用於冷卻具有轉子和至少一個渦輪機的能量轉換設備的冷卻設備和冷卻方法與流程

2024-02-01 22:11:15 1

由現有技術已知能量轉換設備，它們配有用於冷卻旋轉的電力線圈繞組的冷卻設備。尤其是具有超導轉子繞組的電機通常配有冷卻設備，其中，冷卻劑如液氮、液氦或者液氖可以在中央軸內部按照熱虹吸原理循環並且由此將熱量排出轉子。通過這種冷卻系統可以將超導的線圈繞組，尤其是超導的旋轉的勵磁繞組冷卻到超導體的轉變溫度以下的運行溫度並且保持在所述運行溫度。

在這種已知的冷卻設備中，軸的屬於電機轉子的端部區域通常用於將液化的冷卻劑例如通過伸入軸中的固定的冷卻劑管從固定的冷卻設備饋送到軸的內部空間。這種冷卻設備由EP2603968A1已知。

然而在這種通過配屬於電機轉子的軸端部的饋送中不利的是，不是在所有的能量轉換設備中都可以在轉子附近將軸的自由端部用於此用途。電機的這種布置的一個例子是燃氣和蒸汽發電設備中的發電機。在此期望的是，發電機和燃氣輪機和蒸汽輪機布置在相同的旋轉軸上。在此，發電機有利地布置在燃氣輪機與蒸汽輪機之間，因此為了相應的扭矩傳遞分別只需要通過軸橋接較短的軸向路徑。在這種布置中，沒有發電機的自由軸端部用於饋送冷卻劑。而在軸的中間軸向區域內將冷卻劑饋送入轉子軸空腔的過程一般難度較大，因為由於在軸旋轉時出現的離心力，在軸中待傳輸的冷卻劑移動至徑向外部區域中。但在冷卻劑沿徑向進入軸時，恰恰需要液態冷卻劑沿與離心力相反的方向流入。其它難度在於在設計用於饋送的軸區段處的軸的機械牢固性受影響以及其軸向空間需求和在饋送時出現的熱損耗。

因此，本發明所要解決的技術問題在於，提供一種用於能量轉換設備的避免了上述缺點的冷卻設備。尤其應提供一種冷卻設備，其中能夠以簡單的方式將冷卻劑引入設備的電機轉子內部的軸的區域中。本發明所要解決的其它技術問題在於，提供一種具有這種冷卻設備的能量轉換設備和一種用於能量轉換設備的冷卻方法。

該技術問題按本發明通過具有權利要求1所述特徵的冷卻設備、具有權利要求11所述特徵的能量轉換設備和具有權利要求13所述特徵的冷卻方法解決。

按照本發明的冷卻設備用於冷卻能量轉換設備，其具有電機，所述電機包括能夠圍繞旋轉軸線旋轉地支承的轉子，所述轉子布置在能旋轉的中央軸上。所述能量轉換設備還包括至少一個第一渦輪機，所述第一渦輪機能旋轉地布置在相同的軸上。冷卻設備包括軸的至少一個第一內部空腔，用於將冷卻劑傳輸至電機轉子內部的區域中，其中，第一內部空腔沿軸向延伸穿過第一渦輪機並且穿過第一渦輪機與轉子之間的軸向空隙。

在此，能量轉換設備的電機既可以作為發電機運行也可以作為電動機運行。在作為發電機運行時，整個能量轉換設備用於將機械能轉換為電能。在作為電動機運行時，相反地將電能轉換為機械能。除了電機，能量轉換設備包括中央軸和至少一個渦輪機，其中，中央軸將電機的轉子與渦輪機機械地耦連並且在所述部件之間傳遞扭矩。在此，在本申請的文字中的詞彙「轉子」總是理解為電機的轉子，其與旋轉的渦輪機不同，渦輪機在專業領域通常也稱為渦輪機轉子。在文字中，詞彙「渦輪機」僅理解為可旋轉的渦輪機轉子，其一般可以附加地由固定的外部殼體包圍。詞彙「軸」在此表示能量轉換設備的整個沿軸向延伸的軸，其與所述軸是否作為一體構件製造或者由不同的軸向軸部段組成無關。重要的是，扭矩可以在軸的長度上傳遞，因此軸在機械上作為一個部件起作用。所述軸例如可以由轉子區域內的和至少一個渦輪機區域內的部段組成，其可以包括轉子軸和一個或多個耦連在其上的渦輪機軸。在這些情況下，詞彙「軸」也總是表示由這些軸向部段組成的機械相連的整個裝置。

