WO2024256434A1

WO2024256434A1 - Pump for a cryogenic liquid

Info

Publication number: WO2024256434A1
Application number: PCT/EP2024/066166
Authority: WO
Inventors: Tabea Arndt
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2023-06-15
Filing date: 2024-06-12
Publication date: 2024-12-19
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: DE102023115683A1

Abstract

The invention relates to a pump for a cryogenic liquid in a conveying pipe (7), the pump comprising an electric motor, the electric motor comprising: a motor stator (9) as a part of the conveying pipe or around the conveying pipe; a rotor (1) inside the conveying pipe and the motor stator, the rotor comprising a motor rotor (3) and at least one fluid-mechanical conveying element (4) for converting a rotation of the rotor into a fluid flow in the conveying pipe; and a rotary bearing arrangement (2, 8) for the rotor; wherein the motor rotor (3) comprises a squirrel-cage rotor consisting of a high-temperature superconductor (HTS), and the motor stator (9) is operable with an alternating electromagnetic field.

Description

PUMPE FÜR EINE KRYOGENE FLÜSSIGKEIT PUMP FOR A CRYOGENIC LIQUID

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für eine kryogene Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung, in einem Förderrohr mit einem Motor gemäß des ersten Patentanspruchs. The invention relates to a pump for a cryogenic liquid or liquid mixture in a conveyor pipe with a motor according to the first patent claim.

Kryogene Flüssigkeiten sind durch eine Kühlung verflüssigte Stoffe mit Siedetemperaturen insbesondere unterhalb von 150 Kelvin. Im Rahmen dieser Anmeldung schränken sich diese kyro- genen Flüssigkeiten zudem auf die Stoffe ein, die einen Schmelzpunkt unterhalb der Sprungtemperatur T_c von Supraleitern aufweisen. Die Sprungtemperatur Tc liegt im Rahmen dieser Anmeldung bevorzugt zwischen 40K und 110K (aktuelle Obergrenze von 110K durch HTS BSCCO gegeben, keine HTS mit höheren Sprungtemperatur bekannt) . Wichtige kryogene Flüssigkeiten sind insbesondere Helium (Siedepunkt 4,222 K) , Wasserstoff (Siedepunkt 20,268 K) , Stickstoff (Siedepunkt 77,35 K) , Argon (Siedepunkt 87,15 K) oder Sauerstoff (Siedepunkt 90,18 K) . Cryogenic liquids are substances that have been liquefied by cooling and have boiling points, in particular below 150 Kelvin. In the context of this application, these cryogenic liquids are also restricted to substances that have a melting point below the transition temperature T _c of superconductors. In the context of this application, the transition temperature T c is preferably between 40K and 110K (current upper limit of 110K given by HTS BSCCO, no HTS with higher transition temperatures known). Important cryogenic liquids are in particular helium (boiling point 4.222 K), hydrogen (boiling point 20.268 K), nitrogen (boiling point 77.35 K), argon (boiling point 87.15 K) or oxygen (boiling point 90.18 K).

Viele herkömmliche Pumpen für kryogene Flüssigkeiten in einem kryogenen Leitungssystem sind derart konstruiert, dass ein Pumpenkörper wie z.B. eine im Leitungssystem durch einen Motor außerhalb des Leitungssystem angetrieben wird. Zum Einsatz kommen beispielsweise Kreiselpumpen. Zur Kraftübertragung kommen dabei zumeist mechanische Elemente zum Einsatz, die in nachteilhaf ter Weise eine Wärmebrücke aus dem kryogenen Leitungssystem darstellen und Wärmeverluste im Kalten verursachen. Dies begrenzt auch die Effizienz der Pumpe. Many conventional pumps for cryogenic liquids in a cryogenic piping system are designed in such a way that a pump body, such as one in the piping system, is driven by a motor outside the piping system. Centrifugal pumps are used, for example. Mechanical elements are usually used to transmit power, which disadvantageously represent a thermal bridge from the cryogenic piping system and cause heat losses in the cold. This also limits the efficiency of the pump.

US 11242853 B2 offenbart beispielhaft eine Pumpe für flüssige Kältemittel mit einem Pumpenkörper, der über mechanische Übertragungsmittel von einem Motor im Pumpengehäuse angetrieben wird . In DE 1 653 448 Al wird eine Pumpe für kryogene Flüssigkeiten mit einem Kolben aus einem supraleitenden Material of fenbart . Der Kolben ist in einem Zylinder angeordnet , an dessen Enden sich j eweils ein freies Volumen mit j e einem Einlass und einem Auslassventil für die Flüssigkeiten anschließt . Mittels eines elektromagnetischen Wechsel feldes wird der Kolben hin- und herbewegt wobei die beiden freien Volumina sich zyklisch vergrößern und verkleinern und über die Ventile eine Pumpwirkung hervorrufen . US 11242853 B2 discloses, by way of example, a pump for liquid refrigerants with a pump body which is driven by a motor in the pump housing via mechanical transmission means. DE 1 653 448 A1 discloses a pump for cryogenic liquids with a piston made of a superconducting material. The piston is arranged in a cylinder, at each end of which there is a free volume with an inlet and an outlet valve for the liquids. The piston is moved back and forth by means of an alternating electromagnetic field, whereby the two free volumes cyclically increase and decrease and cause a pumping effect via the valves.

Auch in der DE 10 2008 011 456 Al wird eine frei schwingende Kolbenpumpe für kryogene Flüssigkeiten of fenbart , angetrieben durch einen elektrodynamischen Linearmotor . DE 10 2008 011 456 Al also discloses a freely oscillating piston pump for cryogenic liquids, driven by an electrodynamic linear motor.

Kolbenpumpen erzeugen j edoch im Gegensatz zu Kreiselpumpen keine konstanten, sondern pulsierende Flüssigkeitsströme . However, unlike centrifugal pumps, piston pumps do not produce constant but pulsating fluid flows.

Pumpen für Kryogene sollen tiefkalte Flüssigkeiten ( oder Gase ) möglichst ef fi zient und mit minimalem Wärmeeintrag transportieren . Wärmelasten bilden sind insbesondere durch Pumps for cryogenics are designed to transport extremely cold liquids (or gases) as efficiently as possible and with minimal heat input. Heat loads are particularly caused by

- Kältebrücken durch mechanische und/oder elektrische Komponenten von warm nach kalt ( z . B . Leitungen, Durchführungen, Wellen, Lager ) sowie - Thermal bridges caused by mechanical and/or electrical components from warm to cold (e.g. cables, bushings, shafts, bearings) and

- Wärme , die durch die beweglichen Teile in der Flüssigkeit selbst erzeugt werden ( z . B . Strömungswiderstände , Reibung, ohm' sehe Verluste/Wärme , Wechsel feldverluste ) - Heat generated by the moving parts in the fluid itself (e.g. flow resistance, friction, ohmic losses/heat, alternating field losses)

