VORRICHTUNG DER SUPRALEITUNGSTECHNIK MIT SPULENEINRICHTUNGEN UND KÜHLVORRICHTUNG SOWIE DAMIT AUSGESTATTETES FAHRZEUG

Beschreibung

Vorrichtung der Supraleitungstechnik mit Spuleneinrichtungen und Kühlvorrichtung sowie damit ausgestattetes Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der Supraleitungs ^¬ technik mit wenigstens zwei elektrischen Spuleneinrichtungen, von denen wenigstens eine als supraleitende Spuleneinrichtung ausgestaltet ist, und mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spuleneinrichtungen mit Hilfe eines Kühlmittels. Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung .

Bekannte Vorrichtungen der Supraleitungstechnik können eine oder mehrere supraleitende Spuleneinrichtungen umfassen. Eine solche supraleitende Spuleneinrichtung weist wenigstens eine Spulenwicklung mit einem supraleitenden Leitermaterial auf. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Spulenwicklung eines Transformators handeln oder um eine Spulenwicklung ei- ner supraleitenden Maschine, insbesondere um eine supralei ^¬ tende Rotorwicklung oder eine supraleitende Statorwicklung oder auch um supraleitende Rotor- und Statorwicklungen, die zusammen in einer Maschine vorliegen. Bei den hier beschriebenen Vorrichtungen der Supraleitungstechnik handelt es sich um Vorrichtungen mit wenigstens zwei elektrischen Spuleneinrichtungen, von denen entweder nur eine oder auch beide als supraleitende Spuleneinrichtungen ausge ^¬ staltet sind. Bei diesen zwei elektrischen Spuleneinrichtun- gen kann es sich insbesondere um Spulen eines Transformators einerseits und einer elektrischen Maschine andererseits han ^¬ deln, wobei die Maschine allgemein entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein kann. Bei einer solchen Vorrichtung kann beispielsweise entweder nur der Transformator eine supraleitende Spuleneinrichtung aufweisen oder nur die

Maschine oder es können sowohl der Transformator als auch die Maschine jeweils mindestens eine supraleitende Spuleneinrich ^¬ tung aufweisen. Eine solche Kombination eines Transformators und eines Motors in einer übergeordneten Vorrichtung kann beispielsweise in Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommen. Die Spuleneinrichtungen einer solchen Vorrichtung - sowohl die supraleitenden wie auch die normalleitenden - können dann durch eine gemeinsame Kühlvorrichtung mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt werden. Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102014208437.7 beschriebt beispielsweise eine Kühleinrichtung für wenigstens zwei zu kühlende Komponenten, von denen wenigstens eine einen Supraleiter umfasst, wobei alle Komponenten durch dasselbe in einem geschlossenen Kühlkreislauf geführte Kühlmedium gekühlt werden.

Nachteilig an den bisher bekannten Vorrichtungen der Supraleitungstechnik mit mehreren Spuleneinrichtungen ist, dass bisher jede dieser Spuleneinrichtungen mit eigenen Stromzuführungen zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis ausgestattet ist, die für jede dieser Spuleneinrichtungen auch gleichzeitig eine Wärmebrücke zwischen der Spule und der äußeren Umgebung darstellt. Insbesondere bei den supraleitenden Spuleneinrichtungen, deren Leitermaterialien auf kryogene Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden müssen, sind solche Wärmebrücken besonders nachteilig. Weitere Nachteile der bekannten Vorrichtungen sind durch die relativ hohen Widerstände der typischerweise normalleitenden Stromzuführungen und durch den Platzbedarf für diese Stromzuführungen bedingt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der Sup- raleitungstechnik der eingangs genannten Art anzugeben, die die angeführten Nachteile überwindet. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung mit einer verbesserten thermischen Isolation wenigstens einer der Spuleneinrichtungen gegen die warme äußere Umgebung anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der Supraleitungstechnik mit verbesserten elektrischen Stromzuführungen für die Spuleneinrichtungen anzugeben, insbesondere mit niederohmigeren Stromzuführungen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fahrzeugs mit einer derartigen Vorrichtung der Supraleitungstechnik.

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung sowie das in Anspruch 15 beschriebene Fahrzeug gelöst .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Supraleitungstechnik weist zwei elektrische Spuleneinrichtungen auf, von denen we- nigstens eine als supraleitende Spuleneinrichtung ausgestal ^¬ tet ist. Sie umfasst weiterhin eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Spuleneinrichtung mit Hilfe eines Kühlmittels. Die Vorrichtung weist wenigstens eine erste Verbindungsleitung zwischen den beiden elektrischen Spuleneinrichtungen auf, welche sowohl einen ersten elektrischen Leiter zur elektrischen Verbindung der beiden Spuleneinrichtungen als auch ein erstes Kühlmittelrohr zum Transport von Kühlmittel zwischen den beiden Spuleneinrichtungen umfasst. Mit anderen Worten sind die beiden elektrischen Spuleneinrichtungen so miteinander über die Verbindungsleitung verbunden, dass über diese kombinierte Leitung sowohl ein elektrischer Kontakt als auch ein Transport von Kühlmittel zwischen den beiden Spuleneinrichtungen ermöglicht wird. Innerhalb dieser Verbindungsleitung werden also wenigstens eine Stromzuführung für eine der beiden Spuleneinrichtungen und wenigstens ein Kühlmittelrohr zusammen geführt. Unter der gemeinsamen Führung von Stromzuführung und Kühlmittelrohr innerhalb einer Verbindungsleitung soll in diesem Zusammenhang verstan- den werden, dass Stromzuführung und Kühlmittelrohr innerhalb eines gemeinsamen äußeren Kanals, beispielsweise zusammen im Inneren einer gemeinsamen Ummantelung oder innerhalb eines gemeinsamen Rohrs und/oder einer gemeinsamen Aussparung geleitet werden. Insbesondere können Stromzuführung und Kühl- mittelrohr dabei parallel zueinander verlaufen. Sie können prinzipiell sowohl zueinander benachbart als auch ineinander liegend angeordnet sein. Hierbei sind zahlreiche Ausgestal- tungen möglich, von denen einige weiter unten näher beschrieben werden.

Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung kom- men besonders zum Tragen, wenn beide elektrische Spuleneinrichtungen Komponenten aufweisen, die stark gekühlt werden müssen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn beide Spulenein ^¬ richtungen supraleitende Spulenwicklungen aufweisen. Aber auch wenn nur eine der Spuleneinrichtungen eine supraleitende Spulenwicklung aufweist und die zweite Spuleneinrichtungen auf normalleitendem Leitermaterial basiert, kann eine ausge ^¬ prägte Kühlung dieser zweiten Spuleneinrichtung vorteilhaft sein, beispielsweise um den Leitungswiderstand zu reduzieren und/oder Verlustwärme abzuführen. Unabhängig von der konkre- ten Ausgestaltung der Spulenwicklungen ist es bei der Verwendung gekühlter Spulenwicklungen vorteilhaft, wenn die Stromzuführung für zumindest eine der Spuleneinrichtungen zusammen mit dem Kühlmittel zwischen den beiden Spuleneinrichtungen geführt wird. Innerhalb der Verbindungsleitung kann dann die Stromzuführung für die eine Spuleneinrichtung thermisch gut an das im Kühlmittelrohr transportierte Kühlmittel angekop ^¬ pelt sein, und der elektrische Leiter der Verbindungsleitung kann durch diesen thermischen Kontakt auf eine niedrige Temperatur, beispielsweise auf eine kryogene Temperatur unter- halb von 100 K gekühlt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der Widerstand dieses elektrischen Leiters durch die Kühlung besonders niedrig sein kann, wodurch die Leitungsverluste und die damit verbundene Wärmeentwicklung ge ^¬ ring gehalten werden können. Zum anderen kann durch die Küh- lung des elektrischen Verbindungsleiters eine zusätzliche

Wärmebrücke im Bereich der Stromzuführung für die eine Spuleneinrichtung beziehungsweise für beide Spuleneinrichtungen vermieden werden. Nur die Stromzuführungen, die die Spuleneinrichtungen mit den warmen Komponenten eines äußeren Strom- kreises verbinden, bewirken durch die typischerweise hohe thermische Leitfähigkeit der verwendeten Leitermaterialien gleichzeitig auch ein thermisches Leck. Bei Vorrichtung ent ^¬ sprechend der vorliegenden Erfindung wird wenigstens eine der Spuleneinrichtungen nicht direkt mit den warmen Komponenten eines äußeren Stromkreises verbunden, sondern sie wird indi ^¬ rekt über die andere Spuleneinrichtung mit diesem Stromkreis in Verbindung gebracht, wobei der elektrische Verbindungslei- ter im Abschnitt zwischen den beiden Spuleneinrichtungen gekühlt ist. Anders ausgedrückt, es entfällt bei einer Ausfüh ^¬ rungsform mit zwei Spuleneinrichtungen für jede der beiden Spuleneinrichtungen jeweils ein kalt-warm-Übergang für jede der zwischen den Spuleneinrichtungen angeordneten Verbin- dungsleitungen . Damit werden bei einer Anordnung mit zwei

Verbindungsleitungen zwischen den Spuleneinrichtungen insgesamt vier kalt-warm-Übergänge für Stromzuführungen einge ^¬ spart . Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet, die insbesondere als Antriebsvor ^¬ richtung ausgestaltet ist. Bei dem Fahrzeug kann es sich ins ^¬ besondere um ein Schienenfahrzeug handeln, dessen Antriebs ^¬ vorrichtung einen Motor und einen Transformator umfasst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Supraleitungstechnik.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen und weiteren beschriebenen Ausführungsformen hervor. Dabei können die Ausgestaltungen der Vorrichtung der Supraleitungstechnik und des Fahrzeugs allgemein vorteilhaft miteinander kombi ^¬ niert werden.

Die Vorrichtung kann nur eine Kühlvorrichtung aufweisen, wobei die Kühlvorrichtung ausgestaltet ist, um Kühlmittel in Form eines geschlossenen Kreislaufs von dem Bereich eines Kaltkopfs zu den wenigstens zwei Spuleneinrichtungen und zu- rück zu zirkulieren. Die wenigstens zwei Spuleneinrichtungen der Vorrichtung werden bei dieser Ausführungsform also über einen gemeinsamen Kühlkreislauf gekühlt. Sie können dabei prinzipiell entweder parallel oder sequentiell vom Kühlmittel durchströmt werden. Besonders vorteilhaft werden sie sequen ^¬ tiell vom Kühlmittel durchströmt, wobei insbesondere die Rei ^¬ henfolge der sequentiellen Durchströmung vorteilhaft so gewählt werden kann, dass die Spuleneinrichtung mit der niedri- geren vorgegebenen Betriebstemperatur vom Bereich des Kaltkopfs aus gesehen zuerst durchströmt wird.

