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Title:
WATERCRAFT AND METHOD FOR OPERATING A WATERCRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/078478
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a watercraft (1), comprising at least one high-temperature superconducting coil (5, 15) and a cooling system for cooling the high-temperature superconducting coil (5, 15) to a cryogenic operating temperature, wherein the cooling system has a first cyrostat tank (10), which surrounds the high-temperature superconducting coil (5, 15) and is designed to hold a liquid phase (11) of a cryogenic coolant; wherein the watercraft (1) also has a load (6), which is designed to convert an operating medium in the form of a fuel and/or in the form of a material promoting combustion; wherein at least one first material component of the operating medium is formed by the cryogenic coolant; and wherein the first cryostat tank (10) is designed to hold a major part of the required total amount of the first material component of the operating medium for the operation of the load (6). The invention further relates to a method for operating a watercraft (1) of this type.

Inventors:
FRANK, Michael (Uttenreuth, DE)
GRUNDMANN, Jörn (Großenseebach, DE)
VAN HASSELT, Peter (Erlangen, DE)
Application Number:
EP2020/077187
Publication Date:
April 29, 2021
Filing Date:
September 29, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH & CO. KG (München, DE)
International Classes:
B63G7/06; B63G8/00; H01M8/04007; H02K55/00; H01F6/04
Attorney, Agent or Firm:
MAIER, Daniel (Post Office Box 22 16 34, Munich, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Wasserfahrzeug (1) mit wenigstens einer hochtemperatursup raleitenden Spule (5,15) und mit einem Kühlsystem zur Kühlung der hochtemperatursupraleitenden Spule (5,15) auf eine kryo gene Betriebstemperatur,

- wobei das Kühlsystem einen ersten Kryostatbehälter (10) aufweist, welcher die hochtemperatursupraleitende Spule (5,15) umgibt und welcher zur Aufnahme einer flüssigen Phase (11) eines kryogenen Kühlmittels ausgebildet ist, wobei das Wasserfahrzeug (1) weiterhin einen Verbraucher (6) aufweist, welcher zur Umsetzung eines Betriebsmediums in Form eines Brennstoffes und/oder eines eine Verbrennung fördernden Stoffes ausgebildet ist, wobei zumindest eine erste Stoffkomponente des Betriebsme diums durch das kryogene Kühlmittel gebildet wird und wobei der erste Kryostatbehälter (10) dazu ausgebildet ist, einen überwiegenden Teil der für den Betrieb des Ver brauchers (6) benötigten Gesamtmenge von der ersten Stoff komponente des Betriebsmediums aufzunehmen.

2. Wasserfahrzeug (1) nach Anspruch 1, bei welchem der erste Kryostatbehälter (10) dazu ausgebildet ist, einen Anteil von wenigstens 75% und insbesondere wenigstens 90% der für den Betrieb des Verbrauchers benötigten Gesamtmenge von der ers ten Stoffkomponente des Betriebsmediums aufzunehmen.

3. Wasserfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das kryogene Kühlmittel Wasserstoff, Methan, Erdgas oder Sauerstoff ist beziehungsweise umfasst.

4. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem das Betriebsmedium als erste Stoffkomponente einen Brennstoff und als zweite Stoffkomponente einen die Verbrennung fördernden Stoff aufweist, wobei der erste Kryostatbehälter (10) zur Aufnahme der ersten Stoffkomponente ausgebildet ist, und wobei das Kühlsystem einen zweiten Kryostatbehälter (20) aufweist, welcher den ersten Kryostatbehälter (10) manteiförmig umschließt und zur Aufnahme der zweiten Stoffkomponente ausgebildet ist.

5. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem der Verbraucher (6) dazu ausgebildet ist, mit einer gasförmigen Phase des Kühlmittels (12) betrieben zu werden.

6. Wasserfahrzeug (1) nach Anspruch 5, welches als Teil des Kühlsystems eine Gasaustrittsleitung (13) aufweist, welche zumindest teilweise innerhalb des ersten Kryostatbehälters (10) angeordnet ist und dort zumindest in einem Teilbereich (13a) derart thermisch an einen Teil (15a) der supraleitenden Spule (15) gekoppelt ist, dass durch das in der Gasaustritts leitung (13) strömende gasförmige Kühlmittel (12) eine Küh lung der Spule (15) bewirkt werden kann.

7. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem der Verbraucher (6) ein Brennstoffzellensys tem ist.

8. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem die wenigstens eine hochtemperatursupralei tende Spule (15) einen Bestandteil einer elektrischen Maschi ne (2) bildet, welche zum Antrieb des Wasserfahrzeugs (1) ausgebildet ist.

9. Wasserfahrzeug (1) nach Anspruch 8, bei welchem die supra leitende Spule (15) als Teil einer Statorwicklung (4) der elektrischen Maschine (2) ausgebildet ist.

10. Wasserfahrzeug (1) nach Anspruch 8, bei welchem die sup raleitende Spule (15) als Teil einer Rotorwicklung (7) der elektrischen Maschine (2) ausgebildet ist.

11. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem die wenigstens eine supraleitende Spule (5) zur Ausbildung eines magnetischen Flusses außerhalb des Was serfahrzeuges (1) ausgebildet ist.

12. Wasserfahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, welches als unbemanntes Wasserfahrzeug ausgebildet ist.

13. Wasserfahrzeug (1) nach Anspruch 12, welches als Minen räumdrohne ausgestaltet ist.

14. Verfahren zum Betrieb eines Wasserfahrzeugs (1) nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die flüssige Phase (11) des kryogenen Kühlmittels in dem ersten Kryostatbehälter (10) zur Kühlung der wenigs tens einen hochtemperatursupraleitenden Spule (5,15) ver wendet wird und wobei dasselbe kryogene Kühlmittel als Stoffkomponente des Betriebsmediums verwendet wird, welches mittels des Verbrauchers (6) umgesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Verbraucher (6) mit gasförmigem kryogenen Kühlmittel (12) betrieben wird, welches bei der Kühlung der wenigstens einen supraleitenden Spule (5,15) verdampft.