按照本發明的冷卻設備的主要優點在於，通過第一內部空腔能夠將冷卻劑以簡單的方式導入轉子內部，而為此不需要電機的自由軸端部。取而代之，第一內部空腔中的冷卻劑被引導穿過第一渦輪機的內部。因此，不需要在距離轉子很近的位置將冷卻劑饋送到軸的內部，而是可以例如在距離較遠的軸端部進入軸內部。作為對於在這種距離較遠的軸端部處進行饋送的備選或補充，也可以在所述距離較遠的軸端部進行從冷卻劑向外部環境的間接熱傳遞。在此，有利地避免了用於饋送冷卻劑或者用於在軸向內部的軸區域中進行間接熱傳遞的複雜設備。

所述解決方案帶來的要求是，需要將從渦輪機向在承載渦輪機的軸的內部的冷卻劑的熱傳遞保持較小，使得仍能通過冷卻劑對待冷卻的轉子部件進行充分的冷卻。

所述要求可以通過在從屬權利要求中詳細描述的不同設計方案滿足，其中，這些設計方案的有利的組合一般也是可行的。所有的實施形式共同的是，第一內部空腔在軸中在渦輪機的整個軸向長度上延伸並且也在處於渦輪機與轉子之間的空隙的整個軸向長度上延伸。相宜地，其也在轉子的軸向長度的至少一部分上延伸，因此冷卻劑可以通過第一內部空腔進入其內部。因此，冷卻劑可以穿過第一渦輪機導入轉子內部。這減少了用於在渦輪機和例如另一布置在軸上的部件之間的轉子總體上所需的軸向空間需求。針對冷卻劑的進入或者針對轉子與渦輪機之間的間接熱傳遞不需要附加的軸向區段，因此轉子由此可以非常節省空間地布置在渦輪機與另一部件之間，例如也可以布置在兩個渦輪機之間。

儘管存在延展的第一內部空腔，仍能確保通過軸在轉子和第一渦輪機之間的扭矩傳遞，因為針對所述扭矩傳遞主要是軸的外殼的機械強度是決定性的。因此也可以將軸的承載渦輪機的部分設計為空心軸。軸將渦輪機與轉子機械地耦連並且由此使得這兩個部件圍繞共同的旋轉軸線同步旋轉。

按照本發明的能量轉換設備具有電機和至少一個第一渦輪機，所述電機具有可圍繞旋轉軸線旋轉地支承的轉子，其布置在中央軸上。按照本發明的能量轉換設備還包括按照本發明的冷卻設備。這種能量轉換設備的優點與按照本發明的冷卻設備的所述優點相似地得出。在此，通過冷卻劑在第一內部空腔中的熱傳輸可以有利地與用於放熱的其它路徑相結合，例如與轉子內部的另一徑向的和/或軸向的熱傳輸路徑相結合，通過其可以將布置在轉子上的待冷卻部件與軸內部的冷卻劑熱學耦合。相宜地，電機具有布置在轉子上的電線圈繞組，其可以通過冷卻設備冷卻。所述線圈繞組可以是超導線圈繞組，尤其是高溫超導線圈繞組。電機可以例如作為發電機或者作為電動機運行。

按照本發明的方法用於冷卻能量轉換設備，所述能量轉換設備具有電機和至少一個第一渦輪機，所述電機包括能夠圍繞旋轉軸線旋轉地支承的轉子，所述轉子布置在能旋轉的中央軸上，所述第一渦輪機能旋轉地布置在相同的軸上。所述方法包括至少一個步驟，即將冷卻劑通過軸的第一內部空腔傳輸至轉子內部的區域中，所述第一內部空腔沿軸向延伸穿過第一渦輪機並且穿過布置在第一渦輪機與轉子之間的空隙。在此，冷卻劑尤其應通過軸從渦輪機的軸向背離轉子的一側傳輸至轉子內部。冷卻方法的優點也與按照本發明的冷卻設備的已經描述的優點相似地得出。