Das Kühlmittel kann insbesondere nach dem Thermosiphon-Prin- zip in dem geschlossenen Kreislauf zirkulieren. Dazu kann es im Bereich eines von dem Kaltkopf gekühlten Kondensors kondensiert werden und in flüssiger Form zur ersten Spuleneinrichtung weitergeleitet werden. Es kann bei einer Ausführungsform durch die Wärmeaufnahme aus dieser ersten Spuleneinrichtung bereits hier verdampfen und dann als gasförmiges Kühlmittel zur zweiten Spuleneinrichtung weitergeleitet werden, wo es weitere Wärme aus dieser zweiten Spuleneinrichtung aufnehmen kann, bevor es zur erneuten Kondensation zum Kondensor zurückgeführt wird und sich der Kreislauf schließt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Kühlmittel aber auch nach Durchströmen der ersten Spuleneinrichtung entweder ganz oder teilweise weiterhin verflüssigt vorliegen und erst bei Durchströmen der zweiten Spulenvorrichtung dort entweder vollständig oder zumindest teilweise verdampfen. Auch hier wird der verdampfte Teil des Kühlmittels zum Kondensor zurückgeführt und dort erneut kondensiert.

Den verschiedenen möglichen Ausführungsformen mit nur einer gemeinsamen Kühlvorrichtung für beide Spuleneinrichtungen sind verschiedene Vorteile gemeinsam. So sind zum einen die Investitionskosten zur Kühlung der wenigstens zwei zu kühlenden Komponenten geringer, da nur eine Kühleinrichtung benötigt wird. Das benötigte Kühlmedium kühlt mehrere Komponen ^¬ ten, beispielsweise eine erste Komponente in flüssiger Form und einen weitere Komponente als kaltes Gas, so dass wesent- lieh weniger Volumen an flüssigem Kühlmedium, beispielsweise teures Neon, benötigt wird, um die Komponenten des Gesamtsys ^¬ tems zu kühlen. Entsprechend sind auch nicht zwei Vorratsbe ^¬ hälter als Puffervolumen für gasförmiges Kühlmedium, bei- spielsweise Neon oder Stickstoff, nötig. Damit wird der

Platzbedarf zur Kühlung der zu kühlenden Komponenten deutlich geringer. Auch durch die Einsparung wenigstens einer weiteren Kühleinrichtung wird zusätzlich Platz und Gewicht gespart. Diese Vorteile sind insbesondere im Rahmen mobiler Anwendun ^¬ gen, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, äußerst wichtig. Das verwendete Kühlmedium wird mithin besonders effizient ge ^¬ nutzt. Ein und dasselbe Kühlmedium kühlt alle Komponenten nacheinander in einem geschlossenen Kühlkreislauf. Dabei können im Übrigen die Betriebsparameter der Kühleinrichtung entsprechend angepasst werden, um den Betrieb der Kühleinrichtung auf die Betriebstemperaturen der zu kühlenden Komponenten abzustimmen. Beispielsweise kann eine Anpassung des Betriebsdrucks (Dampfdruck des gasförmigen Kühlmediums) ent ^¬ sprechend der nötigen Anwendung erfolgen.

Wenigstens eine der wenigstens zwei Spuleneinrichtungen kann vorteilhaft nur über die wenigstens eine Verbindungsleitung mit einem äußeren Stromkreis in Verbindung stehen. Mit anderen Worten ist wenigstens eine der Spuleneinrichtungen nur über die (beziehungsweise eine) jeweils andere Spuleneinrich ^¬ tung und nur über die Stromzuführung in der Verbindungsleitung mit dem äußeren Stromkreis verbunden. Diese Ausgestal ^¬ tung hat den Vorteil, dass zumindest für diese eine Spulen ^¬ einrichtung nur gekühlte Stromzuführungen zum Einsatz kommen können, da die Verbindungsleitung durch den gleichzeitigen Transport von Kühlmittel eine gekühlte Leitung ist. Eine zu ^¬ sätzliche Wärmebrücke durch die Stromzuführung zur äußeren warmen Umgebung wird zumindest für eine der Spuleneinrichtungen bei dieser Anordnung vorteilhaft vermieden. Für die andere Spuleneinrichtung, insbesondere wenn es sich um einen Transformator handelt, wird die Anzahl der Wärmebrücken zur äußeren warmen Umgebung verringert. Die Vorrichtung kann auch mehrere Spuleneinrichtungen umfassen, die jeweils nur über ihre gekühlten Verbindungleitungen indirekt mit dem äußeren Stromkreis verbunden sind und keine separaten Stromzuführungen zur warmen Umgebung aufweisen. Insbesondere kann nur eine einzige von mehreren Spuleneinrichtungen über separate Stromzuführungen mit der warmen Umgebung verbunden sein.

Die Vorrichtung kann zwei Verbindungsleitungen zwischen den beiden elektrischen Spuleneinrichtungen aufweisen, welche jeweils sowohl einen elektrischen Leiter zur elektrischen Verbindung der beiden Spuleneinrichtungen als auch ein Kühlmittelrohr zum Transport von Kühlmittel zwischen den beiden Spuleneinrichtungen umfassen. Insbesondere können die beiden elektrischen Leiter dieser beiden Verbindungsleitungen zur elektrischen Einbindung der einen Spuleneinrichtung in einen geschlossenen äußeren Stromkreis dienen. Hierzu sind zumindest zwei elektrische Zuleitungen nötig. Beispielsweise kön ^¬ nen die beiden Verbindungsleitungen parallel geführt sein. Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit zwei Verbindungsleitern können die beiden benötigten elektrischen Zuleitungen aber auch prinzipiell in einer gemeinsamen Verbindungsleitung geführt werden, wobei die Zuleitungen dann beide durch das ebenfalls darin geführte Kühlmittelrohr gekühlt werden können.

