CN100527574C - 超导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超导装置(2)，其包括一可围绕一旋转轴(A)旋转地支撑的转子，该转子具有一个安置在一个绕组支架(9)中的超导绕组(10)。该绕组支架具有一中央空腔(12)，两根静止不动的热管(20，19)伸入到该空腔中。其中一热管(19)设计为端部封闭的冷却棒并且含有具有更高冷凝温度的另一种冷却介质。所述另一热管(20)用于向所述中央空腔(12)中输入和从该中央空腔(12)中输出具有更低冷凝温度的第一种冷却介质(k1、k1`)。为了冷凝所述冷却介质(k2；k1、k1`)，所述热管(20，19)被引至一位于转子(5)之外的带有一冷却头(16)和一冷凝装置(18)的制冷单元(15)。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导装置，其具有一可围绕一旋转轴旋转地支撑的转子和一制冷单元，该转子具有至少一个超导绕组，该绕组的导线安置在一个绕组支架中，所述制冷单元具有至少一个传热耦连在所述绕组上的冷却头。
背景技术
从US 5,482,919 A中已知一种相应的装置。
除了长期以来已公知的金属超导材料、例如具有低的跃变温度TC以及因此被称为低跃变温度超导材料或低温超导材料的NbTi或Nb3Sn外，自从1987年以来已知一些具有高于77K跃变温度的金属氧化物超导材料。这些材料也被称为高跃变温度的超导材料或高温超导材料并且原则上可以利用液态氮(LN2)达到制冷技术的要求。
人们尝试利用这样的高温超导材料的导线制造超导绕组。然而事实表明，迄今已知的导线在磁场中通过在磁通区域内的感应而只具有比较小的载流能力。这通常要求这样绕组的导线尽管本身所采用的材料具有高的跃变温度，但是必须要保持在一低于77K的温度水平上、例如界于10与50K之间，以便可以在几特斯拉的场强时承载较大的电流。这样的温度水平明显高于用于冷却已知的金属超导材料、如Nb3Sn或NbTi的液态氦(LHe)的汽化温度4.2K。
因此，为了冷却具有高温超导导线的绕组，在上述温度范围内优选采用一些带有封闭的氦压力气体循环回路的低温制冷器形式的冷却单元。这样的低温制冷器尤其设计为Gifford-McMahon(吉福特-麦克马洪)或Stirling(斯特林)型的所谓脉管制冷器。此外，这样的制冷单元具有的优点是，提供制冷功率以及对使用者来说省去了运用深冷却液体。在采用这样一些冷却单元时，一超导装置、如一磁性线圈或一变压器绕组只通过向一制冷机的冷却头导热间接地被冷却(参见例如“Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.(ICEC 16)”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science，1997，第1109页至1129页)。
一种相应的制冷技术也已应用在由US 5,482,919 A已知的电机的超导转子中。该转子包含一由高温超导导线构成的旋转绕组，该绕组借助一设计为Stirling制冷器或Gifford-McMahon型制冷器或脉管制冷器的制冷单元保持在一所述期望的界于30K与40K之间的运行温度。为此，在一特别的实施方式中，所述制冷单元包含一随转子共同旋转的在文献中未详细论述的冷却头，该冷却头的较冷侧间接地通过一些导热元件传热地连接到所述绕组上。另外，所述已知电机的制冷单元还包括一位于其转子之外的压缩机单元，该压缩机单元通过一传输单元的一旋转的未详细阐述的连接器向所述制冷头导送所需要的工作气体。此外，该连接器还通过两个汇流环向所述制冷单元的一个集成到制冷头中的阀动装置提供所需要的电能。该方案要求在所述传输单元中必须至少同轴地导引两条气体连接通道及至少设置两个电的汇流环。该方案另外对所述制冷单元的一同旋转的构件以及尤其是电机转子中的阀动装置的可接触性构成一定的妨碍，因为在需要维护时必须打开所述转子外壳。此外，一传统的阀动装置的功能在(例如应用在同步电动机或发电机中)快速旋转时不能确保。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，从上述现有技术出发对具有本文前言所述特征的超导装置作相应改进，使得通过该装置可在相对减小设备成本的情况下确保所述冷却单元不仅在冷却阶段、而且在停机时以及在转子旋转时都可靠并经济地在一低于77k的温度范围内运行。