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Pumpe für eine kryogene Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung vorzuschlagen, die sich für die Erzeugung eines konstanten Flüssigkeitsstroms bei gleichzeitig reduzierten Wärmeverlusten eignet . Die Aufgabe wird mit einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Unteransprüche mit Rückbezug auf diesen geben vorteilhafte Ausgestaltungen wider . Based on this, one object of the invention is to propose a pump for a cryogenic liquid or liquid mixture which is suitable for generating a constant liquid flow while reducing heat losses. The object is achieved with a pump having the features of claim 1. Subclaims with reference to this describe advantageous embodiments.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Pumpe für eine Flüssigkeit in einem Förderrohr mit einem Elektromotor vorgeschlagen . Die Pumpe umfasst einen Motorstator, einen Rotor und eine Rotationslagerung für den Rotor . Wesentlich ist , dass der Motorstator einen Teil des Förderrohrs bildet oder um das Förderrohr angeordnet ist . Der Rotor umfasst einen Motorrotor sowie mindestens ein fluidmechanisches Förderelement für eine Wandlung einer Rotation des Rotors in einer Fluidströmung im Förderrohr . Der Rotor befindet sich komplett im Innern des Förderrohrs , zumindest der Motorrotor auch innerhalb des Motorstators . Der Rotor ist durch die Rotationslagerung vorzugsweise um eine Rotationsachse drehbar und konzentrisch zum umgebenden und vorzugswiese geraden Förderrohrabschnitt gelagert . To solve the problem, a pump for a liquid in a conveyor pipe with an electric motor is proposed. The pump comprises a motor stator, a rotor and a rotary bearing for the rotor. It is important that the motor stator forms part of the conveyor pipe or is arranged around the conveyor pipe. The rotor comprises a motor rotor and at least one fluid-mechanical conveyor element for converting a rotation of the rotor into a fluid flow in the conveyor pipe. The rotor is located completely inside the conveyor pipe, at least the motor rotor is also located inside the motor stator. The rotor is preferably rotatable about a rotation axis by means of the rotary bearing and is mounted concentrically to the surrounding and preferably straight conveyor pipe section.

Ein wesentlicher Grundgedanke liegt somit in der Integration des Antriebsmotors im Förderrohr, wobei der Stator um die Leitung angeordnet ist oder die Förderrohrwandung bildet und der Rotor in der Leitung angeordnet ist und zumindest der Motorrotor in dieser im Magnetfeld des Stators drehbar gelagert eine Drehbewegung aus führt . Rotor, fluidmechanisches Förderelement und eventuelle mechanische Elemente dazwischen bilden allein die mechanisch rotierenden Teile , die komplett im Förderrohr angeordnet sind . Sie werden durch den Flüssigkeitsstrom umströmt und sind in vorteilhafter Weise schon gar nicht geeignet , eine Kältebrücke zwischen Flüssigkeitsstrom und Umgebung außerhalb des Förderrohrs zu bilden . A key basic idea is therefore the integration of the drive motor in the conveyor pipe, whereby the stator is arranged around the pipe or forms the conveyor pipe wall and the rotor is arranged in the pipe and at least the motor rotor rotates in the pipe in the magnetic field of the stator. The rotor, fluid-mechanical conveyor element and any mechanical elements in between are the only mechanically rotating parts that are arranged entirely in the conveyor pipe. The liquid flow flows around them and are advantageously not at all suitable for forming a cold bridge between the liquid flow and the environment outside the conveyor pipe.

Ein wesentliches Merkmal der Pumpe betri f ft den Motorrotor, der einen Käfigläufer aus einem Hochtemperatursupraleiter (HTS ) , vorzugsweise bandförmiges HTS RE- 123 (REBaCuO) , bandförmiges HTS Bi-2223 oder Bi-2212 ( j eweils Verbindungen aus BiSrCaCuO) , umfasst , der bevorzugt durch die kryogene Flüssigkeit , die den Rotor mit dem Motorrotor umspült , unter seine kritische Sprungtemperatur herunterkühlbar ist . Die kryogene Flüssigkeit sorgt so für einen verschwindenden Widerstand im HTS und ermöglicht so ein Betreiben der HTS beispielsweise in der sog . Shubnikov-Phase mit nicht-verschwindender Magnetisierung und Verlust freien Stromdichten . Wärmelasten durch ohm' sehe Verluste werden so drastisch reduziert . Ein weiteres wesentliches Merkmal umfasst den Motorstator, der ein rotierendes elektromagnetisches (Wechsel ) feld erzeugt . Er umfasst vorzugsweise Motorstatorwindungen aus Kupfer . Eine damit ausgestattete Pumpe umfasst damit einen Käfigläufermotor der besonders ef fektiv und neuartig im synchronen Betrieb (verschwindender Schlupf ) arbeitet . An essential feature of the pump concerns the motor rotor, which has a cage rotor made of a high-temperature superconductor (HTS), preferably strip-shaped HTS RE-123 (REBaCuO), strip-shaped HTS Bi-2223 or Bi-2212 (each a compound of BiSrCaCuO), which can preferably be cooled down to below its critical transition temperature by the cryogenic liquid that flows around the rotor with the motor rotor. The cryogenic liquid thus ensures that the resistance in the HTS disappears and so enables the HTS to be operated, for example, in the so-called Shubnikov phase with non-vanishing magnetization and loss-free current densities. Heat loads due to ohmic losses are thus drastically reduced. Another essential feature is the motor stator, which generates a rotating electromagnetic (alternating) field. It preferably comprises motor stator windings made of copper. A pump equipped with this feature includes a squirrel cage motor which operates particularly effectively and in a novel way in synchronous operation (zero slip).

Käfigläufermotoren weisen einen sog . Käfig im Motorrotor ( Läufer ) mit mehreren am Rotorumfang angeordneten Streben aus dem vorgenannten HTS auf . Die Streben sind über den Rotorumfang abstandsgleich zueinander verteilt angeordnet und dabei vorzugsweise axial parallel ( oder zur Vermeidung von Rastmomenten mit einem kleinen Winkel ) zur Rotationsachse ausgerichtet . Eine optionale Ausgestaltung sieht einen Käfig mit zwei umlaufenden Endringen vor, die weiter bevorzugt ebenfalls aus dem vorgenannten HTS bestehen und die j eweilig eines der beiden Enden aller Streben miteinander kurzschließen . Vorzugsweise sind Streben und Endringe einstückig oder bilden eine zusammenhängende Beschichtung . Squirrel cage motors have a so-called cage in the motor rotor (rotor) with several struts made of the aforementioned HTS arranged around the rotor circumference. The struts are distributed at equal distances from one another around the rotor circumference and are preferably aligned axially parallel (or at a small angle to avoid cogging torques) to the axis of rotation. An optional design provides a cage with two circumferential end rings, which are also preferably made of the aforementioned HTS and which each short-circuit one of the two ends of all the struts. The struts and end rings are preferably one piece or form a continuous coating.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht längsgeschlit zte Streben auf . Die Streben weisen dabei bevorzugt nur einen mittigen Längsschlitz auf , der die Strebe in zwei Halbstreben teilt , die weiter bevorzugt j eweils einen gleichbleibenden und gleichen Querschnitt aufweisen . In der bevorzugten Ausgestaltung verbleiben die Enden der Streben ungeschützt , wobei die vorgenannten Endringe weiter bevorzugt entfallen . Jede dieser Streben bildet dann einen supraleitenden Ringleiter ; der Motorrotor ist durch die Verwendung von HTS damit ein synchron arbeitender Kurzschlussläufer . Stromzuführungen zum Motorrotor sind nicht erforderlich . Die Breite der Schlitze sowie die Abstände der nichtverbundenen Strebenpaare in Umfangsrichtung bestimmen die Pol zahl und die magnetischen Flußdichten über den Rotormantel . A preferred embodiment provides for longitudinally slotted struts. The struts preferably have only one central longitudinal slot, which divides the strut into two half-struts, which more preferably each have a constant and identical cross-section. In the preferred embodiment the ends of the struts remain unprotected, whereby the aforementioned end rings are preferably omitted. Each of these struts then forms a superconducting ring conductor; the use of HTS means that the motor rotor is a synchronously operating squirrel-cage rotor. Power supplies to the motor rotor are not required. The width of the slots and the distances between the unconnected strut pairs in the circumferential direction determine the number of poles and the magnetic flux densities across the rotor casing.