本發明的有利的設計方案和擴展設計由權利要求1、11和13的從屬權利要求得出。在此，冷卻設備、能量轉換設備和冷卻方法的特徵可以有利地相互結合。

所述軸可以具有第一軸端部，所述第一軸端部配設有用於將冷卻劑饋送到第一內部空腔中的設備，其中，第一軸端部沿軸向布置在第一渦輪機的背離轉子的一側上。換而言之，通過這種饋送設備可以將冷卻劑從由轉子觀察處於渦輪機之後的軸端部導入軸內部。尤其可以在能量轉換設備運行時持續地通過所述外部軸端部饋送新的冷卻劑，因此可以進行從待放熱的轉子部件向總是新鮮流入的冷卻劑的連續熱傳遞。從轉子部件向外部環境的熱傳遞可以例如特別有利地通過封閉的冷卻劑循環進行，其中，從位置固定的系統向旋轉的系統的冷卻劑饋送在第一軸端部上進行。

所述第一軸端部可以附加地配設有用於將冷卻劑從第一內部空腔中導出的設備。在這種實施形式中，冷卻劑的饋送和導出可以在軸的相同的、並不是直接與轉子相鄰的軸向端部處進行。這種實施形式的優點在於，在此只需要將導引至轉子的軸的一側設計為空心軸。軸的背離第一渦輪機的另一部分也可以設計為實心軸。

冷卻劑可以在第一軸端部與轉子之間例如在處於內部的共同管道中朝向轉子並且遠離轉子地流動。在這種特別簡單的實施形式中，第一內部空腔適用於兩個傳輸方向。冷卻劑例如可以按照熱虹吸或者熱管的方式同時在兩個方向上循環。

在對此備選的實施形式中，第二內部空腔可以在第一軸端部與轉子之間延伸。在此，例如第一和第二內部空腔可以軸向並排地在軸內部導引。備選地，兩個空腔之一可以同中心地包圍另一個空腔。在此，用於冷卻劑輸入的第一內部空腔可以有利地由用於冷卻劑回引的第二內部空腔包圍。但原則上也可以相反地布置。

冷卻設備可以具有沿軸向與第一軸端部對置的第二軸端部，所述第二軸端部配設有用於將冷卻劑從軸的內部空間中導出的設備。在所述實施形式中，冷卻劑在軸向對置的軸端部導入和再次導出。為此，軸必須在其整個軸向長度上設計為空心軸。然而，相應空腔的橫截面可以針對給定的軸區段相比軸的整個橫截面選擇得更小，因為單獨的空腔必須分別只針對冷卻劑沿一個方向的傳輸設計尺寸並且不需要多個管道彼此平行或者彼此共軸地導引。在能量轉換設備具有轉子(其在兩個渦輪機之間布置在共同的軸上)的實施形式中，冷卻劑尤其可以通過第一渦輪機的內部導入並且再次通過第二渦輪機的內部導出。在此，第一內部空腔可以延伸穿過兩個渦輪機的內部，或者第一渦輪機內部的第一內部空腔可以與第二渦輪機內部的第二內部空腔流體連接，因此可以在兩個內部空腔之間傳輸流體冷卻劑。這兩個空腔可以例如在轉子內部流體相連，其中，當在兩個內部空腔之間過渡時可以進行熱力學的狀態改變。

從軸中流出的冷卻劑可以在不同的實施形式中通常有利地以封閉循環的方式從導出裝置再次回引到軸的饋送裝置中。冷卻劑可以例如有利地包括氦、氖和/或氮。在此，冷卻劑一般可以作為氣態的冷卻劑、作為液態的冷卻劑或者作為在循環期間在這兩種聚集狀態之間轉換的冷卻劑存在。

第一內部空腔和/或第二內部空腔可以有利地相對於軸的環繞殼罩熱絕緣。熱管相對於軸的徑向外部區域的熱絕緣例如可以通過真空絕緣實現。作為備選或補充，可以將導熱能力較差的材料和/或反射射線的材料布置在內部空腔的外壁與軸的外殼罩之間。在此例如可以使用由鏡面反射的金屬薄膜製成的多層式熱絕緣件。一般通過這種絕緣件減少向軸內部的冷卻劑的不必要的熱量引入，這有利於改善布置在轉子上的部件的冷卻。尤其可以有利地減少具有通常相對較高的渦輪機運行溫度的第一渦輪機內部的冷卻劑的升溫。

