DE19518945C2

DE19518945C2 - Method and device for determining the heat transport mechanism at at least one interface between a solid and a liquid

Info

Publication number: DE19518945C2
Application number: DE1995118945
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Dr Niewisch; Bernd Dipl Ing Dr Gromoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2015-05-24
Also published as: DE19518945A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen des Wärmetransportmechanismus an wenigstens einer Grenzfläche zwischen einem festen Körper und einer Flüssigkeit.The invention relates to a method and an apparatus to determine the heat transfer mechanism at least an interface between a solid and one Liquid.

Bringt man die Oberfläche eines festen Körpers der Temperatur T1 mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium der Temperatur T2 in Kontakt, so wird Wärmeenergie von dem wärmeren Medium auf das kältere Medium übertragen. Dieses Phänomen bezeichnet man als Wärmeübergang. Der übertragene Wärmestrom (Wärmelei stung) ist proportional der Temperaturdifferenz ΔT = T1 - T2 an der Grenzfläche zwischen dem Festkörper und dem fluiden Medium. Der Proportionalitätsfaktor wird als Wärmeübergangs koeffizient α bezeichnet und hängt von der Beschaffenheit (Rauhigkeit) der Oberfläche des Festkörpers und vom Wärme transportmechanismus an der Grenzfläche sowie den Stoffeigen schaften der Flüssigkeit bzw. des Gases ab.Bring the surface of a solid body to temperature T1 with a liquid or gaseous medium of temperature T2 in contact, so heat energy from the warmer medium transferred to the colder medium. Referred to this phenomenon one as heat transfer. The transferred heat flow (heat energy is proportional to the temperature difference ΔT = T1 - T2 the interface between the solid and the fluid Medium. The proportionality factor is called heat transfer denotes coefficient α and depends on the nature (Roughness) of the surface of the solid and of the heat transport mechanism at the interface as well as the substance remove the liquid or gas.

Beim Kühlen eines Festkörpers mit einer Flüssigkeit oder beim Aufheizen einer Flüssigkeit mit einem Heizkörper ist die Tem peratur T1 des Körpers größer als die Temperatur T2 der Flüs sigkeit. Solange die Temperatur T1 des Körpers unter der Sie detemperatur der Flüssigkeit liegt, findet der Wärmeübergang im wesentlichen durch die Wärmetransportmechanismen Wärme leitung und Konvektion statt. Sobald die Temperatur T1 des Festkörpers jedoch die Siedetemperatur der Flüssigkeit über schreitet, ist der Wärmeübergang komplexer, da die Flüssig keit an der Körperoberfläche zu sieden beginnt und deshalb neben der flüssigen Phase auch die gasförmige Phase vorliegt. Zur Beschreibung des Wärmeübergangs beim Sieden wird die sogenannte stationäre Siedekurve (Nukiyama-Kurve) benutzt, in der die Wärmestromdichte, die dem Wärmestrom pro Flächenein heit entspricht, oder der Wärmeübergangskoeffizient α über der Temperaturdifferenz ΔT = T1 - T2 < 0 aufgetragen wird. Diese stationäre Siedekurve kann in vier Wärmetransportmecha nismusbereiche aufgeteilt werden. In einem ersten Wärmetrans portmechanismusbereich bei nur geringen Temperaturunter schieden ΔT bilden sich praktisch noch keine Dampfblasen und der Wärmeübergang findet im wesentlichen noch durch Wärme leitung und Konvektion als Wärmetransportmechanismen statt. Die Wärmestromdichte und der Wärmeübergangskoeffizient α wachsen in diesem ersten Wärmetransportmechanismusbereich mit steigender Temperaturdifferenz ΔT. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz ΔT von typischerweise einigen Kelvin (K), bilden sich an der Grenzfläche zwischen Festkörper und Flüs sigkeit Gasblasen. Dies ist der zweite Wärmetransportmecha nismusbereich, den man Blasensieden oder Blasenverdampfen nennt. Die Blasenbildung wird mit steigender Temperatur differenz ΔT intensiver. Aufgrund der Rührwirkung durch die Gasblasen als Wärmetransportmechanismus wird der Wärmeüber gang deutlich verbessert und der Wärmeübergangskoeffizient α sowie die Wärmestromdichte steigen beim Blasensieden bereits bei nur gering zunehmender Temperaturdifferenz ΔT steil an. Bei einer bestimmten Temperaturdifferenz ΔT, die typischer weise zwischen etwa 15 K und etwa 25 K liegt, geht der zweite Wärmetransportmechanismusbereich des Blasensiedens in einen dritten Wärmetransportmechanismusbereich über, der durch das sogenannte partielle oder instabile Filmsieden (Filmver dampfung) als Wärmetransportmechanismus gekennzeichnet ist. Die Oberfläche des Körpers wird beim instabilen Filmsieden teilweise von einer instabilen geschlossenen Gasschicht oder weitgehend von Gasblasen bedeckt (Übergangszustand zwischen Blasensieden und Filmsieden). Wegen der schlechten Wärme leitung in der Gasschicht sinkt der Wärmeübergangskoeffi zient α und auch die Wärmestromdichte dann mit steigender Temperaturdifferenz ΔT. Den Übergang zwischen Blasensieden und Filmsieden, der einem Maximum der Siedekurve entspricht, bezeichnet man auch als Burn-out-Punkt. Das instabile Film sieden geht bei einer noch höheren Temperaturdifferenz ΔT (typischerweise zwischen etwa 60 K und etwa 120 K) in den vierten Wärmetransportmechanismusbereich über, bei dem ein vollständiger Gasfilm an der Oberfläche des Festkörpers entsteht, der die Flüssigkeit von dem Festkörper trennt Diesen Wärmetransportmechanismus bezeichnet man als stabiles Filmsieden. Die Wärme wird beim stabilen Filmsieden unmittel bar auf die Gasschicht durch Wärmeleitung und Konvektion übertragen und der Wärmeübergangskoeffizient α sowie die Wärmestromdichte steigen wieder leicht an bei stark steigen dem Temperaturunterschied ΔT. Der Übergang vom instabilen Filmsieden ins stabile Filmsieden entspricht also einem Minimum der Siedekurve.When cooling a solid with a liquid or when Heating a liquid with a radiator is the tem temperature T1 of the body is greater than the temperature T2 of the rivers liquidity As long as the body's temperature T1 is below you temperature of the liquid, the heat transfer takes place essentially through the heat transfer mechanisms heat conduction and convection instead. As soon as the temperature T1 of the Solid state, however, the boiling point of the liquid progresses, the heat transfer is more complex since the liquid begins to boil on the surface of the body and therefore in addition to the liquid phase, the gaseous phase is also present. To describe the heat transfer during boiling, the so-called stationary boiling curve (Nukiyama curve) used in which is the heat flow density, which is the heat flow per area unit, or the heat transfer coefficient α above the temperature difference ΔT = T1 - T2 <0 is plotted. This stationary boiling curve can be broken down into four heat transfer mechanisms areas are divided. In a first heat transfer port mechanism range at only low temperature different ΔT practically no vapor bubbles and the heat transfer takes place essentially through heat conduction and convection as heat transport mechanisms instead. The heat flow density and the heat transfer coefficient α grow with this first heat transfer mechanism area increasing temperature difference ΔT. From a certain Temperature difference ΔT of typically a few Kelvin (K), form at the interface between the solid and the river liquid gas bubbles. This is the second heat transfer mecha area of activity that is bubble boiling or bubble evaporation is called. The bubble formation increases with increasing temperature difference ΔT more intense. Due to the stirring effect of the Gas bubbles as a heat transport mechanism become heat transfer significantly improved and the heat transfer coefficient α and the heat flow density already increase during bubble boiling with a only slightly increasing temperature difference ΔT. At a certain temperature difference ΔT, the more typical between about 15 K and about 25 K, the second goes Heat transfer mechanism area of bubble boiling into one third heat transfer mechanism area above that by the so-called partial or unstable film boiling (film ver vaporization) is characterized as a heat transport mechanism. The surface of the body becomes unstable during film boiling partly from an unstable closed gas layer or largely covered by gas bubbles (transition state between Bubble boiling and film boiling). Because of the bad heat in the gas layer, the heat transfer coefficient drops zient α and also the heat flow density with increasing Temperature difference ΔT. The transition between bubble boiling and film boiling, which corresponds to a maximum of the boiling curve, is also known as the burn-out point. The unstable film boiling goes at an even higher temperature difference ΔT (typically between about 60 K and about 120 K) in the fourth heat transfer mechanism area over which a complete gas film on the surface of the solid arises, which separates the liquid from the solid This heat transfer mechanism is called a stable one Film boiling. The heat is instantaneous with stable film boiling bar on the gas layer through heat conduction and convection transferred and the heat transfer coefficient α and the Heat flow density increases slightly again with a strong increase the temperature difference ΔT. The transition from the unstable Film boiling into stable film boiling corresponds to one Minimum of the boiling curve.

