Eine entsprechende Kälteanlage ist der WO 00/13296 A zu ent- nehmen.

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

Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man, auch supraleitende Wicklungen zu erstellen. Wegen ihrer bislang noch verhältnismäßig geringen Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern insbesondere mit Induktionen im Tesla-Bereich werden vielfach 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, um so bei Feldstärken von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können.

Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern kommen in dem ge- nannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem He- Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbe- sondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Entsprechende Kälte-

einheiten haben zudem den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten erspart wird. Bei ei- ner Verwendung solcher Kälteeinheiten wird eine Einrichtung der Supraleitungstechnik wie z. B. eine Magnetspule oder eine Transformatorwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kalt- kopf eines Refrigerators indirekt gekühlt (vgl. z. B. auch "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 den aus der ein- gangs WO-A-Schrift entnehmbaren supraleitenden Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen. Der Rotor enthält eine Wicklung aus HTS-Leitern, die mittels einer als Kryokühler gestalteten Kälteeinheit auf einer gewünschten Betriebstempe- ratur deutlich unter 77 K zu halten ist. Die Kälteeinheit enthält einen außerhalb des Rotors befindlichen Kaltkopf.

Dessen kältere Seite ist thermisch an die Wicklung über Neon als Kältemittel gekoppelt, das unter Ausnutzung eines Thermo- syphon-Effektes in einem Leitungssystem zirkuliert, welches in den Rotor bis zur Wicklung hineinragende Teile aufweist.

Bei einem Störungsfall der Kälteeinheit, insbesondere ihres Kaltkopfes, bei einer Reparatur oder einem Austausch dessel- ben kann jedoch der Betriebszustand der zu kühlenden Wicklung kaum aufrecht erhalten werden.

Aus der EP 0 696 380 B1 geht ferner ein supraleitender Magnet einer MRI-Einrichtung hervor, der zur Kühlung seiner supra- leitenden Wicklung eine Kälteanlage aufweist, die zwei Kälte- einheiten in Form von Kryokühlern umfasst. Die beiden Kalt- köpfe dieser Kryokühler sind dabei thermisch an einen massi- ven Wärmeleitungskörper angekoppelt, der in wärmeleitender Verbindung mit den zu kühlenden Teilen der Wicklung steht.

Die Kaltköpfe der beiden Kryokühler sind dabei jeweils in einem eigenen Vakuumraum untergebracht, so dass während des Betriebs des einen Kryokühlers der zweite abschaltbar

und/oder austauschbar ist. Wegen der gut wärmeleitend ausge- führten Verbindung mehrerer Kaltköpfe zu den gleichen zu küh- lenden Teilen müssen jedoch im Regelfall zusätzliche Wärme- leitungsverluste durch einen eventuell abgeschalteten Kalt- kopf in Kauf genommen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kälteanlage mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestal- ten, dass bei einer Kühlung unter Verwendung eines in Lei- tungsteilen unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zir- kulierenden Kältemittels einen kontinuierlichen Kühlbetrieb zu ermöglichen, ohne dass die Gefahr von wesentlichen Wärme- leitungsverlusten über das zirkulierende Kältemittel gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass we- nigstens ein weiterer Kaltkopf vorgesehen ist, der mittels einer Verzweigung des Leitungssystems zu dem ersten Kaltkopf parallelgeschaltet ist, wobei zwischen der Verzweigung und den beiden Kaltköpfen verlaufende Leitungsstücke des Lei- tungssystems jeweils zumindest teilweise schlecht-wärmelei- tend ausgebildet sind. Unter einem schlecht-wärmeleitenden Leitungsstück sei hierbei verstanden, dass die von seinem rohrförmigen Material verursachte Wärmeeinleitung in den Be- reich des jeweiligen Kaltkopfes vernachlässigbar gering im Vergleich zur verfügbaren Kälteleistung des Kopfes ist.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Kälteanlage umfasst also meh- rere getrennte Bereiche, an denen in einem Thermosyphon-Lei- tungssystem die Rekondensation des Kältemittels bzw. eines Arbeitsgases stattfindet. Die damit verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass auf einfache Weise eine thermische Ankopplung entsprechend vieler Kaltköpfe ermög- licht wird. Die hinreichend schlechte Wärmeleitung in den Leitungsstücken des Thermosyphon-Leitungssystems erlaubt dann bei vernachlässigbarer zusätzlicher Wärmeeinleitung auch einen bei Teillast wirtschaftlich Betrieb, bei dem nicht alle

eingebauten Kaltköpfe gleichzeitig in Betrieb sein müssen.