Ein weiterer Grundgedanke der Lösung liegt in der thermischen Zweiteilung der Pumpe in einen kälteren kryogenen Bereich mit Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur des im Rotor eingesetzten HTS sowie einen wärmeren Bereich mit Temperaturen oberhalb der genannten Sprungtemperatur, vorzugsweise Umgebungstemperatur . Der kältere kryogene Bereich umfasst den vollständig im Innern des Förderrohrs angeordneten und dort von der kryogenen Flüssigkeit umspülten Rotor, der dann in vorteilhafter Weise supraleitend betreibbar ist . Im wärmeren Bereich sind dagegen der Motorstator und die Lagerstatoren bevorzugt mit Kupferwindungen zur Erzeugung von auf den Rotor wirkenden Magnetfeldern angeordnet , die dann bevorzugt im nicht supraleitenden Temperaturbereich betreibbar sind (Vorteil : geringere kryotechnisch bedingten Verluste ) . Besonders vorteilhaft hierbei ist das Fehlen von Festkontakte wie z . B . elektrisch Schlei fkontakte , Wellendurchführungen oder Wäl zoder Gleitlager durch die Förderrohrwandung zum Rotor, als mögliche Wärmeübertragungsbrücken zwischen den beiden vorgenannten Bereichen . Another basic idea behind the solution lies in the thermal division of the pump into a colder cryogenic region with temperatures below the transition temperature of the HTS used in the rotor and a warmer region with temperatures above the aforementioned transition temperature, preferably ambient temperature. The colder cryogenic region comprises the rotor, which is arranged completely inside the conveyor pipe and is surrounded by the cryogenic liquid there, and can then advantageously be operated in a superconducting manner. In the warmer region, on the other hand, the motor stator and the bearing stators are preferably arranged with copper windings to generate magnetic fields acting on the rotor, which can then preferably be operated in the non-superconducting temperature range (advantage: lower cryogenic losses). A particularly advantageous feature here is the lack of fixed contacts such as electrical sliding contacts, shaft feedthroughs or rolling or plain bearings through the conveyor pipe wall to the rotor, as possible heat transfer bridges between the two aforementioned regions.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Käfigläufermotoren folgen die vorgeschlagenen Ausgestaltungen nicht der allgemeinen Topologie von konventionellen Rotoren; die Streben und Endringe weisen insbesondere keine elektrische Kontaktierung und damit im vorgeschlagenen Einsatzbereich in vorteilhafter Weise auch keine Wärmeübertragungselemente aus dem Förderrohr auf . Es ist indi ziert , dass bei den vorgeschlagenen Käfigläufern aufgrund der stabilen Magnetisierung des synchronen Statorfeldes auf Endringe verzichten werden kann . In contrast to conventional squirrel cage motors, the proposed designs do not follow the general topology of conventional rotors; the struts and end rings in particular have no electrical contact and thus, in the proposed application area, are also advantageous no heat transfer elements from the conveyor pipe. It is indicated that end rings can be dispensed with in the proposed squirrel cage rotors due to the stable magnetization of the synchronous stator field.

Konventionelle Käfigläufermotoren der zuvor vorgeschlagenen Ausgestaltungen sind ausschließlich als Asynchron-Motoren betreibbar ; der vorgeschlagene und beanspruchte Motor arbeitet dagegen nur transient asynchron, im eingeschwungenen Zustand dann aber synchron . Ein im Förderrohr eingesetzter Motorrotor erfordert dabei weder eine elektrische noch im Falle einer kontaktlosen Lagerung ( z . B . bei magnetischer Lagerung oder Strömungslagerung) eine mechanische Verbindung, sondern wird vollständig durch die kryogenen Flüssigkeit ummantelt . Conventional squirrel cage motors of the previously proposed designs can only be operated as asynchronous motors; the proposed and claimed motor, on the other hand, only operates transiently asynchronously, but then synchronously in the steady state. A motor rotor inserted in the conveyor pipe requires neither an electrical connection nor, in the case of contactless bearings (e.g. with magnetic bearings or flow bearings), a mechanical connection, but is completely encased in the cryogenic liquid.

In konventionellen Käfigläufermotoren ist die mechanische Wellenarbeit E_mechan ist identisch mit der im Käfigläufer dissi- pierten ohm' sehen Wärme E_ohm = RI² , die in die umgebende Flüssigkeit abgegeben wird . Letztere fällt allerdings nur dann an, wenn die vorgenannten Streben und Ringleiter aus nicht supraleitenden Materialien bestehen . In kryogenen Flüssigkeiten wie z . B . auch bei der vorliegenden Verwendung als Kyropumpe verbietet sich folglich der Einsatz von Motorrotoren mit nicht supraleitenden Materialien aufgrund der dabei entstehenden und durch die Flüssigkeit auf zunehmende Wärme . Zwar erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen bei Abkühlung, j edoch verbleibt ein ohm' scher Restwiderstand . Dieser wird oft durch den RRR-Wert (Residual-Resistance-Ratio : Verhältnis von Raumtemperaturwiderstand zum Widerstand bei T = 4.2 K) angegeben . RRR-Werte zwischen 100 und 200 sind für sehr reine Metalle erreichbar . Verbunden mit dem elektrischen Restwiderstand R bei Betrieb mit einem elektrischen Strom / ist die ohm' sehe Wärmelast E_ohm RI . Ferner verlieren herkömmliche Ferrit-Magnete ( in einem konventionellen, permanent-magnetisch erregten Rotor ) bei Temperaturen unter — 40°C dauerhaft ( irreversibel ) einen Teil der Magnetisierung, sind also für tiefkalte Flüssigkeiten nicht geeignet . Auch alternative Neodym-Magnete zeigen einen nichtlinearen Verlauf der Magnetisierung bei abnehmender Temperatur, was auch deren Verwendung ausschließt . Allerdings reduziert sich die Magnetisierung bei kryogenen Temperaturen unter - 138 ° C reversibel durch eine Änderung der Magnetisierungsrichtung um ca . 10 bis 20% . Weiterhin ist eine Verschlechterung (Versprödung) der mechanischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen zu berücksichtigen . Ein Einsatz von Permanent-Magneten im Motorrotor von Kryofluidpumpen ist zwar grundsätzlich möglich, reduziert aber deren Leistungsvermögen bei in krogenen Flüssigkeiten vorherrschenden tiefen Temperaturen signi fikant . In conventional squirrel cage motors, the mechanical shaft work E _mechan is identical to the ohmic heat E _ohm = RI ² dissipated in the squirrel cage motor and released into the surrounding liquid. The latter only occurs, however, if the aforementioned struts and ring conductors are made of non-superconducting materials. In cryogenic liquids, such as the present use as a cryopump, the use of motor rotors with non-superconducting materials is therefore prohibited due to the heat generated and dissipated by the liquid. Although the electrical conductivity of metals increases when they cool, a residual ohmic resistance remains. This is often given by the RRR value (residual resistance ratio: ratio of room temperature resistance to resistance at T = 4.2 K). RRR values between 100 and 200 are achievable for very pure metals. Associated with the residual electrical resistance R when operated with an electric current / is the ohmic heat load E _ohm RI . Furthermore, conventional ferrite magnets (in a conventional, permanently magnetically excited rotor) permanently (irreversibly) lose some of their magnetization at temperatures below -40°C and are therefore unsuitable for cryogenic liquids. Alternative neodymium magnets also show a non-linear magnetization curve as the temperature decreases, which also rules out their use. However, at cryogenic temperatures below -138 °C the magnetization is reversibly reduced by around 10 to 20% by a change in the direction of magnetization. A deterioration (embrittlement) of the mechanical properties at low temperatures must also be taken into account. The use of permanent magnets in the motor rotor of cryogenic fluid pumps is possible in principle, but significantly reduces their performance at the low temperatures prevailing in cryogenic liquids.