Wenigstens eine der Spuleneinrichtungen kann zusätzlich zu dem Verbindungsleiter zwischen den Spuleneinrichtungen mit wenigstens einer weiteren Anschlussleitung verbunden sein, die wiederum sowohl einen elektrischen Leiter zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis als auch ein Kühlmittelrohr zum Transport von Kühlmittel aufweisen kann. Bei dieser Ausführungsform können also die beiden durch den Verbindungsleiter elektrisch miteinander verbundenen Spuleneinrichtungen über die beschriebene Anschlussleitung mit dem äußeren elektrischen Stromkreis verbunden sein, dessen übrige Komponenten typischerweise innerhalb einer warmen Umgebung angeordnet sind und nicht im gekühlten Bereich der Vorrichtung. Über die Kombination von Anschlussleitung (en) und Verbindungslei- tung(en) sind dann also beide Spuleneinrichtungen elektrisch mit dem äußeren Stromkreis verbunden. Die Integration eines Kühlmittelrohrs in die Anschlussleitung oder zumindest in einen Teil der Anschlussleitung bewirkt vorteilhaft, dass zu- mindest für diesen Teil durch die Kühlung der Widerstand des elektrischen Leiters der Anschlussleitung reduziert ist. Weiterhin kann auch hierbei ein unerwünschter Wärmeeintrag durch die Stromzuführung in die mit der Anschlussleitung verbundene Spuleneinrichtung reduziert werden. Analog zu den verschiede ^¬ nen möglichen Ausführungen der Verbindungsleitung kann auch die beschriebene Anschlussleitung entweder wenigstens zwei Stromzuführungen zur Einbindung der Spuleneinrichtungen in den äußeren Stromkreis umfassen, oder es können alternativ wenigstens zwei solche Anschlussleitungen vorgesehen sein, in denen die benötigten Stromzuführungen separat geführt werden und jeweils parallel zu einem separaten Kühlmittelrohr verlaufen . Es können beide elektrischen Spuleneinrichtungen der Vorrichtung als supraleitende Spuleneinrichtungen ausgestaltet sein. Analog können bei Vorliegen von mehr als zwei Spuleneinrichtungen entweder alle diese Spuleneinrichtungen supraleitend ausgeführt sein, oder es können vorteilhaft zumindest zwei dieser Spuleneinrichtungen supraleitend ausgestaltet sein.

Die Ausführungsformen mit mehr als einer supraleitenden Spulenvorrichtung sind deshalb besonders vorteilhaft, da eine gemeinsame Kühlvorrichtung besonders effizient und platzspa ^¬ rend benutzt werden kann, um beide Spuleneinrichtungen, bzw. zumindest die supraleitenden Wicklungen der jeweiligen Spuleneinrichtung, auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen Supraleiters zu kühlen. Weiterhin können durch die Verwendung von mehreren supraleitenden Spuleneinrichtungen die ohmschen Verluste des Gesamtsys- tems wesentlich stärker reduziert werden als bei Verwendung nur einer supraleitenden Spuleneinrichtung. Die wenigstens zwei supraleitenden Spuleneinrichtungen können hierbei grundsätzlich zueinander entweder elektrisch parallel oder elektrisch in Serie geschaltet sein.

Bei der wenigstens einen supraleitenden Spuleneinrichtung kann es sich um eine Spuleneinrichtung mit Wicklungen aus einem hochtemperatursupraleitenden Leiter handeln. Dieser Leiter kann vorteilhaft ein hochtemperatursupraleitendes Ma ^¬ terial der zweiten Generation umfassen, insbesondere eine Verbindung des Typs REBa ₂ Cu30 _x , wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Al- ternativ zu solchen oxidkeramischen Supraleitern kann der

Leiter auch Magnesiumdiborid aufweisen. Wenn die Vorrichtung mehrere supraleitende Spuleneinrichtungen aufweist, können diese entweder auf demselben supraleitenden Material oder auf verschiedenen supraleitenden Materialien basieren.

Es kann eine erste elektrische Spuleneinrichtung als Teil einer elektrischen Maschine ausgestaltet sein, und eine zwei ^¬ te elektrische Spuleneinrichtung kann als Transformator oder als Teil eines Transformators ausgestaltet sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich prinzipiell entweder um einen Motor oder einen Generator handeln. Dabei kann die erste elektrische Spuleneinrichtung allgemein entweder die

Statorwicklungen oder die Rotorwicklungen der elektrischen Maschine umfassen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausfüh- rungsform, bei der die gesamte Vorrichtung als Antriebsvorrichtung dient, die einen Motor und einen vorgeschalteten Transformator umfasst. Insbesondere kann dann die erste elektrische Spuleneinrichtung die Rotorwicklungen des Motors umfassen, die insbesondere als supraleitende Wicklungen aus- gestaltet sind. Besonders vorteilhaft können auch die Wick ^¬ lungen der zweiten elektrischen Spuleneinrichtung supraleitende Transformatorwicklungen sein. Zweckmäßig kann eine solche Vorrichtung als Antriebsvorrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt werden, insbesondere als Antriebsvorrichtung in einem Schienenfahrzeug.