Damit wird insbesondere ein Austausch eines Kaltkopfes z. B. aus Wartungs-oder Reparaturgründen bei gleichzeitiger Auf- rechterhaltung der Betriebstemperatur an den zu kühlenden Teilen der Supraleitungseinrichtung mit Hilfe des oder der verbleibenden Kaltkopfes/Kaltköpfe ermöglicht. Außerdem kön- nen wegen der Verzweigung von Leitungsteilen die verzweigten Leitungsstücke hinreichend flexibel gestaltet werden, um z. B. im Bereich von Biegungen einen mechanischen Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen zu ermöglichen, die sich bei Kaltköpfen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zwangsläufig einstellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanla- ge gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So können die schlecht-wärmeleitenden Leitungsstücke bevor- zugt jeweils zumindest teilweise aus einem schlecht-wärme- leitenden metallischen Werkstoff oder gegebenenfalls sogar aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Damit ist nicht nur die gewünschte thermische Entkopplung der beiden Kaltköpfe von den zu kühlenden Teilen über das Wandmaterial der Lei- tungsstücke zu erreichen ; auch eventuelle Dehnungsprobleme sind so beherrschbar.

Ferner kann sich die zu kühlende Einrichtung im Innenraum eines Vakuumgefäßes befinden, wobei die Kaltköpfe mit End- teilen in das Vakuumgefäß hineinragen, an denen die Leitung- stücke thermisch angekoppelt sind. Eine Begrenzung einer un- erwünschten Wärmeeinleitung in den Bereich der zu kühlenden Einrichtung ist so zu erreichen.

Dabei können vorteilhaft die Kaltköpfe endseitige Kaltflächen aufweisen, an die Endräume der Leitungsstücke thermisch an- gekoppelt sind, in denen eine Abkühlung bzw. Kondensation des Kältemittels erfolgt. Ein Kältemittelfluss unter Ausnutzung des gewünschten Thermosyphon-Effektes lässt sich so anfachen.

Die Endteile der Kaltköpfe können insbesondere zur Erleichte- rung von Wartungs-oder Reparatureingriffen an diesen von se- paraten (eigenen) Vakuum (teil) räumen umgeben sein, wobei die- se z. B. im Bereich der Enden der Kaltköpfe oder an den Lei- tungsstücken mittels schlecht-wärmeleitender, vakuumdichter Verbindungsstücke gegenüber dem restlichen Innenraum des Va- kuumgefäßes abtrennbar sein können.

Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Anlage für zu kühlenden Teile der Einrichtung, die supraleitendes Material, vorzugsweise Hoch-Tc-Supraleitermaterial, enthalten, das auch auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist.

Im Hinblick auf eine effektive Abkühlung der zu kühlenden Teile der Einrichtung kann vorteilhaft als Kältemittel ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschied- lichen Kondensationstemperaturen vorgesehen werden. Stattdes- sen oder zusätzlich kann man auch mehrere Thermosyphon-Lei- tungssysteme mit unterschiedlichen Kältemitteln einplanen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen ab- hängigen Ansprüchen hervor.

Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele von Kälteanlagen nach der Erfindung für eine insbesondere supra- leitende Einrichtung an Hand der Zeichnung noch weiter erläu- tert. Dabei zeigen jeweils schematisch in einem Längsschnitt deren Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Kälteanlage sowie deren Figur 2 eine besondere Weiterbildung dieser Anlage.

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

Die erfindungsgemäße Kälteanlage kann überall dort zum Ein- satz kommen, wo mehrere Kältequellen zur Kühlung von auch

räumlich ausgedehnten Teilen einer beliebigen Einrichtung vorgesehen wird. Dabei können ihre zu kühlenden Teile metal- lisch oder nicht-metallisch, elektrisch leitend, insbesondere supraleitend, oder auch nicht-leitend sein. In einem speziel- len Anwendungsfall handelt es sich bei den zu kühlenden Tei- len um eine supraleitende Wicklung einer elektrischen Maschi- ne (vgl. z. B. die genannten WO 00/13296 A oder die US 5,482, 919 A) oder einen supraleitenden Magneten (z. B. vgl. z. B. US 5,396, 206 A oder US 6,246, 308 B1).

