weitere Schwierigkeiten liegen bei der Beeinträchtigung der mechanischen Robustheit der Welle an dem für die Einspei ^¬ sung ausgestalteten Wellenabschnitt sowie bei dessen axialem Platzbedarf und in den bei der Einspeisung auftretenden thermischen Verlusten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine Energieumwandlungsvorrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, bei welcher auf einfache Weise ein Kühlmittel in einen Bereich der Welle im Inne- ren des Rotors einer elektrischen Maschine der Vorrichtung eingekoppelt werden kann. Weitere Aufgaben der Erfindung sind, eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einer solchen Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren für eine Energieumwandlungsvorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkma- len des Anspruchs 1, eine Energieumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Kühlverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung dient zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung weist weiterhin wenigstens eine erste Turbine auf, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigs ^¬ tens einen ersten inneren Hohlraum der Welle zum Transport von Kühlmittel in einen Bereich innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine, wobei sich der erste innere Hohlraum axial durch die erste Turbine und durch einen axialen Zwi- schenraum zwischen erster Turbine und Rotor erstreckt.

Die elektrische Maschine der Energieumwandlungsvorrichtung kann dabei entweder als Generator oder als Motor betrieben werden. Bei einem Betrieb als Generator dient die gesamte Energieumwandlungsvorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Bei einem Betrieb als Motor wird umgekehrt elektrische Energie in mechanische Energie um ^¬ gewandelt. Neben der elektrischen Maschine umfasst die Ener ^¬ gieumwandlungsvorrichtung eine zentrale Welle und wenigstens eine Turbine, wobei die zentrale Welle den Rotor der elektri ^¬ schen Maschine und die Turbine mechanisch koppelt und Drehmo ^¬ mente zwischen diesen Komponenten überträgt. Dabei soll im Text der vorliegenden Anmeldung unter dem Wort „Rotor" immer der Rotor der elektrischen Maschine verstanden werden im Un- terschied zur rotierenden Turbine, die in der Fachwelt häufig auch als Turbinen-Rotor bezeichnet wird. Im vorliegenden Text soll unter dem Wort „Turbine" nur dieser drehbare Turbinen- Rotor verstanden werden, der generell zusätzlich von einem feststehenden Außengehäuse umgeben sein kann. Das Wort „Welle" soll dabei die gesamte, sich axial erstreckende Welle der Energieumwandlungsvorrichtung bezeichnen, unabhängig davon, ob diese Welle als einheitliches Bauteil gefertigt oder aus unterschiedlichen axialen Wellensegmenten zusammengesetzt ist. Wesentlich ist, dass Drehmomente über die Länge der Wel ^¬ le übertragen werden können, dass also die Welle mechanisch als ein Teil wirkt. Die Welle kann beispielsweise aus Segmen ^¬ ten im Bereich des Rotors und im Bereich der wenigstens einen Turbine zusammengesetzt sein, sie kann also eine Rotorwelle und eine oder mehrere daran gekoppelte Turbinenwellen, umfas ^¬ sen. Auch in diesen Fällen soll das Wort „Welle" immer die gesamte mechanisch verbundene Anordnung aus solchen axialen Segmenten bezeichnen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung liegt darin, dass durch den ersten inneren Hohlraum Kühlmittel auf einfache Weise in das Innere des Rotors gelei ^¬ tet werden kann, ohne dass hierfür ein freies Wellenende der elektrischen Maschine benötigt wird. Stattdessen wird das Kühlmittel im ersten inneren Hohlraum durch das innere der ersten Turbine hindurch geleitet. Es muss daher nicht in un ^¬ mittelbarer Nachbarschaft zum Rotor in das Innere der Welle eingespeist werden, sondern kann beispielsweise an einem wei- ter entfernten Wellenende in das Innere der Welle gelangen.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Einspeisung an einem solchen weiter entfernt liegenden Wellenende kann auch an diesem entfernteren Wellenende eine indirekte Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die äußere Umgebung erfolgen. Dabei werden kom- plexe Vorrichtungen zur Einspeisung von Kühlmittel oder zur indirekten Wärmeübertragung in einem axial innenliegenden Bereich der Welle vorteilhaft vermieden.

Mit der beschriebenen Lösung ist die Anforderung verbunden, eine Wärmeübertragung von der Turbine an das Kühlmittel im

Inneren der die Turbine tragenden Welle so gering zu halten, dass trotzdem eine ausreichende Kühlung der zu kühlenden Komponenten des Rotors durch das Kühlmittel bewirkt werden kann. Diese Anforderung kann durch verschiedene in den Unteransprü ^¬ chen näher beschriebene Ausgestaltungen erfüllt werden, wobei generell auch vorteilhafte Kombinationen dieser Ausgestaltungen möglich sind. Allen Ausgestaltungsformen ist gemeinsam, dass sich der erste innere Hohlraum in der Welle über die vollständige axiale Länge der Turbine erstreckt und außerdem über die vollständige axiale Länge des Zwischenraums zwischen Turbine und Rotor erstreckt. Zweckmäßig erstreckt er sich auch über wenigstens einen Teil der axialen Länge des Rotors, so dass über den ersten inneren Hohlraum Kühlmittel in dessen Inneres gelangen kann. Somit kann Kühlmittel durch die erste Turbine hindurch in das Innere des Rotors eingeleitet werden. Dies vermindert den insgesamt benötigten axialen Platzbedarf für einen zwischen einer Turbine und beispielsweise einer weiteren auf der Welle angeordneten Komponente befindlichen Rotor. Es wird kein zusätzlicher axialer Abschnitt für die Einkopplung von Kühlmittel oder für die indirekte Übertragung von Wärme zwischen Rotor und Turbine benötigt, so dass der Rotor dadurch sehr platzsparend zwischen der Turbine und ei- ner weiteren Komponente, beispielsweise auch zwischen zwei Turbinen, angeordnet werden kann.

