CN102016461B - 旋转参考系中的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统。该低温冷却系统包括设置在旋转参考系中的制冷机，该制冷机包括用于冷却热负荷的冷头，以及设置在旋转参考系中、并连接于制冷机的循环器，该循环器使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热负荷循环。

Description

旋转参考系中的冷却系统
背景技术
旋转机械的超导转子励磁绕组在运行过程中处于其超导状态的同时，必须受到冷却。传统的转子励磁线圈冷却方法是将转子浸入低温液体池中。例如，使用传统的、低温超导(“LTS”)材料的转子必须浸入液氦中。同样，使用由高温超导(“HTS”)材料制成的励磁线圈的转子通常由液氮或液氖冷却。在任一情况下，转子中产生或传导的热量由经历相变成为气态的低温液体吸收。因此，低温液体必须予以持续补充。
另一种超导部件冷却方法是使用低温致冷器或制冷机。制冷机是在诸如吉福特-麦克马洪(“GM”)循环和斯特林循环的若干热力循环之一中运行的机械装置。近来，制冷机已经适用于利用转子——例如超导电机和发电机中的转子运转。标题为“超导转子”且以参引的方式结合于此的美国专利No.5,482,919中就描述了这样做的一个示例。在这种方法中，将制冷机系统安装为用于与转子共转。安装用于与转子一起旋转的制冷机冷头消除了对于用于转子冷却的低温液体池以及低温旋转接头的使用。
通常，共转制冷机的冷头部分(“冷头”)仅冷却局部热负荷。当需要冷却诸如大型转子(例如，36MW-120RPM的海军驱动电机，或8MW-11RPM的风力发电机)的较大热负荷时，通常将大型制冷机或大量的制冷机应用于较大的热负荷，以降低热负荷和制冷机之间产生的较大的热梯度。另外的冷却器通常安装在静止系中，位于转子之外，同时通过氦气循环回路(例如美国专利No.6,357,422中所描述的)或热虹吸液体冷却回路来传送制冷量。另一个降低较大的热梯度的传统方法是在制冷机和热负荷之间使用热管。
发明内容
在一个方面中，本发明的特征在于，设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统。该低温冷却系统包括布置在旋转参考系中的、互相连接的制冷机和循环器。制冷机具有用于冷却热负荷的冷头。循环器使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热负荷循环。
实施方式可以包括一个或多个以下特征。制冷机绕旋转参考系的旋转轴线径向定位。循环器绕旋转参考系的旋转轴线径向定位。热负荷绕旋转参考系的旋转轴线径向定位。低温冷却系统还包括设置在旋转参考系中的热交换器。热交换器热力连接于冷头。该冷头是单级或多级装置。循环器使冷却剂经热交换器循环至热负荷。系统还包括设置在相对于旋转参考系的静止参考系中的压缩机。压缩机与制冷机流体连通。系统还包括设置在旋转参考系和静止参考系之间的气体联接器。气体联接器连接制冷机与压缩机。在旋转参考系中设置有两个或更多个制冷机。在旋转参考系中设置有两个或更多个循环器。热负荷为超导绕组。
在另一方面中，本发明的特征在于旋转电机。旋转电机包括具有旋转轴线的旋转参考系、设置在该参考系中的超导绕组、以及设置在该参考系中的低温冷却系统。低温冷却系统包括具有用于冷却超导绕组的冷头的制冷机，和连接于该制冷机的循环器。循环器能够使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热负荷循环。
在另一方面中，本发明的特征在于风力涡轮机。风力涡轮机包括旋转电机，该旋转电机包括具有旋转轴线的旋转参考系、设置在该参考系中的超导绕组、以及设置在该参考系中的低温冷却系统。低温冷却系统包括具有用于冷却超导绕组的冷头的制冷机，和连接于该制冷机的循环器，该循环器能够使冷却剂循环至超导绕组并使冷却剂从超导绕组循环。