Ein weiterer Anwendungsfall kann sein, zur Zeitersparnis wäh- rend einer Abkühlung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung zwei Kaltköpfe gleichzeitig zu betreiben, während im normalen Betrieb nur ein Kaltkopf die Betriebstemperatur aufrecht er- hält. Für einen entsprechenden Anwendungsfall kann bevorzugt eine in der Figur 1 angedeutete Kälteanlage vorgesehen wer- den. Die allgemein mit 2 bezeichnete Kälteanlage soll zur Kühlung von Teilen 3a einer in der Figur nicht näher ausge- führten Einrichtung 3 wie z. B. eines supraleitenden Magneten dienen. Die Kühlung erfolgt mit Hilfe eines flüssigen und/oder gasförmigen Kältemittels K bzw. Arbeitsmediums wie z. B. He, das in einem Leitungssystem 5 unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zirkuliert. Das Leitungssystem 5 kann deshalb auch als Thermosyphon-Leitungssystem bezeichnet wer- den. Die Kälteleistung wird von zwei Kälteeinheiten 7a und 8a erbracht, von denen in der Figur jeweils nur deren Kaltköpfe 7 bzw. 8 angedeutet sind. Diese Kaltköpfe sollen sich dabei im Wesentlichen außerhalb eines Vakuumgefäßes 9 befinden, das zur thermischen Isolation der in seinem Innenraum 9a unterge- brachten Einrichtung 3 mit ihren zu kühlenden Teilen 3a dient. Bei der speziellen Ausführungsform nach Figur 1 ragen die Kaltköpfe nur mit thermisch gut-leitenden Endteilen 7b bzw. 8b in den Innenraum 9a des Gefäßes hinein und bilden dort an ihren unteren, der Einrichtung 3 zugewandten Enden Kaltflächen 7c bzw. 8c aus. Unmittelbar an diese Kaltflächen sind als Kondensorräume lla bzw. 12a anzusehende Endräume von zwei Leitungsstücken 11 bzw. 12 des Leitungssystems 5 ther-

misch angekoppelt. Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Kälteanlage 2 ist also ein Thermosyphon-Leitungssystem 5 mit mehreren getrennten Kondensorräumen lla, 12a vorhanden, in de- nen das Kältemittel K im Rahmen eines Thermosyphon-Prozesses rekondensieren kann. Die Leitungsstücke 11 und 12 gehen an einer Verzweigung 13 des Leitungssystems 5 in einen gemeinsa- men Leitungsteil 14 über, der in den Bereich der zu kühlenden Einrichtung 3 führt. Man kann so von einer Parallelschaltung der beiden Kaltköpfe 7 und 8 mittels der Verzweigung 13 und der beiden Leitungsstücke 11 und 12 sprechen.

Erfindungsgemäß sollen die Leitungsstücke 11 und 12 zumindest teilweise hinreichend schlecht-wärmeleitend ausgebildet sein.

Auf diese Weise ist eine gegenseitige thermische Entkopplung der beiden Kaltköpfe möglich, so dass ein einzelner Konden- sorraum lla oder 12a z. B. bis auf Raumtemperatur aufgewärmt werden kann, ohne dass eine nennenswerte Wärmezufuhr zu den zu kühlenden Teilen bzw. zu dem in dem Inneren des Leitungs- systems befindlichen Kältemittel K erfolgt. Dabei lassen sich die Leitungsstücke 11 und 12 vorteilhaft so ausgestalten, dass auch ein unterschiedlicher Dehnungsausgleich ermöglicht ist. Beispielsweise können die Leitungsstücke 11 und 12 je- weils aus schlecht-wärmeleitenden Metallen wie z. B. aus spe- ziellen Stählen oder Cu-Legierungen bestehen. Gegebenenfalls kommen auch besondere tieftemperaturtaugliche Kunststoffmate- rialien, die auch faserverstärkt sein können, oder auch kera- mische Materialien in Frage. Für diese Leitungsstücke lassen sich dabei auch unterschiedliche Materialien und/oder unter- schiedliche Gestaltungsformen vorsehen. So können die Lei- tungsstücke z. B. Biegungen, beispielsweise Spiralformen, auf- weisen, die thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen gestatten.