Description:
Beschreibung

Wasserfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Wasserfahr zeugs

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit we nigstens einer hochtemperatursupraleitenden Spule und mit einem Kühlsystem zur Kühlung der hochtemperatursupraleitenden Spule auf eine kryogene Betriebstemperatur. Weiterhin be trifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Wasserfahrzeugs .

Aus dem Stand der Technik sind Wasserfahrzeuge bekannt, wel che ein oder mehrere supraleitende Spulen entweder als Teil des Antriebssystems oder auch als separate Magnetspulen auf weisen. So beschreibt beispielsweise die EP 1636894B1 eine Maschineneinrichtung mit einer supraleitenden Rotorwicklung, welche aufgrund der robusten Ausgestaltung ihres Kühlsystems besonders dafür geeignet ist, um in Antriebssystemen von Schiffen Verwendung zu finden. Ferner beschreibt die EP 3405 387 Al eine Drohne zur Auslösung von Seeminen, in der eine supraleitende Erregerspule nicht nur als Teil des elektrischen Antriebsmotors wirkt, sondern auch das externe Magnetfeld ausbildet, welches die Auslösung der Seeminen be wirkt.

Eine Schwierigkeit bei Wasserfahrzeugen mit supraleitenden Spulen ist es allgemein, die Kühlung der supraleitenden Spule auf eine kryogene Betriebstemperatur zuverlässig zu bewerk stelligen. Dies ist umso schwieriger, je kompakter das System ist und je weniger Platz daher insgesamt für die supraleiten de Spule und das zugehörige Kühlsystem zur Verfügung steht. Dies stellt vor allem bei kleineren und insbesondere unbe mannten Wasserfahrzeugen ein nach wie vor ungelöstes Problem dar, da der Bauraum hier besonders begrenzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Wasserfahrzeug anzu geben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbeson- dere soll ein Wasserfahrzeug zur Verfügung gestellt werden, bei welchem das Kühlsystem der supraleitenden Spule einen möglichst geringen zusätzlichen Platzbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines der artigen Wasserfahrzeugs anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Wasserfahrzeug und das in Anspruch 14 beschriebene Verfahren zum Betrieb eines Wasserfahrzeugs gelöst. Das erfindungsgemä ße Wasserfahrzeug weist wenigstens eine hochtemperatursupra leitende Spule und ein Kühlsystem zur Kühlung der hochtempe ratursupraleitenden Spule auf eine kryogene Betriebstempera tur auf. Dieses Kühlsystem weist einen ersten Kryostatbehäl- ter auf, welche die hochtemperatursupraleitende Spule umgibt und welcher zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines kryoge nen Kühlmittels ausgebildet ist. Das Wasserfahrzeug weist zu sätzlich einen Verbraucher zur Umsetzung eines Betriebsmedi ums auf, wobei das Betriebsmedium ein Brennstoff und/oder ein verbrennungsfördernder Stoff ist bzw. einen derartigen Stoff umfasst. Dabei ist zumindest eine erste Stoffkomponente des Betriebsmediums durch das kryogene Kühlmittel gebildet. Der erste Kryostatbehälter ist dazu ausgebildet, einen überwie genden Teil der für den Betrieb des Verbrauchers benötigten Gesamtmenge von der ersten Stoffkomponente des Betriebsmedi ums aufzunehmen.

Unter einem Wasserfahrzeug soll dabei allgemein ein Fahrzeug verstanden werden, welches zur Fortbewegung im Wasser ausge legt ist. Es kann sich dabei allgemein prinzipiell entweder um ein bemanntes oder ein unbemanntes Wasserfahrzeug handeln - im zweiten Fall also um eine Drohne. Ferner kann das Was serfahrzeug zur Fortbewegung an der Wasseroberfläche und/oder unterhalb der Wasseroberfläche ausgelegt sein.

Der beschriebene Kryostatbehälter soll die wenigstens eine hochtemperatursupraleitende Spule umgeben. Insbesondere kön nen dabei auch mehrere solche Spulen innerhalb des Kryostat- behälters angeordnet sein. Allgemein können auch mehrere Kryostatbehälter vorliegen, in denen dann jeweils entweder ein oder mehrere solche Spulen angeordnet sind. Wesentlich ist, dass die jeweilige Spule von dem zugeordneten Kryostat behälter so umgeben ist, dass sie durch ihn gegen eine warme äußere Umgebung thermisch isoliert ist. Der Kryostatbehälter ist zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines kryogenen Kühl mittels ausgebildet, es kann sich dabei also insbesondere um einen Badkryostaten handeln. Dabei soll allerdings nicht aus geschlossen sein, dass das kryogene Kühlmittel zumindest teilweise auch in der Gasphase innerhalb des Kryostatbehäl- ters vorliegt. Insbesondere kann also während des Betriebs des Wasserfahrzeugs und damit während der Kühlung der hoch temperatursupraleitenden Spule innerhalb des Kryostatbehäl- ters ein Gleichgewicht zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase des kryogenen Kühlmittels vorliegen. Optional kann das kryogene Kühlmittel dabei auch Teil des beschriebenen Kühlsystems und somit auch Teil des Wasserfahrzeugs sein.

Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Wesentlich ist vor allem, dass das Kühlsystem zur Kühlung der Spule mit einem solchen kryogenen Kühlmittel ausgelegt ist.