Beim Kühlen eines Körpers bzw. beim Heizen einer Flüssigkeit mit einem Heizkörper ist der Übergang vom Blasensieden ins Filmsieden (Burn-out-Punkt) besonders kritisch, da bei einer kleinen Überschreitung der Wärmestromdichte plötzlich eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und der Flüs sigkeit auftritt, die zu einer starken Aufheizung und damit zur Zerstörung der Körperoberfläche führen kann. Deshalb sollte die Wärmezufuhr zur Körperoberfläche nicht den Betrag überschreiten, bei dem der Wärmeübergang gerade noch durch Blasensieden stattfindet.When cooling a body or heating a liquid with a radiator is the transition from bubble boiling to Film boiling (burn-out point) is particularly critical because of one small excess of the heat flow density suddenly a greater temperature difference between the body and the rivers Liquidity occurs, which leads to a strong heating and thus can lead to the destruction of the body surface. That's why The heat input to the body surface shouldn't be the amount exceed, at which the heat transfer just goes through Bubble boiling takes place.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen der Wärmetrans portmechanismus an wenigstens einer Grenzfläche zwischen einem Körper und einer kälteren Flüssigkeit mit einer nur geringen Zeitverzögerung bestimmt werden kann und mit denen insbesondere festgestellt werden kann, ob der aktuelle Wärme übergang an der Grenzfläche zwischen dem Körper und der Flüssigkeit durch Blasensieden oder durch Filmsieden als Wärmetransportmechanismus stattfindet. The invention is therefore based on the object of a method ren and specify a device with which the heat transfer port mechanism at at least one interface between a body and a colder liquid with only one small time delay can be determined and with which in particular, it can be determined whether the current heat transition at the interface between the body and the Liquid by bubble boiling or by film boiling as Heat transfer mechanism takes place.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk malen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.This object is achieved according to the invention with the Merk paint claim 1 or claim 7.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die unterschied lichen optischen Eigenschaften von flüssiger Phase und gas förmiger Phase zum Bestimmen des Wärmetransportmechanismus an der Grenzfläche zwischen dem festen Körper und der Flüssig keit auszunutzen. Ausgehend von dieser Überlegung wird ein optischer Sensor verwendet, der einen an der Grenzfläche angeordneten Sensorbereich aufweist und dessen Ausgangssignal vom optischen Brechungsindex des im Sensorbereich befindli chen Mediums abhängt. Da sich die Brechungsindizes von Gas phase und flüssiger Phase deutlich unterscheiden, kann mit dem Ausgangssignal des optischen Sensors festgestellt werden, durch welchen Wärmetransportmechanismus der Wärmeübergang an der Grenzfläche zwischen dem Körper und der Flüssigkeit ge rade stattfindet. Wenn im Sensorbereich des optischen Sensors nur flüssiges Medium ist, bleibt das Ausgangssignal im wesentlichen auf einem ersten konstanten Wert. Dies ent spricht einem Wärmeübergang durch Wärmeleitung oder Wärme leitung und Konvektion als Wärmetransportmechanismen. Das Auftreten von Blasen oder einem Gasfilm im Sensorbereich des optischen Sensors führt zu entsprechenden Änderungen im Aus gangssignal des optischen Sensors, deren zeitlicher Verlauf charakteristisch für Blasensieden bzw. instabiles Filmsieden ist. Beim stabilen Filmsieden schließlich bleibt das Aus gangssignal im wesentlichen auf einem zweiten konstanten Wert, da im Sensorbereich des optischen Sensors praktisch nur noch Gas vorhanden ist.The invention is based on the consideration that made the difference optical properties of liquid phase and gas shaped phase to determine the heat transfer mechanism the interface between the solid and the liquid to take advantage of. Based on this consideration, a optical sensor that uses one at the interface has arranged sensor area and its output signal from the optical refractive index of the in the sensor area depends on the medium. Because the refractive indices of gas Clearly distinguish phase and liquid phase, can with the output signal of the optical sensor are determined, through which heat transfer mechanism the heat transfer starts the interface between the body and the liquid ge rade is taking place. If in the sensor area of the optical sensor is only liquid medium, the output signal remains in the essentially at a first constant value. This ent speaks of a heat transfer through heat conduction or heat Conduction and convection as heat transport mechanisms. The Appearance of bubbles or a gas film in the sensor area of the optical sensor leads to corresponding changes in the off output signal of the optical sensor, its temporal course characteristic of bubble boiling or unstable film boiling is. Finally, with stable film boiling, the end remains output signal essentially at a second constant Value, because in the sensor area of the optical sensor practically only there is still gas.

Der Wärmetransportmechanismus kann in Echtzeit ohne Messung der Temperaturen von dem festen Körper und der Flüssigkeit und ohne Bestimmung der zugehörigen Wärmestromdichte ermit telt werden. Das ermöglicht insbesondere eine effiziente Überwachung der an die Flüssigkeit angrenzenden Oberfläche des Körpers zum Schutz vor thermischer Überlastung.The heat transfer mechanism can work in real time without measurement the temperatures of the solid and the liquid and without determining the associated heat flow density be communicated. In particular, this enables efficient Monitoring the surface adjacent to the liquid of the body to protect against thermal overload.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah rens und der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils abhän gigen Ansprüchen.Advantageous refinements and developments of the process rens and the device result from the respective depend current claims.