軸可以在轉子的內部具有熱傳遞區域，在所述熱傳遞區域中，冷卻劑與至少一個布置在轉子上的待冷卻部件熱學地耦連。所述在軸的熱傳遞區域中的另一熱學連接可以例如通過將冷卻劑進一步導引通過沿徑向處於更外部的區域中的通道實現。備選地，其也可以通過流體獨立的、但熱傳導地耦合的具有另一冷卻劑的熱管實現。但所述另一連接或者也可以通過在導熱能力良好的材料中的熱傳導實現。通過這些不同的變型方案，例如可以實現由轉子的徑向更靠外的區域向軸內部的徑向熱傳輸或者在轉子內部的軸向和徑向熱傳輸的結合。熱傳遞區域例如可以是軸的第一內部空腔的區域，但其備選地也可以布置在軸的其它內部空腔中，所述其它內部空腔例如與第一內部空腔流體地耦連。

所述軸可以在轉子內部具有用於進行冷卻劑的熱動力學狀態改變的區域。所述熱動力學狀態改變可以例如使得熱量從轉子的一個部分傳遞至軸內部的冷卻劑，或者狀態改變也可以首先使得軸內部的冷卻劑冷卻，之後使得熱量從轉子部分傳遞至冷卻劑。

所述軸例如可以在其內部具有節流機構和通過所述節流機構與第一內部空腔流體連接的第二內部空腔。熱動力學狀態改變是在由於節流機構膨脹時的氣體壓力改變和與之相關的溫度改變。這種實施形式特別有利於避免或者補償冷卻劑在從軸端部到轉子內部的路徑上的過於強烈的升溫。通過由於渦輪機內部的軸實現的相對於傳統解決方案延長的冷卻劑路徑，在所建議的解決方案中原則上實現了冷卻劑在通往轉子內部的路徑上的更平緩的升溫。因此有利的是，冷卻劑至少在所述路徑的一部分上處於比將轉子中的冷卻劑用於冷卻該處的部件時的溫度更高的溫度。這可以通過以下方式實現，即，將冷卻劑作為氣態冷卻劑在升高的壓力下導入第一內部空腔中並且隨即通過設置在第一空腔之後的節流機構在第二內部空腔中減壓。作為節流機構例如通常可以使用膨脹閥。通過焦耳-湯姆孫效應對於實際氣體在其轉化溫度以下在這種壓力降低時實現氣體的冷卻。也就是在這種實施形式中，通過第一與第二內部空腔之間的壓差可以使得氣體在第二空腔中才達到其用於冷卻轉子部件所需的較低溫度。通過第一內部空腔中相對較高的溫度，冷卻劑的升溫可以在其經過軸的軸向傳輸時有利地降低，因為冷卻劑與周圍材料之間的溫度梯度在這些區域中小於在設於之後的第二內部空腔的區域中的溫度梯度。

多個節流機構一般也可以前後相續地連接，以便在多個層級中將冷卻劑冷卻至用於冷卻轉子內部所需的溫度。為此，多個內部空腔可以沿軸向前後相續地連接，所述內部空腔通過單獨的節流機構流體地相互連接。由此實現了冷卻劑在從第一軸端部朝向轉子的軸向路徑上的層級式冷卻。在此，多個節流機構可以完全布置在轉子內部，或者備選地，至少一部分節流機構可以布置在轉子與渦輪機之間的空隙中和/或布置在渦輪機內部。多個節流機構的這種串聯布置原則上既適用於在相同的軸端部處進行冷卻劑的導入和導出的實施形式，也適用於在相對置的軸端部處進行導入和導出的實施形式。

作為對具有節流機構的實施形式的備選或補充，所述軸可以在轉子內部具有蒸發區域。例如，第一內部空腔可以設計為熱管，在所述熱管中冷卻劑以液態形式從第一軸端部朝向轉子傳輸，其中，冷卻劑可以在蒸發區域中通過從轉子部件吸熱而蒸發並且最終作為氣態冷卻劑再次回到第一軸端部。在此，液態冷卻劑的傳出和氣態冷卻劑的傳回可以在相同的第一內部空腔中進行，或者備選地，可以將不同的沿軸向在軸內部延伸的管路用於傳出和傳回。對於這種實施形式，冷卻劑一般可以有利地作為液態冷卻劑在第一軸端部饋送到軸內部。但在備選的實施形式中也可行的是，將氣態冷卻劑在升高的壓力下饋送到軸中，並且冷卻劑在通過節流機構膨脹之後冷卻並且在此冷凝，其中，液化的冷卻劑可以在轉子內部的蒸發區域中通過吸熱蒸發並且接著作為氣態冷卻劑再次由軸中導出。在此，氣態冷卻劑的導出可以在相同的第一軸端部處進行，或者冷卻劑可以沿不變的軸向進一步傳輸至對置的第二軸端部並且在該處流出軸內部。