Das Betriebsmedium für den Verbraucher soll einen Brennstoff und/oder einen verbrennungsfördernden Stoff umfassen. Insbe sondere kann das Betriebsmedium ein Gemisch aus wenigstens zwei derartigen Stoffkomponenten sein. Besonders vorteilhaft ist dabei allgemein ein Gemisch aus einem Brennstoff und Sau erstoff oder Luft. Eine erste Stoffkomponente dieses Be triebsmediums (also insbesondere entweder ein Brennstoff oder ein verbrennungsfördernder Stoff) soll durch das kryogene Kühlmittel gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das kryogene Kühlmittel den Brennstoff selbst beziehungsweise wenigstens eine Stoffkomponente des Brennstoffs ausbildet. Allgemein und unabhängig von der genauen Zusammensetzung kann die erste Stoffkomponente des Betriebsmediums vorteilhaft durch die gasförmige Phase des Kühlmittels gebildet sein, welche durch Verdampfung aus dem zur Kühlung der supraleiten den Spule verwendeten flüssigen Kühlmittel entsteht. Unter der „für den Betrieb des Verbrauchers benötigten Ge samtmenge" von der ersten Stoffkomponente des Betriebsmediums soll hier insbesondere die Gesamtmenge von dieser Stoffkompo nente verstanden werden, welche beim Betrieb des Wasserfahr zeugs mitgeführt wird. Das Wasserfahrzeug ist also zum Mit führen dieser Gesamtmenge ausgelegt, wobei die Gesamtmenge dem ganzen Vorratsvolumen an dieser ersten Stoffkomponente im vollständig betankten Zustand entspricht. Dieses Vorratsvolu men umfasst insbesondere das Füllvolumen des Kryostatbehäl- ters sowie das Volumen einer optional vorliegenden Zuleitung, welche zwischen dem Kryostatbehälter und dem Verbraucher an geordnet ist. Insbesondere kann eine Kühlmittelableitung des Kryostatbehälter in eine solche Betriebsmittelzuleitung mün den und/oder in sie übergehen und/oder mit ihr verbunden sein. Wesentlich ist nur, dass der Verbraucher mit dem im Kryostatbehälter vorliegenden kryogenen Kühlmittel gespeist werden kann. Dabei soll ein überwiegender Teil der oben be schriebenen Gesamtmenge von der ersten Stoffkomponente des Betriebsmediums (und damit gleichzeitig der Gesamtmenge des kryogenen Kühlmittels) von dem ersten Kryostatbehälter aufge nommen werden können. Mit anderen Worten soll das Füllvolumen des ersten Kryostatbehälters mehr als 50 Volumenprozent die ser Gesamtmenge an kryogenem Kühlmittel aufnehmen können. An ders ausgedrückt, sollen alle übrigen vorliegenden Vorratsvo lumina für das kryogene Kühlmittel (also insbesondere das Ge samtvolumen von allen zusätzlichen Leitungen und optional vorhandenen zusätzlichen Reservoirs außerhalb des Kryostatbe hälters) kleiner sein als das Füllvolumen des Kryostatbehäl ters für das kryogene Kühlmittel.

Durch das letztgenannte Merkmal wird erreicht, dass der benö tigte Bauraum für die hochtemperatursupraleitende Spule und ihr Kühlsystem sowie für den benötigten Vorrat an Betriebsme dium insgesamt sehr klein gehalten werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein überwiegender Anteil des flüssigen kryogenen Kühlmittels doppelt genutzt wird, nämlich zum einen zur Kühlung der Spule innerhalb des Kryo statbehälters und zum anderen als Betriebsmedium für den Ver- braucher. Diese Doppelnutzung des Kühlmittels führt vor allem dann zu einem besonders kleinen gesamten Platzbedarf, wenn - wie beschrieben - vor allem der Kryostatbehälter selbst als Vorratsbehälter für das Kühlmittel dient und nur ein unterge ordnetes zusätzliches Volumen zum Vorratsvolumen des Kühlmit tels beiträgt. Das kryogene Kühlmittel soll also beim Betrieb überwiegend im Kryostatbehälter bevorratet werden und nur ein vergleichsweise geringer Anteil soll in den Leitungen oder anderen zusätzlichen Betriebsmittelkammern gelagert sein. Insbesondere soll das Wasserfahrzeug also keinen zusätzlichen Vorratstank für das kryogene Kühlmittel aufweisen, welcher größer ist als das Füllvolumen des Kryostatbehälters. Unter dem Füllvolumen des Kryostatbehälters soll dabei das Volumen an kryogenem Kühlmittel verstanden werden, welches in den Kryostatbehälter (zusätzlich zur bereits darin vorhandenen Spule) eingebracht werden kann.

Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden, dass das im Kryostatbehälter vorhandene Fluidvolumen gleichzeitig als Vorratsvolumen für die erste Stoffkomponente des Betriebsme diums genutzt wird und dass somit der Platz für einen ansons ten benötigten zusätzlichen Vorratstank für diese Stoffkompo nente eingespart werden kann. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausführung des Gesamtsystems.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines erfin dungsgemäßen Wasserfahrzeugs. Dabei wird die flüssige Phase des kryogenen Kühlmittels in dem ersten Kryostatbehälter zur Kühlung der wenigstens einen temperatursupraleitenden Spule verwendet. Dabei wird dasselbe kryogene Kühlmittels als Stoffkomponente des Betriebsmediums verwendet, welches mit tels des beschriebenen Verbrauchers umgesetzt wird. Die Vor teile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei analog zu den bereits beschriebenen Vorteilen des erfindungs gemäßen Wasserfahrzeugs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen An- Sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön nen die beschriebenen Ausgestaltungen des Wasserfahrzeugs und des Betriebsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kom biniert werden.