按照本发明，上述技术问题通过这样一种超导装置得以解决。该超导装置相应地包括一可围绕一旋转轴旋转地支撑的转子和一制冷单元，该转子具有至少一个超导绕组，该绕组的导线安置在一个绕组支架中，所述制冷单元具有传热地连接在所述绕组上的或者说与该绕组传热耦连的至少一个冷却头。在此，该超导装置应该具有如下特征，即，
-所述绕组支架设有一位于该绕组支架中央的沿轴线方向延伸的中央空腔，该中央空腔与从所述绕组支架区域一侧引出的一侧面空腔相连，
-所述冷却头固定不动地位于所述转子之外并通过一冷却面与一用于冷凝在相互分隔开的各冷凝腔室中的一第一种和至少另一种冷却介质的冷凝装置传热地连接，其中，这些冷却介质具有不同的冷凝温度，
-一供所述冷凝装置的第一种冷却介质用的固定不动的第一热管和至少另一供所述至少另一种冷却介质用的固定不动的热管被引入到所述随转子一同旋转的侧面空腔中并且一直引入到所述中央空腔的区域中，
-在所述端部敞开的第一热管、侧面空腔以及中央空腔中充有所述第一种冷却介质，其中，在所述超导装置的一运行阶段中，在充分利用温差环流效应的情况下，冷凝后的所述冷却介质进入到达所述中央空腔中并在那里被加热直至可能被汽化，该汽化后的所述第一种冷却介质又通过所述第一热管返回到与之配属的第一冷凝腔室中，
-所述至少另一固定不动的热管设计为其热管末端截止封闭于所述中央空腔中的充有所述至少另一种冷却介质的一冷却棒，其中，在一冷却阶段，在充分利用温差环流效应的情况下，在所述另一热管的冷凝腔室中被冷凝的所述至少另一种冷却介质在所述中央空腔的区域中被加热汽化，然后汽化后的所述至少另一种冷却介质又返回到与之配属的至少另一冷凝腔室中。
在所述超导装置的按照本发明的扩展设计中，所述整个制冷单元连同其可能的运动构件设置在所述转子之外并且因而随时可方便地够到。由一固定不动的冷却头通过所述热管为所述转子提供制冷功率或传热，这些热管在无机械的运动构件的情况下确保各冷却介质的传输。其中，用于持续运行或运行阶段的第一种冷却介质通过在与所述冷却头良好导热地相连的一冷凝装置的循环过程中放热被冷凝。接着，所述液态冷凝液流过为此设置的第一热管，流到转子的侧面空腔中并且从那里流到转子的中央空腔中或直接流到其中。所述冷凝液通过第一热管的传输是在重力作用下基于所谓的温差环流效应以及可能通过所述热管内壁的毛细力的作用进行的。为此，该热管以本身公知的方式起到一“灯芯”的作用。这种功能还可以通过适当的设计或者通过管内壁的内衬达到最优化。所述冷凝液在第一热管的端部处滴入或流入到所设置的中央空腔中。所述位于绕组区域内的冷凝液在那里通过吸热至少部分地汽化。随后该第一种冷却介质通过第一热管的内部流回到所述冷凝装置中。所述回流通过在起汽化器作用的中央空腔中的一相对于所述冷凝装置的起冷凝器作用的构件的轻微过压来驱动导送。这种通过在所述汽化器中产生气体以及在冷凝器中发生液化而形成的负压导致所期望的冷却介质回流。相应的冷却介质流从所谓的“热管(Heat-Pipes)”来本身业已公知。
所述至少一个其他的热管是一伸入到所述中央空腔中的、并在那里终端截止封闭的冷却棒，该热管内充有一种作为其他冷却介质的在更高温度时冷凝的气体、如氮、氩或烃。在一冷却阶段，在充分利用通过所述其他冷却介质的冷凝或汽化而形成的温差环流效应的情况下，热量传输一直到该至少另一热管的端部处都在进行。从中央空腔区域内的该热管端部到转子的待冷却构件上的热量传导通过对流完成。在此，在所述冷却棒的端部与中央空腔壁之间产生几个开尔文(Kelvin)的温差对于满足预冷却的目的是完全可以容忍的。