实施方式可以包括一个或多个以下特征。制冷系统绕旋转轴线径向定位。超导绕组绕旋转轴线径向定位。超导绕组定位在平行于旋转轴线的平面中。多个超导绕组绕参考系中的旋转轴线等间距且径向地定位。冷却系统还包括热力连接于冷头的热交换器。循环器使冷却剂经热交换器循环至超导绕组。冷却系统包括两个或更多个制冷机。冷却系统包括两个或更多个循环器。冷却系统包括两个或更多个循环器。冷却系统还包括连接于冷头的压缩机。压缩机能够与冷头共转。压缩机通过导电滑环接收电力。
实施方式可提供一个或多个以下优点。特别是当将制冷机用于冷却较大热负荷时，本发明提供了降低共转制冷机和热负荷之间的较大的热梯度，以提高共转制冷机的冷却效率的替代性方法。通过将循环器(如，循环风扇或泵)结合到低温冷却系统的旋转参考系中，与制冷机一起，能够在无需为系统增加较大的附加重量的情况下，获得更高的制冷量和效率。此外也不需要低温旋转联接器。这使制冷成本更低而整体系统可靠性更高。
在以下的附加说明中阐述了本发明的一个或多个实施方式的细节。通过以下附图、对于若干实施方式的详细说明、并同样通过附加权利要求中，本发明的其它特征或优点将显而易见。
附图说明
图1是旋转参考系中的冷却系统的示意图。
图2是超导转子中的图1的冷却系统的示意图。
图3是图1的冷却系统的另一种实施方式的示意图。
图4是图1的冷却系统的再一种实施方式的示意图。
图5是图1的冷却系统的再一种实施方式的示意图。
图6是包括图1的冷却系统的风力发电机的示意图，该冷却系统构造成用以冷却旋转机械的高温超导转子。
具体实施方式
参照图1，低温冷却系统100的旋转参考系10中设置有制冷机11和热交换器15。热交换器15连接于制冷机11的冷头部分12。制冷机11和热交换器15用于使冷却剂18(即，低温流体)维持在低温温度。参考系10中还设置有循环器13(如，可低温适用的风扇或泵)，以便使冷却剂18移动到低温冷却回路21或使冷却剂18从低温冷却回路21移动(如带箭头的虚线所示)，该低温冷却回路21定位在热负荷17(如，超导转子绕组)附近并与热负荷17热连通。本质上，循环器13用作为使冷却剂18移过热交换器15提供所需力的机械机构，其中热交换器15连接于制冷机11，且连接在热负荷17上。在这种布置下，包括制冷机11和循环器13的低温冷却系统100有助于使诸如超导绕组的热负荷17维持在低温温度，以使其正常地且有效地运行。制冷机11通过线路19a接收来自压缩机23的高压工作流体。低压工作流体通过线路19b返回到压缩机23。线路19a和线路19b通过旋转联接器或接头25与制冷机11流体连通。如所示，压缩机23设置在静止参考系20中。如下面将更加详细描述的那样，通常优选的是，联接器25的对称轴线应该与旋转参考系10的旋转轴线重合。
现参照图2，包括上述制冷机11和循环器13的低温冷却系统用在转子组件200中。转子组件200通常在旋转电机的定子组件(未示出)内旋转。转子组件200包括呈中空环状构件形式的旋转真空室38，该旋转真空室38由轴承30支撑在绕旋转轴线A旋转的轴32上。在室38内，用于保持超导绕组17的绕组支撑件36于室表面的至少一点紧固于框架元件34。冷却系统的制冷机11和循环器13也紧固于室38的框架元件34。在运行中，通过使用低温冷却系统，使超导绕组维持在低温温度水平(例如，低于77开尔文(K)，优选地在20K至50K之间或在30K至40K之间)。在该具体示例中，使用了两个制冷机11。将工作气体19(例如，氦)通过与轴32同轴设置且设置在制冷机和压缩机23之间的联接器25运送至制冷机11。如上所述，循环器13迫使冷却剂18移过连接于制冷机11的热交换器15，并移到超导绕组17上。冷却剂18降低了制冷机11和热负荷17之间的热梯度，并由此提高了制冷机的冷却效率。在旋转电机运行前，将冷却剂18预装载在室38中。在某些应用中，当部分冷却剂由于过冷而转化为液相或固相时，补给线路40能够按照需要供给气态冷却剂(例如，氦气)。补给线路40通过工作气体19的供给线路连接于补给气源42(例如，气瓶)。