Die Übertragung eines Drehmoments über die Welle zwischen Ro ^¬ tor und der ersten Turbine kann trotz des ausgedehnten ersten inneren Hohlraums sichergestellt werden, denn für diese Dreh ^¬ momentübertragung ist vor allem die mechanische Festigkeit eines äußeren Mantels der Welle ausschlaggebend. Daher kann auch der die Turbine tragende Teil der Welle als Hohlwelle ausgeführt werden. Die Welle koppelt Turbine und Rotor mecha- nisch und bewirkt dadurch eine synchrone Drehung dieser bei ^¬ den Komponenten um die gemeinsame Rotationsachse.

Die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung weist eine elektrische Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Welle angeordnet ist, und wenigstens eine erste Turbine auf. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung. Die Vorteile einer solchen Energieumwandlungsvorrichtung ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Dabei kann der Abtransport von Wärme über das Kühlmittel im ersten inneren Hohlraum vorteilhaft mit weiteren Pfaden für die Entwärmung kombiniert werden, beispielsweise mit einem weiteren radialen und/oder axialen Wärmetransportpfad im Inneren des Rotors, über den auf dem Rotor angeordnete zu küh ^¬ lende Komponenten mit dem Kühlmittel im Inneren der Welle thermisch gekoppelt sein können. Zweckmäßig weist die elekt- rische Maschine eine auf dem Rotor angeordnete elektrische

Spulenwicklung auf, die über die Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spu ^¬ lenwicklung, insbesondere eine hochtemperatursupraleitende Spulenwicklung sein. Die elektrische Maschine kann beispiels- weise entweder als Generator oder als Motor betrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Kühlung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Ro- tor, der auf einer drehbaren zentralen Welle angeordnet ist, und mit wenigstens einer ersten Turbine, die auf derselben Welle drehbar angeordnet ist. Das Verfahren umfasst wenigs ^¬ tens den Schritt des Transports von Kühlmittel in einen Be ^¬ reich innerhalb des Rotors durch einen ersten inneren Hohl- räum der Welle, der sich axial durch die erste Turbine und durch einen zwischen erster Turbine und Rotor angeordneten Zwischenraum erstreckt. Insbesondere soll dabei das Kühlmit ^¬ tel durch die Welle von einer axial vom Rotor abgewandten Seite der Turbine in das Innere des Rotors transportiert wer- den. Auch die Vorteile des Kühlverfahrens ergeben sich analog zu den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 11 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung, der Energieumwandlungsvorrichtung und des Kühlverfahrens vorteilhaft untereinander kombiniert werden. Die Welle kann ein erstes Wellenende aufweisen, welches mit einer Vorrichtung zur Einspeisung von Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum versehen ist, wobei das erste Wellenende axial auf einer vom Rotor abgewandten Seite der ersten Turbine angeordnet ist. Mit anderen Worten kann mit einer solchen Einspeisevorrichtung Kühlmittel von einem vom Rotor aus gesehen hinter der Turbine liegenden Wellenende in das Innere der Welle eingeführt werden. Insbesondere kann bei einem Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung ständig neues Kühlmittel über dieses äußere Wellenende eingespeist werden, so dass ei ^¬ ne fortlaufende Wärmeübertragung von den zu entwärmenden Komponenten des Rotors auf das immer wieder frisch einfließende Kühlmittel erfolgen kann. Die Wärmeübertragung von den Kompo- nenten des Rotors an die äußere Umgebung kann beispielsweise besonders vorteilhaft über einen geschlossenen Kühlmittel ^¬ kreislauf vermittelt werden, wobei eine Einspeisung des Kühl ^¬ mittels vom ortsfesten System auf das rotierende System an dem ersten Wellenende stattfindet.

Das erste Wellenende kann zusätzlich mit einer Vorrichtung zur Ausleitung von Kühlmittel aus dem ersten inneren Hohlraum versehen sein. Bei dieser Ausführungsform können also die Einspeisung und die Ausleitung von Kühlmittel an demselben, dem Rotor nicht direkt benachbarten axialen Ende der Welle erfolgen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass dabei nur eine Seite der zum Rotor führenden Welle als Hohlwelle ausgebildet sein muss. Ein weiterer, von der ersten Turbine abgewandter Teil der Welle kann dann auch als massive Welle ausgeführt sein.

Zwischen dem ersten Wellenende und dem Rotor kann das Kühlmittel beispielsweise in einem gemeinsamen innenliegenden Rohr zum Rotor hin und vom Rotor weg strömen. Bei dieser be- sonders einfachen Ausführungsform wäre also der erste innere Hohlraum für beide Transportrichtungen geeignet. Beispielsweise kann Kühlmittel nach Art eines Thermosiphons oder Wär ^¬ merohres in beiden Richtungen gleichzeitig zirkulieren. In einer hierzu alternativen Ausgestaltungsform können sich zwei innere Hohlräume zwischen dem ersten Wellenende und dem Rotor erstrecken. Hierbei können beispielsweise ein erster und ein zweiter innerer Hohlraum axial nebeneinander im Inneren der Welle geführt werden. Alternativ kann einer der beiden Hohlräume den anderen konzentrisch umgeben. Dabei kann der erste innere Hohlraum für die Kühlmittelzufuhr vorteilhaft von einem zweiten inneren Hohlraum für die Kühlmittel- rückführung umgeben sein. Prinzipiell kann aber auch eine umgekehrte Anordnung vorliegen.

Die Kühlvorrichtung kann ein dem ersten Wellenende axial gegenüberliegendes zweites Wellenende aufweisen, welches mit einer Vorrichtung zur Ausleitung von Kühlmittel aus einem Innenraum der Welle versehen ist. Bei dieser Ausführungsform wird Kühlmittel also an axial gegenüberliegenden Wellenenden ein- und wieder ausgeleitet. Hierzu muss die Welle auf ihrer gesamten axialen Länge als Hohlwelle ausgebildet sein. Der Querschnitt der jeweiligen Hohlräume kann dann allerdings für einen gegebenen Wellenabschnitt im Vergleich zum gesamten Querschnitt der Welle kleiner gewählt werden, da die einzel ^¬ nen Hohlräume jeweils nur für den Transport von Kühlmittel in einer Richtung dimensioniert sein müssen und nicht mehrere Rohre parallel zueinander oder koaxial zueinander geführt werden müssen. Bei einer Ausführungsform der Energieumwandlungsvorrichtung mit einem Rotor, der zwischen zwei Turbinen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet ist, kann das Kühlmit ^¬ tel dann insbesondere durch das Innere der ersten Turbine eingeleitet und durch das Innere der zweiten Turbine wieder ausgeleitet werden. Dabei kann sich der erste innere Hohlraum entweder über das Innere beider Turbinen erstrecken, oder der erste innere Hohlraum im Inneren der ersten Turbine kann fluidisch mit einem zweiten inneren Hohlraum im Inneren der zweiten Turbine verbunden sein, so dass ein fluides Kühlmit ^¬ tel zwischen den beiden inneren Hohlräumen transportiert werden kann. Diese beiden Hohlräume können beispielsweise im In ^¬ neren des Rotors fluidisch miteinander verbunden sein, wobei beim Übergang zwischen den beiden inneren Hohlräumen eine thermodynamische Zustandsänderung erfolgen kann.

