CN102449889A - 超导机械的冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于超导机械(1)的冷却设备，包括闭式热虹吸系统(2)，该系统可充填液体冷却剂(3)以及具有一个蒸发液体冷却剂(3)的蒸发器(4)。为提高设备的冷却能力，按照本发明设有用于增大蒸发器(4)的可被液体冷却剂(3)润湿的表面(5)的装置(7、8)。

Description

超导机械的冷却设备
技术领域
本发明涉及一种用于超导机械的冷却设备。这种设备有一个闭式热虹吸系统，该系统可充填液体冷却剂以及它有一个蒸发液体冷却剂的蒸发器。
背景技术
DE10244428A1公开了一种包括在机壳内的转子和定子的机械，它含有一个用于冷却机壳内部的这些部件的设备。所述冷却设备在机械的至少一端有闭式管路系统，包括处于机壳外部的冷凝器、处于机壳内部的蒸发器以及在冷凝器与蒸发器之间延伸的连接管，其中，在该系统内按热虹吸效应实施冷却剂的循环。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提高超导机械冷却设备的冷却能力。
此技术问题通过一种用于超导机械的冷却设备得以解决，其有一个闭式热虹吸系统，该系统可充填一种液体冷却剂并有一个蒸发液体冷却剂的蒸发器，其中设有用于增大蒸发器可被液体冷却剂润湿的表面的装置。
本发明基于下述认识：为了达到超导机械冷却设备内所需要的冷却功率，起决定性作用的并不是可供使用的液体冷却剂的绝对量，而是蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面的大小。蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面越大，可以越多地蒸发冷却剂，也就是说，通过可供使用的可润湿表面传入要蒸发的冷却剂内的热能就越多。因此，通过增大蒸发器的可润湿的表面，能够有效提高超导机械的冷却设备可供利用的冷却功率。
由从属权利要求可得知本发明设备有利的扩展设计。
按本发明的一种有利的扩展设计，蒸发器布设在超导机械转子的内部。因此多余的热能可以直接从转子排出。采用本发明达到的增大蒸发器可被液体冷却剂润湿的表面，对于本发明的这种设计是特别有利的，因为通常处于转子内部的蒸发器的容积并因而还有其表面，受转子比较小尺寸的限制。
蒸发器通常设计为空腔，它的边界可供用作蒸发器的表面。因此根据液体冷却剂的充填度，可提供或大或小的用于液体冷却剂蒸发的蒸发器表面。为了增大蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面，而与此同时不必增加液体冷却剂的量，按本发明另一项有利的扩展设计建议，用于增大蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面的装置具有至少一个用于置换
Figure BDA0000112275070000021
液体冷却剂的置换体
Figure BDA0000112275070000022
由此，在增大蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面的同时，节省了冷却剂。
按本发明另一项有利的扩展设计可获得结构上的优点，亦即，蒸发器和所述至少一个置换体成形为柱形，尤其圆柱形。这种形状制造方便以及尽管如此仍能有效置换液体冷却剂。
按本发明另一项有利的扩展设计建议，蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面具有一种表面结构，这种表面结构设计为，增大可有效利用于传热的表面。
由此达到在结构性费用低的同时，可以特别多地增大蒸发器的可被液体冷却剂润湿的表面。
在这方面按本发明另一项有利的扩展设计，令所述表面结构有一维的，尤其槽状或片状元件，从而可以在加工技术上特别简单地实现。
为了进一步提高冷却能力，按本发明另一项有利的扩展设计，所述表面结构具有二维的，尤其孔状或尖齿状元件。
按本发明另一项有利的扩展设计，液体冷却剂是氖。例如在冷却高温超导体时氖可以实现特别有利的工作点，不过比较昂贵，所以尤其应考虑减少冷却剂，通过本发明可以达到这一目的。
附图说明
下面借助附图表示的实施例详细介绍和阐述本发明。
其中：
图1示意表示通过超导机械和超导机械冷却设备剖开示出的剖面图；
图2示意表示按现有技术的蒸发器；
图3表示有置换液体冷却剂的置换体的按本发明设备的实施例；
图4表示按本发明设备的另一种实施例，其中增大了蒸发器可有效利用于传热的表面；以及
图5表示按本发明设备的一种实施例，其中为了增大蒸发器可被液体冷却剂润湿的表面而使用的不同装置。
具体实施方式
图1示意性表示出超导机械1和超导机械1的冷却设备。图中表示的是沿超导机械1纵轴线的一个剖面。在按图1的实施例中所展示的超导机械1，涉及一种旋转的电机，尤其涉及一种同步机械，例如电动机或发电机。它有定子10和转子6。此外它还有一个用于容纳定子10和支承转子6的机壳11。超导机械1通过闭式热虹吸系统冷却，它有蒸发器4、冷凝器9以及连接蒸发器4与冷凝器9的构件，例如连接管。蒸发器4、连接件和冷凝器9构成一个封闭容积的边界，该容积规定用于容纳液体冷却剂3。蒸发器4有一个可被液体冷却剂3润湿的表面5，在转子内产生的要排出的热能，通过此表面5传给冷却剂3。在这里，冷却剂3一般通过传输的热能从液态转变为气态，亦即冷却剂3被汽化或蒸发。基于气态冷却剂较小的密度，它通过连接件向地理位置较高的冷凝器9上升，并在那里通过提取吸收的热能，重新从气态转变为液态。如此再次液化的冷却剂3在重力作用下重新流回蒸发器4，尤其流回蒸发器4的可被冷却剂3润湿的表面5。因此这种冷却系统利用了所谓的热虹吸效应。这种冷却循环仅通过所谓的密度差或重力维持。
图2表示通过处于机器停止运行状态的超导机械的蒸发器4剖开示出的轴向剖面。在图2中没有明确地表示出机械的其他部分。按图2的蒸发器4有圆柱形横截面。图示的蒸发器4是由现有技术已知的。蒸发器4至少部分充填一种液体冷却剂3。在这里用附图标记5表示蒸发器4可被冷却剂3润湿的表面。
在用热虹吸系统冷却超导机械1时，为了提供所需要的冷却功率，必须由液体冷却剂润湿蒸发器4的规定的最小面积。取决于蒸发器4准确的几何尺寸并与冷却阶段期间往往受蒸发膜限制的热传导有关，为此在目前设计的超导机械中需要数量比较大的液体冷却剂(例如氖、氮等)。
当前为了解决这一问题，通常通过简单地充填相应量的冷却剂3，这一冷却剂量应能在(一般水平放置的)圆柱形蒸发器4内润湿足够大的表面。在同时维持一次性充填闭式热虹吸系统的设计方案中，所述方法在室温下需要比较大的缓冲容器(压力容器)，其中可在容许的压力升高条件下收集在冷却中断或故障时逐渐蒸发的液体冷却剂3。与之不同，当然也可以考虑，基于小量地充填冷却剂，使冷却过程需要比原来长的持续时间。
图3表示按本发明的设备一种实施例的蒸发器4。蒸发器4至少部分充填液体冷却剂3。通过使用附加的(有利地圆柱形的)置换体7，为了润湿同样的蒸发表面可以显著减少需要的液体量。这种设备有用于置换液体冷却剂3的置换体7，作为用于增大蒸发器4可被液体冷却剂3润湿表面5的装置7、8。通过置换体7，将在蒸发器4内部可供液体冷却剂3使用的容积限制为，使蒸发器4被冷却剂3真正润湿的表面增大。
图4表示按本发明的设备另一种实施例的蒸发器4。作为按图3的设计的补充或替代方式，蒸发器表面本身还可以通过加工成一种相应的表面结构8，显著增大其实际有效的表面。有利的设计是一维的槽状或片状结构，通过它们能以简单的方式显著增大表面(3-5倍)。按所示的实施例，用于增大蒸发器4可被液体冷却剂3润湿的表面5的装置7、8，设计为蒸发器表面的表面结构8，其中表面结构8设计为，增大可有效利用于传热的表面。按图示实施例的表面结构8有一维的，在这种情况下是槽状或片状的元件。二维的，可略微复杂地制造的表面增大方案(例如加工出小孔或尖齿状结构)也是有利的，它们实现了更多地增大有效表面。
图5表示按本发明的设备另一种实施例的蒸发器4，它有一种用于增大蒸发器4可被液体冷却剂3润湿的表面5的装置7、8的组合。不仅按图3的装置，亦即置换体7，而且按图4的装置，亦即用于增大蒸发器4可被液体冷却剂3润湿表面5的表面结构8，按图5的实施例互相组合。
图示的本发明的扩展设计，可以减少用于润湿蒸发器4作为热虹吸冷却循环组成部分所规定的最小表面所需的液体量。获得的优点在于，所需要的缓冲容积直接与之相关地减小(典型地从几百升减小为约十分之一)，并由此减少对空间位置的需求和降低成本。用于原先充填热虹吸系统的费用也因此减小(减少了冷却剂3)。
总之，本发明涉及一种用于超导机械1的冷却设备，包括一个闭式热虹吸系统2，它可充填一种液体冷却剂3以及具有一个蒸发液体冷却剂3的蒸发器4。为提高设备的冷却能力，按本发明设有装置7、8，用于增大蒸发器4可被液体冷却剂3润湿的表面5。