Der elektrische Leiter der wenigstens einen Verbindungslei ^¬ tung kann durch das Kühlmittel im Kühlmittelrohr der Verbindungsleitung auf eine kryogene Temperatur bringbar sein. Mit anderen Worten können das Kühlmittelrohr bzw. das im Kühlmittelrohr transportierte Kühlmittel thermisch so gut an den elektrischen Leiter gekoppelt sein, dass der elektrische Lei ^¬ ter beim Betrieb der Vorrichtung auf einer kryogenen Tempera- tur liegt. Zusätzlich zur guten thermischen Kopplung an das Kühlmittel kann das Erreichen einer solchen Temperatur zusätzlich durch eine gute thermische Isolation von Kühlmittel ^¬ rohr und elektrischem Leiter gegen eine warme äußere Umgebung erreicht werden. Vorteilhaft sind dabei Kühlmittelrohr und elektrischer Leiter gemeinsam thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert. Die durch diese Maßnahmen erreichbare Be ^¬ triebstemperatur des Leiters kann beispielsweise unterhalb von 100 K liegen. Bei einem normalleitenden Leitermaterial trägt eine solche Kühlung des elektrischen Leiters deutlich zu einer Reduzierung des elektrischen Widerstands und somit zu einer Verringerung der elektrischen Verluste bei.

Der elektrische Leiter der wenigstens einen Verbindungslei ^¬ tung kann ein supraleitendes Leitermaterial aufweisen. Insbe ^¬ sondere bei einer Ausführungsform, bei der der elektrische Leiter beim Betrieb der Vorrichtung durch die genannten Maßnahmen auf eine kryogene Temperatur bringbar ist, ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft. Durch die Ausführung des wenigstens einen elektrischen Leiters als Supraleiter kann der elektrische Widerstand im Bereich zwischen den beiden Spuleneinrichtungen besonders effektiv reduziert werden, insbesondere auf nahezu null. Ein Restwiderstand ist dann im We ^¬ sentlichen lediglich durch die elektrischen Verbindungen zwischen den (gegebenenfalls supraleitenden) Spuleneinrichtungen und dem supraleitenden Verbindungsleiter bedingt. Der elektrische Leiter kann vorteilhaft ein hochtemperatursupralei- tendes Material der zweiten Generation umfassen, insbesondere eine Verbindung des Typs REBa ₂ Cu ₃ 0 _x . Alternativ zu solchen oxidkeramischen Supraleitern kann der Leiter auch

Magnesiumdiborid aufweisen.

Das supraleitende Leitermaterial der Verbindungsleitung kann vorteilhaft elektrisch parallel zu einem normalleitenden elektrischen Leiter in der Verbindungsleitung geführt werden. Hierdurch lassen sich große Teile der durch die übliche normalleitende Stromzuführung verursachten elektrischen Verluste reduzieren. Gleichzeitig ist für den Fall eines Zusammen- bruchs der Supraleitung in diesem Bereich ein normalleitender paralleler Strompfad vorhanden, der in diesem Fall den Hauptanteil des Stromflusses übernehmen kann. Der elektrische Leiter und das Kühlmittelrohr der wenigstens einen Verbindungsleitung können koaxial zueinander verlaufen. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine über den Umfang der Verbindungsleitung gesehen symmetrische Temperaturverteilung zu erreichen. Beispielsweise kann der elektrische Leiter das Kühlmittelrohr konzentrisch umgeben und/oder das Material des elektrischen Leiters kann sogar selbst die Außenwand des Kühlmittelrohrs bilden. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Stränge des elektrischen Leiters auf einer Außenwand des Kühlmittelrohrs aufgebracht sein. Allgemein kann wenigstens ein Kühlmittelrohr einer Verbindungsleitung im Bereich seines Rohrmantels ein elektrisch leitendes Mate ^¬ rial aufweisen, welches als elektrischer Leiter der Verbindungsleitung ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Kühlmit ^¬ telrohr selbst den elektrischen Leiter darstellen.

Wenigstens ein elektrischer Leiter einer Verbindungsleitung kann im Inneren des Kühlmittelrohrs geführt werden. Bei die ^¬ ser Ausführungsform kann der elektrische Leiter vorteilhaft direkt von Kühlmittel umspült werden oder zumindest thermisch sehr gut an das Kühlmittel angekoppelt sein. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise eine effektive Kühlung des elektrischen Leiters auf eine tiefe Temperatur.

Es sind auch Kombinationen der verschiedenen beschriebenen Konzepte möglich, wobei mehrere elektrische Leiter und/oder mehrere Kühlmittelleitungen konzentrisch ineinander verschachtelt geführt werden.

Allgemein kann die Vorrichtung wenigstens eine Verbindungs- leitung mit wenigstens zwei koaxial zueinander verlaufenden Kühlmittelrohren aufweisen. Beim Vorliegen von mehreren ineinander verschachtelten Kühlmittelrohren kann beispielsweise ein inneres Kühlmittelrohr zum Transport von kaltem Kühlmit- tel von einer ersten zur zweiten Spuleneinrichtung vorgesehen sein, und ein äußeres, das innere Kühlmittelrohr umgebendes Kühlmittelrohr kann zum Rücktransport von dort erwärmtem Kühlmittel zurück zur ersten Spuleneinrichtung vorgesehen sein. Bei Anwendung eines derartigen Gegenstromprinzips können die radial innenliegenden elektrischen Leiter besonders gut thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert werden.