冷卻設備一般可以有利地具有附加的熱學耦合裝置，用於在轉子外部通過與傳輸至軸內部的冷卻劑的熱學耦合冷卻能量轉換設備的其它部件。特別有利的是，熱學耦合裝置可以沿冷卻劑的流動方向設置在轉子內部的熱傳遞區域之後。換而言之，冷卻劑可以在其與轉子的待冷卻部件熱學接觸的區域之後用於進一步冷卻能量轉換設備的一個或多個部件。在此，其可以特別有利地是軸承。所述軸承可以例如是第一渦輪機的、轉子的或者可能存在的第二渦輪機的區域內的軸承。也可以通過進一步流動的或者回流的冷卻劑冷卻多個這種軸軸承。對於這種後置的冷卻步驟，不需要在將超導線圈繞組冷卻到超導體的運行溫度時那樣的較低的冷卻劑溫度。在這種實施形式中，可以利用已經輕微升溫的冷卻劑的剩餘的冷卻潛力，以便附加地冷卻電機或者渦輪機的在運行中升溫的部件，在本實施例中為軸承。作為備選或補充，也可以通過流出的冷卻劑附加地冷卻電機或者渦輪機的其它在運行中強烈升溫的部件。

冷卻設備可以具有固定的制冷機，用於冷卻和/或壓縮待饋送到第一內部空腔中的冷卻劑。在這種實施形式中，冷卻劑可以特別有利地以封閉循環的方式在用於饋送到軸中的設備與用於從軸中導出的設備之間循環。例如，制冷機的冷卻頭可以用於使在轉子內部的蒸發區域中蒸發的部分冷卻劑再次冷凝，其中，熱量同時從冷卻劑傳遞至制冷機的冷卻頭。在這種實施形式中，可以實現在導入軸的液態冷卻劑與流出軸的氣態冷卻劑之間的封閉循環。

備選地，制冷機可以設計為壓縮制冷機，並且可以在冷卻劑循環中布置壓縮機，其壓縮流出軸的氣態冷卻劑並且在通過熱交換器向環境放熱之後在提高的壓力下再次導回饋送設備中。這種實施形式與軸內部的節流機構相結合是特別有利的，通過節流機構可以使壓縮的氣態冷卻劑在冷卻的情況下膨脹。

能量轉換設備可以具有第二渦輪機，其同樣可旋轉地布置在相同的軸上。再次，轉子尤其可以布置在第一與第二渦輪機之間。這種實施形式尤其可以使用在燃氣和蒸汽發電設備中，其中，發電機的轉子布置在處於燃氣輪機與蒸汽輪機之間的貫穿的軸上。通過共同的軸將轉子、燃氣輪機和蒸汽輪機機械地耦連，並且扭矩通過軸在所述部件之間傳遞。

電機可以具有超導線圈繞組，其具有20K至100K之間的、尤其是20K至77K之間的運行溫度。在轉子中具有超導線圈繞組的機器相對於傳統機器具有效率、功率密度以及動態和靈活性方面的優點。所述機器尤其可以設計為發電廠的發電機。其可以有利地設計用於10MW至2GW、尤其是400MW至2GW之間的功率範圍。

在用於冷卻能量轉換設備的方法中，可以在將冷卻劑傳輸至軸的第一內部空腔之後進行軸內部的熱動力學狀態改變。所述熱動力學狀態改變可以有利地有助於將熱量從轉子部件傳遞至冷卻劑和/或熱動力學狀態改變可以有助於冷卻轉子內部的冷卻劑，以便接著實現用於待冷卻部件的提高的冷卻效果。

例如，冷卻劑可以有利地作為氣態冷卻劑在升高的壓力下饋送到第一內部空腔中並且隨即在轉子內部通過至少一個節流機構膨脹為較低的壓力，其中，冷卻劑冷卻。這種實施形式的優點類似於冷卻設備的相應實施形式的優點。在此，提高的壓力首先一般理解為高於大氣壓的壓力。