In einer ersten Ausführungsform wird mit dem Ausgangssignal des optischen Sensors die vom Körper abgeführte Wärme oder die abgeführte Wärmeleistung ermittelt.In a first embodiment, the output signal of the optical sensor the heat dissipated by the body or the dissipated heat output is determined.

In einer zweiten Ausführungsform enthält der Körper wenig stens einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter, vorzugs weise einen Hochtemperatur-Supraleiter. Als Flüssigkeit zum Kühlen des Hochtemperatur-Supraleiters ist dann vorzugsweise flüssiger Stickstoff vorgesehen. Der Hochtemperatur-Supralei ter kann Teil eines Strombegrenzers sein.In a second embodiment, the body contains little Mostly a current-carrying electrical conductor, preferably as a high temperature superconductor. As a liquid for Cooling the high-temperature superconductor is then preferred liquid nitrogen is provided. The high-temperature super egg ter can be part of a current limiter.

In einer besonderen Weiterbildung wird in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des optischen Sensors die elektrische Verlust leistung in dem stromdurchflossenen elektrischen Leiter ge regelt.In a special further training, depending on Output signal from the optical sensor's electrical loss power in the current-carrying electrical conductor regulates.

Das Verfahren kann auch zur Optimierung der geometrischen Ge stalt eines Körpers oder bei mehreren, mit der Flüssigkeit in Kontakt stehenden Körpern zur Auslegung der geometrischen Ge stalt jedes Körpers und der geometrischen Lage der Körper relativ zueinander verwendet werden.The method can also be used to optimize the geometric Ge form one body or several, with the liquid in Contact standing bodies for the interpretation of the geometric Ge shape each body and the geometric position of the body can be used relative to each other.

Der optische Sensor enthält in einer vorteilhaften Ausgestal tung eine Lichtleitfaser, eine Lichtquelle und einen Photo detektor. Ein erstes Ende der Lichtleitfaser ist optisch so wohl mit der Lichtquelle als auch mit dem Photodetektor ver bunden. Der Sensorbereich des optischen Sensors ist mit einem Bereich gebildet, der das zweite, freie Ende der Lichtleit faser umgibt. An einem Ausgang des Photodetektors steht das Ausgangssignal des Sensors an, das eindeutig von der Licht intensität des am freien Ende der Lichtleitfaser reflektier ten Lichts abhängt. Das Ausgangssignal ist somit auch in ein deutiger Weise abhängig vom Brechungsindex des im Sensor bereich am freien Ende der Lichtleitfaser befindlichen Me diums. Der Durchmesser der Lichtleitfaser an ihrem freien Ende ist vorzugsweise nicht größer als etwa 0,1 mm, um auch sehr dünne Gasfilme an der Grenzfläche detektieren zu können. Vorzugsweise ist das freie Ende der Lichtleitfaser konvex ge formt, um eine hohe Meßempfindlichkeit zu erreichen.In an advantageous embodiment, the optical sensor contains an optical fiber, a light source and a photo detector. A first end of the optical fiber is optically like this probably with the light source as well as with the photodetector bound. The sensor area of the optical sensor is one Area formed by the second, free end of the light guide fiber surrounds. That is at an output of the photodetector Output signal from the sensor that is clearly from the light intensity of the reflection at the free end of the optical fiber depends on the light. The output signal is therefore also in clearly depends on the refractive index of the in the sensor area at the free end of the optical fiber diums. The diameter of the optical fiber at its free The end is preferably not larger than about 0.1 mm, too to be able to detect very thin gas films at the interface. The free end of the optical fiber is preferably convex forms to achieve a high sensitivity.

Zum Positionieren des Sensorbereichs des optischen Sensors an die Grenzfläche zwischen dem Körper und der Flüssigkeit kön nen Positioniermittel vorgesehen sein.To position the sensor area of the optical sensor on the interface between the body and the liquid can NEN positioning means may be provided.

Zum Bestimmen des Wärmetransportmechanismus wird vorzugsweise aus dem Ausgangssignal des optischen Sensors ein Auswerte signal abgeleitet, das der relativen Häufigkeit eines der beiden Werte (Gas oder Flüssigkeit) des Ausgangssignals ent spricht bezogen auf ein betrachtetes Zeitintervall. Das Zeit intervall wird während des Betriebs fortlaufend angepaßt. Beispielsweise kann als Auswertesignal der Quotient aus der Zeit, während der das Ausgangsignal des optischen Sensors seinen Wert bei Gas im Sensorbereich annimmt, und der Gesamt zeit des betrachteten Zeitintervalls oder auch der Quotient aus der Zeit, während der das Ausgangsignal des optischen Sensors seinen Wert bei Flüssigkeit im Sensorbereich annimmt, und der Gesamtzeit des betrachteten Zeitintervalls herange zogen werden ("duty cycle").It is preferred to determine the heat transfer mechanism an evaluation from the output signal of the optical sensor signal derived from the relative frequency of one of the both values (gas or liquid) of the output signal speaks in relation to a considered time interval. That time interval is continuously adjusted during operation. For example, the quotient from the Time during which the output signal of the optical sensor assumes its value for gas in the sensor area, and the total time of the considered time interval or also the quotient from the time during which the output signal of the optical Sensor assumes its value for liquid in the sensor area, and the total time of the time interval under consideration be pulled ("duty cycle").

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing Referred to in their

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen des Wärmetransportmechanismus an einer Grenzfläche zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit mit einem optischen Sensor, Fig. 1 shows an embodiment of an apparatus for determining the heat transfer mechanism at an interface between a solid and a liquid with an optical sensor,

Fig. 2 bis 6 jeweils in einem Diagramm ein Ausgangssignal des optischen Sensors für jeweils einen Wärmetransport mechanismus und Fig. 2 to 6 each in a diagram, an output signal of the optical sensor for a heat transport mechanism and

Fig. 7 ein aus dem Ausgangssignal des optischen Sensors ermit teltes Auswertesignal in einem Diagramm jeweils schema tisch veranschaulicht sind. Fig. 7 is a schematically illustrated from the output signal of the optical sensor evaluated signal in a diagram.

In Fig. 1 sind ein fester Körper mit 2, eine Flüssigkeit mit 4, eine Grenzfläche zwischen dem festen Körper 2 und der Flüssigkeit 4 mit 3, ein optischer Sensor mit 5, eine Licht leitfaser mit 6, ein erstes Ende dieser Lichtleitfaser mit 6A, ein zweites Ende dieser Lichtleitfaser mit 6B, eine Lichtquelle mit 7, ein Photodetektor mit 8, Auswertemittel mit 9 und ein Sensorbereich des optischen Sensors 5 mit 50 bezeichnet.In Fig. 1 are a solid body with 2 , a liquid with 4 , an interface between the solid body 2 and the liquid 4 with 3 , an optical sensor with 5 , an optical fiber with 6 , a first end of this optical fiber with 6 A. , a second end of this optical fiber with 6 B, a light source with 7 , a photodetector with 8 , evaluation means with 9 and a sensor area of the optical sensor 5 with 50 .

