Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung des Vakuums im Gehäuse einer Schwungmasse nach den Merkmalen des Oberbegriffes des ersten Patentanspruches.

Die Vorrichtung und deren Anordnung dienen der Herstellung, Verbesserung und

Stabilisierung eines Vakuums im Inneren eines Gehäuses einer Maschine. Sehr schnell drehende Maschinen, wie z.B. Schwungräder, profitieren davon die Luftreibung der

Rotoreinheit durch das Erzeugen von Unterdruck oder eines Vakuums herabzusetzen. Die Erfindung eignet sich für alle Systeme, die eine Komponente aufweisen, bei der es einer starken Kühlung auf eine Temperatur bedarf, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Anteile aus der Umgebungsluft anfangen auszufrieren. Diese Komponenten können zum Beispiel supraleitende Elemente, wie Lager oder Stromzuführung sein. Für diese

Komponenten dienen entweder sogenannte Kryokühler oder Reservoirs mit verflüssigtem Gas als Kältequelle, wobei die Komponenten meist über eine Leitungskühlung, oder sogenannte heat pipes angebunden werden, oder direkt im Flüssiggas eingebracht sein können. In diesen Systemen mit rotierenden Komponenten ist es vorteilhaft die hier vorgeschlagene Erfindung, einer Kältefalle zur Herstellung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums, anzuwenden.

In der Regel wird ein Vakuum durch Verwendung einer Vakuumpumpe gängigen Typs erzeugt. Diese kann entweder für den gesamten Betriebszeitraum angeschlossen bleiben, oder sie wird nach Entstehen des Vakuums und unter dessen Aufrechterhaltung vom System getrennt.

Lässt man eine Vakuumpumpe auch während der Zeit des Betriebes an das System angeschlossen, so führt das zu einer Erhöhung der laufenden, sowie der Investitionskosten. Desweiteren muss Platz für die Pumpe zur Verfügung stehen. Da die Pumpe Schwingungen erzeugt, könnten sich diese auf das System übertragen, was zu Beeinträchtigungen des Betriebs führen kann. Für den Fall, dass die Vakuumpumpe nach Erzeugung des Vakuums vom System getrennt wird, ist das Behältnis der Maschine so auszuführen, dass die Leckrate, die mit der Luft in das Gehäuse kommt, möglichst klein ist. Werden die

Druckbedingungen der Umgebung des Rotors nicht mehr erfüllt, kann auch dies den Betrieb beeinträchtigen. Eine solche Ausführung des Gehäuses kann ebenfalls zu einer Steigerung der Kosten führen. Im Fall der Schwingungen kann man beispielsweise auch auf eine sogenannte Kryopumpe zurück greifen. Hier wird mittels eines Kryokühlers ein Bereich der

BESTÄTIGUNGSKOPIE an das Gehäuse angebracht wurde, auf eine tiefe Temperatur abgekühlt. Dadurch wird die Luft im System in diesen Bereich gesaugt und friert dort an den Wänden fest, wie in

DE19632123A 1 oder DE10331201A 1 beschrieben und gezeigt wird. Dadurch wird ein Vakuum erzeugt. Da sich nur der Motor im Kryokühler bewegt, kann so die Schwingung vermindert werden. Diese Vorrichtungen kann man als Standardprodukte erwerben.

Allerdings handelt es sich auch in diesem Fall um eine aktive eigenständige Komponente des Systems, deren Verwendung die oben beschriebenen Nachteile mit sich bringt.

Es ist erstrebenswert diese Funktion des Aufrechterhaltens des Vakuums möglichst unter Nutzung bestehender Komponenten passiv im System zu integrieren. Hier kann man sich beispielsweise die schnelle Drehung des Systems zu Nutze machen. Nun muss allerdings der Rotor diese Funktion mittragen. Lösungen dieser Problemstellung sind beispielsweise in DE19714549A1 und US005462402A dargestellt. Das ist allerdings mechanisch und damit auch wirtschaftlich sehr aufwendig, sofern das überhaupt in einer Maschine umgesetzt werden kann. Ein weiterer Nachteil dieser mechanischen Lösungen liegt darin, dass im Falle eines Vakuumbruchs der Rotor abgebremst und damit auch die Pumpwirkung verringert wird. Deshalb ist eine Vorrichtung wünschenswert, deren Pumpwirkung nicht von der Drehgeschwindigkeit der Welle abhängt.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zu entwickeln, bei der im Gehäuse einer schnell drehenden Maschine ein Unterdruck oder Vakuum passiv unter Verwendung einer der Maschine eigenen Kältequelle erzeugt, verbessert und stabilisiert wird, ohne dass ein höherer technischer oder wirtschaftlicher Aufwand entsteht und deren eigene Pumpleistung bei einem Störfall nicht von der Drehgeschwindigkeit des Rotors abhängt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des ersten

Patentanspruches gelöst.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Bei der Erfindung handelt es sich um eine Kältefalle, die zur Erzeugung, Verbesserung und Stabilisierung eines Vakuums denselben Effekt nutzt, wie sogenannte Kryopumpen.

