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Dokumentenidentifikation DE4031955A1 02.05.1991
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohlleiter stromdurchflossener Spulen
Anmelder Schmidt, Edwin, 3563 Dautphetal, DE
Erfinder Schmidt, Edwin, 3563 Dautphetal, DE
DE-Anmeldedatum 09.10.1990
DE-Aktenzeichen 4031955
Offenlegungstag 02.05.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.05.1991
IPC-Hauptklasse H01F 7/20
IPC-Nebenklasse H01F 7/22   F25B 15/02   F25B 27/00   F25B 33/00   H05B 6/42   H05K 7/20   C10B 53/00   C10B 19/00   F27D 9/00   
IPC additional class // H05H 7/04,G01R 33/38  
Zusammenfassung Bekannterweise wird die entstehende Stromverlustwärme aus elektrischen Hohlleitern mittels Wasserdurchströmung abgeführt, was temperaturbegrenzt nicht zur Tiefkühlung ausreicht.
Auch werden zweckdienlich kryogen verflüssigte Gase angewendet mit erheblichem Kostenaufwand.
Erfindungsgemäß wird das Kältepotential mittels Absorptionskältegenerator erzeugt, der mit Abwärme aus den induktiv erhitzten Stoffen impulsiert wird, wobei der elektrische Hohlleiter als Verdampferrohr fungiert, gegebenenfalls auch eines Kompressionskältegenerators.
Durch die verlustfrei im elektrischen Hohlleiter erzeugte Kälte aus der Abwärme ist auf wirtschaftlicher Basis das Kältepotential sichergestellt, zur intensiven Tiefkühlung von Induktionsspulen für insbesondere Induktionsöfen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohlleiter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbesondere elektrische Induktionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie, oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Graphitpartikelzusatz.

Um stromdurchflossene, elektrische Leiter herrscht ein Magnetfeld. Es entsteht und wirkt unwillkürlich und verursacht auch in Anwendung keinen Stromverbrauch, ist jedoch abhängig vom Stromfluß und die Magnetkraft von der Spannungshöhe. Stromverbrauch entsteht bei Stromfluß ausschließlich durch die Reibung der Strömungselektronen an den Leitermolekülen, dem elektrischen Widerstand, wobei Strömungsenergie teilweise umgewandelt wird in Wärmeenergie, der Stromwärme, die den elektrischen Leiter erwärmt. Die Leitermoleküle dehnen sich durch Wärme und vergrößern dadurch ihren elektrischen Widerstand, wodurch wiederum die Reibung erhöht wird und die Stromwärme steigt, in Kettenreaktion.

Stromstärke erhöht, außer der Magnetkraft, die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen im elektrischen Leiter. Dadurch wird deren Reibeffekt vergrößert, wie dies zusätzlich auch noch die Selbstinduktion bewirkt durch Elektronenerregung, steigend mit der Frequenz.

Die Stromwärme wächst mit dem Quadrat der Stromstärke, wird erzeugt durch den elektrischen Widerstand und ist ausschließlicher Verursacher des Stromverbrauchs.

In metallischen Leitern ändert sich der elektrische Widerstand mit der Leitertemperatur pro Grad um 0,4 bis 0,5%. Durch Kälte schrumpfen die Leitermoleküle. Deren reibungserzeugender Widerstand gegen die Strömungselektronen verkleinert sich und sinkt mit der Temperatur, bis unterhalb der Sprungtemperatur Supraleitung entsteht, bei der die Elektronen reibungsfrei strömen, ohne Stromverbrauch. Daß auch bei Supraleitung ein elektrisches Magnetfeld herrscht, beweist dessen stromverbrauchsfreies Existieren.

Deshalb soll, durch eine Tiefkühlung des elektrischen Hohlleiters, dessen elektrischer Widerstand gesenkt werden und damit schon das Entstehen von Stromverlustwärme weitmöglichst verhindert werden, mit dem Resultat einer Elektrizitätseinsparung bei gleicher Leistung.

Herkömmlich erfolgt die Ableitung nur der entstandenen Stromwärme aus beispielsweise hohlen Leitern von Induktionsspulen mittels Wasserdurchströmung (DPS 11 67 979, DOS 22 60 322) als Kühlmittel. Bekannt ist auch eine zweckdienliche Eintragung von verflüssigten, kryogenen Gasen in die innere Höhlung der elektrischen Hohlleiter.