Bei einem eventuellen Ausfall eines der Kaltköpfe könnte der zweite nach einer Abkühlungszeit eine (Not-) Kühlung überneh- men, währenddessen man den ersten dann in Ruhe aufwärmen, austauschen bzw. reparieren kann, ohne dass die Kühlung des

Systems beeinträchtigt wird. Für diesen Fall der möglichen Ausführung von Wartungsarbeiten an einem Kaltkopf ohne Beein- trächtigung der Kühlung sollten die zur thermischen Isolation im Regelfall erforderlichen Vakuumräume für einerseits das Thermosyphon-Leitungssystem und andererseits die Kaltköpfe voneinander abgetrennt werden können. Dann kann jeder Kalt- kopf einzeln demontiert werden, ohne die thermische Isolie- rung des restlichen Thermosyphon-Leitungssystems zu beein- trächtigen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel geht aus Figur 2 hervor. Bei der angedeuteten und mit 20 bezeichneten Kälteanlage befinden sich die beiden Endteile 7b und 8b ihrer Kaltköpfe 7 bzw. 8 vorteilhaft jeweils in einem separaten Va- kuumteilraum 15a bzw. 15b. Diese Teilräume werden nachfolgend dem Vakuumgefäßes 9 zugerechnet, obwohl sie auch an dieses Gefäß angefügt sein können. Auf alle Fälle sind diese Vakuum- teilräume gegenüber dem restlichen, die zu kühlende Einrich- tung 3 aufnehmenden Innenraum 9a des Vakuumgefäßes z. B. im Bereich der Kaltflächen 7c bzw. 8c mittels vakuumdichter Ver- bindungsstücke 16 und 17 abgetrennt. Die erforderliche vaku- umdichte Verbindung zwischen dem Thermosyphon-Leitungssystem 5 und den Kaltköpfen 7 und 8 wird dabei vorteilhaft möglichst schlecht wärmeleitend ausgeführt. Gemäß der Figur 2 ist diese Verbindung zwischen dem warmen Vakuumgefäß 9 und dem im Be- trieb kalten Thermosyhon-Leitungssystem 5 im Bereich seiner Kondensorräume lla und 12a ausgeführt. Gegebenenfalls kann aber auch zur Optimierung der an dieser Kalt-Warm-Verbindung auftretenden thermischen Verluste diese Verbindung direkt an dem Rohrsystem auch an anderen Stellen der Leitungsstücke 11 und 12 bei deutlich kleinerem Durchmesser vorgesehen werden.

Wie in der Figur durch gestrichelte, mit 16 bzw. 17 be- zeichnete Linien angedeutet sein soll, lässt sich eine ent- sprechende Abtrennung beispielsweise nach den querschnittsmä- ßig erweiterten Endräumen lla bzw. 12a einplanen.

Selbstverständlich lässt sich eine erfindungsgemäße Kältean- lage auch mit mehreren Thermosyphon-Leitungssystemen konzi- pieren, von denen mindestens eines eine Parallelschaltung von

zwei Kaltköpfen mittels einer Verzweigung dieses Systems auf- weisen muss. Mehrere solcher Systeme können mit unterschied- lichen Kältemitteln und damit je nach Anforderung der Anwen- dung entsprechend abgestuften Arbeitstemperaturen, z. B. für eine Vorkühlung, eine quasi kontinuierliche thermische An- kopplung oder eine quasi kontinuierliche thermische Ankopp- lung durch überlappende Arbeitstemperaturbereiche der Kälte- mittel parallel eingesetzt werden. Hierzu werden entweder Kondensorräume mit voneinander getrennten Kondensationsberei- chen für die verschiedenen Arbeitsmittel oder mehrere einzel- ne Kondensorräume an einem Kaltkopf bzw. den Kaltköpfen ange- bracht.

Bei den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen von Kälteanlagen 2 oder 20 wurde ferner davon ausgegangen, dass das Kältemittel K nur aus einer einzigen Komponente wie z. B. He oder Ne besteht. Ebensogut können aber auch als Käl- temittel Gemische aus mindestens zwei Kältemittel-Komponenten wie z. B. aus N2+Ne mit unterschiedlichen Kondensationstempe- raturen vorgesehen werden. Dann kann folglich bei einer all- mählichen Abkühlung wenigstens eines der Kaltköpfe zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung an die zu kühlenden Teile der Einrichtung ausbilden. Nach einer Vor- kühlung dieser Teile bis zur Tripelpunktstemperatur dieses Gases wird dieses im Bereich der Kondensorräume ausfrieren, worauf zumindest ein Kaltkopf bis zur Kondensationstemperatur der nächsten Gasgemischkomponente abgekühlt wird. Die einzel- nen Komponenten den Gasgemischs lassen sich dabei so auswäh- len, dass vorteilhaft eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Ausnutzung der Kälteleistung des jeweiligen Kaltkopfes zu realisieren ist. Der Betrieb eines Kaltkopfes bei einer höheren Temperatur zu Beginn der Abkühlungsphase führt nämlich zu einer entsprechend größeren Kälteleistung und erlaubt damit wesentlich kürzere Abkühlzeiten.