將氣態冷卻劑饋送到第一內部空腔中的壓力在此可以有利地高於1bar，特別有利地高於5bar，尤其甚至高於150bar。用於這種實施形式的特別有利的冷卻劑是包含氦、氖、氮和/或氫的冷卻劑。導入第一內部空腔的氣體的溫度可以有利地高於250K，其中，儘管如此仍可以在通過轉子內部的至少一個節流機構膨脹之後達到低於45K的冷卻劑溫度。

備選地，冷卻劑也可以作為液態冷卻劑饋送到第一內部空腔中並且接著在第一內部空腔的蒸發區域中蒸發。在此形成的優點也類似於冷卻設備的相應實施形式的優點。

以下根據一些優選實施例參照附圖闡述本發明。在附圖中：

圖1示出燃氣和蒸汽發電設備的能量轉換設備的示意性縱剖面；

圖2示出按照第一實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面；

圖3示出按照第二實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面；

圖4示出按照第三實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面並且

圖5示出按照第四實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面。

圖1示出燃氣和蒸汽發電設備的能量轉換設備2的示意性縱剖面。能量轉換設備包括作為燃氣輪機工作的第一渦輪機23和作為蒸汽輪機工作的第二渦輪機25。在兩個渦輪機23和25之間布置一電機20，在此是發電機，其具有處於內部的轉子3和包圍該轉子3的定子21。轉子3和兩個與其相鄰的渦輪機23和25能圍繞轉子軸線5旋轉地支承地布置在共同的軸7上。在此，軸7在旋轉的部件之間實現機械耦合併且傳遞扭矩。由於布置在共同的軸7上，兩個渦輪機23和25可以和發電機的轉子3同步地旋轉。在圖1所示的例子中，軸7由三個區段組成，它們分別通過法蘭聯軸器27相連。然而備選地，軸7也可以例如由單獨的連續的構件製造。所示的布置相應於組合發電站的所謂的單軸布置(英語：Single-Shaft Configuration)，其中，燃氣輪機23和蒸汽輪機25用於驅動轉子3，並且由此兩個渦輪機通過相同的軸7驅動相同的發電機20。在此，通過燃氣在燃氣輪機中的燃燒在軸上產生機械功率，並且機械功率的另一部分在蒸汽輪機中產生。為了產生為此所需的蒸汽，可以將來自燃氣輪機的熱廢氣例如在廢熱蒸汽鍋爐中用於產生水蒸氣。蒸汽可以在蒸汽輪機中膨脹減壓並且由此附加地向軸輸出機械功率。軸上承接的機械功率在發電機中轉換為電功率。將兩個渦輪機布置在共同的軸上可以實現發電設備的特別有效的運行以及減少所需的發電機部件。以下描述的冷卻設備1的實施例可以例如使用在這種組合的燃氣和蒸汽發電設備中。

在圖2中示出按照本發明的第一實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面。又顯示了具有兩個渦輪機23和25的能量轉換設備2，在所述渦輪機之間，發電機的轉子3布置在共同的軸7上。轉子具有至少一個待冷卻部件33，其應通過能量轉換設備2的冷卻設備1冷卻，並且在本實施例中設計為超導的線圈繞組4。所述線圈繞組4需要冷卻到處於製冷溫度範圍內的運行溫度，以使發電機有效地運行。為此設置冷卻設備1，其包括靜止的制冷機41和布置在軸7內部的第一內部空腔9。軸7在軸向的第一軸區段7a中設計為空心軸，其中，所述軸區段7a從第一軸端部8a穿過第一渦輪機23延伸至轉子3的內部。因此，通過第一內部空腔9，冷卻劑13可以從固定的制冷機41導入轉子3內部並且從該處出發冷卻超導的線圈繞組4。而軸7的與第一軸區段7a軸向鄰接的區域7b在本實施例中設計為不具有內部空腔的實心軸。