Nachteilig ist dabei, daß der Wasserkühleffekt stark temperaturbegrenzt ist und damit Tieftemperaturen nicht erzeugt werden können. Auch bei hohem Wasserverbrauch bleibt eine ungleichmäßig erhöhte Leitertemperatur bestehen und damit ein erhöhter Widerstand mit Energieverlust. Der Kühlkreis muß dazu kühleffektbedingt minimiert werden auf teilweise eine Windungsschleife, was pro Windung je zwei Strom- und Wasseranschlüsse erfordert, verbunden mit zusätzlichen Kosten, mehr Platzbedarf und Leckstellengefahr.

Bei der Anwendung verflüssigter, kryogener Gase als Kältemittel, wie N2 oder He, sind insbesondere die hohen Einstandskosten nachteilig. Das niedere Kältepotential der verflüssigten Gase wirkt verbrauchsaufwendig und erhöht die erforderliche Menge Kältemittel. Trotz des tiefen Siedepunkts von -196°C oder -268°C beträgt die benötigte Verdampfungswärme bei N2 nur 199 kJ/kg und bei He lediglich 25 kJ/kg. Das geringe, nach Versiedung noch im gasförmigen Medium vorhandene, Kältepotential entweicht expansionsbedingt größtenteils mit in die Atmosphäre.

Aufgabe der Erfindung ist, die zuvor genannten Nachteile herkömmlicher Verfahren/Vorrichtungen zu beseitigen und eine Leitertiefkühlung sicherzustellen mit permanent intensivem Effekt, technisch unkompliziert und auf wirtschaftlicher Basis mittels kälteerzeugender Anwendung von Wärme.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe damit gelöst, daß das Kältepotential, zur Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter von Spulen, erzeugt wird durch eine kältebereitende Heizeinwirkung, auf den Kocher als Kältemittelbehälter eines wärmeimpulsierbaren Absorbtionskältegenerators, mit der Abwärme aus den induktiv erhitzten Stoffen und/oder mittels induktiver Beheizung des metallenen Kochergehäuses, oder durch offenes Feuer, wie Gasflamme, einer, je nach Gegebenheit oder Erfordernis möglichen Beheizungsart.

Bei der durch Rohre verbundenen, aggregatförmigen Einheit des Absorbtionskältegenerators sind Kocher, Verdichter und Verdampferrohr je separat und abständlich zueinander installierbar.

Vorzugsweise ist die Spule dabei so in dem Umlaufrohrsystem des Kältemittels angeordnet, daß der elektrische Hohlleiter der Spule, direkt oder "indirekt", als Verdampferrohr des Absorbtionskältegenerators fungiert, beziehungsweise mit diesem identisch ist, ausgestattet mit dem einmündenden Expansionsventil, das Kältemittel in das Verdampferrohr entspannt, wo es versiedent Verdampfungskälte erzeugt. Bei "indirekt" ist ein separates Verdampferrohr, von einem dielektrischen Korset umgeben, abständlich zur Innenwand durch die innere Höhlung des elektrischen Hohlleiters geführt.

Alternativ wird dazu auch ein Kompressionskältegenerator verwendet. Bei der induktiven Erhitzung von Metallen in einem dielektrischen Tiegel eines Induktionsofens wird der Kocher, beispielsweise in kugelförmiger Ausbildung im Deckel installiert, unterseitig beheizt. - Alternativ führt ein Flüssigmedium dem abseitigen Kocher die Heizwärme zu, in einem Umlaufrohrsystem mit Hitzekollektor am Ofentiegel. - Dazu ebenfalls geeignet ist ein als ringförmige Röhre gestalteter Kocher, dessen metallener Körper, außer mit der Abwärme as dem Tiegelkörper, auch induktiv beheizt wird. Dazu ist er direkt oberhalb der Spule, anliegend den Tiegelumfang umschließend, oder unmittelbar unterhalb des Tiegelbodens anliegend angeordnet und wird dabei mit Abwärme über den Tiegelkörper beheizt. Je nach veränderbarer Annäherung zur Spule temperaturgeregelt, wird dieser Metallring mäßig in erforderlicher Stärke erwärmt durch elektrische Induktion, weil er sich jeweils im Endbereich des homogenen Magnetfeldes bfindet und dort eine mäßige elektrische Induktion erfährt. Dadurch entsteht kein nennenswerter Stromverbrauch, erfindungsgemäß.