Dabei wird eine gekühlte Fläche im Maschinengehäuse angeordnet, die auf Temperaturen abgekühlt wird, unterhalb derer erste Anteile der Luft einen Phasenübergang vollziehen. Dadurch frieren Teile wie Gaspartikel des Restgases im Behälter auf dieser Oberfläche fest. Dieser Effekt unterstützt die Druckabnahme des Restgases, die bereits durch das alleinige Abkühlen des Gases entsteht. Durch die darüber hinaus gehende Immobilisierung dieser Gasanteile sinkt der Druck im Gesamtsystem weiter. Mit Immobilisierung oder Anfrieren ist hier das Ablagern von Gaseinteilen an der kalten Oberfläche entweder als Feststoff oder auch als Flüssigkeitstropfen gemeint.

Die Kaltfläche kann grundsätzlich an jeder dafür sinnvollen Stelle im Vakuum angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann eine Anordnung der Kaltfläche über einen Teil oder über den gesamten Umfang der Schwungmasse erfolgen.

Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Kaltfläche zumindest über die Breite der gesamten

Schwungmasse erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Breite der Kaltfläche die doppelte Breite der Schwungmasse beträgt.

Eine weitere andere vorteilhafte Anordnung der Kaltfläche sieht vor, diese nahe der HTS- Lagerelemente anzuordnen. So kann beispielsweise die Kaltfläche direkt an der

Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, mehrere Kaltflächen an der Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente anzuordnen. Diese Anordnung kann um das HTS-Lagerelement im Bereich der Magnetlager/Rotoreinheit beidseitig der Schwungmasse und an beiden Enden der Welle der Schwungmasse erfolgen.

Ebenso vorteilhaft ist ein Anordnen der Kaltfläche in einem Generator mit supraleitender Stromzuführung, wobei die Kaltfläche dann vorteilhafterweise an der Kühleinbindung des supraleitenden Elementes an der Kältequelle erfolgt, was im Bereich der supraleitenden Stromzuführung und des Kryokühlers sein kann.

Weiterhin ist es von Vorteil, die Kaltfläche auf ihrer Rückseite mit einer Isolierung zu versehen. Dafür können geeignete Materialien gewählt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kaltfläche an einer Kammer für flüssigen Stickstoff anzuordnen, mit der das HTS- Lagerelement gekühlt wird.

Für den Fall, dass die Kaltfläche ganz oder teilweise gegenüber der Umfangfläche der Schwungmasse angeordnet ist, ist es vorteilhaft, die Länge der Kaltfläche so zu wählen, dass einfallende und ausfallende Gaspartikel, die durch die Schwungmasse beschleunigt werden, zur Kaltfläche gelangen. Dabei ist davon auszugehen, dass die Gaspartikel vorteilhafterweise innerhalb eines Winkelbereiches zwischen 120 und 150 Grad von der Oberfläche der Schwungmasse in Richtung auf die Oberfläche der Schwungmasse verlassen.

Der in geringen Mengen in der Luft enthaltene Wasserdampf friert bereits effektiv bei wenigen Grad unter Null aus. Besser ist es allerdings Gase, die große Anteile der Luft bilden festzufrieren, wie zum Beispiel Stickstoff. Hierfür werden Temperaturen unterhalb von 77 Kelvin benötigt. In einem System, das supraleitende Elemente (z.B. HTS - Lager)

verwendet, liegt die Temperatur der Kaltfläche in einem Intervall von etwa 100 Kelvin um die Betriebstemperatur des supraleitenden Elementes. Typischerweise liegt der Bereich in dem Supraleitung nachgewiesen wird unterhalb von ca. 120 Kelvin (150 Grad minus). In technischen Anwendungen beträgt die Temperatur, bei der Supraleiter betrieben werden, meist höchstens 80 Kelvin (200 Grad Minus). Damit kann in der Regel durch die zur

Verfügung zu stellende Kühlleistung auch die Kaltfläche auf eine Temperatur gebracht werden, bei der man ein Absinken des Druckes beobachten kann.