Der Motorrotor umfasst vorzugsweise zumindest eines der fluidmechanischen Förderelemente und/oder Verbindungsmittel zwischen Motorrotor und dem mindestens einen fluidmechanischen Förderelement . Die Verbindungmittel bilden eine bevorzugt starre Koppelung von Motorrotor und Förderelemente in der Pumpe . The motor rotor preferably comprises at least one of the fluid-mechanical conveying elements and/or connecting means between the motor rotor and the at least one fluid-mechanical conveying element. The connecting means form a preferably rigid coupling of the motor rotor and conveying elements in the pump.

Die kryogene Flüssigkeit ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise eine Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung, deren Siedetemperatur sich unterhalb der kritischen Sprungtemperatur des HTS der Streben und der Endringe befindet . Die kryogene Flüssigkeit befindet sich während der Verwendung der Pumpe zur Förderung dieser im Förderrohr in einem flüssigen Aggregats zustand, d . h . gemeinsam mit dem Motorrotor in einem Temperaturbereich unterhalb der kritischen Sprungtemperatur . In vorteilhafter Weise werden die supraleitenden Eigenschaften des Motorrotors durch den kryogenen Fluidstrom sichergestellt und zugleich außer der Förderrohrwandung keine Kältebrücke er- zeugt . Bevorzugt ist der Motorstator mit einem elektromagnetischen Wechsel feld betreibbar, wobei die Wechsel feldfrequenz zusammen mit den Nut- und Pol zahlen die Drehzahl des Motorrotors vorgibt . Within the scope of the invention, the cryogenic liquid is preferably a liquid or liquid mixture whose boiling point is below the critical transition temperature of the HTS of the struts and the end rings. When the pump is used to convey these in the conveyor pipe, the cryogenic liquid is in a liquid state, i.e. together with the motor rotor, in a temperature range below the critical transition temperature. The superconducting properties of the motor rotor are advantageously ensured by the cryogenic fluid flow and at the same time no cold bridge is created apart from the conveyor pipe wall. Preferably, the motor stator can be operated with an alternating electromagnetic field, whereby the alternating field frequency together with the slot and pole numbers determines the speed of the motor rotor.

Die Lagerungen des Rotors sind vorzugsweise passive Magnetlagerungen als Rotationslagerungen, j eweils mit einem Lagerrotor aus einem supraleitenden Material in einem bevorzugt orts festen Magnetfeld eines Lagerstators . The bearings of the rotor are preferably passive magnetic bearings as rotational bearings, each with a bearing rotor made of a superconducting material in a preferably stationary magnetic field of a bearing stator.

Der Motorrotor ist mit dem Rotor im Förderrohr gelagert , d . h . er ist über eine Rotationslagerung in seiner Beweglichkeit geführt . Die Rotationslagerung weist vorzugsweise eine oder mehrere passive Magnetlagerungen auf . In diesen werden vorzugsweise ein rotierender Lagerrotor aus einem supraleitenden Material als Komponenten des Rotors in einem Magnetfeld eines Lagerstators mit Permanent- und/oder Elektromagneten in oder um das Förderrohr kontaktlos gelagert . Die Lagerrotoren sind in vorteilhafter Weise vollständig im Flüssigkeitsstrom angeordnet und werden durch diesen temperiert . Eine Verwendung von Magnetlagerungen vermeidet oder mindert mechanische Kontakte zu Komponenten, die mit dem Förderrohr oder anderen Bereichen, die gegenüber der Temperatur der kryogenen Flüssigkeit wärmer sind . Damit reduziert sich auch der Wärmeeintrag durch Wärmeleitung in den Rotor . The motor rotor is mounted with the rotor in the conveyor pipe, i.e. its mobility is guided by a rotary bearing. The rotary bearing preferably has one or more passive magnetic bearings. In these, a rotating bearing rotor made of a superconducting material is preferably mounted without contact as a component of the rotor in a magnetic field of a bearing stator with permanent and/or electromagnets in or around the conveyor pipe. The bearing rotors are advantageously arranged completely in the liquid flow and are tempered by it. The use of magnetic bearings avoids or reduces mechanical contact with components that are in contact with the conveyor pipe or other areas that are warmer than the temperature of the cryogenic liquid. This also reduces the heat input into the rotor through heat conduction.

Eine bevorzugte Aus führungs form sieht eine Rotationslagerung für die Rotation des Rotors nur um eine Rotationsachse konzentrisch zum Förderrohr vor . A preferred embodiment provides a rotation bearing for the rotation of the rotor only about a rotation axis concentric to the conveyor pipe.

Verwendet man für den kalten Teil , d . h . den Lagerrotor des Lagers HTS-Magnete , so vermeidet man die Degradation der konventionellen Permanent-Magnete und profitiert vom höheren Magnetisierungspotenzial der HTS . Der wärmere Teil des Magnetlagers umfasst den Lagerstator, bei dem die Magnete vorzugsweise außerhalb des Förderrohrs angeordnet sind und in dieser Position bevorzugt mit konventionellen Magneten und/ oder elektromagnetischen Spulen aus führbar ist . If HTS magnets are used for the cold part, i.e. the bearing rotor of the bearing, the degradation of conventional permanent magnets is avoided and the higher magnetization potential of the HTS is benefited from. The warmer part of the magnetic bearing comprises the bearing stator, where the magnets are preferably are arranged outside the conveyor pipe and in this position can preferably be carried out with conventional magnets and/or electromagnetic coils.

Die Pumpe mit den vorgenannten Merkmalen ist eine Axialpumpe mit einem rotierenden Rotor, die die Fluidströmung im Förderrohr zumindest überwiegend, vorzugsweise vollständig axial fördert , also parallel zur Rotationsachse . Insbesondere wenn die Rotationsachse konzentrisch zum Förderrohr ist , ist für eine Axial förderung in vorteilhafter Weise keine Strömungsumlenkung erforderlich, die durch einen zusätzlichen Strömungswiderstand nur für eine zusätzliche Wärmelast in der zu fördernden kryogenen Flüssigkeit führen würde . The pump with the aforementioned features is an axial pump with a rotating rotor, which conveys the fluid flow in the delivery pipe at least predominantly, preferably completely axially, i.e. parallel to the axis of rotation. In particular, if the axis of rotation is concentric to the delivery pipe, no flow deflection is advantageously required for axial conveying, which would only lead to an additional heat load in the cryogenic liquid to be conveyed due to an additional flow resistance.