在所示的第一實施例中，第一軸端部8a配設有用於饋送冷卻劑13的裝置17。在本實施例中其指的是固定的管，其在第一軸端部處伸入第一內部空腔9中。在所述管中將液態冷卻劑13a、在本實施例中為液化的氖從制冷機41的冷凝區域16導入軸內部。所述管可以作為固定的管在旋轉的軸內部延伸，或者其可以通過旋轉密封件耦連在旋轉的管部件上，或者液態冷卻劑13a可以在包圍管的較大的空腔中沿軸向朝向轉子3流動。尤其如果冷卻劑管在軸內部延伸並且略微下降地設計，則可以例如通過重力支持流動。作為備選或補充，液態冷卻劑朝向轉子的流動可以通過毛細力支持和/或在軸的內部空腔的錐形構造中通過離心力支持。在所有這些實施變型方案中，液態冷卻劑13a通過軸7的內部空腔9到達轉子3內部的區域11，所述區域在此具有蒸發區域15，在所述蒸發區域中空腔9的外壁與轉子3的待冷卻對象33或者多個待冷卻對象熱學相連。所述熱學連接在所示實施例中通過由導熱能力良好的材料製成的熱傳導元件35實現，由此形成從超導的線圈繞組4朝向內部空腔9的蒸發區域15的熱流36。在該處，液態冷卻劑13通過在熱傳遞區域28中吸熱而蒸發，並且形成的氣態冷卻劑13可以通過相同的內部空腔9朝第一軸端部8a的方向沿軸向返回。

在第一軸端部8a的區域中，軸7的外殼罩通過旋轉密封件19與外管32相連，因此氣態冷卻劑13b在外管中朝向位置固定的制冷機41的冷卻頭14導引，其在冷卻頭中在冷凝區域16中冷凝並且再次以封閉循環的方式導入用於將冷卻劑13饋送到軸7內的裝置17中。總地來說也就是通過在軸7內部傳輸的冷卻劑13冷卻轉子3的待冷卻部件33，其中，冷卻劑沿軸嚮導引穿過第一渦輪機23。在所示的第一實施例中，冷卻劑在相同的第一軸端部8a處導入和再次導出。軸的內部空腔9在此用作熱管，在所述熱管中既將液態冷卻劑13a導向轉子3，也將氣態冷卻劑13b傳輸離開轉子。

在圖3中示出按照備選的第二實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面。彼此相應的部件一般分別配設有相同的附圖標記並且起到與前述附圖中類似的作用。在第二實施例中，冷卻劑13也在相同的第一軸端部8a處饋送並且再次導出。在此，軸也在處於所述第一軸端部8a與轉子內部之間的第一軸區段7a中設計為空心軸，而其在與第一軸區段連接的軸區段7b中設計為實心的。然而與第一實施例不同，冷卻劑13不是作為液態冷卻劑，而是作為處於提高的壓力下的氣態冷卻劑13b導入第一軸端部中。在此，用於饋送冷卻劑的裝置設計為高壓管路45，其中，高壓管路45的固定的外部部分在第一軸端部的區域中通過抗壓的旋轉密封件19a與高壓管路45a的處於軸7內部的旋轉部分相連。

在軸7內部，第一內部空腔9通過高壓管路的可旋轉的延伸45a的內部形成。通過所述空腔9在壓力下將氣態的壓縮的冷卻劑13b、在此是氖導引至節流機構30，所述節流機構布置在轉子3內部。通過例如設計為膨脹閥的節流機構30，使處於壓力下的氣體13b膨脹進入第二內部空腔10。在該第二內部空腔10中，氣態冷卻劑冷卻為比處於壓力下的第一內部空腔9中冷卻劑的溫度明顯更低的溫度。第二內部空腔10的熱傳遞區域28與轉子3的待冷卻部件33熱學接觸。在本實施例中，所述熱學接觸也通過熱傳導元件35實現。在所述區域28中，當前膨脹後減壓的氣態冷卻劑13b升溫並且接著通過包圍高壓管的第二內部空腔10的延伸部沿軸向又導引回第一軸端部8a。兩個冷卻劑管路9和10的所示共軸布置的優點在於，回流的膨脹的氣體即使在熱傳遞區域28中進行熱交換之後也可以具有比處於壓力下的氣體13b更低的溫度並且因此能夠以熱交換的方式對流入的氣體進行預冷卻。此外通過在外部流動的已經膨脹的氣體有利地減少了處於壓力下的氣體與軸的可能更熱的外殼罩的直接熱學相互作用。相宜地，所述外殼罩在所述和所有其它實施例中通過在此未示出的真空絕緣件和/或其它方式的熱絕緣件相對內部的冷卻劑管路9和10熱絕緣。