Das aus der Welle wieder austretende Kühlmittel kann bei den verschiedenen Ausführungsformen generell vorteilhaft in der Art eines geschlossenen Kreislaufs von der Ausleitungsvorrichtung wieder zu einer Einspeisevorrichtung der Welle zurückgeführt werden. Das Kühlmittel kann beispielsweise vor ^¬ teilhaft Helium, Neon und/oder Stickstoff umfassen. Dabei kann das Kühlmittel allgemein als gasförmiges Kühlmittel, als flüssiges Kühlmittel oder als während des Kühlkreislaufs zwi ^¬ schen diesen beiden Aggregatzuständen wechselndes Kühlmittel vorliegen . Der erste innere Hohlraum und/oder der zweite innere Hohlraum kann vorteilhaft thermisch gegen den umgebenden Mantel der Welle isoliert sein. Eine thermische Isolierung des Wärme ^¬ rohrs gegen die radial äußeren Bereiche der Welle kann bei ^¬ spielsweise über eine Vakuumisolation erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann thermisch schlecht leitfähiges Material und/oder ein Strahlung reflektierendes Material zwischen der Außenwand des inneren Hohlraums und einem äußeren Mantel der Welle angeordnet sein. Beispielsweise kann hier eine mehrla ^¬ gige Wärmeisolation aus spiegelnden Metallfolien zum Einsatz kommen. Generell wird durch eine solche Isolation ein unnöti ^¬ ger Wärmeeintrag in das Kühlmittel im Inneren der Welle ver ^¬ ringert, was zu einer besseren Kühlung der auf dem Rotor angeordneten Komponenten beiträgt. Insbesondere kann eine Erwärmung des Kühlmittels im Inneren der ersten Turbine mit ei- ner typischerweise relativ hohen Betriebstemperatur der Turbine vorteilhaft reduziert werden.

Die Welle kann im Inneren des Rotors einen Wärmeübertragungs ^¬ bereich aufweisen, in dem das Kühlmittel thermisch mit we- nigstens einer auf dem Rotor angeordneten zu kühlenden Komponente gekoppelt ist. Diese weitere thermische Verbindung im Wärmeübertragungsbereich der Welle kann beispielsweise über eine Weiterleitung des Kühlmittels durch Kanäle in radial weiter außenliegende Bereiche erfolgen. Alternativ kann sie auch über ein fluidisch unabhängiges, aber thermisch leitend angekoppeltes Wärmerohr mit einem weiteren Kühlmittel erfol ^¬ gen. Oder aber die weitere Verbindung kann über Wärmeleitung in thermisch gut leitfähigen Materialien erfolgen. Mit diesen verschiedenen Varianten kann beispielsweise ein radialer Wärmetransport aus radial weiter außenliegenden Bereichen des Rotors zum Inneren der Welle oder auch eine Kombination von axialem und radialem Wärmetransport im Inneren des Rotors er- reicht werden. Der Wärmeübertragungsbereich kann beispielsweise ein Bereich des ersten inneren Hohlraums der Welle sein, oder aber er kann alternativ in einem weiteren inneren Hohlraum der Welle angeordnet sein, der beispielsweise mit dem ersten inneren Hohlraum fluidisch gekoppelt ist.

Die Welle kann im Inneren des Rotors einen Bereich für den Ablauf einer thermodynamischen Zustandsänderung des Kühlmittels aufweisen. Diese thermodynamische Zustandsänderung kann beispielsweise entweder dazu führen, dass Wärme von einem Teil des Rotors auf das Kühlmittel im Inneren der Welle über ^¬ tragen wird, oder aber die Zustandsänderung kann zunächst zu einer Abkühlung des Kühlmittels im Inneren der Welle führen, bevor es zu einer Wärmeübertragung von Teilen des Rotors auf das Kühlmittel kommt.

Beispielsweise kann die Welle in ihrem Inneren ein Drosselorgan und einen über das Drosselorgan mit dem ersten inneren Hohlraum fluidisch verbundenen zweiten inneren Hohlraum aufweisen. Die thermodynamische Zustandsänderung ist dann die Druckänderung des Gases bei der Expansion durch das Drosselorgan und die damit verbundene Temperaturänderung. Diese Aus ^¬ führungsform ist besonders vorteilhaft, um eine zu starke Er ^¬ wärmung des Kühlmittels auf dem Weg vom Wellenende zum Inne ^¬ ren des Rotors zu vermeiden beziehungsweise zu kompensieren. Durch den im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verlängerten Weg des Kühlmittels durch die Welle im Inneren der Turbine kann es bei der vorgeschlagenen Lösung prinzipiell leichter zu einer Erwärmung des Kühlmittels auf dem Weg zum Inneren des Rotors kommen. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Kühl ^¬ mittel zumindest auf einem Teil dieses Weges auf einer höhe ^¬ ren Temperatur vorliegen kann als die Temperatur, bei der das Kühlmittel im Rotor zur Kühlung der dort vorliegenden Kompo- nenten eingesetzt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Kühlmittel als gasförmiges Kühlmittel unter erhöhtem Druck in den ersten inneren Hohlraum eingeleitet wird und sich dann durch ein dem ersten Hohlraum nachgelagertes Drosselorgan in einen zweiten inneren Hohlraum entspannt. Als Drosselorgan kann beispielsweise allgemein ein Expansionsventil zum Einsatz kommen. Durch den Joule-Thompson-Effekt ergibt sich bei realen Gasen unterhalb ihrer Inversionstempe ^¬ ratur bei einer solchen Druckerniedrigung eine Abkühlung des Gases. Bei einer solchen Ausführungsform kann also durch ei- nen Druckunterschied zwischen erstem und zweitem inneren