Claims (8)

1.一种用于超导机械(1)的冷却设备，包括闭式热虹吸系统(2)，该系统可充填液体冷却剂(3)以及具有蒸发液体冷却剂(3)的蒸发器(4)，其中设有用于增大蒸发器(4)可被液体冷却剂(3)润湿的表面(5)的装置(7、8)。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征为，所述蒸发器(4)布设在超导机械(1)的转子(6)的内部。
3.按照权利要求1或2所述的设备，其特征为，所述用于增大蒸发器可被液体冷却剂润湿的表面的装置(7、8)，设计为至少一个用于置换液体冷却剂(3)的置换体(7)。
4.按照权利要求3所述的设备，其特征为，所述蒸发器(4)和所述至少一个置换体(7)成形为柱形，尤其圆柱形。
5.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，所述用于增大蒸发器可被液体冷却剂润湿的表面的装置(7、8)，设计为蒸发器(4)的可被液体冷却剂润湿表面的表面结构(8)，该表面结构(8)设计为增大可有效利用于传热的表面。
6.按照权利要求5所述的设备，其特征为，所述表面结构(8)具有一维的，尤其槽状或片状元件。
7.按照权利要求5或6所述的设备，其特征为，所述表面结构(8)具有二维的，尤其孔状或尖齿状元件。
8.按照前列诸权利要求之一所述的设备，其特征为，所述液体冷却剂(3)是氖。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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