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

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 2 eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Verbindungslei ^¬ tung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer Verbindungsleitung nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt einer Verbindungslei ^¬ tung nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt einer Verbindungslei ^¬ tung nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt und

Fig. 7 eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs nach einem siebten

Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 1 der Sup ^¬ raleitungstechnik nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst zwei Spuleneinrichtungen 3 und 5, deren zu kühlende Komponenten durch eine gemeinsame Kühlvorrichtung 7 gekühlt werden. Die Kühlvorrichtung 7 um- fasst einen Kaltkopf 17, der thermisch an einen Kondensor 19 angekoppelt ist. Der Bereich des Kondensors 19 ist Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs, bei dem ein Kühlmittel in einem Rohrsystem nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert. Das Kühlmittel wird vom Kondensor in verflüssigter Form zu den zu kühlenden Komponenten mindestens einer der beiden Spuleneinrichtungen 3 und 5 transportiert. Durch die Wärmeaufnahme aus diesen zu kühlenden Komponenten kann das Kühlmittel ganz oder teilweise verdampfen, so dass nach Durchlauf der beiden Spu- leneinrichtungen entweder nur gasförmiges Kühlmittel oder aber eine Mischung aus flüssigem und gasförmigem Kühlmittel über eine Rückleitung 16 zurück zum Kondensor 19 transportiert wird. Im Bereich des Kondensors 19 wird das gasförmige Kühlmittel wieder verflüssigt, und der Kreislauf schließt sich. Das Kühlmittel kann beispielsweise Helium, Neon oder Stickstoff umfassen.

Die beiden Spuleneinrichtungen 3 und 5 werden sequentiell nacheinander von Kühlmittel durchströmt. Im gezeigten Bei- spiel handelt es sich bei beiden Spuleneinrichtungen 3 und 5 um supraleitende Spuleneinrichtungen, bei denen die Wicklungen der Spulen aus supraleitendem Leitermaterial gebildet sind. Bei der ersten Spuleneinrichtung 3 handelt es sich um die Gesamtheit der supraleitenden Rotorwicklungen einer elektrischen Maschine. Die weiteren Komponenten der elektrischen Maschine sind hier nicht näher dargestellt. Sie umfasst jedoch zusätzlich einen Stator mit normalleitenden oder ebenfalls supraleitenden Statorwicklungen, wobei der Stator den innenliegenden Rotor radial umgibt. Die supraleitenden Rotor- Wicklungen umfassen ein hochtemperatursupraleitendes Materi ^¬ al .

Bei der zweiten, hier ebenfalls supraleitenden Spuleneinrichtung 5 handelt es sich in diesem Beispiel um einen Transfor- mator mit supraleitenden Transformator-Wicklungen 6. Der

Transformator ist zur besseren Kühlung seiner supraleitenden Wicklungen 6 innerhalb eines thermisch isolierenden

Kryostaten 8 angeordnet. Auch die Wicklungen 6 des Transfor- mators sind hier mit einem hochtemperatursupraleitenden Material gebildet. Die maximale Betriebstemperatur des Transfor ^¬ mators liegt allerdings etwas höher als die maximale Be ^¬ triebstemperatur der Rotorwicklungen, da die Rotorwicklungen ein höheres kritisches Magnetfeld aufweisen müssen und damit auch bei gleicher Wahl des Supraleiter-Materials auf eine niedrigere Betriebstemperatur gekühlt werden müssen. Zweckmäßig sind daher die Komponenten der Vorrichtung 1 so angeordnet, dass das vom Kondensor 19 einströmende Kühlmittel zuerst die erste Spuleneinrichtung 3 durchströmt und dort die Rotor ^¬ wicklungen der Maschine kühlt und erst anschließend im be ^¬ reits etwas erwärmten und möglicherweise teilweise oder voll ^¬ ständig verdampften Zustand in den Bereich der zweiten Spuleneinrichtung 5, also des Transformators, transportiert wird.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch die zu küh ^¬ lenden Rotorwicklungen der ersten Spuleneinrichtung 3 in einem hier nicht gezeigten thermisch isolierenden Gefäß ange- ordnet sind, so dass sie gegen die warme äußere Umgebung iso ^¬ liert sind. Ebenfalls nicht dargestellt, aber aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind Vorrichtungen zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel auf die rotierenden Komponenten der elektrischen Maschine, also beispielsweise in ein In- neres einer Rotorwelle.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass die beiden Spuleneinrichtungen 3 und 5 durch wenigstens eine kombinierte Verbindungsleitung IIa verbunden sind. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind zwei solche Verbindungsleitungen IIa und IIb dazwischen angeordnet, wobei jede dieser Verbindungs ^¬ leitungen einen elektrischen Leiter und ein Kühlmittelrohr zum Transport von Kühlmittel aufweist. Verschiedene mögliche Ausführungsbeispiele für den detaillierten Aufbau dieser Ver- bindungsleiter werden im Folgenden genauer beschrieben. Allen gemeinsam ist jedoch, dass der elektrische Leiter der Verbindungsleitung als Teil einer gemeinsamen Leitung zusammen mit dem Kühlmittelrohr geführt wird und thermisch gut an dieses angekoppelt ist. Diese kombinierte Strom- und Kühlleitung ist vorteilhaft thermisch gut gegen die äußere Umgebung isoliert, beispielsweise durch eine Ummantelung mit einer Vakuumisola ^¬ tion und/oder Umwicklung mit sogenannter Superisolation . Der elektrische Leiter der Verbindungsleitung liegt durch die thermische Ankopplung an das Kühlmittel ebenfalls auf einer niedrigen Betriebstemperatur und kann ebenfalls ein hochtem- peratursupraleitendes Material aufweisen, welches elektrisch parallel zu einem normalleitenden Leiter geschaltet sein kann. Durch diese Ausführung werden die elektrischen Verluste in der Zuleitung für die erste Spuleneinrichtung 3 gegenüber bekannten Ausführungen mit warmen Zuleitungen erheblich reduziert. Weiterhin wird im Bereich der ersten Spuleneinrichtung 3 eine zusätzliche Wärmebrücke durch eine direkte Verbindung mit einem warmen äußeren Stromkreis vorteilhaft vermieden.