Hohlraum erreicht werden, dass das Gas erst im zweiten Hohlraum seine für die Kühlung der Rotorkomponenten notwendige niedrige Temperatur erreicht. Durch die im ersten inneren Hohlraum vorliegende demgegenüber höhere Temperatur kann die Erwärmung des Kühlmittels bei seinem axialen Transport durch die Welle vorteilhaft verringert werden, da der Temperatur ^¬ gradient zwischen dem Kühlmittel und den umgebenden Materia ^¬ lien in diesen Bereichen geringer ist als im Bereich des nachgelagerten zweiten inneren Hohlraums.

Generell können auch mehrere Drosselorgane hintereinanderge ^¬ schaltet werden, um das Kühlmittel in mehreren Stufen auf eine zur Kühlung innerhalb des Rotors benötigte Temperatur herunter zu kühlen. Hierzu können dann in axialer Richtung mehrere innere Hohlräume hintereinandergeschaltet sein, die über die einzelnen Drosselorgane fluidisch miteinander verbunden sind. So ergibt sich eine stufenweise Abkühlung auf dem axialen Weg des Kühlmittels vom ersten Wellenende in Richtung des Rotors. Diese Mehrzahl von Drosselorganen kann dabei entweder vollständig im Inneren des Rotors angeordnet sein, oder es kann alternativ zumindest ein Teil der Drosselorgane im Zwischenraum zwischen Rotor und Turbine und/oder schon innerhalb der Turbine angeordnet sein. Eine solche se- rielle Anordnung von mehreren Drosselorganen eignet sich prinzipiell sowohl für Ausführungsformen, bei denen Ein- und Ausleitung des Kühlmittels an demselben Wellenende stattfinden, als auch für Ausführungsformen, bei denen Ein- und Aus- leitung an gegenüberliegenden Wellenenden stattfinden.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung mit einem Drosselorgan kann die Welle im Inneren des Rotors einen

Verdampferbereich aufweisen. Beispielsweise kann der erste innere Hohlraum als Wärmerohr ausgebildet sein, in dem Kühlmittel in flüssiger Form vom ersten Wellenende in Richtung Rotor transportiert wird, wobei das Kühlmittel im Ver ^¬ dampferbereich unter Wärmeaufnahme aus den Komponenten des Rotors verdampft und schließlich als gasförmiges Kühlmittel wieder zurück zum ersten Wellenende gelangen kann. Hierbei kann der Hintransport von flüssigem Kühlmittel und der Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel entweder in demselben ersten inneren Hohlraum erfolgen, oder es können alternativ unterschiedliche axial im Inneren der Welle verlaufende Lei- tungen für den Hin- und den Rücktransport zum Einsatz kommen. Für eine solche Ausführungsform kann das Kühlmittel generell vorteilhaft als flüssiges Kühlmittel am ersten Wellenende in das Innere der Welle eingespeist werden. In einer alternati ^¬ ven Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass gasförmi- ges Kühlmittel unter erhöhtem Druck in die Welle eingespeist wird, und dass das Kühlmittel nach Expansion durch ein Dros ^¬ selorgan abkühlt und dabei kondensiert, wobei dieses verflüs ^¬ sigte Kühlmittel in einem Verdampferbereich im Inneren des Rotors unter Wärmeaufnahme verdampfen kann und anschließend als gasförmiges Kühlmittel wieder aus der Welle ausgeleitet wird. Dabei kann das Ausleiten des gasförmigen Kühlmittels entweder an demselben ersten Wellenende erfolgen, oder das Kühlmittel kann in gleichbleibender axialer Richtung weiter zum gegenüberliegenden zweiten Wellenende transportiert und von dort aus dem Inneren der Welle ausgekoppelt werden.

Die Kühlvorrichtung kann allgemein vorteilhaft eine zusätzliche thermische Kopplungseinrichtung zur Kühlung einer weite- ren Komonente der Energieumwandlungsvorrichtung außerhalb des Rotors durch thermische Kopplung an das im Inneren der Welle transportierte Kühlmittel aufweisen. Besonders vorteilhaft kann diese thermische Kopplungseinrichtung in Strömungsrich- tung des Kühlmittels einem Wärmeübertragungsbereich im Inneren des Rotors nachgelagert sein. Mit anderen Worten, das Kühlmittel kann nach dem Bereich, in dem es in thermischem Kontakt mit den zu kühlenden Komponenten des Rotors steht, zur weiteren Kühlung von einer oder mehrerer Komponenten der Energieumwandlungsvorrichtung verwendet werden. Dabei kann es sich besonders vorteilhaft um ein Wellenlager handeln. Dieses Wellenlager kann beispielsweise ein Lager im Bereich der ersten Turbine, des Rotors oder einer eventuell vorliegenden zweiten Turbine sein. Es können auch mehrere solche Wellenla- ger durch weiterströmendes oder zurückströmendes Kühlmittel gekühlt werden. Für einen solchen nachgelagerten Kühlungsschritt werden keine solch niedrigen Temperaturen des Kühlmittels benötigt wie bei der Kühlung von supraleitenden Spulenwicklungen auf eine Betriebstemperatur des Supraleiters. Vielmehr kann bei dieser Ausführungsform ein verbleibendes Kühlpotential des bereits leicht erwärmten Kühlmittels ge ^¬ nutzt werden, um eine sich im Betrieb aufheizende Komponente der elektrischen Maschine oder der Turbinen, in diesem beispielhaften Fall ein Wellenlager, zusätzlich zu kühlen. Al- ternativ oder zusätzlich können auch weitere sich im Betrieb stark aufheizende Komponenten der elektrischen Maschine oder der Turbinen durch das ausströmende Kühlmittel zusätzlich ge ^¬ kühlt werden. Die Kühlvorrichtung kann eine feststehende Kältemaschine zur Kühlung und/oder Kompression von in den ersten inneren Hohlraum einzuspeisendem Kühlmittel aufweisen. Bei einer solchen Ausführungsform kann das Kühlmittel besonders vorteilhaft in Form eines geschlossenen Kreislaufs zwischen einer Vorrich- tung zur Einspeisung in die Welle und einer Vorrichtung zur Ausleitung aus der Welle zirkuliert werden. Beispielsweise kann ein Kaltkopf einer Kältemaschine dazu dienen, den in ei ^¬ nem Verdampferbereich im Inneren des Rotors verdampften Teil des Kühlmittels wieder zu kondensieren, wobei gleichzeitig Wärme vom Kühlmittel auf den Kaltkopf der Kältemaschine über ^¬ tragen wird. Bei dieser Ausführungsform kann dann ein geschlossener Kreislauf zwischen flüssigem Kühlmittel, welches in die Welle eingeleitet wird, und gasförmigem Kühlmittel, welches aus der Welle ausströmt, realisiert werden.