Der Motorrotor umfasst im Rahmen einer Ausgestaltung zumindest eines der fluidmechanischen Förderelemente . Sie sind vorzugsweise als Gewindegänge in den Motorrotor eingearbeitet oder als Schaufeln auf diese aufgesetzt oder als Impeller in diese eingesetzt . Ergänzend oder alternativ sind Verbindungsmittel zwischen Motorrotor und dem mindestens einem fluidmechanischen Förderelement vorgesehen . Die Verbindungmittel umfassen bevorzugt die vorgenannte Rotorwelle , die als Träger für den Motorrotor und dem axial vor oder hinter diesem angeordneten mindestens einem Förderelement dient . In one embodiment, the motor rotor comprises at least one of the fluid-mechanical conveying elements. They are preferably incorporated into the motor rotor as threads or placed on it as blades or inserted into it as impellers. In addition or as an alternative, connecting means are provided between the motor rotor and the at least one fluid-mechanical conveying element. The connecting means preferably comprise the aforementioned rotor shaft, which serves as a carrier for the motor rotor and the at least one conveying element arranged axially in front of or behind it.

Vorzugsweise umfasst der Motorstator Motorstatorwindungen aus Kupfer . Preferably, the motor stator comprises motor stator windings made of copper.

Die vorgeschlagene Lösung hat somit zusammenfassend folgenden Eigenschaften, Merkmale und Vorteile : In summary, the proposed solution has the following properties, characteristics and advantages:

Vermeiden einer mechanischen Welle oder anderen mechanische Übertragungsmittel von Warm nach Kalt Avoid a mechanical wave or other mechanical transmission means from hot to cold

Vermeiden von elektrischen Stromzuführungen von Warm nach Kalt Verwenden von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS ) alsAvoiding electrical current supplies from hot to cold Using high-temperature superconductors (HTS) as

( synchron arbeitenden) Käfigläufer im Kalten (synchronously operating) squirrel cage rotor in the cold

Verwenden eines Stators im Äußeren der Leitung um den RotorUsing a stator on the outside of the line around the rotor

Bevorzugt eine magnetische Lagerung des Rotors in derPreferably a magnetic bearing of the rotor in the

Leitung Line

Bevorzugt eine supraleitende magnetische Lagerung desPreferably a superconducting magnetic bearing of the

Rotors rotor

Notwendig ist eine Temperatur der kryogenen Flüssigkeit unterhalb der kritischen Temperatur der HTS ( also z . B . im Falle von Flüssig-Wasserstof f 21 K zu dem HTS RE- 123 mit 92 K) . A temperature of the cryogenic liquid below the critical temperature of the HTS is necessary (e.g. in the case of liquid hydrogen 21 K compared to the HTS RE-123 with 92 K).

Die Erfindung und die Funktionsweise wird anhand der nachfolgenden Aus führungsbeispiele , den folgenden Figuren und Beschreibungen näher erläutert . Sie enthalten Rotoren gemäß von nachfolgend beschriebenen vier Grundformen . Alle dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt . Vielmehr sollen diese stellvertretend für weitere mögliche , aber nicht expli zit als Aus führungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar angesehen werden . Es zeigen The invention and the way it works are explained in more detail using the following examples, the following figures and descriptions. They contain rotors according to the four basic shapes described below. All features shown and their combinations are not limited to these examples. Rather, they should be viewed as representative of other possible embodiments that are not explicitly shown as examples. They show:

Fig . la und b prinzipielle Schnittansichten j eweils eine Ausführungs form einer Pumpe mit dem Förderrohr, Rotor gemäß einer ersten Grundform des Rotors sowie Lager- und Motorstator, Fig. la and b are basic sectional views of an embodiment of a pump with the delivery pipe, rotor according to a first basic form of the rotor as well as bearing and motor stator,

Fig . 2 einen beispielhaft dargestellten Rotor gemäß einer weiteren Ausgestaltung der ersten Grundform, Fig. 2 shows an exemplary rotor according to a further embodiment of the first basic form,

Fig . 3a und b beispielhaft dargestellte Rotoren gemäß einer zweiten Grundform, Fig. 3a and b show exemplary rotors according to a second basic form,

Fig . 4 einen beispielhaft dargestellten rohrförmigen Rotor gemäß einer dritten Grundform, Fig . 5 einen beispielhaft dargestellten Rotor gemäß einer vierten Grundform sowie Fig. 4 shows an exemplary tubular rotor according to a third basic form, Fig. 5 shows an exemplary rotor according to a fourth basic form and

Fig . 6a bis c verschiedene Ausgestaltungen des Motorrotors im Detail in der bevorzugten Käfigläuferbauform . Fig. 6a to c show various designs of the motor rotor in detail in the preferred squirrel cage design.

Die vorgeschlagene Pumpe umfasst in den in Fig . la und lb dargestellten Aus führungs formen einen Rotor 1 , umfassend zwei Lagerrotoren 2 , einen Motorrotor 3 sowie zwei fluidmechanische Förderelemente 4 auf einer Rotorwelle 5 . Der Rotor ist um eine Rotationsachse 6 rotierbar axial in ein Förderrohr 7 eingesetzt und wird durch einen Lagerstator 8 geführt . Ein Motorstator 9 dient zur Erzeugung eines umlaufenden Magnetfelds , in das der Motorrotor positioniert ist und rotierend angetrieben wird . Die beiden dargestellten fluidmechanischen Förderelemente 4 sind bei den dargestellten Aus führungsbeispielen als Strömungsschrauben j eweils endseitig auf der Rotorwelle aufgesetzt , wobei die erzeugte Strömung durch axiale Aussparungen 10 oder Durchbrüchen 11 durch die Lagerrotoren und dem Motorrotor, angedeutet mit gestrichelte Linien, geleitet wird . Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der f luidmechansichen Förderelemente werden nachfolgend anhand von vier Grundformen des Rotors beschrieben . The proposed pump comprises, in the embodiments shown in Fig. 1a and 1b, a rotor 1 comprising two bearing rotors 2, a motor rotor 3 and two fluid-mechanical conveying elements 4 on a rotor shaft 5. The rotor is inserted axially into a conveying pipe 7 so as to be rotatable about a rotation axis 6 and is guided by a bearing stator 8. A motor stator 9 serves to generate a rotating magnetic field in which the motor rotor is positioned and is driven in rotation. The two fluid-mechanical conveying elements 4 shown are each mounted on the end of the rotor shaft in the embodiments shown as flow screws, the flow generated being guided through axial recesses 10 or openings 11 through the bearing rotors and the motor rotor, indicated by dashed lines. Further design options for the fluid-mechanical conveying elements are described below using four basic shapes of the rotor.

Der Motorrotor ist im Innern des Förderrohrs vollständig von der kryogenen Flüssigkeit umströmt und weist weder eine Stromzuführung, z . B . elektrische Schlei fkontakte , noch einen anderen mechanischen Übergang als Wärmebrücke aus dem Innern des Förderrohrs auf . Vorzugsweise nimmt der Rotor die Temperatur der umgebenden kryogenen Flüssigkeit ein, während ein Wärmeaustausch zu deutlich wärmeren Bereichen im oder um das Förderrohr nicht über einen Festkörperkontakt stattfindet . Dies verbessert in vorteilhafte Weise eine thermische Trennung ei- nes kälteren Bereichs , umfassend den Rotor mit der kryogenen Flüssigkeit , von einem an diesen angrenzenden wärmeren Bereich, umfassend die in nicht kryotechnischen Temperaturbereichen betreibbaren Motor- und Lagerstatoren . The motor rotor is completely surrounded by the cryogenic liquid inside the conveyor tube and has neither a power supply, e.g. electrical sliding contacts, nor any other mechanical transition as a thermal bridge from the inside of the conveyor tube. Preferably, the rotor takes on the temperature of the surrounding cryogenic liquid, while heat exchange to significantly warmer areas in or around the conveyor tube does not take place via solid-state contact. This advantageously improves the thermal separation of a A colder region, comprising the rotor with the cryogenic liquid, from a warmer region adjacent thereto, comprising the motor and bearing stators operable in non-cryogenic temperature ranges.