So kann der erste Kryostatbehälter allgemein vorteilhaft dazu ausgebildet sein, einen Anteil von wenigstens 75 % und insbe sondere sogar wenigstens 90 % der für den Betrieb des Ver brauchers benötigten Gesamtmenge von der ersten Stoffkompo nente des Betriebsmediums aufzunehmen. Mit anderen Worten soll der Kryostatbehälter also einen noch stärker überwiegen den Teil der gesamten Vorratsmenge dieser Stoffkomponente aufnehmen können. Es soll also nur ein vergleichsweise noch unwesentlicherer Teil der Gesamtmenge dieser Stoffkomponente in anderen Volumina bevorratet sein, welche außerhalb des Kryostatbehälters liegen. Hierdurch wird im Vergleich zu einem herkömmlichen separaten Vorratstank für das Betriebsme dium eine noch stärkere Reduktion des insgesamt benötigten Bauraums erreicht.

Das kryogene Kühlmittel kann allgemein vorteilhaft beispiels weise Wasserstoff, Methan, Erdgas oder Sauerstoff sein bezie hungsweise wenigstens einen dieser Stoffe umfassen. Dabei sind Wasserstoff, Methan und Erdgas besonders bevorzugte Bei spiele dafür, dass das kryogene Kühlmittel ein Brennstoff ist. Sauerstoff dagegen ist ein besonders bevorzugtes Bei spiel für einen verbrennungsfördernden Stoff.

Allgemein ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung beson ders vorteilhaft, wenn das kryogene Kühlmittel einen Brenn stoff für den Verbraucher bildet. Das Betriebsmedium kann dann also als erste Stoffkomponente einen Brennstoff und als zweite Stoffkomponente einen verbrennungsfördernden Stoff aufweisen. Der erste Kryostatbehälter ist dann bevorzugt wie derum zur Aufnahme dieser ersten Stoffkomponente ausgebildet. Besonders vorteilhaft weist das Kühlsystem dann einen zweiten Kryostatbehälter auf, welcher den ersten Kryostatbehälter mantelförmig umschließt und zur Aufnahme der zweiten Stoff- komponente ausgebildet ist. Diese zweite Stoffkomponente des Betriebsmediums kann wiederum beispielsweise durch Sauer stoff, Luft oder aber auch einen anderen verbrennungsfördern den Stoff gegeben sein. Durch das beschriebene Ineinander schachteln von erstem und zweitem Kryostatbehälter wird er reicht, dass die innenliegende hochtemperatursupraleitende Spule besonders effektiv gekühlt werden kann, da der zweite Kryostatbehälter als zusätzliche thermische Isolation um den ersten Kryostatbehälter herum angeordnet ist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn auch die zweite Stoffkomponente in ihrer verflüssigten Form ein kryogenes Kühlmittel ausbil det. Dies ist insbesondere bei flüssigem Sauerstoff der Fall. Besonders bei einem Unterwasserfahrzeug kann der für die Ver brennung des Brennstoffs benötigte Sauerstoff nicht aus der Umgebungsluft zugeführt werden, sondern muss in einem Vor ratsbehälter in dem Wasserfahrzeug mitgeführt werden. Bei der beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung mit einem zweiten, äußeren Kryostatbehälter kann wiederum der Platz für einen zusätzlichen Vorratstank weitgehend eingespart werden, sodass auch der Sauerstoff doppelte Verwendung findet - nämlich zum einen als kryogenes Kühlmittel und zum anderen als verbren nungsfördernder Stoff. Die Bevorratung des Sauerstoffs im äußeren Kryostatbehälter führt analog zu den oben beschriebe nen Vorteilen des ersten Kryostatbehälters zu einer besonders platzsparenden Realisierung des Gesamtsystems.

Allgemein besonders vorteilhaft ist der Verbraucher dazu aus gebildet, um mit einer gasförmigen Phase des Kühlmittels be trieben zu werden. Mit anderen Worten soll die erste Stoff komponente des Betriebsmittels nur bei ihrer Verwendung als kryogenes Kühlmittel in flüssiger Form zum Einsatz kommen. Während der Kühlung der supraleitenden Spule verdampft ein Teil dieses flüssigen Kühlmittels und das daraus gebildete gasförmige Kühlmittel kann über eine Gasleitung als ein Teil des Betriebsmediums dem hiermit betriebenen Verbraucher zuge führt werden. Die Zuführung zum Verbraucher in der Gasphase ist dabei apparativ deutlich weniger aufwendig als es die Zu führung in verflüssigten Form wäre. Die Zuführung in verflüs- sigter Form ist bei der weiteren Verwendung des Kühlmittels als Betriebsmittel des Verbrauchers typischerweise auch nicht nötig.