Der Körper 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ganz in die Flüssigkeit 4 eingetaucht, kann aber auch nur an einem Teil seiner Oberfläche als Grenzfläche 3 mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen. Das freie Ende 6B der Lichtleitfaser 6 des optischen Sensors 5 ist an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 und der Flüssigkeit 4 angeordnet. Der Sensorbereich 50 des optischen Sensors wird mit einem Bereich gebildet, der das freie Ende 6B der Lichtleitfaser 6 umgibt. Das erste Ende 6A der Lichtleitfaser 6 ist über einen optischen Koppler 11 sowohl mit der Lichtquelle 7 als auch mit dem Photodetektor 8 als Lichtempfänger optisch verbunden. Licht L der Lichtquelle 7 wird über den optischen Koppler 11 an dem ersten Ende 6A in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelt und am freien Ende 6B der Lichtleitfaser 6 teilweise reflektiert. Das reflektierte Licht LR durchläuft die Lichtleitfaser 6 in umgekehrter Rich tung und wird über den optischen Koppler 11 dem Photodetektor 8 zugeführt. Der Photodetektor 8 wandelt das reflektierte Licht LR in ein elektrisches Ausgangssignal S des optischen Sensors 5 um. Dieses Ausgangssignal S ist ein direktes Maß für die Lichtintensität des zurückreflektierten Lichts LR und damit für den Reflexionsgrad am freien Ende 6B der Lichtleit faser 6, wobei der Kopplungsfaktor des Kopplers 11 in der Lichtintensität entsprechend zu berücksichtigen ist. Der Reflexionsgrad am freien Ende 6B der Lichtleitfaser 6 ist definiert als Verhältnis von Lichtintensität des reflektier ten Lichts LR zur Lichtintensität des einfallenden Lichts L in der Lichtleitfaser 6 und ist abhängig vom optischen Bre chungsindex des das freie Ende 6B im Sensorbereich 50 umge benden Mediums. Im allgemeinen wird um so mehr Licht am freien Ende 6B zurückreflektiert, je niedriger der Brechungs index des Mediums im Sensorbereich 50 ist. Das Ausgangssignal S des optischen Sensors 5 wächst deshalb mit fallendem Bre chungsindex des Mediums im Sensorbereich 50. Das freie Ende 6B der Lichtleitfaser 6 kann im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts L angeordnet sein (senkrechte Inzidenz). Vorzugsweise ist das freie Ende 6B der Lichtleit faser 6 konvex gekrümmt, beispielsweise in Form eines Rota tionskörpers eines Polynoms wenigstens zweiten Grades. Da durch werden die Benetzungseigenschaften am freien Ende 6B günstig beeinflußt, und man erhält einen größeren Signalhub zwischen einem Zustand des Ausgangssignals S, der einer flüs sigen Phase im Sensorbereich 50 entspricht, und einem zweiten Zustand des Ausgangssignals S, der einer gasförmigen Phase im Sensorbereich 50 entspricht. Ein solcher optischer Sensor ist beispielsweise aus der DE 37 26 412 A1 bekannt, deren Offen barung in den Inhalt der vorliegenden Anmeldung mit einbe zogen wird.In the exemplary embodiment shown, the body 2 is completely immersed in the liquid 4 , but can also be in contact with the liquid as an interface 3 only on part of its surface. The free end 6 B of the optical fiber 6 of the optical sensor 5 is arranged at the interface 3 between the body 2 and the liquid 4 . The sensor area 50 of the optical sensor is formed with an area which surrounds the free end 6 B of the optical fiber 6 . The first end 6 A of the optical fiber 6 is optically connected via an optical coupler 11 both to the light source 7 and to the photodetector 8 as a light receiver. Light L of the light source 7 is coupled into the optical fiber 6 via the optical coupler 11 at the first end 6 A and partially reflected at the free end 6 B of the optical fiber 6 . The reflected light LR passes through the optical fiber 6 in the reverse direction and is fed via the optical coupler 11 to the photodetector 8 . The photodetector 8 converts the reflected light LR into an electrical output signal S from the optical sensor 5 . This output signal S is a direct measure of the light intensity of the reflected light LR and thus of the reflectance at the free end 6 B of the optical fiber 6 , the coupling factor of the coupler 11 having to be taken into account accordingly in the light intensity. The degree of reflection at the free end 6 B of the optical fiber 6 is defined as the ratio of the light intensity of the reflected light LR to the light intensity of the incident light L in the optical fiber 6 and is dependent on the optical refractive index of the free end 6 B in the sensor area 50 surrounding medium . In general, it is reflected back to the more light at the free end 6 B, the lower the refractive index of the medium in the sensor portion 50 is. The output signal S of the optical sensor 5 therefore grows with a falling refractive index of the medium in the sensor region 50 . The free end 6 B of the optical fiber 6 can be arranged essentially perpendicular to the direction of propagation of the light L (vertical incidence). Preferably, the free end 6 B of the optical fiber 6 is convexly curved, for example in the form of a rotation body of a polynomial of at least second degree. Since the wetting properties at the free end 6 B are influenced favorably, and a larger signal swing is obtained between a state of the output signal S, which corresponds to a liquid phase in the sensor region 50 , and a second state of the output signal S, which is a gaseous phase in the sensor region 50 corresponds. Such an optical sensor is known for example from DE 37 26 412 A1, the disclosure of which is incorporated into the content of the present application.

Der Körper 2 befindet sich nun auf einer höheren Temperatur T1 als die Flüssigkeit 4. Beispielsweise kann der Körper 2 als Heizkörper zum Aufheizen der Flüssigkeit 4 vorgesehen sein oder auch die Flüssigkeit 4 zum Kühlen des heißeren Kör pers 2. Liegt die Temperatur T1 des Körpers 2 nun höher als die Siedetemperatur der Flüssigkeit 4, so beginnt die Flüs sigkeit 4 an der Grenzfläche 3 zu sieden. Ab einer gewissen Temperaturdifferenz ΔT = T1 - T2 zwischen der Temperatur T1 des Körpers 2 und der Temperatur T2 der Flüssigkeit 4 bilden sich an der Grenzfläche 3 Gasblasen, die schematisch eingezeichnet sind. Gelangen nun eine oder mehrere dieser Gasblasen in den Sensorbereich 50, so ändert sich das Ausgangssignal S des optischen Sensors 5.The body 2 is now at a higher temperature T1 than the liquid 4 . For example, the body 2 can be provided as a heater for heating the liquid 4 or the liquid 4 for cooling the hotter body 2 . If the temperature T1 of the body 2 is now higher than the boiling temperature of the liquid 4, the flues begins sigkeit 4 to boil at the interface. 3 From a certain temperature difference ΔT = T1 - T2 between the temperature T1 of the body 2 and the temperature T2 of the liquid 4 , gas bubbles form at the interface 3 , which are shown schematically. If one or more of these gas bubbles now reach the sensor area 50 , the output signal S of the optical sensor 5 changes .