Das Förderrohr selbst ist vorzugsweise aus einem Material geringer Leitfähigkeit , vorzugsweise einem Kunststof f oder einem Werkstof fverbund mit mindestens einer Kunststof f schicht , hergestellt . The conveyor pipe itself is preferably made of a material with low conductivity, preferably a plastic or a material composite with at least one plastic layer.

Lagerstatoren 8 und Motorstator 9 sind entweder außen auf das Förderohr aufgesetzt ( Fig . la) oder eingesetzt und die Innenwandung des Förderrohrs bildend ( Fig . lb) . Bearing stators 8 and motor stator 9 are either placed on the outside of the conveyor tube ( Fig. 1a) or inserted and form the inner wall of the conveyor tube ( Fig. 1b).

Vorzugsweise wird bei allen Aus führungs formen vorgeschlagen, die Innenwandung des Förderrohrs zusätzlich mit einer Wärmedämmschicht ( in Fig . la und b nicht dargestellt ) zu versehen, wodurch eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen der kryogenen Flüssigkeit im Innern ( kälterer Bereich) auf den Motorstator und der Lagerstator (wärmerer Bereich) in vorteilhafter Weise weiter reduziert wird . Preferably, in all embodiments, it is proposed to additionally provide the inner wall of the conveyor pipe with a thermal insulation layer (not shown in Fig. 1a and b), whereby an undesirable heat transfer between the cryogenic liquid in the interior (colder region) to the motor stator and the bearing stator (warmer region) is advantageously further reduced.

Nicht weiter nicht in Fig . la und b dargestellt sind optionale Aus führungen, bei dem nur der Motorstator oder nur die Lagerstatoren in das Förderrohr eingesetzt sind und die Innenwandung des Förderrohrs bilden, während die j eweils verbleibenden Statoren auf das Förderrohr aufgesetzt sind . Not further shown in Fig. la and b are optional designs in which only the motor stator or only the bearing stators are inserted into the conveyor tube and form the inner wall of the conveyor tube, while the remaining stators are placed on the conveyor tube.

Ebenfalls nicht in Fig . la und b dargestellt sind Rotoren optional abweichenden Grundformen oder weiteren Aus führungs formen, die im Folgenden näher erläutert werden . Also not shown in Fig. 1a and b are rotors with optionally different basic shapes or other embodiments, which are explained in more detail below.

Die Lagerung des Motorrotors im Förderrohr erfolgt über eine Rotationslagerung mit Lagerstator und Lagerrotor, die magnetisch mit einander in Wechselwirkung stehen und nicht nur den Rotor radial , sondern auch axial im Förderrohr führen . Anstelle einer magnetischen Rotationslagerung wird optional oder ergänzend auch eine Spaltströmungslagerung vorgeschlagen . The motor rotor is mounted in the conveyor pipe via a rotary bearing with a bearing stator and bearing rotor, which interact magnetically with each other and not only The rotor should be guided radially but also axially in the conveyor pipe. Instead of a magnetic rotation bearing, a gap flow bearing is also suggested as an option or in addition.

Für den Rotor werden die folgenden Aus führungs formen, die vier Grundformen repräsentieren, vorgeschlagen . Sie sind miteinander, aber auch nur in Merkmalen und Ausgestaltungen grundsätzlich miteinander kombinierbar : The following designs, which represent four basic shapes, are proposed for the rotor. They can be combined with each other, but only in terms of features and designs:

1 . Fig . la und b sowie 2 repräsentieren die erste Grundform in Form einer ersten Aus führungs form . Sie weist eine Rotorwelle 5 auf , die im Innern eines bevorzugt geraden Abschnitts des Förderrohrs 7 , weiter bevorzugt konzentrisch in diesem Abschnitt angeordnet ist . Der Rotor 1 wird vorzugsweise über die Rotorwelle 5 gelagert , weiter bevorzugt mittels zweier Lagerungen (Motorstator 9 und Lagerrotor 2 ) beidseitig des Motorrotors 3 im Förderrohr . 1. Fig. 1a and b and 2 represent the first basic form in the form of a first embodiment. It has a rotor shaft 5 which is arranged inside a preferably straight section of the conveyor pipe 7, more preferably concentrically in this section. The rotor 1 is preferably supported by the rotor shaft 5, more preferably by means of two bearings (motor stator 9 and bearing rotor 2) on both sides of the motor rotor 3 in the conveyor pipe.

Im Rahmen einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein fluidmechanisches Förderelement 4 für eine Wandlung einer Rotation der Rotorwelle 5 in eine Fluidströmung axial im Abschnitt auf der Rotorwelle aufgesetzt . Die fluidmechanischen Fördermittel 4 sind vorzugsweise wie dargestellt einen Propeller oder Förderschrauben (vgl . Fig . la und b) . In a first preferred embodiment, at least one fluid-mechanical conveying element 4 for converting a rotation of the rotor shaft 5 into a fluid flow is mounted axially in the section on the rotor shaft. The fluid-mechanical conveying means 4 are preferably a propeller or conveying screws as shown (cf. Fig. 1a and b).

Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der Rotorwelle zeigt Fig . 2 . Sie sieht ein beidseitig of fenes Rohr 12 als Rotorwelle 5 als Träger für den Motorrotor 3 und die Lagerrotoren 4 vor . Die fluidmechanischen Förderelemente 4 umfassen vorzugsweise mindestens einen Impeller 13 im Rohr, entweder als einziges Förderelement oder - wie dargestellt - in Ergänzung eines Förderelements wie z . B . einen Propeller 14 auf der Rotorwelle . Die Rotorwelle dient dabei als Verbindungsmittel zwischen Motorrotor und dem mindestens einen fluidmechanischen Förderelement , vorzugsweise allen Förderelementen . A second preferred embodiment of the rotor shaft is shown in Fig. 2. It provides a tube 12 open on both sides as the rotor shaft 5 as a carrier for the motor rotor 3 and the bearing rotors 4. The fluid-mechanical conveying elements 4 preferably comprise at least one impeller 13 in the tube, either as the only conveying element or - as shown - in addition to a conveying element such as a propeller 14 on the rotor shaft. The rotor shaft serves as a connecting means between the motor rotor and the at least one fluid-mechanical conveying element, preferably all conveying elements.

2 . Die zweite Grundform, repräsentiert durch Fig . 3a und b im Beispiel einer zweiten Aus führungs form, sieht einen Motorrotor 3 mit mindestens einem eingearbeiteten Förderelement 16 (vgl . Fig . 3a) oder aufgesetzten Förderelement (vgl . Fig . 3b) vor, das bevorzugt gleichmäßig um den Motorrotor angeordnet ist . Unterstützt werden diese Förderelemente durch ringförmige Impellereinsätze 15 in axialen Durchbrüchen in den beiden Lagerrotoren 2 . Vorzugsweise dienen die genannten Impellereinsätze zugleich als Träger für einen ringförmig auf diese aufgesetzten Lagerrotoren . Die Fluidströmung umströmt den Motorrotor in einem Mantelstrom . 2 . The second basic form, represented by Fig. 3a and b in the example of a second embodiment, provides a motor rotor 3 with at least one incorporated conveying element 16 (cf. Fig. 3a) or attached conveying element (cf. Fig. 3b), which is preferably arranged evenly around the motor rotor. These conveying elements are supported by ring-shaped impeller inserts 15 in axial openings in the two bearing rotors 2 . Preferably, the impeller inserts mentioned also serve as a carrier for a bearing rotor attached to them in a ring shape. The fluid flow flows around the motor rotor in a sheath flow.