在按照本发明的超导装置中，组合了两个不同的冷却过程。第一个过程是一纯粹的温差环流冷却过程，其在运行阶段采用一种工作气体作为用于冷却的第一种冷却介质。只有结合所述第一冷却过程进行对流冷却，具有不同气体(也就是说至少另一种其他气体)以及进而具有不同工作温度的其他温差环流才能同时与所述转子的待冷却构件传热连接(＝第二冷却过程)。由此可以在最佳地充分利用冷却头的冷却功率的情况下实现一种有效且经济的预冷却。
此外，该超导装置的按照本发明的扩展设计具有的其他优点在于，不再需要用于所述冷却介质循环的驱动构件、如鼓风机或泵。另外，所述制冷单元还可以方便地适应因装配机器所提出的不同要求。尤其是可以根据设计要求采用几米长的热管，使得例如为了方便其维护可以在一便于接触够得着的地方安装制冷机，尽管其本身固有的电动机或发电机却安装得难以够到。所述热传导及制冷功率的提供在按照本发明的扩展设计中也是特别简单和经济的。
按照本发明的超导装置的一些有利的扩展设计由从属权利要求给出。
多根设计为冷却棒的其他热管自然可以分别充有冷凝温度不同的各种冷却介质。如此就实现了多级冷却。
此外，通过如下方式可以实现特别简单地密封所述冷却介质腔，即，所述中央空腔在一侧通过所述绕组支架封闭以及所述侧面空腔在朝向所述冷却头的一侧通过一带有一些随转子一同旋转的构件的密封装置来密封。在此，所述密封装置优选地考虑采用至少一由铁磁流体密封、迷宫式密封、间隙密封组合构成的密封结构。
实践中可以采用所有类型的具有一被设置于一预定温度水平上的冷却头的制冷机作为制冷单元。低温制冷机优选尤其设有封闭的氦压力循环回路，因为这样的低温制冷机具有一简单的结构并且特别适用于在按照本发明的超导装置中所采用的间接制冷技术。相应的也被称为交流换热低温制冷机的制冷机对应于低温制冷机的普通等级具有一交流换热器(Regenerator)或交流换热工作循环(参见，例如上面提到的“Proceeding-band”，第33页至44页)。
所述冷却头可以特别有利地设计为多级。通过其第二相对更热的冷却级尤其可以实现有效的预冷却。
此外，如果所述待冷却绕组以及进而其超导材料借助于所述冷却头保持在一低于77K的温度上，在采用高温超导材料时则优选保持在20K至50K之间，是比较有利的。因为已知的高温超导材料在保持有限的冷却成本比例的该温度范围内具有一用于通常用途的足够的临界电流密度。所需要的冷却功率在按照本发明的超导装置中可顺利地获得。对于一个大约1至10MW机械功率等级的同步电机来说，在所述超导材料的温度保持在20K至30K之间时，所述制冷功率例如处于几十瓦的范围内。
此外，如果所述侧面空腔设计为朝所述中央空腔的方向扩大，是比较有利的。这样的话，除了重力外还可以充分利用离心力支持对所述第一种冷却介质的传输。
附图说明
下面借助于附图详细阐述本发明超导装置的一些有利的实施方式。各附图分别以纵剖视图简略表示。
图1表示一超导装置的转子的实施方式，
图2表示一用于该转子的制冷单元，
图3表示从按照本发明的另一种超导装置中截取的一部分。
在各附图中相互对应的构件以相同的附图标记标注。
具体实施方式
在下面借助于附图示出的按照本发明的超导装置的实施方式中分别尤其涉及一(同步)电动机或(同步)发电机。该超导装置包括一旋转的、原则上采用金属的低跃变温度超导材料或氧化物高跃变温度超导材料制成的超导绕组。也可以考虑采用MgB2作为超导材料。对于下述实施方式可以选择一种例如已知的(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox那样的高温超导材料。所述绕组可以由一个线圈或由两极、四极或其他多极结构的一组线圈组成。从图1中可以获知这样一种例如构成一同步电机的超导装置的一些位于转子区域内的构件的基本结构，在此是以这种电机的一些已知的实施方式为基础(例如参见已知的US 5,482,919 A或WO 00/13296 A)。