Besonders vorteilhaft ist es bei der beschriebenen Ausfüh rungsform, wenn das Wasserfahrzeug als Teil des Kühlsystems eine Gasaustrittsleitung aufweist. Diese Gasaustrittsleitung kann besonders bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des ersten Kryostatbehälters angeordnet sein und dort zumindest in einem Teilbereich derart thermisch an einen Teil der sup raleitenden Spule gekoppelt sein, dass durch das in der Gas- austrittsleitung strömende gasförmige Kühlmittel eine Kühlung der Spule bewirkt werden kann. Die Vorteile dieser Ausfüh rungsform kommen vor allem dann besonders zum Tragen, wenn in einem Betriebszustand des Wasserfahrzeugs bereits ein signi fikanter Teil des flüssigen Kühlmittels verdampft und somit für die Kühlung verbraucht ist. In einem solchen Betriebszu stand kann es Vorkommen, dass die hochtemperatursupraleitende Spule nicht mehr vollständig in das flüssige Kühlmittel ein taucht und zumindest in Teilbereichen nur noch von gasförmi gem Kühlmittel umgeben ist. Die Spule kann aber durch den Kontakt mit gasförmigem Kühlmittel längst nicht so effektiv gekühlt werden wie durch den Kontakt mit flüssigem Kühlmit tel. Insbesondere könnte sich ohne besondere Maßnahmen das gasförmige Kühlmittel in der direkten Umgebung der Spule so weit erwärmen, dass eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters nicht mehr zuverlässig ge währleistet werden kann. Um dies zu verhindern, wird bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der als Betriebs medium entnommene Teil des verdampften Kühlmittels vor seiner Weiterverwendung noch einmal gezielt an der Spule vorbeige strömt. Dies verhindert ein lokales Aufwärmen der die Spule umgebenden Gasphase und ermöglicht eine effektivere Kühlung der Spule durch das entnommene gasförmige Kühlmittel.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit einer thermischen Ankopplung der supraleitenden Spule an einen Teil der Gasaustrittsleitung kann ein gezieltes Umströmen von obenliegenden Bereichen der Spule auch durch Ausbildung eines Flaschenhalses im Bereich eines (typischerweise) geodätisch obenliegenden Teils der Spule erreicht werden. Mit anderen Worten kann in einem solchen obenliegenden Teil der Spule der Querschnitt des die Spule mantelartig umgebenden Füllvolumens des Kryostatbehälters kleiner gewählt sein als weiter unten. Auch dies führt vorteilhaft zu einer stärkeren Gasströmung in unmittelbarer Umgebung der Spulenteile, die in einem fortge schrittenen Betriebsstadium nicht mehr in das verflüssigte Kühlmittel eintauchen.

Unabhängig von der genauen Realisierung wird durch die be schriebenen Maßnahmen vorteilhaft erreicht, dass die supra leitende Spule nicht während des gesamten Betriebs des Was serfahrzeugs vollständig in das flüssige Kühlmittel eintau chen muss. Vielmehr kann eine zuverlässige Kühlung auch dann gewährleistet sein, wenn nur ein Teil der supraleitenden Spu le in thermischem Kontakt mit dem flüssigen Kühlmittel steht. Auch die thermische Leitfähigkeit der supraleitenden Spule selbst (sowie optional vorliegender zusätzlicher thermisch leitfähiger Elemente, die im Kontakt mit ihr sind) können einen ausreichend hohen Wärme-Abtransport von den Bereichen der Spule ermöglichen, die nicht mehr in das flüssige Kühl mittel eintauchen.

Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführungsform kann die Spule entweder direkt oder indirekt im Kontakt mit dem kryogenen Kühlmittel stehen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spule zumindest in einem Teilbereich direkten Kontakt mit dem verflüssigten kryogenen Kühlmittel steht. Es soll aber allgemein auch nicht ausgeschlossen sein, dass die Spule über ein zusätzliches Element und somit im indirekten Kontakt mit dem Kühlmittel steht. Beispielsweise kann die Spule von einem umhüllenden Wicklungsträger umgeben sein, der dann vorteil haft aus einem thermisch vergleichsweise hoch leitfähigen Ma terial gebildet sein kann, um die Entwärmung hin zu dem Kühl mittel zu ermöglichen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Verbrau cher ein Brennstoffzellensystem sein, in dem das Betriebsmit tel zur Bereitstellung elektrischer Energie für das Wasser fahrzeug umgesetzt wird. Ein solches Brennstoffzellensystem wird insbesondere mit Wasserstoff als erster Stoffkomponente des Betriebsmediums und Sauerstoff als zweiter Stoffkomponen te des Betriebsmediums betrieben. Ein solches Brennstoffzel lensystem hat sich als vorteilhafte Energiequelle für den elektrischen Antrieb von mobilen Systemen erwiesen, da mit den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff auf vergleichs weise geringem Raum Energie mit einer hohen Energiedichte ge speichert werden kann. Mittels einer solchen Brennstoffzelle kann die elektrische Energie zum Betrieb der supraleitenden Spule bereitgestellt werden. Alternativ kann der Verbraucher prinzipiell aber auch ein Verbrennungsmotor beziehungsweise eine Turbine sein, in dem/der das Betriebsmittel zur Bereit stellung kinetischer Energie umgesetzt wird.

Gemäß einer ersten allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine supraleitende Spule einen Bestand teil einer elektrischen Maschine bilden, welche zum Antrieb des Wasserfahrzeugs ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die Spule also Teil eines Elektromotors und insbesondere Teil eines elektrischen Antriebssystems des Wasserfahrzeugs sein. Ein solcher supraleitender elektrischer Antrieb ist vor allem für kompaktere und insbesondere unbemannte Wasserfahrzeuge besonders vorteilhaft.

Gemäß einer vorteilhaften Variante dieser ersten Ausführungs form kann die supraleitende Spule als Teil einer Statorwick lung der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Die Maschine umfasst dann also ein supraleitenden Stator, welcher wenig stens eine supraleitende Statorspule aufweist. Im Zusammen hang mit der Erfindung ist diese Variante besonders bevor zugt, da die supraleitende Spule dann zumindest im Verhältnis zum Wasserfahrzeug räumlich feststehend angeordnet ist somit leichter in einem räumlich feststehenden Badkryostaten durch Umspülung mit einem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden kann. Gemäß einer alternativen Variante dieser ersten Ausführungs form kann die supraleitende Spule aber auch als Teil einer Rotorwicklung der elektrischen Maschine ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform ist zweckmäßig nicht nur die supralei tende Spule, sondern auch der die Spule umgebenden Kryostat- behälter im Verhältnis zu den übrigen Teilen des Wasserfahr zeugs um eine Drehachse drehbar gelagert. Die Realisierung von rotierenden Kryostatbehältern zur Kühlung von supralei tenden Rotorwicklungen in elektrischen Maschinen ist im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Ebenso wurden die mit der Einleitung und Ausleitung von kryogenem Kühlmittel verbunde nen Probleme auch für die Verbindung von rotierenden und feststehenden Systemen im Stand der Technik bereits grund sätzlich gelöst.