Eine bevorzugte Ausgestaltung gemäß Fig . 3a sieht durchgehende wendei förmige Nuten 16 als fluidmechanisches Förderelement im Motorrotor, d . h . in der Mantel fläche des Motorrotors 3 eingearbeitet , vor . Förderelemente und Motorrotor sind vorzugsweise eine einzige Komponente , d . h . die Förderelemente sind integrale Bestandteile des Motorrotors . A preferred embodiment according to Fig. 3a provides continuous helical grooves 16 as a fluid-mechanical conveying element in the motor rotor, i.e. incorporated in the outer surface of the motor rotor 3. Conveying elements and motor rotor are preferably a single component, i.e. the conveying elements are integral parts of the motor rotor.

Eine alternative bevorzugte Ausgestaltung gemäß Fig . 3b sieht bevorzugt wendei förmige Strömungsleitelemente 17 , aufgesetzt auf der Mantel fläche des Motorrotors 3 vor . An alternative preferred embodiment according to Fig. 3b preferably provides helical flow guide elements 17, placed on the outer surface of the motor rotor 3.

Die Lagerung des Motorrotors im Förderrohr erfolgt bevorzugt über eine separat vorgesehene Rotorwelle 5 wie beschrieben . The motor rotor is preferably mounted in the conveyor pipe via a separately provided rotor shaft 5 as described.

3 . Die dritte Grundform, repräsentiert durch Fig . 4 im Beispiel einer dritten Aus führungs form ohne Motorwelle , zeigt einen bevorzugt rohrförmigen Motorrotor 3 mit integriertem Lager- rotor 2 und im dargestellten Beispiel eingearbeitete wen- del förmige Nuten 16 sowie in eine ( optionale ) zentrale axiale Innenbohrung 18 eingesetzte Impeller 13 als fluidmechanische Förderelemente 4 . Der Motorrotor erstreckt sich axial sowohl über den Motorstator 9 und über die beiden Lagerstatoren 8 . 3 . The third basic form, represented by Fig . 4 in the example of a third embodiment without motor shaft , shows a preferably tubular motor rotor 3 with integrated bearing rotor 2 and, in the example shown, helical grooves 16 incorporated therein as well as impellers 13 inserted into an (optional) central axial inner bore 18 as fluid mechanical conveying elements 4. The motor rotor extends axially both over the motor stator 9 and over the two bearing stators 8.

4 . Die vierte Grundform, repräsentiert durch Fig . 5 im Beispiel einer vierten Aus führungs form, sieht einen zwingend rohrförmigen Motorrotor 3 mit beidseitig angesetzten rohrförmigen Lagerrotoren 2 vor, die gemeinsam ein Rotorrohr 19 bilden . Eine Rotorwelle ist nicht vorgesehen und hier auch nicht erforderlich . In das Rotorrohr sind mindestens ein Impeller 13 als einziges strömungsmechanisches Element 4 eingesetzt . 4 . The fourth basic form, represented by Fig. 5 in the example of a fourth embodiment, provides for a necessarily tubular motor rotor 3 with tubular bearing rotors 2 attached on both sides, which together form a rotor tube 19 . A rotor shaft is not provided and is not required here either. At least one impeller 13 is inserted into the rotor tube as the only fluid-mechanical element 4 .

Fig . 6a bis c zeigen verschiedene Ausgestaltungen des Motorrotors im Detail in der bevorzugten Käfigläuferbauform mit einem supraleitenden Käfig 20 vorzugsweise aus einem HTS auf einem bevorzugt metallischen Grundkörper 21 . Der Käfig ist als HTS- Schicht auf den bevorzugt eisenhaltigen Grundkörper . Fig. 6a to c show various designs of the motor rotor in detail in the preferred squirrel cage design with a superconducting cage 20 preferably made of an HTS on a preferably metallic base body 21. The cage is applied as an HTS layer to the preferably iron-containing base body.

Fig . 6a und b repräsentieren eine erste Ausgestaltung des Käfigs 20 mit Streben 22 am Umfang des Rororrohrs , die beidseitig in j eweils einen Endring 23 ausmünden und mit diesen eine gemeinsame HTS-Schicht auf dem Grundkörper bilden . Als Beschichtungsverfahren werden hierzu insbesondere IBAD ( lon- Beam-Assisted-Deposition = ionenstrahlgestüt zte Deposition z . B . für Puf ferschichten) oder PLD ( Pulsed-Laser-Deposition = Laserstrahlverdampfen) , alternativ z . B . CVD ( Chemical-Vapor- Deposition = chemische Gasphasenabscheidung) vorgeschlagen . Gegenüber der Ausgestaltung in Fig . 6a sind in Fig . 6b die Streben nicht geradlinig, sondern geschwungen aufgebracht , wobei die Bereiche zwischen den Streben vorzugsweise für aufgesetzte wendei förmige Strömungsleitelemente (vgl . Fig . 3b Pos . 17 ) und/oder eingearbeitete wendei förmige Nuten (vgl . Fig . 3a, Pos . 16 ) als zumindest ein Teil der fluidmechanischen Förderelemente zur Verfügung steht . Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht eine abwechselnde Reihenfolge der genannten Strömungsleitelemente und Nuten auf . Fig. 6a and b represent a first design of the cage 20 with struts 22 on the circumference of the tube, which open into an end ring 23 on both sides and form a common HTS layer on the base body. Coating processes proposed for this purpose are in particular IBAD (ion beam assisted deposition = ion beam supported deposition e.g. for buffer layers) or PLD (pulsed laser deposition = laser beam evaporation), alternatively e.g. CVD (chemical vapor deposition = chemical gas phase deposition). In contrast to the design in Fig. 6a, in Fig. 6b the struts are not applied in a straight line, but curved, with the areas between the struts preferably being used for attached helical flow guide elements (cf. Fig. 3b Pos. 17). and/or incorporated helical grooves (cf. Fig. 3a, item 16) are available as at least part of the fluid-mechanical conveying elements. A preferred embodiment provides for an alternating sequence of the said flow guide elements and grooves.