Durch die Größe der Fläche, sowie deren Temperatur kann die Stärke dieses Effektes eingestellt werden. Somit kann bestimmt werden, ob die Vorrichtung selbst alleinig einen Unterdruck oder ein Vakuum erzeugt, oder ob die Vorrichtung einen bestehenden

Unterdruck oder ein Vakuum verbessern soll, oder ob die Vorrichtung dazu dienen soll einen Unterdruck oder Vakuum zu stabilisieren, in dem durch ein Leck eindringende Atmosphäre an der gekühlten Oberfläche aufgenommen wird. Die Größe wird letztlich durch die zur Verfügung stehende Temperatur und die zu erzeugende Pumpleistung festgelegt.

Dabei kann eine Kühlung durch eine eigene Kältequelle wie der Anschluss zum Kryokühler oder einer Kammer für flüssigen Stickstoff erfolgen. Vorteilhaft ist es die Vorrichtung thermisch entweder an ein bereits gekühltes Bauteil, wie ein HTS - Lager, oder direkt an dessen Kältequelle anzubinden. Die Anbindung der Kaltfläche an eine Kältequelle kann dabei über ein Mittel erfolgen, das entweder auf einen konduktiven Wärmetransport zurückgreift, wie z.B. einem Kupferband, oder auf einen konvektiven Wärmetransport, wie er beispielsweise sog. Heat Pipes zu Grunde liegt. Auch die Nutzung des thermoakustischen Effektes ist möglich.

Die der Außenseite des Systems zugewandte Seite der Kaltfläche wirkt durch den

Temperaturunterschied zwischen Außenwand, die in der Regel Raumtemperatur besitzt, und Kaltfläche wie eine Antenne für Wärmestrahlung. Dieser Effekt würde einen erheblichen zusätzlichen Eintrag von Wärme auf die Kaltfläche bedeuten, der die Effektivität der

Vorrichtung mindert und letztlich auch die Kältequelle zusätzlich belastet. Folglich ist es nützlich die der Außenwand des Behälters zugewandte Seite der Kaltfläche gegen diese

Wärmestrahlung zu schirmen. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz reflektierender oder isolierender Mittel geschehen. Ein weiterer Aspekt gilt hier auch einer möglichst vorteilhaften Positionierung der Kaltfläche, um deren Größe, und somit auch den Wärmeeintrag durch Strahlung möglichst gering zu halten. Hierzu ist eine besondere Positionierung im System, bei der die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass ein Restgasteilchen auf die Fläche trifft, von großem Vorteil. Im Falle einer Schwungmasse mit einem radialen Konturmaximum, wie es zum Beispiel die Schwungmasse eines Schwungradspeichers sein kann, ist eine solche vorteilhafte Position, wie folgt zu finden. Bei ausreichend hohen Drehgeschwindigkeiten hat der Impuls eines Gasteilchens oder -partikels nach einem Stoßprozess mit der äußeren Wand der Schwungmasse, die die höchste Geschwindigkeit aufweist, eine Vorzugsrichtung tangential zur Drehbewegung der Schwungmasse. Somit ist die vorteilhafte Position der gekühlten Oberfläche in der Ebene der Schwungmasse. Dabei ist die Fläche etwas höher als die Höhe der Schwungmasse auszulegen, um der Streuung der Gasteilchen oder -partikel parallel zur Drehachse Rechnung zu tragen. Die Höhe ist dabei vom Abstand der Kaltfläche zur äußeren Wand der Schwungmasse bestimmt. Generell sollte die Höhe der Kaltfläche etwa das 1 ,25-fache bis 3-fache der Höhe der Schwungmasse betragen. Diese Fläche muss nicht als Ring ausgebildet sein, sondern kann auch unterbrochen, ein Ringsegment und nur an einigen wenigen Stellen in dieser Ebene angeordnet sein.

Als weitere Ausführung kann die Fläche auch C-förmig geformt sein, wobei die Öffnung zur Schwungmasse zeigt. Weitere Ausführungen beinhalten die künstliche Vergrößerung der gekühlten Oberfläche durch Aufrauhen selbiger, das Einarbeiten von Riefen, oder anderen Mustern. Eine weitere Ausführungsvariante wäre das Einbringen senkrechter oder waagrechter Zylinder, ebenfalls zur Vergrößerung der Oberfläche.