Gemäß einer zweiten allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die wenigstens eine supraleitende Spule zur Ausbildung eines magnetischen Flusses außerhalb des Wasserfahrzeugs aus gebildet sein. Insbesondere kann es sich um eine supraleiten de Magnetspule handeln, welche zur magnetischen Auslösung einer Seemine ausgelegt ist. Besonders vorteilhaft kann die erste Ausführungsform mit der zweiten Ausführungsform kombi niert werden, so dass also dieselbe supraleitende Spule ei nerseits Teil eines elektrischen Antriebssystems des Wasser fahrzeugs ist und andererseits als Magnetspule zur Minenaus lösung verwendet wird. Eine solche kombinierte Funktion wird durch eine hinreichend schwache magnetische Abschirmung des Antriebsmotors ermöglicht. Allerdings ist auch eine Ausfüh rung der Spule als eine vom Antrieb des Wasserfahrzeugs sepa rate Magnetspule möglich.

Allgemein vorteilhaft kann das Wasserfahrzeug als unbemanntes Wasserfahrzeug ausgebildet sein. Eine solche Ausführung als Drohne ist deswegen besonders vorteilhaft, weil Drohnen oft relativ klein ausgebildet sind. In einem solchen kompakten Fahrzeug kommen die Vorteile der Erfindung im Zusammenhang mit der Doppelnutzung des kryogenen Kühlmittels und der platzsparenden Bevorratung innerhalb des Kryostatgefäßes be sonders wirksam zum Tragen. Insbesondere kann ein solches un bemanntes Wasserfahrzeug vorteilhaft als Minenräumdrohne aus gestaltet sein. Allgemein kann dann die supraleitende Spule zur magnetischen Auslösung einer Seemine ausgebildet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Verbraucher mit gasförmigem kryogenem Kühlmittel betrie ben werden, welches bei der Kühlung der wenigstens einen sup raleitenden Spule verdampft. Auch hier ergeben sich die Vor teile analog zu den bereits weiter oben beschriebenen Vortei len der entsprechenden Ausführungsform des Wasserfahrzeugs.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Wasser fahrzeugs nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt und

Figuren 2 bis 4 schematische Schnittdarstellungen von ver schiedenen Ausführungsformen von supraleitenden Spu len und ihren zugehörigen Kryostatbehältern zeigen.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine schematische teilperspektivische Schnitt darstellung eines Wasserfahrzeugs 1 nach einem ersten Bei spiel der Erfindung. Dieses Wasserfahrzeug ist im gezeigten Beispiel eine Minenräumdrohne, welche hier gerade im Wasser W taucht. Alternativ oder zusätzlich kommt jedoch auch ein an der Wasseroberfläche schwimmender Einsatz in Betracht. Das Wasserfahrzeug weist eine zentrale Längsachse A auf und be wegt sich entlang einer Fahrtrichtung, welche beispielsweise mit der Längsachse A zusammenfällt. Es handelt sich bei dem Wasserfahrzeug 1 hier um eine selbst- angetriebene unbemannte Drohne, welche sich mittels eines Elektromotors 2 und einer mechanisch damit gekoppelten An triebsschraube 3 selbst im Wasser fortbewegen kann und nicht von einem Mutterschiff geschleppt werden muss. Diese Drohne ist dazu ausgelegt, an einem bestimmten Zielort ein vorgege benes zeitabhängiges magnetisches Profil zu erzeugen, um eine magnetisch auslösbare Seemine zur Detonation bringen zu kön nen. Um das gewünschte magnetische Profil zu erzeugen, ist das Wasserfahrzeug 1 mit einer oder mehreren supraleitenden Magnetspulen ausgestattet. Nur beispielhaft sind für das Was serfahrzeug 1 mehrere unterschiedliche supraleitende Magnet spulen gezeigt: So weist der Elektromotor 2 eine Statorwick lung 4 auf, welche ein oder mehrere supraleitende Spulen ent halten kann. Außerdem weist der Elektromotor 2 eine Rotor wicklung 7 auf, welche ebenfalls ein oder mehrere supralei tende Spulen enthalten kann. Zusätzlich ist im hinteren Teil der Drohne eine einzelne supraleitende Magnetspule 5 gezeigt, welche ebenfalls bei der Erzeugung des gewünschten magneti schen Profils mitwirkt, aber nicht Teil des Elektromotors ist. Diese Wicklungen bzw. Spulen sind jedoch nur beispiel haft dargestellt, und es müssen nicht alle gleichzeitig in einem Wasserfahrzeug vorliegen. So reicht es aus, wenn zumin dest eine supraleitende Spule vorliegt, welche beispielsweise als Teil der Statorwicklung 4 oder als Teil der Rotorwicklung 7 oder auch als separate Magnetspule 5 realisiert ist. Die übrigen Spulen bzw. Wicklungen können dann gegebenenfalls al ternativ als normalleitende Spulen ausgestaltet sein.