共同的以附图标记2表示的仅部分地示出的装置包括一固定不动的带有一定子绕组4的处于环境温度下的外壳3。一转子5在该外壳的内部以及被所述定子绕组4环绕地可围绕一旋转轴线A转动地支撑在轴承6中。该轴承6可以是传统的机械轴承，也可以是磁性轴承。其中所述转子在一侧具有一支撑在所述相应轴承中的实心的轴向转轴构件5a。另外，该转子还包括一真空罐7，在该真空罐中在例如空心圆柱形的传递扭矩的悬挂件8上固定一带有高温超导绕组10的绕组支架9。在该绕组支架中存在一与旋转轴线A同心的沿轴向延伸的圆柱形的空腔，它在下文中被称为中央空腔12。所述绕组支架在此设计为相对于该空腔真空密封。该支架在朝向所述转轴构件5a的一侧封闭该空腔。在另一侧该中央空腔12与一具有相对更小直径的轴向侧面空腔13相连，也就是说，过渡到该空腔13中。该侧面空腔从所述绕组支架的区域起向外从所述外壳3的区域中引出。以附图标记5b表示一围绕该侧面空腔13的支撑在其中一个轴承6中的管状转轴构件。
所述超导装置2为了通过导热元件间接地冷却其绕组10而另外具有一在图2中详细示出的制冷单元。该以附图标记15泛泛表示的制冷单元包括至少一个冷却头16。该制冷单元尤其涉及一种Gifford-McMahon型的低温制冷器。优选选择一脉管制冷器或Split-Stirling(分置式斯特林)制冷器作为交流换热的低温制冷器。在此，制冷单元的冷却头16以及进而所有其他重要的构件都处于所述转子5和外壳3之外。对于带有冷却头的要投入使用的制冷单元所需要的附加构件、例如在加热时保护系统免受过压影响的热均压容器、填充细管、过压阀等在附图中未示出，但通常是已知。所述例如与转子5的侧面相距0.5米至几米设置的冷却头16例如与一导热体一起伸入到一真空罐23的真空容积V｀中并且在其冷却端具有一冷却或热交换面17。在该冷却面上传热地至少连接两个真空隔绝的、位置固定的热管19和20。这两个热管分别在其与冷却面17邻接的区域中扩宽到一更大的热交换横截面并且在那儿构成扩宽的冷凝腔室19a及20a。这些冷凝腔室与冷却面17一起可以被视为一冷却介质冷凝装置或冷却介质冷凝单元18。
对于热管19和20，下面将热管20称为第一热管以及将热管19称为第二热管。这些热管在一轴向区域中沿侧向伸入到所述转子侧面的与转子一同旋转的空腔13中。为此设置一下文称为插入管或安装管的位置固定的相对于所述轴线A同心的管子24，该管子至少围绕所述热管19和20的处于侧面空腔13中的区域。该安装管侧面导入到所述空腔13中。一个在附图中未详细表示的密封装置21用于沿径向相对于所述与侧面空腔13邻接的管状转轴构件5b来密封该安装管24，该密封装置21例如也可以设计为铁磁流体密封和/或迷宫式密封和/或间隙密封。在所述安装管中存在一例如与所述真空罐23的真空容积V`相连通的真空容积V。
借助于所述第二热管19可以有利地实现对转子5的待冷却构件的预冷却。为此该热管作为一冷却棒(Kühlfinger)伸入到所述中央空腔12中，在那儿该管子截止封闭于一端部19b处。其中该热管19应该填充一种例如N2那样的具有一种第二冷凝温度的冷却介质k2，该冷凝温度通常高于所述用于绕组10的超导材料的工作温度Tk2。在冷却阶段，该另一种冷却介质k2在冷却单元15的冷凝装置18的冷凝腔室19a中冷凝。在充分利用温差环流效应的情况下，该冷却介质在所述中央空腔12的区域中被加热并且在热管19中返回到所述冷凝装置18。
通过所述第一热管20和侧面的空腔13，所述中央空腔12与所述冷凝装置18的热交换区域对外气密封闭地相连通。封闭在这些空腔内的第一种冷却介质、例如氖在循环过程中在所述冷凝装置18区域内的冷却头16的冷却面17上通过散热被冷凝。接下来，该冷凝液化的以k1示出的并且在图中通过一粗实线表示的冷凝液首先流过侧面空腔13的区域，然后流过所述第一热管20，并且从那儿流入到所述中央空腔12中。通过热管输送所述冷凝液在此是借助一种温差环流效应在重力作用下进行的。为此，所述热管20可以有利地相对于所述旋转轴A略微倾斜(几度)，以便有助于所述液态冷却介质k1从所述热管20的开口端部20b流出。必要时冷却介质的输送也可以通过所述热管内壁的毛细力作用来支持，该热管内壁起到一“灯芯(docht)”的作用。这种“灯芯”式的功能也可以通过适当的设计、如借助于用于增大表面积的纵肋或沟槽或者通过管内壁的内衬达到最优化。所述冷凝液k1在第一热管20的端部20b处流入到空腔12中，这也可以通过该端部的一特别的成型结构、例如一滴漏凸缘得以增强。同样地，所述成型结构也可以这样构造，即，通过在旋转的内腔中由于在旋转情况下冷却介质的气态部分的流动而形成的气体运动有助于冷凝液滴落。