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele des Ausgangs signals S des optischen Sensors 5, die jeweils einem bestimm ten Wärmetransportmechanismus an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 und der Flüssigkeit 4 entsprechen. Das Ausgangs signal S ist jeweils in einem Zeitintervall Δt in Abhängig keit von der Zeit t aufgetragen. Figs. 2 to 4 show embodiments of the output signal S of the optical sensor 5, each corresponding to a limited hours th heat transfer mechanism at the interface 3 between the body 2 and the liquid 4. The output signal S is plotted in a time interval Δt depending on the time t.

Das Ausgangssignal S gemäß der Fig. 2 entspricht dem Fall, wenn im Sensorbereich 50 des optischen Sensors 5 im wesent lichen nur Flüssigkeit vorhanden ist. Das Ausgangssignal S ist in diesem Fall im wesentlichen konstant und nimmt im ge samten Zeitintervall Δt = τ einen Wert S_min an, der dem nied rigen Reflexionsgrad am freien Ende 6B der Lichtleitfaser 6 aufgrund des hohen Brechungsindex der Flüssigkeit im Sensor bereich 50 entspricht. Ein solches Ausgangssignal S ent spricht einem Wärmeübergang an der Grenzfläche 3, der nur durch Wärmeleitung oder durch Wärmeleitung und Konvektion als Wärmetransportmechanismus stattfindet.The output signal S according to FIG. 2 corresponds to the case when only liquid is present in the sensor region 50 of the optical sensor 5 . The output signal S is essentially constant in this case and assumes a value S _min in the entire time interval Δt = τ which corresponds to the low reflectance at the free end 6 B of the optical fiber 6 due to the high refractive index of the liquid in the sensor area 50 . Such an output signal S speaks to a heat transfer at the interface 3 , which takes place only by heat conduction or by heat conduction and convection as a heat transport mechanism.

Die Fig. 3 zeigt einen Fall, bei dem bereits Blasenbildung an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 der Flüssigkeit 4 eingesetzt hat. Die einzelnen Blasen resultieren jeweils in einem deutlich erkennbaren Signalpuls, bei dem das Ausgangs signal von seinem ersten Wert S_min auf einen zweiten Wert S_max sich verändert. Der zweite Wert S_max des Ausgangssignals S ist wegen des niedrigeren Brechungsindex des Gases in den Gasblasen größer als der erste Wert S_min.Die Zeitdauern der Pulse der Signalhöhe S_max (Gasblasenpulse) sind mit σ1 bis σ4 bezeichnet. Die Zeitdauern der komplementären Zustände des Ausgangssignals S mit der Signalhöhe S_min sind mit τ1 bis τ5 bezeichnet. Die Summe aller Zeitdauern entspricht dem gesam ten Zeitintervall Δt, also
FIG. 3 shows a case has already been used in the bubble formation at the interface 3 between the body 2 of the liquid 4. The individual bubbles each result in a clearly recognizable signal pulse in which the output signal changes from its first value S _min to a second value S _max . The second value S _{max of} the output signal S is larger than the first value S _min because of the lower refractive index of the gas in the gas bubbles _. The time durations of the pulses of the signal height S _max (gas bubble pulses) are denoted by σ1 to σ4. The time periods of the complementary states of the output signal S with the signal height S _min are denoted by τ1 to τ5. The sum of all time periods corresponds to the total time interval Δt, that is

Δt = Σ σi + Σ τj
Δt = Σ σi + Σ τj

mit den Summationsindizes i und j. Der Summationsindex i läuft im Beispiel der Fig. 3 von 1 bis 4 und der Summations index j von 1 bis 5.with the summation indices i and j. In the example of FIG. 3, the summation index i runs from 1 to 4 and the summation index j runs from 1 to 5.

Fig. 4 zeigt einen Fall, bei dem eine gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Fall bereits deutlich heftigere Blasenbildung an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 und der Flüssig keit 4 stattfindet. Die im zeitlichen Mittel größere Anzahl von Gasblasen an der Grenzfläche 3 spiegelt sich in einer entsprechend größeren Anzahl von Gasblasenpulsen des Aus gangssignals S wider, bei denen das Ausgangssignal S seinen Maximalwert S_max annimmt. Die Summe Σ σi der Pulsbreiten σi der Gasblasenpulse im Zeitintervall Δt ist größer als im Bei spiel der Fig. 3. Die Summe Σ τj der Pulsbreiten τj der "Flüssigkeitspulse" ist dagegen entsprechend kleiner. Der Summationsindex i läuft hier von 1 bis 9 und der Summations index j von 1 bis 10. Im zeitlichen Mittel nimmt im allge meinen auch die Größe der Gasblasen mit steigender Tempera turdifferenz ΔT zwischen Körper 2 und Flüssigkeit 4 zu. Dies führt zu einer im zeitlichen Mittel größeren zeitlichen Breite σi der Gasblasenpulse des Ausgangssignals S. Fig. 4 shows a case in which, compared to the case shown in Fig. 3, significantly more violent bubble formation at the interface 3 between the body 2 and the liquid speed 4 takes place. The larger number of gas bubbles at the interface 3 on average is reflected in a correspondingly larger number of gas bubble pulses from the output signal S, in which the output signal S assumes its maximum value S _max . The sum Σ σi of the pulse widths σi of the gas bubble pulses in the time interval Δt is larger than in the example in FIG. 3. The sum Σ τj of the pulse widths τj of the "liquid pulses", on the other hand, is correspondingly smaller. The summation index i runs from 1 to 9 and the summation index j from 1 to 10. On average over time, the size of the gas bubbles generally increases with increasing temperature difference ΔT between body 2 and liquid 4 . This leads to a larger temporal width σi of the gas bubble pulses of the output signal S on average.

Die Fig. 5 zeigt ein Ausgangssignal S, das bei instabilem Filmsieden an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 und der Flüssigkeit 4 typischerweise erhalten wird. Das Ausgangs signal S ist überwiegend (Intervalle σ1 bis σ4) in seinem oberen, zweiten Zustand S_max und geht nur noch gelegentlich für vergleichsweise kurze Zeiträume τ1 bis τ3 in seinen unte ren Zustand S_min über. Dies entspricht phänomenologisch der Tatsache, daß an der Grenzfläche 3 die Blasen bereits zu einem Gasfilm zusammengewachsen sind und dieser Gasfilm nur noch gelegentlich abreißt, so daß noch einmal Flüssigkeit an die Körperoberfläche des Körpers 2 gelangen kann. Der Über gang zwischen Blasensieden und instabilem Filmsieden im Aus gangssignal S des optischen Sensors 5 ist fließend. FIG. 5 shows an output signal S which is typically obtained in the case of unstable film boiling at the interface 3 between the body 2 and the liquid 4 . The output signal S is predominantly (intervals σ1 to σ4) in its upper, second state S _max and only occasionally changes to its lower state S _min for comparatively short periods τ1 to τ3. From a phenomenological point of view, this corresponds to the fact that at the interface 3 the bubbles have already grown together to form a gas film and this gas film only breaks off occasionally, so that liquid can once again reach the body surface of the body 2 . The transition between bubble boiling and unstable film boiling in the output signal S from the optical sensor 5 is fluid.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist der Wärmetransportmecha nismus an der Grenzfläche 3 in stabiles Filmsieden übergegan gen. Das Ausgangssignal S bleibt konstant auf seinem Maximal wert S_max. Das bedeutet, daß sich ein stabiler Gasfilm an der Grenzfläche 3 gebildet hat, der den Körper 2 von der Flüssig keit 4 trennt.In the exemplary embodiment in FIG. 6, the heat transfer mechanism is transitioned into stable film boiling at the interface 3. The output signal S remains constant at its maximum value S _max . This means that a stable gas film has formed at the interface 3 , which separates the body 2 from the liquid 4 .