第二內部空腔10中的膨脹的氣態冷卻劑在第一軸端部8a處經由旋轉密封件19返回進入冷卻設備的外部低壓管路47中，其導引至在圖3中僅示意性示出的制冷機41，所述制冷機在本實施例中設計為具有壓縮機的壓縮制冷機。膨脹的氣體在壓縮機中被重新壓縮，其中，在壓縮中釋放的熱量又通過制冷機41的在此未示出的其它部件從氣體中提取出。壓縮的氣態冷卻劑從壓縮機再次饋送到高壓管路45中並且由此形成封閉的冷卻劑循環。

在圖4中示出按照本發明的第三實施例的冷卻設備1的示意性縱剖面。在本實施例中，軸7在其整個軸向長度上設計為空心軸，其中，在第一軸端部8a處布置有用於饋送冷卻劑13的裝置17並且在對置的第二軸端部8b處布置有用於導出冷卻劑的裝置18。為此，在第一軸端部8a處，高壓管路45通過抗壓的旋轉密封件19a與軸7的第一內部空腔9相連。在第二軸端部8b處，低壓管路47以類似的方式通過旋轉密封件19與軸7的第二內部空腔10相連。在低壓管路47與高壓管路45之間又布置有帶壓縮機的制冷機41，在壓縮機中將低壓管路47的氣態冷卻劑壓縮至更高的壓力並且隨即饋送到高壓管路45中。在此也通過管路和壓縮機形成封閉的冷卻劑循環，其中，再次在制冷機41的區域內例如通過冷卻體從氣體中提取熱量，通過所述冷卻體將熱量傳遞至外部環境。

處於壓力下的氣體通過第一內部空腔9穿過第一渦輪機23導引至轉子3的內部，在該處氣體又通過節流機構30膨脹，其中，氣體同時冷卻。在此，由此冷卻的氣體也在熱傳遞區域28內與一個或多個熱傳導元件35熱學接觸，所述熱傳導元件又與轉子3的待冷卻部件33熱學耦連。在膨脹之後，氣態冷卻劑13b接著在軸7的軸向鄰接區域中在第二內部空腔10中導引穿過第二渦輪機25並且朝第二軸端部8b導引。在所述第三實施形式中，在熱傳遞區域28中略微升溫的、但仍較冷的膨脹氣體10不能用於對流入的處於壓力下的氣體進行預冷卻。但其原則上可以用於冷卻與第二內部空腔10鄰接的其它部件。但兩個內部空腔9和10一般也可以相對於軸的環繞的外殼罩熱絕緣，例如通過包圍的真空絕緣件或者其它熱絕緣件，它們在附圖中出於直觀性原因沒有顯示。在這種設計方案中，冷卻劑13隻用於冷卻轉子3的單獨部件33，並且向冷卻劑13的熱量引入在整體上儘可能保持較低。

在圖5中示意性示出備選的第四實施例。在本實施例中，氣態冷卻劑13通過軸7的整個軸向長度的流動和處於壓力下的氣體在轉子3內部的膨脹與圖4所示的第三實施例類似地設計。但區別在於，在此在第二內部空腔10的區域中在所述空腔10的外壁與軸的軸承39之間布置有附加的熱學耦合裝置。在所示實施例中其是指第二渦輪機25區域中的軸軸承39。這種軸軸承一般在能量轉換設備運行時升溫，並且流出的仍較冷的氣體可以有利地用於對這些較熱的部件進行附加冷卻。通過回流到制冷機的冷卻劑13和/或也已經通過從制冷機流入的冷卻劑進行的軸軸承冷卻的相似形式也可以作為其它所述實施形式的有利變型方案實現，也就是例如也與用於通過蒸發區域冷卻轉子部件的熱管相結合和/或在冷卻劑在軸的相同側導入和再次導出的實施形式中實現。

在所有所述的變型方案中，軸的一個或多個內部空腔9和10在其軸向長度的較大一部分上延伸。因此，至少一個第一空腔9延伸穿過第一渦輪機23並且延伸到轉子3的內部區域中。在一些實施形式中，同一或者另一空腔也可以進一步穿過轉子3和第二渦輪機延伸至對置的軸端部。軸7在此一般設計具有連續的外殼罩，或者軸7可以與圖1所示類似地由多個軸區段組成。在此，例如可以使用具有相應的冷卻劑密封件的法蘭聯軸器27，它們也將軸7的內部空腔9和10沿軸向相互連接。備選地，例如也可以只有軸的外殼罩的分區段通過法蘭聯軸器27相連，在軸的內部，連續的管可以延伸經過多個分區段。