Das Wasserfahrzeug 1 weist einen Verbraucher 6 auf, welcher zur Umsetzung eines Betriebsmediums ausgelegt ist. Dieser Verbraucher ist in Figur 1 nur beispielhaft im vorderen Be reich des Fasserfahrzeugs angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbraucher 6 um eine Brennstoffzelle handeln, welche die für den Elektromotor 2 benötigte elektrische Ener gie bereitstellt. Eine solche Brennstoffzelle kann insbeson dere mit einem Betriebsmittel betrieben werden, welches Was serstoff und Sauerstoff umfasst. In diesem Fall wirkt der Wasserstoff als Brennstoff und bildet eine erste Stoffkompo nente des Betriebsmediums des Verbrauchers 6 aus. Der Sauer stoff wirkt als verbrennungsfördernder Stoff und bildet eine zweite Stoffkomponente des Betriebsmediums aus. Bei einem Einsatz des Wasserfahrzeug unter der Wasseroberfläche ist es allgemein zweckmäßig, wenn sowohl die erste Stoffkomponente als auch die zweite Stoffkomponente im Wasserfahrzeug bevor ratet und mitgeführt werden. Die hierfür eingesetzten Vor ratsbehälter und Zuführleitungen sind jedoch in Figur 1 der Übersicht halber nicht gezeigt. Erfindungsgemäß ist jedoch zumindest die erste Stoffkomponente des Betriebsmittels durch ein kryogenes Kühlmittel gebildet, welches zur Kühlung der supraleitenden Spule auf eine kryogene Betriebstemperatur verwendet wird. Diese Doppelnutzung der ersten Stoffkomponen- ten wird im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 noch näher verdeutlicht .

So zeigt Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer supraleitenden Spule 15 in ihrem zugehörigen Kryostatbehälter 10. Diese Spule 15 kann in einem Wasserfahrzeug nach einem Beispiel der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, bei spielsweise in einem Wasserfahrzeug, welches ähnlich wie in Figur 1 ausgestaltet ist. Bei der Spule kann es sich insbe sondere prinzipiell um eine Spule einer Rotorwicklung 7 oder um eine Spule einer Statorwicklung 4 oder um eine separate Magnetspule 5 handeln. Beispielsweise sei im Folgenden ange nommen, dass die Spule 15 eine im Verhältnis zum restlichen Wasserfahrzeug feststehende Spule ist - also eine Statorspule oder eine separate Magnetspule 5.

Die supraleitende Spule 15 ist innerhalb eines ersten Kryo- statbehälters 10 angeordnet und wird von diesem umgeben. Im Inneren dieses ersten Kryostatbehälters 10 ist ein flüssiges kryogenes Kühlmittel 11 angeordnet, welches die supraleitende Spule 15 umspült und somit auf eine kryogene Betriebstempera tur kühlt. Beispielsweise handelt es sich bei dem flüssigen kryogenen Kühlmittel um flüssigen Wasserstoff. Während der Kühlung der Spule 15 verdampft dieser flüssige Wasserstoff zum Teil, so dass sich geodätisch oberhalb eines Kühlmittel pegels 17 ein Bereich mit gasförmigem Kühlmittel 12 ausbil det. Dieses gasförmige Kühlmittel 12 kann durch eine Gasaus trittsleitung 13 aus dem ersten Kryostatbehälter 10 entwei chen und über diese Leitung 13 dem hier nur schematisch skiz zierten Verbraucher 6 zugeführt werden. Auf diese Weise wird also zum Beispiel einer Brennstoffzelle der von ihr benötigte Wasserstoff zugeführt. Dieser Wasserstoff wird im gezeigten Beispiel im Wesentlichen innerhalb des ersten Kryostatbehäl- ters 10 bevorratet. Es liegt insbesondere - außer dem ver gleichsweise geringen Volumen der Leitung 13 - kein zusätzli ches Vorratsreservoir für den Wasserstoff vor. Hierdurch wird erreicht, dass der innerhalb des Kryostatbehälters für das flüssige Kühlmittel benötigte Platz gleichzeitig auch für die Bevorratung des Betriebsmittels des Verbrauchers 6 genutzt werden kann. Somit wird der Platz für einen zusätzlichen Vor ratstank zumindest für die erste Stoffkomponente des Be triebsmittels eingespart. Zum Betanken des Kryostatbehälters 10 kann das flüssige Kühlmittel 11 entweder durch die Leitung 13 oder durch eine weitere hier nicht näher dargestellte Lei tung und/oder Öffnung eingefüllt werden.

Der Kryostatbehälter 10 ist im gezeigten Beispiel doppelwan dig ausgebildet, wobei zwischen den beiden Wänden ein Vakuum raum V ausgebildet ist. Dies dient der thermischen Isolation des Kryostatinneren gegen die vergleichsweise warme äußere Umgebung. Alternativ oder zusätzlich kann der Kryostatbehäl ter aber auch durch andere Maßnahmen thermisch isoliert sein, beispielsweise durch Perlit und/oder eine Superisolation. Allgemein kann der Kryostatbehälter ringförmig ausgestaltet sind (also topologisch zweifach zusammenhängend), so dass er eine ringförmige Spule mit zwei Spulenschenkeln in ver gleichsweise kompakter Anordnung umgibt, wobei das Zentrum der Spule dann frei von Kühlmittel ist. Alternativ kann der Kryostatbehälter aber auch als einfacher Topf ausgestaltet sein (also topologisch einfach zusammenhängend sein), so dass auch der Bereich im Inneren einer ringförmigen Spule durch das flüssige kryogene Kühlmittel gefüllt sein kann. Diese einfachere Ausführungsform ist in der Schnittdarstellung der Figur 2 gezeigt. Dabei können die beiden übereinanderliegend gezeigten Spulenelemente 15a und 15b beispielsweise zwei ge genüberliegende Schenkel derselben Spule 15 sein. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, dass die beiden gezeigten Ele mente 15a und 15b übereinanderliegende, separate Spulen sind und dass die Figur 2 nur einen Ausschnitt aus einem ringför migen Kryostatbehälter 10 darstellt.