Weiter ist es vorteilhaft diese Flächen mit der Möglichkeit auszustatten selbige zu erwärmen, um so die Gasteilchen schneller zu lösen und das Vakuum so schneller aufzuheben. Das kann durch eine Heizung in oder auf der gekühlten Oberfläche durchgeführt werden, was zum Beispiel durch einen beheizbaren Draht hergestellt werden kann, oder einen anderen elektrischen Widerstand der sich bei Bestromung erwärmt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass es sich um ein passives System handelt, das keiner weiteren Regelung von Außen bedarf. Die Vorrichtung kann im System bereits bestehende Ressourcen nutzen und bietet für den Fall eines ungewollten Einbruchs von äußeren Gasen ein gewisses Sicherheitssystem, da es einen plötzlichen Verlust des Vakuums verzögern kann. Somit können Maßnahmen zum Schutze des Systems eingeleitet werden. Im Weiteren bietet es eine kostengünstigere Alternative zu Vorrichtungen, die ständig am System angebracht sein müssen.

Im Folgenden ist die Erfindung an Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figuren zeigen: Figur 1 : Schematische Darstellung eines Schwungrad-Speichers mit supraleitenden

Magnetlagern, an die die Kaltfläche angebunden ist.

Figur 2: Schematische Darstellung eines Generators mit supraleitenden

Stromzuführungen und einer Kaltfläche zur Unterstützung des Vakuums.

Figur 3: Schematische Darstellung des Schwungradspeichers mit Kaltfläche, wobei die

HTS-Lager mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden und die Kaltfläche und die

Kammern mit flüssigem Stickstoff angeschlossen sind.

Figur 4: Schwungradspeicher in schematischer Darstellung, wobei die Kaltfläche um die Schwungmasse angeordnet ist.

Figur 5: Ausschnitt A-A aus Fig. 4 in vergrößerter Darstellung.

Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Schwungmasse 7 eines

Schwungradspeichers im Vakuumbehälter 1 , welcher das Vakuum 4 enthält, wobei die Schwungmasse 7 sich um die Welle 6 dreht, die beidseitig in einem HTS-Lager ruht, welches aus HTS-Lagerelementen 5 besteht, die eine Kühleinfassung 12 aufweisen, wobei das HTS- Lager im Vakuumbehälter 1 mittels HTS-Aufhängung 13 aufgehängt ist und die Welle 6 an beiden Enden ein Magnetlager Rotoreinheit 21 aufweist. Die Kühleinfassung 12 ist über eine Kühlanbindung 2 mit dem Kühler 3 verbunden, in dem die Kälte für die Kühleinfassung 12 erzeugt wird. An der Kühleinfassung 12 ist die Kaltfläche 9 angeordnet. Diese Anordnung der Kaltfläche befindet sich versetzt entlang der Welle 6 zur Schwungmasse 7. Die Kaltfläche 9 weist auf ihrer zur Schwungmasse 7 abgewandten Seite die Isolation 8 der Kaltfläche 9 auf. Vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass die Kaltfläche 9 in unmittelbaren Nähe der Kühlung angeordnet ist, so dass Energieverluste gering sind.

Weiterhin zeigt die Figur den Motor/Generator 10, der zur Welle 6 hin die Motor/Generator Statoreinheit 17 aufweist, der gegenüber an der Welle 6 die Motor/Generator Rotoreinheit angeordnet ist.

Die Temperatur der Kaltfläche 9 wird durch die Anbindung der Kaltfläche 9 an die

Kühleinfassung 12 des HTS-Lagerelementes 5 erzeugt. Sie liegt im vorliegenden Fall zwischen höchstens 80 und 100 Grad Kelvin unter Null, wobei die Kälteenergie durch den Kryokühler 3 erzeugt und die Kühlanbindung 2 auf das HTS-Lagerelement 5 übertragen wird. Durch die in vorteilhafter Position zur Schwungmasse 7 angeordnete Kaltfläche 9 frieren ausfallende Gaspartikel in der Kaltfläche als Feststoff oder als Flüssigkeitstropfen an, was zur Folge hat, dass eine Druckabnahme im Vakuumbehälter 1 entsteht und somit der Unterdruck oder das Vakuum im Vakuumbehälter 1 verbessert wird.

Die Figur 2 zeigt die schematische Darstellung eines Generators auf den die Erfindung in analoger Weise wie für einen Schwungrad-Speicher anwendbar ist. Der Generator ist mit einer supraleitenden Stromzuführung 16 und einer Kaltfläche 9 mit einer Isolation 8 ausgestattet, wobei die Kaltfläche 9 eine Kühlanbindung 15 an die Kältequelle oder die Kühlanbindung des supraleitenden Elementes 2.