如果热管20在侧面的空腔13中就已终止，则向所述中央空腔12中输送该冷却介质k1或许也可以在充分利用重力和/或离心力的情况下这样得以促进，即，所述侧面的空腔13设计为一朝中央空腔12的方向相对于其直径加宽的管子。
在转子内所述液态的第一冷却介质或冷凝液k1被汽化。蒸汽状的冷却介质以k1`表示。在吸收热量的情况下被汽化的该冷却介质k1`然后通过第一热管20的内部流回到所述冷凝装置18的冷凝腔室20a中。在此情况下，所述回流通过在起汽化器作用的空腔12中的一相对于所述冷凝装置的轻微过压来驱动导送，该过压通过在所述汽化器中产生气体以及在冷凝装置中发生液化而形成。被汽化的冷却介质k1`也充满所述管状转轴构件5b与安装管24之间的直至所述密封装置的间隙。
在按照本发明的超导装置中，所述第一热管固定地连接在一制冷机器上。由此将冷却介质传导到所述低温区域中，其中，冷却液体通过滴落完成从固定部件到旋转部件之间的过渡，然后通过流动的汽化气体完成回流。
按照本发明，为了预冷却和冷却在运行阶段至少要采用两种具有不同蒸发或冷凝温度Tk的不同冷却介质k2和k1。在此被称为第二种冷却介质k2的冷却介质具有一通常高于为持续运行所述超导绕组而规定的运行温度的第二冷凝温度Tk2。对于该第二冷却介质k2根据运行温度可以考虑采用例如氮(在标准压力下冷凝温度为77.4K，在65K时达到三相点，在125K和22bar时达到临界点)或氩(在标准压力下冷凝温度为87.3K，在85K时达到三相点，在145K和38bar时达到临界点)。相反所述第一种冷却介质k1应该具有一相对更低的冷凝温度Tk1。该温度可以这样选择，即，使得所述超导绕组的运行温度只略微高于该冷凝温度，例如最大高出20K。因此优选采用氢(在标准压力下冷凝温度为20.4K，在14K时达到三相点，在30K和8bar时达到临界点)或氖(在标准压力下冷凝温度为27.1K，在25K时达到三相点，在42K和20bar时达到临界点)作为所述第一种冷却介质k1。如果要规定一个低于Tk2、例如大约为25K的运行温度，则作为冷却介质对k1-k2的相应示例可采用氖(Tk1为27.1K)-氩(Tk2为87.3K)、氖-氮(氮的Tk2为77.4K)或氢(Tk1为20.4K)-氮。在该运行温度下，所述至少第二种冷却介质k2在热管19中保持冷冻凝固状态或者也可能是液态。
所述同样固定地连接在制冷机器15上的第二热管19用于在冷却阶段中的一冷却过程。下面详细阐述该冷却过程：
因为按照本发明至少采用两种具有不同冷凝温度的冷却介质，所以在所述冷却头缓慢冷却时，所述至少另一种具有最高冷凝温度(在此为Tk2)的冷却介质首先冷凝，并在一封闭的温差环流循环中如第一种冷却介质的情形一样为了热量传递被引向转子的待冷却构件。在对这些构件进行预冷却达到大约该第二种冷却介质的三相温度后，该冷却介质才在冷凝装置的区域内凝固(ausfrieren)，接着一直冷却到所述下一种(第一)冷却介质的冷凝温度。以这种方式在适当选择所述冷却介质的情况下，可以在最佳地充分利用所述冷却头的冷却功率的情况下实现一种近似连续的冷却。
当然也可以通过多个设计为冷却棒的热管实现相应的分级式的预冷却，这些热管充填冷凝温度不同的(其他)冷却介质。
上述超导装置2的出发点是，其至少一个制冷单元15具有一个一级冷却头16。这意味着，仅仅规定或采用用于提供冷却功率的一级式制冷方式。然而不言而喻的是，多级设计的其各级处于不同温度水平上的冷却头是更加适用的。因此在一相应的两级冷却头中所述第二(更热的)级与所述用于第二种冷却介质k2的另一个(第二)热管19的冷凝腔室19a相连，而所述用于第一种冷却介质k1的第一热管20的冷凝腔室20a传热地连接到所述保持相对更低温度的第一级上。以这种方式可以实现有效的预冷却。