Wenn die für den Betrieb des Verbrauchers 6 benötigte Menge von kryogenem Kühlmittel im Wesentlichen innerhalb des ersten Kryostatbehälters 10 bevorratet wird und somit nicht von einem externen Vorratsbehälter nachgefüllt wird, dann sinkt der Kühlmittelpegel 17 beim Betrieb des Wasserfahrzeugs 1 allmählich ab. Dies wird dadurch verursacht, dass das flüssi ge Kühlmittel 11 allmählich verdampft und das gebildete gas förmige Kühlmittel 12 dem Verbraucher 6 zugeführt wird. Ent sprechend zeigt Figur 3 einen Betriebszustand, in dem bereits ein signifikanter Teil des flüssigen Kühlmittels 11 aufge braucht ist. Daher liegt der Kühlmittelpegel 17 schon unter halb des oberen Spulenschenkels 15a, so dass zumindest dieser Spulenschenkel 15a schon nicht mehr von flüssigem Kühlmittel 11 umspült wird. Um trotzdem eine zuverlässige Kühlung der gesamten Spule 15 auf die kryogene Betriebstemperatur zu er reichen, können unterschiedliche Maßnahmen getroffen werden. So kann einerseits die Spule 15 selbst hoch wärmeleitend aus gestaltet sein, so dass eine Umspülung des unteren Spulen schenkels 15b mit flüssigem Kühlmittel 11 ausreicht, um auch den oberen Spulenschenkel 15a durch Wärmeleitung auf eine ausreichend tiefe Temperatur zu kühlen. Dies kann beispiels weise durch ein gut wärmeleitendes metallisches Substrat eines der Spulenwicklung zugrundeliegenden supraleitenden Bandleiters erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kön nen die einzelnen Teilbereiche 15a und 15b aber auch durch ein oder mehrere zusätzliche überbrückende Elemente wärmelei tend miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann ein solches zusätzliches Element durch einen hier nicht gezeigten wärmeleitenden Spulenträger gegeben sein. Als alternative oder zusätzliche Maßnahme zur verbesserten Kühlung des obenliegenden Spulenteils 15a kann aber auch die Gasaustrittsleitung 13 so ausgestaltet sein, dass durch das in ihr strömende Gas eine effiziente Kühlung des Spulenteils 15a ermöglicht wird. Eine solche optionale Ausgestaltung ist bespielhaft in Figur 3 gezeigt: Hier ist die Gasaustrittslei tung 13 in den Innenraum des Kryostaten 10 hinein verlängert und so geformt, dass sie zumindest in einem Teilbereich ther misch an den oberen Spulenschenkel 15a angekoppelt ist. Dadurch wird erreicht, dass das in der Leitung 13 strömende Gas diesen Teil 15a der Spule effizienter kühlen kann als dies ohne eine solche Ankopplung der Fall wäre. Insbesondere nimmt durch diese besondere Ausführung gezielt vor allem das ausströmende Gas die Wärme aus dem oberen Spulenschenkel 15a auf, und eine übermäßige Erwärmung des übrigen gasförmigen Kühlmittels 12, welches oberhalb des Kühlmittelpegels 17 liegt, aber noch nicht dem Gasraum entnommen wird, wird vor teilhaft reduziert.

In Figur 4 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Spule 15 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung gezeigt. Die Spule ist ähnlich wie beim Beispiel der Fi gur 2 in einem ersten Kryostatbehälter 10 angeordnet und wird dort von einem flüssigen kryogenen Kühlmittel 11 gekühlt, welches zum Teil durch Verdampfung in gasförmiges Kühlmittel 12 übergeht. Zusätzlich ist der erste Kryostatbehälter 10 hier noch von einem zweiten Kryostatbehälter 20 umgeben, in welchem ebenfalls ein flüssiges Kühlmittel 21 enthalten ist. Diese beiden Kryostatbehälter 10 und 20 sind so ineinanderge schachtelt, dass sich insgesamt eine zwiebelschalenartige An ordnung aus mehreren umhüllenden Mänteln ergibt: Die Spule 15 wird von dem inneren flüssigen Kühlmittel 11 umspült. Dieses Kühlmittel wird von dem doppelwandigen ersten Kryostatbehäl ter 10 umschlossen. Dieser innere Kryostatbehälter wird von dem äußeren flüssigen Kühlmittel 21 umspült. Dieses äußere Kühlmittel wird von dem doppelwandigen Kryostatbehälter 20 umschlossen. Insgesamt ergibt sich durch diesen zwiebelscha- lenartigen Aufbau eine besonders effektive thermische Isola tion der innenliegenden supraleitenden Spule 15.

Besonders vorteilhaft können das flüssige Kühlmittel 11 des ersten Kryostatbehälters 10 und das flüssige Kühlmittel 21 des zweiten Kryostatbehälters 20 unterschiedlich gewählt sein. Insbesondere kann das innere Kühlmittel 11 flüssiger Wasserstoff sein und das äußere Kühlmittel 21 kann flüssiger Sauerstoff sein. Oder allgemeiner ausgedrückt kann das innere Kühlmittel eine erste Stoffkomponente des Betriebsmediums sein und das äußere Kühlmittel kann eine zweite Stoffkompo nente des Betriebsmediums des Verbrauchers 6 sein. Dement sprechend werden beim Beispiel der Figur 4 diese beiden Kühl mittel nach ihrer Verdampfung durch jeweils zugeordnete Gasaustrittleitungen 13 und 23 parallel dem Verbraucher 6 zu geführt. So kann insbesondere auf besonders einfache und platzsparende Weise die Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff realisiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Wasserfahrzeug

2 Elektromotor

3 Antriebsschraube

4 Statorwicklung

5 Magnetspule

6 Verbraucher

7 Rotorwicklung

10 erster Kryostatbehälter

11 flüssiges Kühlmittel

12 gasförmiges Kühlmittel

13 Gasaustrittsleitung

13a Teilbereich

15 supraleitende Spule

15a obenliegender Spulenschenkel

15b untenliegender Spulenschenkel

17 Kühlmittelpegel

20 zweiter Kryostatbehälter

21 flüssige zweite Stoffkomponente

22 gasförmige zweite Stoffkomponente

23 zweite Gasaustrittsleitung

A zentrale Achse

V Vakuumraum

W Wasser