Instalación de refrigeración para refrigerar un superconductor, en especial en una instalación de resonancia magnética o en un rotor.

Procedimiento para refrigerar un superconductor, en donde el superconductor y/o una pieza constructiva que soporta el superconductor se lleva a hacer contacto con un medio refrigerante líquido (10,

27), caracterizado porque el medio refrigerante (10, 27) se transporta con una bomba de soplado (20, 36) dispuesta en un conducto de transporte (18, 38) hasta el superconductor y/o el medio refrigerante (10, 27) se hace circular en un baño para el superconductor con la bomba de soplado (20, 36) dispuesta en el conducto de transporte (18, 28), en donde en ambos casos con una calefacción (22, 33) acoplada al conducto de transporte (18, 38) se crean unas burbujas (21, 31) definidas de medio refrigerante gaseoso (11, 32) en el conducto de transporte (18, 38), que transportan el medio refrigerante licuado en el conducto de transporte en contra de la fuerza de la gravedad.

Instalación de refrigeración para refrigerar un superconductor, en especial en una instalación de resonancia magnética o en un rotor.

La invención se refiere a un procedimiento para refrigerar un superconductor, en especial en una instalación de resonancia magnética y/o en un rotor de una máquina superconductora, en donde el superconductor y/o una pieza constructiva que soporta el superconductor pueden llevarse a hacer contacto con un medio refrigerante líquido, así como a una instalación de resonancia magnética y a una máquina superconductora con una instalación de refrigeración de este tipo.

Los superconductores, en especial los llamados superconductores de alta temperatura, cuya temperatura intermitente es superior a 77 K, se usan cada vez con más frecuencia en las aplicaciones más variadas. Por ejemplo es conocido usar devanados superconductores, en su mayoría con base en superconductores de baja temperatura, en imanes de resonancia magnética y, en especial, superconductores de alta temperatura en máquinas, es decir generadores y/o motores. Con ello es necesario mantener estrictamente la temperatura de funcionamiento máxima admisible, en el caso respectivo, del superconductor. Para esto se conocen diferentes instalaciones de refrigeración, que como medio refrigerante usan líquidos criogénicos, por ejemplo helio, hidrógeno, neón o nitrógeno, que al vaporizarse proporcionan la potencia frigorífica necesaria. La realimentación del medio refrigerante vaporizado se realiza ya sea periódicamente mediante rellenado o mediante condensación en una cámara de condensación, sobre una o varias cabezas frías, en un circuito de medio refrigerante en especial cerrado.

Con ello puede producirse el problema de que una alimentación del medio refrigerante hasta el superconductor no pueda materializarse directamente en paite por el camino corto. De este modo se conocen por ejemplo instalaciones de resonancia magnética, en las que el devanado de resonancia magnética superconductor se mantiene en un baño de medio refrigerante líquido, en especial helio líquido (la llamada refrigeración por baño del superconductor). Con ello el nivel del medio refrigerante líquido desciende considerablemente en el curso del tiempo a causa de la vaporización, de tal manera que antes del rellenado queda al descubierto la parte superior del devanado superconductor, lo que significa que sólo está rodeada de gas. Esta parte al descubierto del devanado superconductor se refrigera después sólo mediante conducción térmica desde la parte del devanado refrigerada, situada en el medio refrigerante líquido, y en consecuencia puede presentar una temperatura superior que limite el aprovechamiento efectivo del superconductor, por ejemplo en cuanto a la corriente de funcionamiento permitida.

Para refrigerar máquinas superconductoras, en las que por ejemplo un devanado de rotor superconductor puede estar fijado a un soporte de devanado dentro del rotor, se utilizan casi siempre circuitos de refrigeración cerrados, en los que en un sistema cerrado se licúa por ejemplo gas neón o nitrógeno como medio refrigerante sobre una cabeza fría con condensador. Desde allí el medio refrigerante fluye hasta una cámara interior del rotor, en donde hace contacto con el soporte de devanado térmicamente conductor para conseguir su acción refrigerante. Esto significa que la cámara interior del rotor actúa como un vaporizador. El medio refrigerante vaporizado regresa al condensador y allí se licúa de nuevo. Aquí se aprovecha el llamado efecto termosifón. El medio refrigerante líquido se vaporiza sobre el soporte de devanado y fluye de forma gaseosa a causa de la diferencia de presión, que se produce a causa de la vaporización en el vaporizador y la condensación en la cámara de condensación del condensador, de vuelta al condensador. Estos flujos de medio refrigerante reciben también con frecuencia el nombre de heat pipe.