Die zweite Spuleneinrichtung 5, also hier der supraleitende Transformator, ist mit zwei zusätzlichen äußeren Anschlussleitungen 21a und 21b versehen. Auch diese Anschlussleitungen 21a und 21b weisen jeweils einen mit der zweiten Spuleneinrichtung 5 verbundenen Bereich auf, in dem Kühlmittelrohr und elektrischer Leiter der jeweiligen Anschlussleitung zusammen in einer kombinierten Leitung geführt sind. Im Anschluss an diesen gemeinsam verlaufenden Bereich ist das Kühlmittelrohr der jeweiligen Anschlussleitung mit einer gemeinsamen Rück- leitung 16 zur Rückführung des Kühlmittels verbunden, und die elektrischen Leiter sind über separat verlaufenden Stromzuführungen 22 mit den übrigen, warmen Komponenten eines hier nicht näher gezeigten äußeren Stromkreises 23 elektrisch ver- bunden.

Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 zwei parallel zueinander verlaufende Verbindungsleitungen IIa und IIb auf, die jeweils einen elektrischen Leiter und ein Kühlmittelrohr umfassen, und bei denen die übergeordnete Flussrichtung 10 des Kühlmittels gleich ist. Hier werden also die erste Spuleneinrichtung 3 und die zweite Spuleneinrichtung 5 über beide Leitungen nacheinander in der gleichen Rei- henfolge von Kühlmittel durchströmt. Es sind jedoch auch an ^¬ dere vorteilhafte Ausführungsformen denkbar, bei denen die Flussrichtungen des Kühlmittels in zwei nebeneinander verlaufenden Verbindungsleitungen IIa und IIb gegenläufig sein kön- nen, so dass sich schon durch diese Verbindungsleitungen, also ohne eine separate Rückleitung 16, ein geschlossener Kühlmittelkreislauf ergibt. Bei einer anderen möglichen Alterna ^¬ tive können auch zwei oder mehr für die elektrische Kontak- tierung benötigte Leiter auch innerhalb einer gemeinsamen Verbindungsleitung IIa zusammen mit einem Kühlmittelrohr geführt werden. Es kann also ausreichen, nur eine einzige Verbindungsleitung IIa zwischen den beiden Spuleneinrichtungen anzuordnen . In Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Viele Komponenten sind analog zum ersten Ausführungsbeispiel angeordnet und mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch keine separate, äußere Rückleitung 16 mit der zweiten Spuleneinrichtung 5 verbunden, sondern die beiden Verbindungsleitungen IIa und IIb umfassen jeweils zwei Kühlmittelrohre, über die Kühlmittel sowohl vom Rotor zum Transformator als auch zurück zum Rotor und von diesem zurück zum Kondensor 19 transportiert werden kann. Dies ist jeweils durch die beiden, einander entgegengesetzten Strömungsrichtungen 10 für jede der beiden Verbindungsleitungen angedeutet. Auch bei einer solchen Anordnung sind verschiedene Konfigurationen für die Verbindungsleiter IIa und IIb möglich, die im Folgenden noch näher erläutert werden. Bei diesem zweiten Ausführungsbei ^¬ spiel sind die Stromzuführungen der zweiten Spuleneinrichtung 5, also hier der Transformatorwicklungen, über separate

Stromzuführungen 22 mit dem äußeren Stromkreis 23 verbunden. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich und kann vorteilhaft sein, auch im Bereich dieser Stromzuführungen einen Kühlmittelstrom zur Verringerung der Leitungswiderstände vorzusehen. Dabei können allgemein wiederum sowohl normalleitende als auch supraleitende Leitungsmaterialien für die Stromzuführungen zum Einsatz kommen.

Fig. 3 zeigt eine Verbindungsleitung IIa für eine der vorab beschriebenen Vorrichtungen 1 im schematischen Querschnitt. Die Verbindungsleitung IIa dieses dritten Ausführungsbei ^¬ spiels eignet sich insbesondere für die Verwendung in einer Vorrichtung 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, da dort das Kühlmittel in jeder der Verbindungsleitungen IIa, IIb nur in eine Richtung 10 strömt. Die in Fig. 3 gezeigte Verbindungs ^¬ leitung IIa umfasst ein Kühlmittelrohr 15, in dessen Innerem flüssiges und/oder gasförmiges Kühlmittel 9 transportiert wird. Das Kühlmittelrohr weist im Bereich seines Rohrmantels wenigstens ein elektrisch leitfähiges Material auf, das als elektrischer Leiter 13 der Verbindungsleitung wirkt. Beispielsweise kann der Rohrmantel aus Kupfer gebildet sein, und der Querschnitt des Kupfers kann ausreichend bemessen sein, um den von der Stromzuführung zu transportierenden Stromfluss gewährleisten zu können. Das somit gleichzeitig als elektri- scher Leiter 13 dienende Kühlmittelrohr 15 kann durch weitere Ummantelung und/oder Umwicklung elektrisch sowie thermisch von der äußeren Umgebung isoliert sein.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführungsform mit einem Rohrmantel aus Kupfer kann der Rohrmantel auch mit einem zu ^¬ sätzlichen elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein, dessen Leitfähigkeit und Querschnitt ausreichend bemessen ist, um den benötigten Strom transportieren zu können. Es kann sich dabei auch um eine supraleitende Beschichtung eines leitfähigen oder auch nichtleitenden Rohres handeln. Als supraleitende Beschichtung auf rohrförmigen Substraten eignet sich insbesondere Magnesiumdiborid, welches sich auf einfache Weise beispielsweise über eine Aerosol-Deposition auf gerundeten Oberflächen abscheiden lässt.