必要时也可以借助于这样一种两级冷却头的第二(更热的)级冷却一供电线路(Stromzufuehrung)或辐射护板。
在所述超导装置2中，其绕组支架9可以设计为能充分导热，也就是说，它在其朝向中央空腔12的围壁与绕组10之间具有一些具有良好导热性能的构件。以此方式所述绕组通过绕组支架9、冷却介质k1和k1`、冷凝装置18的冷凝腔室20a以简单的方式传热地连接到所述制冷单元15的冷却头16的冷却面17上。为了改善传热效果必要时对于有关所述冷却介质k1、k1`的热交换面可以采取增大面积的措施，例如沿切线方向在所述中央空腔12的绕组支架上设置肋板。
当然，所述包围冷却介质k1和k2的构件/容器必须能防止导热。因此为其绝热的目的相宜地设有一真空环境，在此可以在这些相应的真空腔中还附加地设有例如超级绝热物或绝热泡沫的绝热介质。在图1中，由真空罐7封闭的真空用V表示。该真空还包括所述包含侧面空腔13在内的一直延伸到所述密封装置21的安装管24。包含所述热管19和20以及冷凝装置18的冷凝腔室19a和20a和至少所述冷却头16的冷却面17的真空用V`表示。此外，或许也可以在所述包围转子5的由外壳3围成的空间22中形成一真空。
图3表示一具有在从侧面空腔13`到中央空腔12的过渡区域内的未示出的冷却单元15的超导装置2`的特别扩展设计。其中，该侧面空腔与图2所示实施方式不同设计为在一区段13a内朝所述中央空腔12的方向锥形地扩大。在该扩大区域内用于第一种冷却介质k1及第二种冷却介质k2的两个热管20`和19从所述安装管24中伸出。所述表示一第二热管的热管19对应于图2在所述中央空腔12内截止。而被看作第一热管20`的热管在所述扩大区域内13a内具有其开口的端部20b。所述第一种冷却介质k1从该开口的端部以液体的形式流出。汽化后的第一种冷却介质k1`通过该热管20`以图2中的相应方式被输送到一冷凝装置予以重新冷凝。
在附图所示的具有转子5的超导装置2或2`的实施方式中，一次性地充入所述冷却介质。当断开冷却单元以及冷的构件因此慢慢变热时，在热管及空腔系统中的压力就会由于冷却介质的汽化而升高。在此最终压力取决于被封闭的容积和系统中当时存在的冷却介质量。假如在大约1bar和27K时采用最小液体量的氖作为第一种冷却介质，则在空腔内的温度因受热达到大约300K后，空腔内的压力可达到高于12bar。由于这样的压力会对所述旋转的密封装置21形成负载，因此或许比较有利的是设置一位于外面的热的缓冲容积。如果该容积为所述冷却介质k1、k1`的冷却容积的n倍，则因受热所导致的空腔内的压力上升幅度可以由此减小到1：(n+1)倍。
Claims (15)
1.一种超导装置，其具有
一可围绕一旋转轴旋转地支撑的转子，该转子具有至少一个超导绕组，该绕组的导线安置在一个绕组支架中，
一制冷单元，该制冷单元具有至少一个与所述绕组传热耦连的冷却头，其特征在于，
a)所述绕组支架(9)设有一位于该绕组支架(9)中央的沿轴线方向延伸的中央空腔(12)，该中央空腔与从所述绕组支架区域一侧引出的一侧面空腔(13)相连，
b)所述冷却头(16)固定不动地位于所述转子(5)之外并通过一冷却面(17)与一用于冷凝在相互分隔开的各冷凝腔室(20a及19a)中的一第一种和至少另一种冷却介质(k1、k1`及k2)的冷凝装置(18)传热地连接，在此，这些冷却介质在其冷凝温度方面是不同的，
c)一用于所述冷凝装置(18)的第一种冷却介质(k1)的固定不动的第一热管(20)和至少另一用于所述冷凝装置(18)的至少另一种冷却介质(k2)的固定不动的热管(19)被引入到所述随转子(5)一同旋转的侧面空腔(13)中并且一直引入到所述中央空腔(12)的区域中，
d)在所述端部敞开的第一热管(20)、侧面空腔(13)以及中央空腔(12)内充有所述第一种冷却介质(k1、k1`)，在所述超导装置(2，2`)的一运行阶段，在充分利用温差环流效应的情况下，冷凝后的所述第一种冷却介质(k1)进入到达所述中央空腔(12)中并在那里被加热，由此被汽化的第一种冷却介质(k1`)之后又通过所述第一热管(20)返回到与之配属的第一冷凝腔室(20a)中，