Alternativ kann die Kältemaschine als Kompressions- Kältemaschine ausgebildet sein, und es kann ein Kompressor im Kühlmittelkreislauf angeordnet sein, der ein aus der Welle ausströmendes gasförmiges Kühlmittel komprimiert und - nach Abgabe von Wärme an die Umgebung durch einen Wärmetauscher - unter derart erhöhtem Druck wieder zur Einspeisevorrichtung zurückführt. Eine solche Ausgestaltungsform ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Drosselorgan im Inneren der Welle, durch das komprimiertes gasförmiges Kühlmittel un ^¬ ter Abkühlung expandiert werden kann.

Die Energieumwandlungsvorrichtung kann eine zweite Turbine aufweisen, die ebenfalls auf derselben Welle drehbar angeord ^¬ net ist. Dabei kann insbesondere der Rotor zwischen erster und zweiter Turbine angeordnet sein. Eine solche Ausführungs ^¬ form kann insbesondere in einem Gas- und Dampfkraftwerk zum Einsatz kommen, bei dem der Rotor eines Generators auf einer durchgehenden Welle zwischen einer Gasturbine und einer

Dampfturbine angeordnet ist. Über die gemeinsame Welle sind Rotor, Gasturbine und Dampfturbine mechanisch gekoppelt, und die Drehmomente werden über die Welle zwischen den genannten Komponenten übertragen.

Die elektrische Maschine kann eine supraleitende Spulenwick ^¬ lung mit einer Betriebstemperatur zwischen 20 K und 100 K, insbesondere zwischen 20 K und 77 K aufweisen. Maschinen mit supraleitenden Spulenwicklungen in den Rotoren weisen gegen- über herkömmlichen Maschinen Vorteile bezüglich des Wirkungsgrads, der Leistungsdichte sowie der Dynamik und der Flexibi ^¬ lität auf. Die Maschine kann insbesondere als Generator eines Kraftwerks ausgebildet sein. Sie kann vorteilhaft für einen Leistungsbereich von 10 MW bis 2 GW, insbesondere zwischen 400 MW und 2 GW ausgelegt sein.

Bei dem Verfahren zur Kühlung der Energieumwandlungsvorrich- tung kann nach dem Transport von Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum der Welle eine thermodynamische Zustandsände- rung im Inneren der Welle erfolgen. Diese thermodynamische Zustandsänderung kann vorteilhaft zu einer Wärmeübertragung von Komponenten des Rotors auf das Kühlmittel beitragen und/oder sie kann zu einer Abkühlung des Kühlmittels im Inneren des Rotors beitragen, um anschließend eine größere Kühl ^¬ wirkung für die zu kühlenden Komponenten zu erreichen.

Beispielsweise kann das Kühlmittel vorteilhaft als gasförmi- ges Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum unter erhöhtem Druck eingespeist werden und anschließend im Inneren des Ro ^¬ tors durch wenigstens ein Drosselorgan auf einen niedrigeren Druck expandiert werden, wobei sich das Kühlmittel abkühlt. Die Vorteile dieser Ausführungsform sind analog zu den Vor- teilen der entsprechenden Ausführungsform der Kühlvorrichtung. Unter dem erhöhten Druck soll hier zunächst allgemein ein Druck oberhalb des Atmosphärendrucks verstanden werden.

Der Druck, bei dem das gasförmige Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum eingespeist wird, kann dabei vorteilhaft oberhalb von 1 bar, besonders vorteilhaft oberhalb von 5 bar, insbesondere sogar oberhalb von 150 bar liegen. Besonders vorteilhafte Kühlmittel für diese Ausführungsform sind Heli ^¬ um, Neon, Stickstoff und/oder Wasserstoff enthaltende Kühl- mittel. Die Temperatur des in den ersten inneren Hohlraum eingeleiteten Gases kann vorteilhaft oberhalb von 250 K lie ^¬ gen, wobei nach der Expansion durch das wenigstens eine Dros ^¬ selorgan im Inneren des Rotors trotzdem vorteilhaft eine Temperatur des Kühlmittels unterhalb von 45 K erreicht werden kann.

Alternativ kann das Kühlmittel auch als flüssiges Kühlmittel in den ersten inneren Hohlraum eingespeist werden und an- schließend in einem Verdampferbereich des ersten inneren Hohlraums verdampfen. Auch hier ergeben sich die Vorteile analog zu den Vorteilen der entsprechenden Ausführungsformen der Kühlvorrichtung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Energieumwand ^¬ lungsvorrichtung eines Gas- und Dampfkraftwerks zeigt,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt und