Zusätzlich zu den in Fig. 3 gezeigten Bestandteilen kann die Verbindungsleitung IIa noch ein weiteres, das innere Rohr 15 umschließendes Kühlmittelrohr aufweisen, welches beispiels- weise Kühlmittel in der zum inneren Rohr entgegengesetzten Richtung transportieren kann. Eine solche Anordnung würde auch die Kühlung einer außen auf dem Rohr 15 abgeschiedenen supraleitenden Schicht zusätzlich erleichtern. Die resultie- rende Verbindungsleitung IIa wäre damit auch für den Einsatz in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung geeignet.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer alternativen Verbindungsleitung IIa nach einem vierten Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Gezeigt ist ein inneres Kühlmittelrohr

15a, welches von einem äußeren Kühlmittelrohr 15b radial konzentrisch umschlossen wird. Innerhalb des inneren Kühlmittel ^¬ rohres 15a ist der elektrische Leiter 13 geführt, welcher beispielsweise als supraleitender oder als normalleitender Draht ausgeführt sein kann. Denkbar sind auch komplexere Lei ^¬ teraufbauten mit mehreren Materialien und Schichten, bei denen beispielsweise auch supraleitende Leiter und normallei ^¬ tende Leiter elektrisch parallel geschaltet sein können. Innerhalb der beiden gezeigten Kühlrohre 15a und 15b strömt je- weils Kühlmittel, wobei die Strömungsrichtungen in den beiden Rohren vorteilhaft gegenläufig sein können, um bereits über einen Verbindungsleiter beide Transportrichtungen des Kühlmittels abdecken zu können. Besonders vorteilhaft ist das Kühlmittel im inneren Kühlmittelrohr 15a das vom Kondensor kommende kältere Kühlmittel, so dass der darin angeordnete elektrische Leiter 13 besonders gut gekühlt ist. Der elektri ^¬ sche Leiter kann, wie in Fig. 4 angedeutet durch hier nicht näher gezeigte Vorrichtungen relativ mittig innerhalb des inneren Rohres 15a geführt werden. Er kann jedoch auch alterna- tiv im Bereich einer Seite der Innenwand des inneren Rohres 15a gehalten werden, da dies einfacher zu erreichen sein kann. Der elektrische Leiter 13 kann elektrisch gegen die Kühlmittelrohre 15a und 15b isoliert sein. Wesentlich ist eine gute thermische Ankopplung des Leiters 13 an das durch- strömende Kühlmittel.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer alternati ^¬ ven Verbindungsleitung IIa nach einem fünften Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Gezeigt sind wiederum zwei ineinander verschachtelte Kühlmittelrohre 15a und 15b, die jeweils in ihrem Inneren von Kühlmittel 9 durchströmt werden. Bei diesem Beispiel sind mehrere elektrische Leiter in Form einzelner Leiterfilamente auf der Außenseite des inneren Rohres 15a an ^¬ gebracht, so dass diese Leiterfilamente von dem im äußeren Kühlmittelrohr 15b transportierten Kühlmittel umspült werden. Weiterhin sind sie thermisch über das Material des inneren Kühlmittelrohrs 15a an das darin strömende Kühlmittel ange- koppelt. Dabei kann wahlweise entweder das außen strömende Kühlmittel oder das innen strömende Kühlmittel den kälteren der beiden Kühlmittelströme bilden. Wesentlich ist, dass die Filamente des elektrischen Leiters 13 durch das Kühlmittel 9 soweit gekühlt werden können, dass der Widerstand im Ver- gleich zur Umgebungstemperatur deutlich reduziert wird. Die elektrischen Leiter 13 können dabei wiederum entweder normalleitende Materialien und/oder supraleitende Materialien aufweisen . Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt einer alternati ^¬ ven Verbindungsleitung IIa nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt sind wiederum zwei ineinander verschachtelte Kühlmittelrohre 15a und 15b, die jeweils in ihrem Inneren von Kühlmittel 9 durchströmt werden. Bei diesem Beispiel ist nur ein elektrischer Leiter 13 auf der Außensei ^¬ te des inneren Rohres 15a angebracht, so dass ein asymmetri ^¬ scher und nicht konzentrischer Aufbau resultiert. Der recht ^¬ eckige Querschnitt des elektrischen Leiters 13 ist dabei nur beispielhaft. Sowohl bei den Kühlmittelrohren 15a, 15b als auch bei dem Leiter 13 können auch andere als die gezeigten Querschnittsformen zum Einsatz kommen. Auch die Größenverhältnisse zwischen den Rohren 15a, 15b und den Leitern 13 sind allgemein nicht maßstabsgerecht, und die Zeichnungen sind nur als schematische Skizzen zu verstehen.

Fig. 7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 25, das in diesem Beispiel als Schienenfahrzeug ausgebildet ist. Dieses weist eine der vorab beschriebenen Vorrichtungen 1 auf, wobei diese Vorrichtung eine Maschine 27 mit supralei ^¬ tenden Rotorwicklungen und einen supraleitenden Transformator 29 umfasst. Beide Komponenten werden von der gemeinsamen Kühlvorrichtung 7 gekühlt, wie sie in den Fig. 1 und 2 erläu- tert wurde.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.