e)所述至少另一固定不动的热管(19)设计为一在所述中央空腔(12)中的其热管末端截止封闭的充有所述至少另一种冷却介质(k2)的冷却棒，其中，在一冷却阶段，在充分利用温差环流效应的情况下，在所述至少另一热管(19)的冷凝腔室(19a)中被冷凝的所述至少另一种冷却介质(k2)在所述中央空腔(12)的区域中被加热汽化，然后汽化后的所述至少另一种冷却介质又返回到与之配属的至少另一冷凝腔室(19a)中。
2.如权利要求1所述的超导装置，其特征在于，所述设计为冷却棒的至少另一固定不动的热管(19)有多根，其中分别充填有其冷凝温度相互不同的冷却介质。
3.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述中央空腔(12)在一侧通过所述绕组支架(9)封闭，而所述侧面空腔(13)在朝向所述冷却头(16)的一侧通过一带有随转子(5)一同旋转的构件的密封装置(21)来密封。
4.如权利要求3所述的超导装置，其特征在于，所述密封装置(21)至少具有一由铁磁流体密封、迷宫式密封、间隙密封组合构成的密封结构。
5.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述包括冷却头(16)的制冷单元(15)具有至少一个低温制冷器。
6.如权利要求5所述的超导装置，其特征在于，所述低温制冷器是一脉管制冷器或一分置式斯特林制冷器或一吉福特-麦克马洪型制冷器。
7.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述冷却头为多级结构。
8.如权利要求7所述的超导装置，其特征在于，所述冷却头具有两个冷却级，即一个第一冷却级和一个第二冷却级，其中，所述第二冷却级与一供电线路或一辐射护板传热地相连，而所述相对于第二冷却级处于更低温度的第一冷却级则与所述热管(19，20)的冷凝腔室(19a，20a)传热地相连。
9.如权利要求7所述的超导装置，其特征在于，所述冷却头具有两个冷却级，即一个第一冷却级和一个第二冷却级，其中，所述第二冷却级传热地与所述至少另一热管(19)的冷凝腔室(19a)相连以及所述相对于第二冷却级处于更低温度的第一冷却级则传热地与所述第一热管(20)的冷凝腔室(20a)相连。
10.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述超导绕组(10)借助于所述冷却头(16)保持在一低于77K的温度上。
11.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述绕组(10)的导线包含低跃变温度超导材料或高跃变温度超导材料。
12.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述第一热管(20)在其伸入到所述中央空腔(12)中的敞开的端部(20a)处设计为一滴漏凸缘。
13.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，所述侧面空腔(13)设计为朝向所述中央空腔(13)的方向扩大。
14.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，至少所述转子(5)的冷构件和所述热管(19，20)是互相真空隔绝的。
15.如权利要求1或2所述的超导装置，其特征在于，在采用氖作为所述第一种冷却介质(k1)的情况下，采用氮作为所述至少另一种冷却介质(k2)；在采用氖作为所述第一种冷却介质(k1)的情况下，则采用氩作为所述至少另一种冷却介质(k2)；或者在采用氢作为所述第一种冷却介质(k1)的情况下，采用氮作为所述至少另一种冷却介质(k2)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090812 Termination date: 20190331 |