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer Energieumwandlungsvorrichtung 2 eines Gas- und Dampfkraftwerks. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Turbine 23, die als Gasturbine arbeitet, und eine zweite Turbine 25, die als Dampfturbine arbeitet. Zwischen den beiden Turbinen 23 und 25 ist eine elektrische Maschine 20 - hier ein Genera ^¬ tor - mit einem innenliegenden Rotor 3 und einem ihn umgebenden Stator 21 angeordnet. Der Rotor 3 und die beiden zu ihm benachbarten Turbinen 23 und 25 sind auf einer gemeinsamen Welle 7 um eine Rotationsachse 5 drehbar gelagert angeordnet. Hierbei vermittelt die Welle 7 die mechanische Kopplung zwi ^¬ schen den rotierenden Komponenten und überträgt die Drehmomente. Durch die Anordnung auf einer gemeinsamen Welle 7 können die beiden Turbinen 23 und 25 und der Rotor 3 des Genera- tors 20 synchron rotieren. In dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Welle 7 aus drei Abschnitten zusammenge ^¬ setzt, die jeweils über Flansch-Kupplungen 27 verbunden sind. Alternativ kann die Welle 7 jedoch beispielsweise auch aus einem einzelnen durchgehenden Bauteil gefertigt sein. Die gezeigte Anordnung entspricht einer sogenannten Einzelwellenanordnung (englisch: Single-Shaft Configuration) eines Kombikraftwerks, bei dem sowohl eine Gasturbine 23 als auch eine Dampfturbine 25 zum Antreiben eines Rotors 3 genutzt werden, und so beide Turbinen über dieselbe Welle 7 denselben Genera ^¬ tor 20 antreiben. Hierbei wird durch Verbrennung eines Gases in der Gasturbine mechanische Leistung an der Welle erzeugt, und ein weiterer Teil der mechanischen Leistung wird in der Dampfturbine erzeugt. Zur Erzeugung des hierfür benötigten Dampfes können die heißen Abgase aus der Gasturbine bei ^¬ spielsweise in einem Abhitze-Dampfkessel zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet werden. Der Dampf kann in der Dampfturbine entspannt werden und hierdurch zusätzlich mechanische Leistung an die Welle abgeben. Die mechanische Leistung an der Welle wird im Generator in elektrische Leistung gewandelt. Die Anordnung der beiden Turbinen auf einer gemeinsamen Welle kann zu einem besonders effizienten Betrieb der Kraft ^¬ werksanlage sowie zu einer Reduktion der benötigten Generator-Komponenten führen. Die im Folgenden beschriebenen Aus- führungsbeispiele der Kühlvorrichtungen 1 können beispiels ^¬ weise in derartigen kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken zum Einsatz kommen.

In Fig. 2 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvor- richtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist wiederum eine Energieumwandlungs ^¬ vorrichtung 2 mit zwei Turbinen 23 und 25, zwischen denen ein Rotor 3 eines Generators auf einer gemeinsamen Welle 7 ange ^¬ ordnet ist. Der Rotor weist wenigstens eine zu kühlende Kom- ponente 33 auf, die mit der Kühlvorrichtung 1 der Energieumwandlungsvorrichtung 2 gekühlt werden soll, und in diesem Beispiel als supraleitende Spulenwicklung 4 ausgestaltet ist. Die Spulenwicklung 4 muss also für einen effizienten Betrieb des Generators auf eine Betriebstemperatur in einem kryogenen Temperaturbereich heruntergekühlt werden. Hierzu ist eine Kühlvorrichtung 1 vorgesehen, die eine stationäre Kälteanlage 41 und einen innerhalb der Welle 7 angeordneten ersten inne- ren Hohlraum 9 umfasst. Die Welle 7 ist in einem ersten axia ^¬ len Wellenabschnitt 7a als Hohlwelle ausgebildet, wobei sich dieser Wellenabschnitt 7a von einem ersten Wellenende 8a durch die erste Turbine 23 hindurch bis in das Innere des Ro ^¬ tors 3 hinein erstreckt. Über den ersten inneren Hohlraum 9 kann somit Kühlmittel 13 von der feststehenden Kälteanlage 41 aus in das Innere des Rotors 3 geleitet werden und von dort aus die supraleitende Spulenwicklung 4 kühlen. Ein axial an den ersten Wellenabschnitt 7a angrenzender Bereich 7b der Welle 7 ist dagegen in diesem Beispiel als massive Welle ohne inneren Hohlraum ausgestaltet.

Das erste Wellenende 8a ist im gezeigten ersten Ausführungs ^¬ beispiel mit einer Vorrichtung 17 zur Einspeisung von Kühlmittel 13 versehen. In diesem Beispiel handelt es sich um ein feststehendes Rohr, welches am ersten Wellenende in den ers ^¬ ten inneren Hohlraum 9 hineinragt. In diesem Rohr wird flüssiges Kühlmittel 13a, im vorliegenden Beispiel verflüssigtes Neon von einem Kondensorbereich 16 der Kältemaschine 41 in das Welleninnere eingeleitet. Dieses Rohr kann sich entweder als feststehendes Rohr im Inneren der rotierenden Welle fort ^¬ setzen, oder es kann über eine Drehdichtung an ein rotierendes Rohrteil gekoppelt sein, oder das flüssige Kühlmittel 13a kann in einem das Rohr umgebenden größeren Hohlraum axial in Richtung des Rotors 3 fließen. Dieser Fluss kann beispiels- weise durch die Schwerkraft unterstützt werden, insbesondere wenn sich das Kühlmittelrohr im Inneren der Welle fortsetzt und leicht abfallend ausgestaltet ist. Alternativ oder zu ^¬ sätzlich kann der Fluss des flüssigen Kühlmittels zum Rotor durch Kapillarkräfte unterstützt werden und/oder bei einer konischen Formgebung des inneren Hohlraums der Welle durch

Zentrifugalkräfte unterstützt werden. Bei all diesen Ausfüh ^¬ rungsvarianten gelangt das flüssige Kühlmittel 13a durch den inneren Hohlraum 9 der Welle 7 in einen Bereich 11 im Inneren des Rotors 3, der hier einen Verdampferbereich 15 aufweist, in dem eine Außenwand des Hohlraums 9 thermisch mit dem zu kühlenden Objekt 33 oder den zu kühlenden Objekten des Rotors 3 verbunden ist. Diese thermische Verbindung ist im gezeigten Beispiel über Wärmeleitungselemente 35 aus thermisch gut lei ^¬ tendem Material gegeben, so dass sich ein Wärmefluss 36 aus der supraleitenden Spulenwicklung 4 in Richtung des

Verdampferbereichs 15 des inneren Hohlraums 9 ergibt. Dort verdampft das flüssige Kühlmittel 13 unter Aufnahme von Wärme im Wärmeübertragungsbereich 28, und das gebildete gasförmige Kühlmittel 13b kann durch denselben inneren Hohlraum 9 axial in Richtung des ersten Wellenendes 8a zurück gelangen.