形成本发明的一部分的制冷机可以是单级或多级装置。适当的制冷机包括那些能够使用诸如吉福特-麦克马洪循环和斯特林循环的任意适当的热力循环运行的制冷机，对于这些制冷机的详细说明可见于美国专利No.5,482,919中。优选地，本发明中使用了赫力思科技(HelixTechnologies)的Cryodyne 1020型制冷机。出于适应性，来选择循环器用于在低温环境下运行。这种循环器由美国超导公司(AmericanSuperconductor)制造，较小型(如，A20型)由斯特林技术公司(StirlingTechnologies)制造。用于与循环器和制冷机一起使用的适当的冷却剂和/或工作流体包括、但不限于氦、氖、氮、氩、氢、氧、及其混合物。形成超导绕组的超导材料可以是诸如转变温度低于35K的铌-锡的传统的低温超导体，或者是转变温度高于35K的高温超导体。用于励磁线圈的适当的高温超导体是铋-锶-钙-铜氧化物、钇-钡-铜氧化物体系、汞系材料以及铊系高温超导材料的成员。在一个示例中，旋转联接器25包括气-气内部密封件以及铁磁流体外部密封件。该连接器的细节已经在美国专利No.6,536,218中加以说明，以参引的方式将该专利的内容合并于此。
参照图3，在另一种实施方式中，使用了多于一个的制冷机11，以有助于使每个超导绕组维持在低温温度。在该实施方式中，在超导绕组17附近设置有三个制冷机11。一个循环器13用于使冷却剂18移到绕组并使冷却剂18从绕组移动。在该具体示例中，制冷机和循环器的对称轴线垂直于旋转参考系10的旋转轴线A。
除了其它优点以外，使用多于一个的制冷机11还提高了效率并易于维修。特别地，使用串联布置的多于一个的制冷机11减少了每个制冷机的工作负荷，从而使每个制冷机工作得较少，以降低冷却剂18的温度。除此之外，如果一个制冷机发生故障，系统中的冗余克服了任何损失。此外，如果一个制冷机确实发生故障，可以通过适当的阀将其与系统隔离开，以允许在不关闭系统，且不会将污染物引入系统中的情况下进行维修。
参照图4，在再一种实施方式中，多于一个的循环器13与一个或多个制冷机一起使用。例如，在该实施方式中，旋转参考系10中设置有两个循环器13和三个制冷机11。循环器和制冷机的对称轴线平行于旋转参考系的旋转轴线。与冷却系统中使用多个制冷机类似，使用多个循环器提供了冗余，并且在其中一个循环器需要维修或替换的情况下便于维修。在使系统能够连续运行的同时，需要适当的阀和旁路管路以便能够将每个循环器13与其它循环器隔离。
图5示出该发明的另一种实施方式，其中，制冷机冷头11和压缩机23都安装成在旋转参考系10中旋转。导电滑环43允许使电力从电能的非旋转源44传输至压缩机23。图5的实施方式消除了图1的实施方式的流体旋转联接器25。
在所有的实施方式中，通常优选的是，超导绕组绕其附连的旋转参考系的旋转轴线径向定位，且它们的纵轴线平行于旋转轴线。同样优选的是，制冷机和循环器也绕旋转参考系的旋转轴线径向定位。它们的对称轴线或平行或不平行于旋转轴线。
存在多种应用，其中，旋转机械的超导转子励磁绕组在运行过程中在处于其超导状态的同时必须进行冷却。这种应用的一个示例包括风力涡轮机(图6)中使用的高温超导风力发电机300。这种发电机300包括转子，这里由旋转参考系310表示。转子使用由高温超导(“HTS”)材料制成的线圈317。如图所示，风力发电机300的HTS线圈317使用上述冷却系统冷却，在该冷却系统中，在转子的旋转参考系310中设置有至少一个制冷机311和至少一个循环器313。在某些实施方式中，旋转参考系310中还可以设置压缩机323。
其它实施方式
本说明书中公开的所有特征可以以任意结合方式结合。本说明书中公开的每个特征能够由提供相同的、等效的或类似用途的替代性特征所替换。例如，冷却剂18能够在运行刚一开始时就通过补给线路40供给，而不是在运行前预装载在冷却系统中。再例如，当不存在实际的低温冷却回路21时，将冷却剂18(如，氦气)随意地散布在室38内。在这种情况下，循环器13使冷却剂移至热负荷17并使冷却剂从热负荷17移动，以便在制冷机11将冷却剂冷却到适当的低温的同时，降低热梯度。此外，在某些应用中，旋转室38不需要真空状况。因此，除非以其它方式明确声明，否则公开的每个特征仅是等效的或类似特征的上位系列的示例。