El transporte del medio refrigerante líquido hasta el superconductor se materializa en las Instalaciones de refrigeración conocidas mediante la fuerza de la gravedad, lo que significa que el condensador está dispuesto geodésicamente más alto que el vaporizador. Este modo de proceder ha demostrado ser siempre difícil si puede producirse una posición oblicua de la instalación de refrigeración o de la máquina sincrónica superconductora, como es posible por ejemplo en máquinas sincrónicas superconductoras para aplicaciones navales, es decir por ejemplo motores HTS o generadores HTS. En los vehículos marítimos como los barcos puede producirse fácilmente una posición oblicua o una inclinación del barco. Aparte de las posiciones ladeadas estáticas, que reciben el nombre de Trim, también son posibles posiciones ladeadas dinámicas. El medio refrigerante líquido no puede entonces llegar al vaporizador, dado el caso, y desarrollar su acción refrigerante.

Por medio de esto se producen principalmente limitaciones de diseño, en especial en campos aplicativos en los que existe una escasez de espacio, que no permite prever un condensador situado geodésicamente más alto con una cabeza fría, que habitualmente está unida a un compresor. Esto es aplicable, aparte de a vehículos marítimos o plataformas marítimas, también a otros dispositivos que están sometidos a una limitación en altura, por ejemplo un automotor de un ferrocarril, etc.

Básicamente es concebible utilizar bombas de circulación o bombas de transporte criogénicas. Las bombas de este tipo presentan sin embargo un gran número de inconvenientes. Tienen una vida útil menor y son muy propensas a las averías, y además de esto el mantenimiento/la reparación sin Interrumpir el funcionamiento es extremadamente difícil. Aparte de esto es extremadamente complicado materializar de forma fiable piezas constructivas complejas movidas a temperaturas criogénicas. Una bomba de este tipo exige asimismo una aplicación de calor y reduce el

grado de eficacia de una máquina superconductora, de tal modo que en la práctica debe evitarse una solución de este tipo.

Se conocen procedimientos para refrigerar un superconductor, en los que el superconductor se lleva a hacer contacto con un medio refrigerante líquido, por ejemplo del documento GB-A-2 467 596 y el artículo 38 kW synchronous machine wlth HTS rotor wlndings - development at Siemens and first test results, Nick W. et al, Physica C, 372-376 (22) 156-1512, en donde en el artículo se describe la refrigeración de devanados de rotor con gas helio y en la solicitud de patente la refrigeración de un superconductor para un sistema MRT.

La invención se ha impuesto por ello la tarea de indicar una instalación de refrigeración, que sin los inconvenientes de una bomba de funcionamiento eléctrico haga posible un transporte y/o una circulación en contra de la fuerza de la gravedad. Para solucionar esta tarea está previsto, en el caso del procedimiento conforme a la invención conforme a la invención 1, que para transportar el medio refrigerante hasta el superconductor y/o para hacer circular el medio refrigerante en un baño, para el superconductor se utilice una bomba de soplado dispuesta en un conducto de transporte. De la reivindicación 1 se deduce detalles del procedimiento. En las reivindicaciones 2-7 se definen unas formas de ejecución ventajosas. Las reivindicaciones 8 y 9 especifican una instalación de resonancia magnética, respectivamente una máquina superconductora, que comprende un rotor y que en cada caso comprende una instalación de refrigeración configurada para llevar a cabo el procedimiento conforme a la invención.