Im Bereich des ersten Wellenendes 8a ist der Außenmantel der Welle 7 über eine Drehdichtung 19 mit einem äußeren Rohr 32 verbunden, so dass das gasförmige Kühlmittel 13b im äußeren Rohr zu einem Kaltkopf 14 der ortsfesten Kältemaschine 41 ge ^¬ leitet wird, wo es in einem Kondensorbereich 16 kondensiert und wiederum in der Art eines geschlossenen Kreislaufs zurück in die Vorrichtung 17 zur Einspeisung von Kühlmittel 13 in die Welle 7 geleitet werden kann. Insgesamt wird also die zu entwärmende Komponente 33 des Rotors 3 durch im Inneren der Welle 7 transportiertes Kühlmittel 13 gekühlt, wobei das Kühlmittel axial durch die erste Turbine 23 hindurch geleitet wird. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird das Kühl ^¬ mittel an demselben ersten Wellenende 8a eingeleitet und wie ^¬ der ausgeleitet. Der innere Hohlraum 9 der Welle dient hier ^¬ bei als Wärmerohr, in dem sowohl flüssiges Kühlmittel 13a zum Rotor 3 als auch gasförmiges Kühlmittel 13b vom Rotor weg transportiert wird.

In Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem alternativen zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Einander entsprechende Komponenten sind allge- mein jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen und wirken analog wie in den vorab beschriebenen Figuren. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel wird Kühlmittel 13 an demselben ersten Wellenende 8a eingespeist und wieder ausgeleitet. Auch hier ist die Welle in einem ersten Wellenabschnitt 7a zwi ^¬ schen diesem ersten Wellenende 8a und dem Inneren des Rotors als Hohlwelle ausgebildet, während sie in einem daran an ^¬ schließenden Wellenabschnitt 7b massiv ausgebildet ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Kühlmit ^¬ tel 13 jedoch hier nicht als flüssiges Kühlmittel, sondern als unter erhöhtem Druck stehendes gasförmiges Kühlmittel 13b in das erste Wellenende eingeleitet. Die Vorrichtung zur Ein- speisung von Kühlmittel ist hier also als Hochdruckleitung 45 ausgestaltet, wobei der feststehende äußere Teil der Hoch ^¬ druckleitung 45 im Bereich des ersten Wellenendes über eine druckfeste Drehdichtung 19a mit einem rotierenden, innerhalb der Welle 7 liegenden Teil der Hochdruckleitung 45a verbunden ist .

Im Inneren der Welle 7 ist dann ein erster innerer Hohlraum 9 durch das Innere dieser drehbaren Fortsetzung 45a der Hochdruckleitung gegeben. Durch diesen Hohlraum 9 wird gasförmiges komprimiertes Kühlmittel 13b, hier beispielsweise Neon, unter Druck zu einem Drosselorgan 30 geleitet, welches im Inneren des Rotors 3 angeordnet ist. Durch dieses Drosselorgan 30, welches beispielsweise als Expansionsventil ausgestaltet ist, wird das unter Druck stehende Gas 13b in einen zweiten inneren Hohlraum 10 hinein expandiert. Dabei kühlt sich das gasförmige Kühlmittel auf eine deutlich tiefere Temperatur ab als die Temperatur des unter Druck stehenden Kühlmittels im ersten inneren Hohlraum 9. Ein Wärmeübertragungsbereich 28 des zweiten inneren Hohlraums 10 steht nun in thermischem Kontakt mit der zu kühlenden Komponente 33 des Rotors 3. Auch in diesem Beispiel ist dieser thermische Kontakt durch Wärme ^¬ leitungselemente 35 gegeben. In diesem Bereich 28 erwärmt sich das jetzt entspannte gasförmige Kühlmittel 13b also und kann anschließend durch eine das Hochdruckrohr umgebende Fortsetzung des zweiten inneren Hohlraums 10 axial wieder zu- rück zum ersten Wellenende 8a geleitet werden. Diese gezeigte koaxiale Anordnung der beiden Kühlmittelleitungen 9 und 10 hat den Vorteil, dass das zurückströmende expandierte Gas auch nach einem Wärmeaustausch im Wärmeübertragungsbereich 28 noch eine tiefere Temperatur als das unter Druck stehende Gas 13b aufweisen kann und somit in der Art eines Wärmetauschers eine Vorkühlung des einströmenden Gases bewirken kann. Weiterhin wird durch das außen strömende bereits expandierte Gas eine direkte thermische Wechselwirkung von dem unter Druck stehenden Gas und dem möglicherweise wärmeren Außenmantel der Welle vorteilhaft reduziert. Zweckmäßig kann dieser Außenman ^¬ tel bei diesem und auch allen weiteren Ausführungsbeispielen durch eine hier nicht dargestellte Vakuumisolation und/oder eine andere Art der Wärmeisolation thermisch gegen die innenliegenden Kühlmittelleitungen 9 und 10 isoliert sein.

Das expandierte gasförmige Kühlmittel im zweiten inneren Hohlraum 10 gelangt am ersten Wellenende 8a über eine Dreh ^¬ dichtung 19 zurück in eine äußere Niederdruckleitung 47 der Kühlvorrichtung, die zu einer in Fig. 3 nur schematisch gezeigten Kältemaschine 41 führt, die in diesem Beispiel als Kompressionskältemaschine mit einem Kompressor ausgebildet ist. Im Kompressor wird das expandierte Gas erneut verdich ^¬ tet, wobei die bei dieser Verdichtung freigesetzte Wärme dem Gas durch weitere hier nicht gezeigte Komponenten der Kälte ^¬ maschine 41 wieder entzogen wird. Aus dem Kompressor wird das verdichtete gasförmige Kühlmittel wiederum in die Hochdruck ^¬ leitung 45 eingespeist, und der Kühlmittelkreislauf schließt sich .