Das Ausgangssignal S des optischen Sensors 5 ermöglicht also eine Aussage darüber, ob der Wärmeübergang an der Grenzfläche 3 zwischen dem Körper 2 und der Flüssigkeit 4 durch Wärmelei tung und Konvektion, durch Blasensieden oder durch Filmsieden stattfindet.The output signal S of the optical sensor 5 thus enables a statement to be made as to whether the heat transfer at the interface 3 between the body 2 and the liquid 4 takes place by heat conduction and convection, by bubble boiling or by film boiling.

Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Auswertesignals D, das von in Fig. 1 dargestellten Auswertemitteln 9 aus dem Ausgangssignal S des optischen Sensors 5 hergeleitet werden kann. Das Auswertesignal D ist in einem Diagramm über dem Wärmetransportmechanismus aufgetragen und ist ein Maß für die relative Häufigkeit der "Gaspulse" im Ausgangssignal S des optischen Sensors 5, d. h. der Peaks des Ausgangssignals S, in denen das Ausgangssignal S den Maximalwert S_max annimmt. Im Diagramm sind die vier Wärmetransportmechanismusbereiche ein getragen. Der Wärmetransportmechanismusbereich der Wärmelei tung und Konvektion ist mit I bezeichnet, der Wärmetransport mechanismusbereich des Blasensiedens mit II, der Wärmetrans portmechanismusbereich des instabilen Filmsiedens mit III und der Wärmetransportmechanismusbereich des stabilen Filmsiedens mit IV bezeichnet. Im Wärmetransportmechanismusbereich I (Konvektion) hat das entsprechende Ausgangssignal S typi scherweise einen in Fig. 2 dargestellten Verlauf. Die relative Häufigkeit der Gaspulse, bei denen das Ausgangssignal S den Maximalwert S_max annimmt, ist Null. Deshalb bleibt das Aus wertesignal D im Wärmetransportmechanismusbereich I praktisch konstant auf dem Wert 0,0. Beim Übergang in den Wärmetrans portmechanismusbereich II (Blasensieden) beginnen sich Blasen zu bilden. Dadurch entstehen im Ausgangssignal S des opti schen Sensors 5, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, Gaspul se, deren Zahl mit heftiger werdender Blasenbildung steigt. Das Auswertesignal D nimmt deshalb im Bereich II des Blasen siedens steil zu. In einem Übergangspunkt (Burn Out-Punkt) P geht das Blasensieden in instabiles Filmsieden (Bereich III) über. Die relative Häufigkeit der Gaspulse nähert sich nun mit einem etwas flacheren Verlauf dem Wert 1,0 der relativen Häufigkeit, der dem Wärmetransportmechanismusbereich IV des stabilen Filmsiedens entspricht. Die relative Häufigkeit der Zustände des Ausgangssignals S des optischen Sensors 5 mit dem Minimalwert S_min, die in Fig. 5 gezeigt sind und bei denen kurzzeitig noch Flüssigkeit zur Grenzfläche 3 gelangen kann, nimmt im Wärmetransportmechanismusbereich III des instabilen Filmsiedens mit steigender Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Körper 2 und der Flüssigkeit 4 immer mehr ab. Der Wärme transportmechanismusbereich IV des stabilen Filmsiedens ent spricht einem Ausgangssignal S, das in Fig. 6 gezeigt ist. Die relative Häufigkeit des Gassignals, also des Maximalwerts S_max im Ausgangssignal S, und das Auswertesignal D nehmen nun den konstanten Wert 1,0 an. FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an evaluation signal D, which can be derived from the output signal S of the optical sensor 5 by evaluation means 9 shown in FIG. 1. The evaluation signal D is plotted in a diagram above the heat transport mechanism and is a measure of the relative frequency of the "gas pulses" in the output signal S of the optical sensor 5 , ie the peaks of the output signal S, in which the output signal S assumes the maximum value S _max . The four heat transfer mechanism areas are entered in the diagram. The heat transfer mechanism area of the heat conduction and convection is designated I, the heat transfer mechanism area of the bubble boiling is designated II, the heat transfer mechanism area of the unstable film boiling is designated III, and the heat transfer mechanism area of the stable film boiling is designated IV. In the heat transport mechanism area I (convection), the corresponding output signal S typically has a profile shown in FIG. 2. The relative frequency of the gas pulses at which the output signal S assumes the maximum value S _max is zero. Therefore, the evaluation signal D remains practically constant at the value 0.0 in the heat transport mechanism area I. Bubbles begin to form at the transition to heat transfer mechanism area II (bubble boiling). This results in the output signal S of the optical sensor's 5 , as shown in FIGS . 3 and 4, Gaspul se, the number of which increases with increasing blistering. The evaluation signal D therefore increases steeply in area II of the bubble boiling. At a transition point (burn out point) P, the bubble boiling changes into unstable film boiling (area III). The relative frequency of the gas pulses now approaches the value 1.0 of the relative frequency with a somewhat flatter course, which corresponds to the heat transport mechanism region IV of the stable film boiling. The relative frequency of the states of the output signal S of the optical sensor 5 with the minimum value S _min , which are shown in FIG. 5 and at which liquid can reach the interface 3 for a short time, increases in the heat transport mechanism region III of the unstable film boiling with increasing temperature difference ΔT between the Body 2 and the liquid 4 more and more. The heat transport mechanism portion IV of the stable film boiling corresponds to an output signal S shown in FIG. 6. The relative frequency of the gas signal, that is to say the maximum value S _max in the output signal S, and the evaluation signal D now assume the constant value 1.0.

Als Auswertesignal D kann beispielsweise ein analog zu einem Duty-cycle definiertes Auswertesignal
An evaluation signal defined analog to a duty cycle can, for example, be used as the evaluation signal D.