Die Kältequelle, von der die Kühlanbindung 2 mit Kälte versorgt wird, stellt der Kryokühler 3 dar. Die Kühlanbindung 2 kühlt die supraleitende Stromzuführung 16 zum Motor/Generator

10 an der Motor/Generator Statoreinheit 17, die beidseitig der Motor/Generator Rotoreinheit

1 1 auf der Welle 6 im Vakuum angeordnet ist.

Auch im vorliegenden Fall ist die Kaltfläche 9 mit ihrer Isolation 8 auf ihrer Rückseite achsverschoben zur Schwungmasse 7 angeordnet.

Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Schwungradspeicher mit einer

Schwungmasse 7, wobei das HTS-Lager mit flüssigem Stickstoff 19 gekühlt wird und die Kaltfläche 9 an die Kammer 18 mit flüssigem Stickstoff 19 angeschlossen ist. Der Aufbau dieses Schwungradspeichers im Vakuumbehälter 1 , in dem sich das Vakuum 4 befindet, ist ähnlich wie der Aufbau, der in Figur 1 gezeigt ist. Allerdings ist statt des Kryokühlers 3 zur Kühlung des HTS-Lagerelementes 5 eine Kammer 18 für flüssigen Stickstoff 19 angeordnet, die eine Isolation 20 zur Aufhängung 13 des HTS-Lagers aufweist, wobei die Kaltfläche 9 beidseitig der Kammer 18 für den Stickstoff 19 angeordnet ist und von dieser gekühlt wird. An der der Schwungmasse 7 abgewandten Seite der Kaltfläche 9 ist ihre Isolation 8 angeordnet. Damit wird eine Wärmeeinstrahlung der Kaltfläche 9 vermieden, so dass diese effektiver arbeiten kann. Die Kaltflächen 9 sind in Längsrichtung zur Achse beidseitig zur Schwungmasse 7 angeordnet, was zur Folge hat, dass ein höheres Vakuum entstehen kann oder das Vakuum mit höherer Intensität stabilisierbar ist.

Die Figur 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wobei die Figur in schematischer Darstellung einen Schwungradspeicher zeigt, bestehend aus der

Schwungmasse 7 auf der Welle 6, wobei Kaltflächen 9 mit einer Isolation 8 über dem Umfang der Schwungmasse 7 angeordnet sind, und die Kühlanbindung 15 der Kaltfläche 9 an die Kältequelle oder das supraleitende Element, das HTS-Lagerelement 5 oder dessen Kühleinfassung 12 erfolgt. Der Schwungradspeicher ist grundsätzlich so ausgebaut, wie das bereits in den Darstellungen 1 und 3 beschrieben wurde. Die Länge der Kaltfläche 9 beträgt in etwa das Doppelte wie die Länge oder die Breite der Schwungmasse 7, so dass ausfallende und einfallende Gaspartikel 22, 23 mit hoher Wahrscheinlichkeit von der Schwungmasse 7 auf die Kaltfläche 9 treffen und an dieser anfrieren, was das Vakuum 4 im Vakuumbehälter 1 verbessert oder stabilisiert. In Figur 5 ist der Ausschnitt A-A von Figur 4 gezeigt, in dem deutlich wird, wie einfallende und ausfallende Gaspartikel 22, 23 von der Schwungmasse 7 auf die Kaltfläche 9 reflektiert werden, wobei die Reflektion in einem Winkelbereich α 24 in einem Bereich zwischen 1 10 und 160 Grad stattfindet.

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Bezugszeichenliste:

I Vakuumbehälter

2 Kühlanbindung des supraleitenden Elementes an die Kältequelle

3 Kryokühler

4 Vakuum

5 HTS-Lagerelemente

6 Welle

7 Schwungmasse

8 Isolation Kaltfläche

9 Kaltfläche

10 Motor/Generator

I I Motor/Generator Rotoreinheit

12 Kühleinfassung der HTS-Lagerelemente

13 HTS-Lager Aufhängung

14 Aufhängung Motor/Gehäuse

15 Kühlanbindung Kaltfläche an Kältequelle oder supraleitendes Element

16 Supraleitende Stromzuführung

17 Motor/Generator Statoreinheit

18 Kammer für flüssigen Stickstoff

19 Flüssiger Stickstoff

20 Isolation der Kammer mit flüssigem Stickstoff zur Aufhängung

21 Magnetlager Rotoreinheit

22 Einfallendes Gaspartikel

23 Ausfallendes Gaspartikel nach Impulsübertrag an der Schwungmasse

24 Winkel Alpha als Kennzeichnung des Reflexionsbereiches