通过以上描述，能够容易地确定本发明的本质特征，并且不会偏离其精神和范围的本领域技术人员能够做出本发明的多种改变和变型，以将其用于多种用途和情况。因此，其它实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统，所述低温冷却系统包括：
设置在所述旋转参考系中的制冷机，所述制冷机包括用于冷却所述热负荷的冷头，以及
设置在所述旋转参考系中并连接于所述制冷机的循环器，所述循环器使冷却剂循环至所述热负荷并使冷却剂从所述热负荷循环。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述制冷机绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述循环器绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述热负荷绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括设置在所述旋转参考系中的热交换器，所述热交换器热力连接于所述冷头。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述循环器使所述冷却剂经所述热交换器循环至所述热负荷。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括设置在相对于所述旋转参考系的静止参考系中的压缩机，所述压缩机与所述制冷机流体连通。
8.如权利要求7所述的系统，进一步包括设置在所述旋转参考系和所述静止参考系之间的气体联接器，所述气体联接器连接所述制冷机和所述压缩机。
9.如权利要求1所述的系统，其中，在所述旋转参考系中设置有两个或更多个制冷机。
10.如权利要求9所述的系统，其中，在所述旋转参考系中设置有两个或更多个循环器。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述热负荷为超导绕组。
12.一种旋转电机，包括：
具有旋转轴线的旋转参考系，
设置在所述参考系中的超导绕组，及
设置在所述参考系中的低温冷却系统，所述系统包括：制冷机和连接于所述制冷机的循环器，所述制冷机具有用于冷却所述超导绕组的冷头，所述循环器使冷却剂循环至所述超导绕组并使冷却剂从所述超导绕组循环。
13.如权利要求12所述的电机，其中，所述冷却系统绕所述旋转轴线径向定位。
14.如权利要求12所述的电机，其中，所述超导绕组绕所述旋转轴线径向定位。
15.如权利要求14所述的电机，其中，所述超导绕组定位在平行于所述旋转轴线的平面中。
16.如权利要求12所述的电机，其中，所述冷却系统进一步包括热力连接于所述冷头的热交换器。
17.如权利要求16所述的电机，其中，所述循环器使所述冷却剂经所述热交换器循环至所述超导绕组。
18.如权利要求12所述的电机，其中，多个所述超导绕组绕所述参考系内的旋转轴线等间距且径向地定位。
19.如权利要求12所述的电机，其中，所述冷却系统包括两个或更多个所述制冷机。
20.如权利要求19所述的电机，其中，所述冷却系统包括两个或更多个所述循环器。
21.如权利要求12所述的电机，其中，所述冷却系统包括两个或更多个所述循环器。
22.如权利要求12所述的电机，其中，所述冷却系统进一步包括连接于所述冷头的压缩机。
23.一种风力涡轮机，包括：
旋转电机，所述旋转电机包括：
具有旋转轴线的旋转参考系，
设置在所述参考系中的超导绕组，及
设置在所述参考系中的低温冷却系统，所述系统包括：
制冷机，所述制冷机具有用于冷却所述超导绕组的冷头，及
连接于所述制冷机的循环器，所述循环器使冷却剂循环至所述超导绕组并使冷却剂从所述超导绕组循环。
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