D = (Σ σi) / ((E σi) + (Σ τj)) (1)
D = (Σ σi) / ((E σi) + (Σ τj)) (1)

herangezogen werden, wobei i und j Summationsindizes sind und die σi die Zeitdauern der Pulse sind, bei denen das Ausgangs signal S seinen Maximalwert S_max annimmt und die τj die Zeit dauern der Zustände des Ausgangssignals S mit dem Minimalwert S_min innerhalb des betrachteten Zeitintervalls Δt sind. Der Ausdruck (Σ σi) + (Σ τj) im Nenner des Ausdrucks auf der rechten Seite der Gleichung (1) entspricht dem betrachteten Zeitintervall Δt, dessen Grenzen und gegebenenfalls Länge fortlaufend neu bestimmt werden. Es sind Σ σi = 0 für i = 0 und Σ τj = 0 für j = 0 (keine Summation).are used, where i and j are summation indices and the σi are the time durations of the pulses at which the output signal S assumes its maximum value S _max and the τj duration of the states of the output signal S with the minimum value S _min within the considered time interval Δt are. The expression (Σ σi) + (Σ τj) in the denominator of the expression on the right-hand side of equation (1) corresponds to the considered time interval Δt, the limits and, if necessary, the length of which are continuously being redetermined. There are Σ σi = 0 for i = 0 and Σ τj = 0 for j = 0 (no summation).

Es kann aber auch ein komplementäres Auswertesignal D' ver wendet werden, das durch
But it can also be used a complementary evaluation signal D 'by

D' = (Σ τj)/((Σ σi) + (Σ τj)) (2)
D '= (Σ τj) / ((Σ σi) + (Σ τj)) (2)

definiert ist. Dieses Auswertesignal D' ist im Wärmetrans portmechanismusbereich I der Konvektion gleich 1,0 und nimmt in den Bereichen II und III des Blasensiedens bzw. instabilen Filmsiedens entsprechend komplementär zu dem Auswertesignal D gemäß Fig. 7 bis auf den Wert 0,0 im Bereich IV des stabilen Filmsiedens ab.is defined. This evaluation signal D 'is equal to 1.0 in the heat transfer port area I of the convection and in areas II and III of bubble boiling or unstable film boiling correspondingly complements the evaluation signal D according to FIG. 7 to the value 0.0 in area IV of stable film boiling.

Das Verfahren und die Vorrichtung werden in einer vorteilhaf ten Ausführungsform zum Bestimmen des Wärmetransportmechanis mus an einer Grenzfläche zwischen einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter als Körper 2 und einer Kühlflüssigkeit (Kältemittel) 4 zum Abführen der elektrischen Verlustleistung in dem elektrischen Leiter eingesetzt. Das Ausgangssignal S des optischen Sensors 5 kann in dieser Ausführungsform insbe sondere als Regelgröße zum Regeln der Verlustleistung in dem elektrischen Leiter vorgesehen sein. Wenn das Ausgangssignal S anzeigt, daß der Wärmetransportmechanismus an der Grenzflä che 3 in Filmsieden übergegangen ist oder überzugehen droht, kann dann die Verlustleistung im elektrischen Leiter durch Drosseln oder Abschalten der Stromversorgung verringert wer den.In one advantageous embodiment, the method and the device are used to determine the heat transport mechanism at an interface between a current-carrying electrical conductor as body 2 and a cooling liquid (refrigerant) 4 for dissipating the electrical power loss in the electrical conductor. In this embodiment, the output signal S of the optical sensor 5 can be provided in particular as a control variable for controlling the power loss in the electrical conductor. If the output signal S indicates that the heat transfer mechanism at the Grenzflä surface 3 has passed into film boiling or is in danger of being transferred, the power loss in the electrical conductor can be reduced by throttling or switching off the power supply.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des Verfahrens und der Vorrichtung zum Bestimmen des Wärmetransportmechanismus zwi schen einem Hochtemperatur-Supraleiter und flüssigem Stick stoff als Kühlflüssigkeit. Bei einem Supraleiter kann nämlich insbesondere bei einem Kurzschlußstrom die kritische Strom dichte des Supraleiters überschritten werden und der Supra leiter in seinen normalleitenden Zustand übergehen. Der dann schlagartig um mehrere Größenordnungen größere elektrische Widerstand des Supraleiters führt zu einem entsprechend schnellen Anstieg der Verlustleistung in dem zu kühlenden Supraleiter. Um eine Zerstörung des Supraleiters zu vermei den, muß deshalb innerhalb einer Zeitspanne von beispiels weise 1 ms die Verlustleistung im Supraleiter gedrosselt wer den, z. B. durch einen Parallelwiderstand. Die Verwendung des optischen Sensors ermöglicht ein ausreichend schnelles Erken nen von Filmsieden an der Grenzfläche zwischen Supraleiter und flüssigem Stickstoff innerhalb von 1 ms und damit eine entsprechend schnell einleitbare Maßnahme zum Schutz des Supraleiters. Eine bevorzugte Anwendung sind Strombegrenzer mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten Hochtemperatur- Supraleitern, die in einem Stickstoffbad gekühlt werden. Ein Strombegrenzer (Fault-current limiter) mit Hochtemperatur- Supraleitern ist beispielsweise aus EP 0 345 767 A1 bekannt, deren Inhalt in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung miteinbezogen wird.The use of the method and the is particularly advantageous Device for determining the heat transfer mechanism between high-temperature superconductor and liquid stick substance as coolant. With a superconductor, namely especially in the case of a short-circuit current, the critical current density of the superconductor and the supra transition to its normal conducting state. The one then suddenly electrical orders of magnitude larger Resistance of the superconductor leads to a corresponding rapid increase in power loss in the cooling Superconductor. To avoid destruction of the superconductor the must therefore within a period of example example, 1 ms throttled the power loss in the superconductor the, e.g. B. by a parallel resistor. The use of the optical sensor enables sufficiently quick detection film boiling at the superconductor interface and liquid nitrogen within 1 ms and therefore one correspondingly quickly implementable measure to protect the Superconductor. Current limiters are a preferred application with one or more high temperature series Superconductors that are cooled in a nitrogen bath. A Current limiter with high temperature Superconductors are known for example from EP 0 345 767 A1, their content in the disclosure of the present application is involved.

Es können auch mehrere optische Sensoren vorgesehen sein, deren jeweilige Sensorbereiche für eine höhere Genauigkeit an einer gemeinsamen Grenzfläche eines Körpers mit einer Flüs sigkeit oder auch an den Grenzflächen mehrerer Körper jeweils mit einer oder der gleichen Flüssigkeit angeordnet werden können. Die Ausgangssignale dieser optischen Sensoren können dann gemeinsam verarbeitet werden.Several optical sensors can also be provided, their respective sensor areas for greater accuracy a common interface of a body with a river liquid or at the interfaces of several bodies in each case be arranged with one or the same liquid can. The output signals of these optical sensors can then processed together.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Ausgangssignal des wenigstens einen optischen Sensors zur Optimierung der geometrischen Gestalt eines untersuchten Körpers, insbeson dere der Gestalt und Beschaffenheit der an die Flüssigkeit grenzenden Oberfläche des Körpers verwendet werden. Bei meh reren Körpern kann auch mit Hilfe eines oder mehrerer opti scher Sensoren die Positionierung der Körper zueinander be stimmt werden, die am besten für vorgegebene elektrische und thermodynamische Randbedingungen wie beispielsweise elektri scher Widerstand, Temperaturen oder Wärmekapazitäten geeignet ist (Optimierung der Anordnung der Körper relativ zuein ander). Diese Anwendungen sind vorteilhaft beim geometrischen Auslegen einer Kühlanordnung mit zu kühlenden Körpern und einem flüssigen Kältemittel, insbesondere auch bei den be reits erwähnten Strombegrenzern mit stickstoffgekühlten Hoch temperatur-Supraleitern.In a special embodiment, the output signal of the at least one optical sensor for optimizing the geometric shape of an examined body, in particular the shape and nature of the liquid bordering surface of the body can be used. With meh Reren bodies can also with the help of one or more opti sensors position the bodies relative to one another be voted the best for given electrical and thermodynamic boundary conditions such as electri resistance, temperatures or heat capacities is (optimization of the arrangement of the bodies relative to each other at the). These applications are advantageous in the geometric Designing a cooling arrangement with bodies to be cooled and a liquid refrigerant, especially with the be Current limiters with nitrogen-cooled highs already mentioned temperature superconductors.