In Fig. 4 ist ein schematischer Längsschnitt einer Kühlvorrichtung 1 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem Beispiel ist die Welle 7 auf ihrer gesamten axialen Länge als Hohlwelle ausgebildet, wobei an einem ersten Wellenende 8a eine Vorrichtung 17 zur Einspei- sung von Kühlmittel 13 und an einem gegenüberliegenden zweiten Wellenende 8b eine Vorrichtung 18 zur Ausleitung von Kühlmittel angeordnet ist. Am ersten Wellenende 8a ist hierzu eine Hochdruckleitung 45 über eine druckfeste Drehdichtung 19a mit einem ersten inneren Hohlraum 9 der Welle 7 verbunden. Am zweiten Wellenende 8b ist in ähnlicher Weise eine Niederdruckleitung 47 über eine Drehdichtung 19 mit einem zweiten inneren Hohlraum 10 der Welle 7 verbunden. Zwischen der Niederdruckleitung 47 und der Hochdruckleitung 45 ist wiederum eine Kältemaschine 41 mit einem Kompressor angeord ^¬ net, in dem das gasförmige Kühlmittel der Niederdruckleitung 47 auf höheren Druck komprimiert wird und dann in die Hochdruckleitung 45 eingespeist wird. Auch hier wird durch die Leitungen und den Kompressor ein geschlossener Kühlmittelkreislauf gebildet, wobei dem Gas wiederum im Bereich der Kältemaschine 41 Wärme entzogen wird, beispielsweise über ei nen Kühlkörper, mit dem Wärme an die äußere Umgebung übertra gen wird.

Über den ersten inneren Hohlraum 9 wird also unter Druck ste hendes Gas durch die erste Turbine 23 in das Innere des Ro ^¬ tors 3 geleitet, wo wiederum das Gas durch ein Drosselorgan 30 expandiert wird, wobei das Gas sich gleichzeitig abkühlt. Auch hier tritt das so abgekühlte Gas in einem Wärmeübertra ^¬ gungsbereich 28 in thermischen Kontakt mit einem oder mehreren Wärmeleitungselementen 35, die wiederum mit der zu kühlenden Komponente 33 des Rotors 3 thermisch gekoppelt sind. Nach der Expansion wird das gasförmige Kühlmittel 13b an ^¬ schließend im axial angrenzenden Bereich der Welle 7 im zwei ten inneren Hohlraum 10 durch die zweite Turbine 25 hindurch und zum zweiten Wellenende 8b geleitet. Bei dieser dritten Ausführungsform kann das im Wärmeübertragungsbereich 28 leicht erwärmte, aber immer noch kühle expandierte Gas 10 nicht zu einer Vorkühlung des einströmenden unter Druck stehenden Gases verwendet werden. Es kann aber prinzipiell zur Kühlung weiterer Komponenten, die an den zweiten inneren Hohlraum 10 angrenzen, verwendet werden, wie im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Generell können aber auch beide innere Hohlräume 9 und 10 thermisch gegen den umgeben ^¬ den Außenmantel der Welle isoliert sein, beispielsweise über eine umgebende Vakuumisolation oder eine andere thermische Isolation, die in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung dient das Kühlmittel 13 nur zur Kühlung einzelner Komponenten 33 des Rotors 3, und der Wärmeeintrag in das Kühlmittel 13 wird ins ^¬ gesamt möglichst niedrig gehalten.

Ein alternatives viertes Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Der Fluss von gasförmigem Kühlmittel 13 durch die ganze axiale Länge der Welle 7 und die Expansion von unter Druck stehendem Gas im Inneren des Rotors 3 sind bei diesem Beispiel ähnlich ausgestaltet wie bei dem in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Ein Unterschied be- steht aber darin, dass hier im Bereich des zweiten inneren

Hohlraums 10 eine zusätzliche thermische Kopplungseinrichtung zwischen einer Außenwand dieses Hohlraums 10 und einem Wel ^¬ lenlager 39 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um ein Wellenlager 39 im Bereich der zweiten Turbine 25. Allgemein erwärmen sich solche Wellenlager bei einem Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung, und das ausströmende noch kalte Gas kann vorteilhaft zu einer zusätzlichen Kühlung solcher warmen Komponenten genutzt werden. Eine ähnliche Form der Wellenlagerkühlung durch zur Kältemaschine zurückströmen- des Kühlmittel 13 und/oder auch schon durch von der Kältemaschine einströmendes Kühlmittel ist auch als vorteilhafte Va ^¬ riante der anderen beschriebenen Ausführungsformen möglich, also beispielsweise auch in Kombination mit einem Wärmerohr zur Kühlung der Rotorkomponenten über einen Verdampferbereich und/oder bei einer Ausführungsform, bei der Kühlmittel auf derselben Seite der Welle ein- und wieder ausgeleitet wird.

Bei allen beschriebenen Varianten erstreckt sich ein oder mehrere innere Hohlräume 9 und 10 der Welle über einen größe- ren Teil ihrer axialen Länge. So erstreckt sich zumindest ein erster Hohlraum 9 durch die erste Turbine 23 hindurch und in einen inneren Bereich des Rotors 3 hinein. Derselbe oder ein weiterer Hohlraum kann sich in manchen Ausführungsformen auch noch weiter durch den Rotor 3 und die zweite Turbine hindurch zum gegenüberliegenden Wellenende erstrecken. Die Welle 7 kann hierbei generell entweder mit einem durchgehenden äußeren Mantel ausgebildet sein, oder sie kann ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt aus mehreren Wellenabschnitten zusammengesetzt sein. Dabei können beispielsweise Flansch-Kupplungen 27 mit entsprechenden Kühlmitteldichtungen zum Einsatz kommen, die auch die innenliegenden Hohlräume 9 und 10 der Welle 7 in axialer Richtung miteinander verbinden. Alternativ können beispielsweise auch nur Segmente des äußeren Mantels der Wel le mit Flansch-Kupplungen 27 verbunden sein, um im Inneren der Welle kann sich ein durchgehendes Rohr über mehrere Seg ^¬ mente erstrecken.