Conforme a la invención se propone por lo tanto usar una bomba de soplado, cuyo principio de funcionamiento es conocido por ejemplo por las máquinas de café, de forma especialmente ventajosa en un entorno criogénico, para permitir un medio refrigerante líquido mediante una vaporización específica de una pequeña parte del medio refrigerante que, al ascender, transporte medio refrigerante líquido periódicamente o casi continuamente hacia arriba. Por lo tanto se pretende aplicar el principio de una bomba de soplado en aplicaciones superconductoras a temperaturas de trabajo criogénicas. De esta manera ya no se necesita ninguna bomba de circulación o de transporte de alta complejidad, después de lo cual puede materializarse una bomba de soplado con una complejidad muy reducida, en especial con una necesidad de potencia muy reducida. De un modo y una manera muy elegantes el medio refrigerante líquido puede transportarse en contra de la fuerza de la gravedad, de tal manera que también puede hacerse posible en especial disponer un condensador, respectivamente la cámara de condensación del condensador, geodésicamente más bajo que el superconductor a refrigerar,... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para refrigerar un superconductor, en donde el superconductor y/o una pieza constructiva que soporta el superconductor se lleva a hacer contacto con un medio refrigerante líquido (1, 27), caracterizado porque el medio refrigerante (1, 27) se transporta con una bomba de soplado (2, 36) dispuesta en un conducto de transporte (18, 38) hasta el superconductor y/o el medio refrigerante (1, 27) se hace circular en un baño para el superconductor con la bomba de soplado (2, 36) dispuesta en el conducto de transporte (18, 28), en donde en ambos casos con una calefacción (22, 33) acoplada al conducto de transporte (18, 38) se crean unas burbujas (21, 31) definidas de medio refrigerante gaseoso (11, 32) en el conducto de transporte (18, 38), que transportan el medio refrigerante licuado en el conducto de transporte en contra de la fuerza de la gravedad.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto de transporte (18, 38) discurre verticalmente, al menos en la región del transporte mediante la bomba de soplado

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a la bomba de soplado (2, 36) está preconectada en la dirección de transporte una válvula de retención (23, 35).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el superconductor a refrigerar es un superconductor de un devanado de resonancia magnética (24) superconductor, porque la bomba de soplado (36) transporta un medio refrigerante líquido (27), que no aloja todo el devanado (24) en una cámara de vaporización (26), hasta la parte al descubierto del devanado (24), en especial sobre una superficie superior (3) del devanado (24).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el superconductor a refrigerar es un superconductor de un devanado de rotor (7) superconductor dispuesto en un rotor (2) de una máquina superconductora (1), en donde el medio refrigerante (1) es transportado desde una cámara de condensación (15) situada en especial geodésicamente más baja, a través del conducto de transporte (18), hasta una cámara interior (9) del rotor (2) que actúa como cámara de vaporización.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque el medio refrigerante (1) es guiado en un circuito de refrigeración cerrado, en donde el medio refrigerante (1) se licúa en una cámara de condensación (15) acoplada a una cabeza fría (16), después es transportado hasta el superconductor a refrigerar en la cámara interior (9) del rotor (2) y a continuación es guiado de vuelta, en forma gaseosa, hasta la cámara de condensación (15).

7. Procedimiento según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el conducto de transporte (18) desemboca en un segmento de conducto (12) que presente una sección transversal mayor, que desemboca mediante un distribuidor giratorio (19) en la cámara interior (9) del rotor (2) y en el que afluye medio refrigerante licuado (1) a la cámara interior (9) del rotor (2), en donde en paralelo fluye medio refrigerante gaseoso (11) hacia fuera de la cámara interior (9) del rotor (2) a través de otro segmento de conducto.

8. Instalación de resonancia magnética, que comprende un devanado de resonancia magnética (24) superconductor así como una instalación de refrigeración (25), que comprende la bomba de soplado (2, 36) definida en la reivindicación 1, el conducto de transporte (18, 38) y la calefacción (22, 33), y que están dispuestos de tal modo unos con respecto a otros que la instalación de refrigeración (25) está configurada para refrigerar un superconductor del devanado de resonancia magnética (24) con un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 3 a la bomba de soplado se ha preconectado una válvula de retención (23, 35).

9. Máquina superconductora (1), que comprende un devanado de rotor (7) superconductor dispuesto en un rotor (2) sobre un soporte de devanado (6) así como una instalación de refrigeración (8), que comprende la bomba de soplado (2, 36) definida en la reivindicación 1, el conducto de transporte (18, 38) y la calefacción (22, 33), y que están dispuestos de tal modo unos con respecto a otros que la instalación de refrigeración (25) está configurada para refrigerar el devanado de rotor (7) superconductor con un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3 ó 5 a 7, en donde para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 3 a la bomba de soplado (2, 36) se ha preconectado una válvula de retención (23, 35), y para llevar a cabo el procedimiento de las reivindicaciones 6 ó 7 la instalación de refrigeración dispone de los componentes adicionales definidos en estas reivindicaciones, precisamente la cabeza fría (16), la cámara de condensación (15), respectivamente en el caso del procedimiento de la reivindicación 7 el distribuidor giratorio (19) y los segmentos de conducto (12, 19), que están dispuestos de tal modo unos con respecto a otros que la instalación de refrigeración está configurada para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 6 ó 7.