Schließlich können auch nicht dargestellte Positioniermittel vorgesehen sein, um den wenigstens einen optischen Sensor an seinen Einsatzort an der Grenzfläche zwischen Körper und Flüssigkeit zu bringen. Dafür geeignet sind insbesondere maschinen- oder handgesteuerte Greifer zum Positionieren des freien Ende der Lichtleitfaser des optischen Sensors.Finally, positioning means, not shown, can also be used be provided to the at least one optical sensor its location at the interface between body and Bring liquid. Are particularly suitable for this machine or hand-controlled grippers for positioning the free end of the optical fiber of the optical sensor.

Ein refraktiver optischer Sensor in einer der beschriebenen Ausführungsformen ist auch bei nicht transparenten Flüssig keiten und über einen weiten Temperaturbereich von Temperatu ren unter 77 K (Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff) bis einigen hundert K einsetzbar. Der Wärmeeintrag des optischen Sensors in die Flüssigkeit ist vergleichsweise gering.A refractive optical sensor in one of the described Embodiments is also with non-transparent liquid and over a wide temperature range of temperatu ren below 77 K (boiling point of liquid nitrogen) to a few hundred K. The heat input of the optical Sensor in the liquid is comparatively low.

Zusätzlich kann auch der Füllstand der Kühlflüssigkeit über wacht werden. Dazu kann das Ausgangssignal S oder das Aus wertesignal D bzw. D' verwendet werden, wobei ein Unter schreiten des Füllstands dem Ausgangssignal S gemäß Fig. 6 entspricht, oder es kann ein zusätzlicher refraktiver opti scher Sensor vorgesehen sein.In addition, the level of the coolant can also be monitored. For this purpose, the output signal S or the evaluation signal D or D 'can be used, an underflow of the fill level corresponding to the output signal S according to FIG. 6, or an additional refractive optical sensor can be provided.

Claims

1. A method for determining the heat transport mechanism at at least one interface ( 3 ) between a solid body ( 2 ) and a liquid ( 4 ) that is colder than the body ( 2 ), with the following features:

a) at least one optical sensor ( 5 ) with a sensor area ( 50 ) is used, the output signal (S) of which depends on the optical refractive index of the medium in the sensor area ( 50 );
b) the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ) is arranged at the interface ( 3 );
c) with the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ), the heat transport mechanism at the interface ( 3 ) between the body ( 2 ) and the liquid ( 4 ) is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ) is used as a measure of the heat dissipated by the body ( 2 ).

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that

a) the body comprises at least one current-carrying electrical conductor ( 2 ) and
b) the electrical power loss in the electrical conductor ( 2 ) is regulated as a function of the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ).

4. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ) for the geometrical design of the body ( 2 ) is used.

5. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that

a) a plurality of bodies ( 2 ) each have at least one interface ( 3 ) with the liquid ( 4 ),
b) the heat transport mechanism is determined at at least one interface ( 3 ) between each of the bodies ( 2 ) and the liquid ( 4 ) and
c) the geometric design of each of the bodies ( 2 ) and the spatial arrangement of the bodies ( 2 ) in the liquid ( 4 ) are determined as a function of the heat transfer mechanisms determined.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a value signal (D) is derived from the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ), the relative frequency of one of two values (S _min , S _max ) of Output signal (S) corresponds to continuously newly determined time intervals (Δt), the output signal (S) taking the first value (S _min ) when there is essentially only liquid in the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ), and the second Value (S _max ) assumes when there is essentially only gas in the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ).

7. Device for determining the heat transport mechanism at at least one interface ( 3 ) between a body ( 2 ) and a liquid ( 4 ) which is colder than the body ( 2 ) with

a) an optical sensor ( 5 ), which has a sensor region ( 50 ) arranged at the interface ( 3 ) and an output signal (S) depending on the optical refractive index of the medium in the sensor region ( 50 ), and with
b) evaluation means ( 7 ) for determining the Wärmetransportmecha mechanism at the interface ( 3 ) between the body ( 2 ) and the liquid ( 4 ) from the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ).

8. The device according to claim 7, characterized in that the evaluation means ( 7 ) use the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ) as a measure of the heat dissipated by the body ( 2 ).

9. The device according to claim 7 or claim 8, characterized in that the body ( 2 ) comprises at least one current-carrying electrical conductor ( 20 ).

10. The device according to claim 9, characterized in that a high-temperature superconductor ( 20 ) and as a liquid speed ( 4 ) liquid nitrogen are provided as the electrical conductor.

11. The device according to claim 10, characterized in that the high temperature Superconductor is part of a current limiter.

12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that means for regulating the electrical power loss in the electrical conductor ( 2 ) depending on the output signal (S) of the optical sensor ( 5 ) are provided.

13. The device according to one of claims 7 to 12, characterized in that

a) the optical sensor ( 5 ) an optical fiber ( 6 ) with a first end ( 6 A), which is optically coupled to a light source ( 7 ) and to a photodetector ( 8 ), with a free second end ( 6 B) contains
b) the output signal (S) can be tapped at an output of the photodetector ( 8 ), which clearly depends on the light intensity of the light reflected at the free end ( 6 B) of the optical fiber ( 6 ),

and at the

a) the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ) is formed with the area surrounding the free end ( 6 B) of the optical fiber ( 6 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the diameter of the optical fiber ( 6 ) of the optical sensor ( 5 ) at least at the free end ( 6 B) is not greater than about 0.1 mm.

15. The apparatus of claim 13 or claim 14, characterized in that the free end ( 6 B) of the optical fiber ( 6 ) has a convex curved surface.

16. The device according to one of claims 7 to 15, characterized in that positioning means ( 11 ) for positioning the sensor region ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ) at the interface ( 3 ) between the body's ( 2 ) and the liquid ( 4th ) are provided.

17. The device according to one of claims 7 to 16, characterized in that the evaluation means ( 7 ) from the output signal (S) of the optical sensor's ( 5 ) derive an evaluation signal (D) for determining the heat transport mechanism, the relative frequency of one of two values (S _min , S _max ) of the output signal (S) in a time interval between two continuously newly determined points in time, the output signal (S) assuming the first value (S _min ) if essentially only liquid in the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ), and assumes the second value (S _max ) when in the sensor area ( 50 ) of the optical sensor ( 5 ) there is essentially only gas.