Fig . 6c zeigt dagegen die vorgenannte alternative Aus führung des Käfigs 20 , aufgebracht als HTS Schicht auf dem metallischen Grundkörper 21 . Der Käfig umfasst axiale ( oder mit einem geringen Kippwinkel von maximal 30 ° , vorzugsweise von maximal 15 ° , weiter bevorzugt maximal 10 ° oder 5 ° zur Rotationsachse ) auf Umfang in gleichen Abständen zueinander angeordnete Streben 22 ohne Endringe , die j eweils separat mit einem Längs- schlitz 24 bis auf die j eweils beiden Endbereiche 25 in zwei Teilstreben unterteilt sind und somit j eweils einen supraleitenden Ringleiter bilden . Eine nicht weiter dargestellte Ausgestaltung dieser Aus führung sieht anstelle einer axialen eine wendei förmige Anordnung der Streben über dem Umfang des Grundkörpers vor, wobei die Zwischenräume wie zuvor beschrieben für fluidmechanische Förderelemente nutzbar sind . Fig. 6c, on the other hand, shows the aforementioned alternative design of the cage 20, applied as an HTS layer to the metallic base body 21. The cage comprises axial struts 22 (or with a small tilt angle of a maximum of 30°, preferably of a maximum of 15°, more preferably a maximum of 10° or 5° to the axis of rotation) arranged at equal distances from one another on the circumference without end rings, which are each separately divided into two partial struts by a longitudinal slot 24 except for the two end regions 25, thus each forming a superconducting ring conductor. A design of this design (not shown in detail) provides for a helical arrangement of the struts over the circumference of the base body instead of an axial arrangement, wherein the intermediate spaces can be used for fluid-mechanical conveying elements as described above.

Eine besondere und auch überraschende Wirkung dieser Aus führungen des Käfigs , insbesondere der letztgenannten gemäß Fig . 6c, liegt in einer vorteilhaften Realisierbarkeit oder Unterstützung eines synchronen Betriebs (mit verschwindendem Schlupf ) , und zwar bevorzugt auch ohne eine Ausbildung von Induktionsschlei fen über Endringe . Eine besondere Wirkung bei der Nutzung von Supraleitern liegt dabei in der Ausbildung von Kreisströmen in den Streben 22 auch ohne vollständige Käfigstruktur, und damit die synchrone Rotation des Rotors und die Funktion der Maschine ähnlich der einer permanentmagnetisch erregten Maschine . Eine solche Funktionsweise ist neuartig und mit bisherigen Induktionsmaschinen (vollständigen Käfigläufermaschinen) nicht bekannt . Der Grundkörper muss nicht zwangsläufig metallisch sein. Bei einer Endring-losen Anordnung, wie z.B. in Fig.6c dargestellt, sind die einzelnen Streben 22 vorzugsweise nicht jeweils mit einer anderen Strebe 22 (in Umfangsrichtung) oder in anderer Weise miteinander verbunden, es wird dann auch kein Käfig ausgebildet . A special and surprising effect of these designs of the cage, in particular the last one according to Fig. 6c, is the advantageous realization or support of synchronous operation (with vanishing slip), preferably even without the formation of induction loops via end rings. A special effect of the use of superconductors is the formation of circular currents in the struts 22 even without a complete cage structure, and thus the synchronous rotation of the rotor and the function of the machine similar to that of a machine excited by a permanent magnet. This type of operation is novel and not known from previous induction machines (complete squirrel cage machines). The base body does not necessarily have to be metallic. In an arrangement without end rings, as shown in Fig. 6c, the individual struts 22 are preferably not connected to another strut 22 (in the circumferential direction) or in any other way, and no cage is then formed.

Bezugszeichenliste : List of reference symbols:

1 Rotor 1 rotor

2 Lagerrotor 2 bearing rotor

3 Motorrotor 3 Motor rotor

4 fluidmechanisches Förderelement 4 fluid-mechanical conveying element

5 Rotorwelle 5 rotor shaft

6 Rotationsachse 6 rotation axis

7 Förderrohr 7 conveyor pipe

8 Lagerstator 8 bearing stator

9 Motorstator 9 Motor stator

10 axiale Aussparung 10 axial recess

11 Durchbruch 11 breakthrough

12 Rohr 12 pipe

13 Impeller 13 impellers

14 Propeller 14 propellers

15 Ringförmiger Impellereinsatz 15 Ring-shaped impeller insert

16 Wendei förmige Nuten 16 spiral-shaped grooves

17 Wendei förmige Strömungs leit element e 17 spiral-shaped flow guide elements

18 Innenbohrung 18 inner bore

19 Rotorrohr 19 rotor tube

20 Käfig 20 cages

21 Grundkörper 21 basic bodies

22 Strebe 22 struts

23 Endring 23 end ring

24 Längsschlitz ( in einer Strebe 22 ) 24 Longitudinal slot (in a strut 22)

25 Endbereich ( einer geschlitzten Strebe 22 ) 25 end area (of a slotted strut 22)

Claims

Patent claims:

1. Pump for a cryogenic liquid inside a conveyor pipe (7) with an electric motor, comprising a) a motor stator (9) without direct contact with the interior of the conveyor pipe, either as a part of the conveyor pipe or arranged around the conveyor pipe, b) a rotor (1) inside the conveyor pipe and the motor stator, comprising a motor rotor (3) and at least one fluid-mechanical conveyor element (4) for converting a rotation of the rotor into a fluid flow in the conveyor pipe, and c) a rotational bearing (2, 8) for the rotor, characterized in that d) the motor rotor (3) comprises a squirrel cage made of a high-temperature superconductor with a transition temperature T _c greater than 40K, e) the motor rotor is arranged without a power supply and without contact inside the conveyor pipe, and f) the motor stator (9) can be operated with an alternating electromagnetic field.

2. Pump according to claim 1, characterized in that the rotary bearing (2, 8) is one or more passive magnetic bearings, each with a bearing rotor (2) made of a superconducting material in a magnetic field of a bearing stator (8) with permanent magnets in or around the conveyor pipe (7).

3. Pump according to claim 1 or 2, characterized in that the rotary bearing (2, 8) is suitable for the rotation of the rotor (1) only about a rotation axis (6) concentric to the delivery pipe (7).

4. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the motor rotor (1) comprises at least one of the fluid-mechanical conveying elements (4) and/or connecting means are provided between the motor rotor (3) and the at least one fluid-mechanical conveying element.

5. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (1) has a rotor shaft (5), wherein the rotary bearing (2, 8) has two bearings of the rotor shaft on both sides of the motor rotor (3) in the conveyor pipe (7).

6. Pump according to claim 5, characterized in that the at least one fluid-mechanical conveying element (4) and the rotor are fastened to the rotor shaft (5).

7. Pump according to claim 5 or 6, characterized in that the at least one conveying element (4) comprises at least one propeller (14) coupled to the rotor shaft with a propeller axis concentric with the rotor shaft (5).

8. Pump according to one of claims 5 to 7, characterized in that the rotor shaft (5) comprises a tube (12) open on both sides and the propeller comprises an impeller (13) in a tube.

9. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the motor stator (9) comprises motor stator windings made of copper.

10. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid is a cryogenic liquid or liquid mixture whose boiling temperature is below the critical transition temperature of the high-temperature superconductor.

11. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one conveying element (4) comprises continuous helical grooves (16) in the motor rotor, arranged evenly around the motor rotor (3).

12. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (1) is tubular, does not comprise a rotor shaft, the motor rotor and the bearing rotors (3) are integral and at least one of the conveying elements (4) is enclosed as an impeller (13) in the tubular rotor.

13. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the squirrel cage rotor has struts made of the high-temperature superconductor oriented parallel to the rotation bearing over the circumference of the motor rotor.

14. Pump according to claim 13, characterized in that the struts are connected at each end and in pairs to form ring conductors.

15. Pump according to claim 13, characterized in that the struts are each electrically connected to one another at their ends by an end ring.

16. Pump according to claim 15, characterized in that the end rings and struts are formed by a continuous coating on the circumference of the motor rotor.

17. Pump according to one of the preceding claims, characterized in that the delivery pipe has a separate thermal insulation layer on the inner wall.