Für Teilchenbeschleuniger ode zur Magnettomographie wird der Kocher, abseits der Spule, mittels Gasflamme beheizt, durch einen entsprechenden Brenner, unterhalb des beispielsweise zylinderförmigen Kochers.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere die ermöglichte Nutzund der Wärme/Abwärme induktiv erhitzter Stoffe, wie beispielsweise aus Metallschmelze, Mitinduktion oder Gasfeuer als Energie zur Erzeugung eines, stets mit demselben Kältemittel kontinuierlich erneuerbaren, direkt am Anwendungsort in dem elektrischen Hohlleiter entstehenden, Kältepotentials, das durch die überschüssige Wärmeenergie fast unbegrenzt verfügbar ist zum Tiefkühlen des elektrischen Hohlleiters als Verdampferrohr. Dazu ist nur eine mäßige Beheizungstemperatur erforderlich. Amoniaklösung als Kältemittel NH3/H2O beispielsweise erzeugt mit 144°C Beheizungstemperatur eine Verdampfungskälte von -33,4°C mit einer, dem elektrischen Hohlleiter entzogenen, Verdampfungswärme von 1368 kJ/kg, Freon CF3Cl erzeugt sogar eine Verdampfungskälte von -81,5°C. Damit ist eine effektive Tiefkühlung sichergestellt, permanent gleichmäßig im gesamten Spulenbereich mit großer Anzahl ununterbrochener Windungen und mit nur zwei Strom- und Kühlmittelanschlüssen. Gegenüber herkömmlicher Wasserkühlung mit einer potentiellen Leitertemperatur von +70°C entsteht gegenüber der erfindungsgemäßen Leitertiefkühlung bei nur -30°C eine Temperaturdifferenz von 100°C, dadurch eine Widerstandssenkung von circa 50% mit einer entsprechenden Einsparung an Elektrizität bei gleicher Leistung. Es wird so, in vorteilhafter Weise, mit Abwärme, wie "fiktiv" üblich, nicht Elektrizität erzeugt, sondern ergebnisreicher elektrische Energie eingespart, durch kostenfreie Senkung des elektrischen Widerstands in erfindungsgemäß tiefgekühlten Spulen.

Der, die Anwendungsexpansion der Induktionsöfen behindernde, ungünstige Faktor "Energiekosten" kann anderen Schmelzverfahren weitgehend angeglichen werden.

Nachstehend ist die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel näher erläutert anhand der Zeichnung, deren einzige Figur einen schematischen Verfahrensablauf darstellt.

Mit der Abwärme der in einem Induktionsofen (1) induktiv erhitzten Stoffe wird der beispielsweise am Deckel (2) installierte Kocher (3) des Absorbtionskältegenerators beheizt. Das darin befindliche Kältemittel verdampft dadurch, wird durch Druck und Luftkühlung im Verdichter kondensiert und mittels Expansionsventil (4) durch ein dielektrisches Rohrzwischenstück (5) in den elektrischen Hohlleiter (6) als Verdampferrohr entspannt, wo es versiedend Verdampfungskälte erzeugt mit tiefkühlendem Effekt. Durch das dielektrische Rohrzwischenstück (7) und Rückführleitung strömt das gebrauchstemperierte Kältemittel gasförmig wieder in den Kocher (3) zurück und geht, angesaugt von dem abgeschwächten Kältemittellösungskonzentrat, mit demselben wieder in Lösung, zum Neuumlauf durch Beheizung. Die Funktion erfolgt selbsttätig. Stromanschluß erfolgt an beiden Enden der elektrischen Hohlleitung (nicht gezeichnet).


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren und Vorrichtung zum Tiefkühlen elektrischer Hohlleiter stromdurchflossener Spulen, die zur Erzeugung elektrischer Magnetfelder angewendet werden, insbesondere elektrische Induktionsspulen für Teilchenbeschleuniger und die Magnettomographie, oder zur induktiven Erhitzung von Metallen in Induktionsöfen und zur induktiven Pyrolyse von Abfallstoffen mit Metall- oder Graphitpartikelzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältepotential, zur Tiefkühlung elektrischer Hohlleiter von Spulen, erzeugt wird durch eine kältebereitende Heizeinwirkung, auf den Kocher als Kältemittelbehälter eines wärmeimpulsierbaren Absorbtionskältegenerators, mit der Abwärme aus den induktiv erhitzten Stoffen und/oder mittels induktiver Beheizung des metallenen Kochergehäuses, oder durch offenes Feuer.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Hohlleiter der Spule, direkt oder indirekt als Verdampferrohr eines Kältegenerators fungiert, beziehungsweise mit dem Verdampferrohr identisch ist, zu dem das Expansionsventil des Kältegenerators einmündend angeordnet ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Hohlleitung der Spule mit der Kälte innen Wärme entzogen wird, die ein Absorbtionskältegenerator mit der Wärme/Abwärme induktiv beheizter Stoffe erzeugt, oder anderer Wärmequelle.






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