CN102611284B - 用于冷却超导机器的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于冷却超导机器(2)的超导体的装置(1)具有至少两个相互热分离的冷凝器腔(18，18′)，其尤其通过预定的热阻(33，33′)热连接在一个唯一的冷却头(16)上，至少两个冷凝器腔分别通过用于液态冷却流体(k)的收集容器(34，34′)与各一个连接管路(20，20′)连接，通过连接管路使至少两个冷凝器腔与蒸发器腔(12)流体连接，而且其中至少两个收集容器这样设计，使冷却流体(k，k′)可以以液态形式克服重力通过在第一收集容器中的第一压力p1和第二收集容器中的第二压力p2之间的压差，从至少一个收集容器运动进入蒸发器腔(12)，这些压力分别通过借助于可以循环运行的加热装置(35，35′)在至少一个收集容器中蒸发的冷却流体的比例来确定。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冷却超导机器的装置，和一种用于冷却超导机器的方法。
背景技术
超导机器(supraleitende Maschine)一般包括超导线圈，这些线圈至少在机器运行时必须被可靠地冷却。自1987年以来，已知了跃变温度Tc超过77K的金属氧化物超导材料。这些材料也被称为高Tc超导材料或者HTS-材料，并且原理上可以实现用液态氮(LN2)的冷却技术。包括有具有HTS-材料的线圈的机器，因此例如可以用液态氮(LN2)、或者用液态氖(LNe)进行冷却或者说运行。
为了冷却具有HTS-材料的绕组，优选地使用具有封闭He-压缩气体循环的、所谓低温冷却器形式的致冷设备。这样的低温冷却器尤其是吉福德-麦克马洪(Gifford-Mcmahon)类型或者斯特林(Stirling)类型，或者设计成所谓脉冲管冷却器。它们的优点在于：其致冷功率在一定程度上根据按钮压力来提供，并且避免使用低温液体。在应用这样的致冷设备时，例如通过热传导至冷却器的冷却头间接地冷却超导绕组，(例如见“Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.(ICEC 16)”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，出版社Elsevier Science，1997，1109页至1129页)。
一种冷却技术，例如在DE 10321463A1中所述的那样，可以用于冷却电机的转子。转子包括旋转的、由HTS-导线构成的绕组，这些导线位于导热设计的绕组支架中。这种绕组支架设有中央的、在轴向方向上延伸的圆柱形空腔，在侧面从绕组支架中引出来的管状管路部分连接在空腔上。该管路部分进入致冷单元的、按地理测量学来说较高的冷凝器腔中，并与该冷凝器腔和中央转子空腔一起构成封闭的单管管路系统。在该管路系统中有致冷介质或者说冷却流体，它在充分利用一所谓的热虹吸作用的情况下循环流动。这里在冷凝器腔中冷凝的冷却流体经过管状管路部分导入中央空腔中，在此处由于在绕组支架并因此在HTS-绕组上的热连接而吸收并蒸发热量。蒸发的冷却流体然后经过同一个管路部分返回至冷凝器腔中，在此处返回冷凝。为此所需的致冷功率由一个致冷机提供，机器的冷却头热连接在冷凝器腔上。
通过略微的过压促使致冷剂朝向致冷机的、用作冷凝器的部件回流到用作蒸发器部件的中央空腔中。这种通过在蒸发器部件中产生气体和在冷凝器腔中的液化而产生的压差因此引起了所希望的致冷剂回流。相应的致冷剂流动由所谓的“Heat-Pipes(热管)”原理上得知。
对于已知具有借助于相应的致冷单元的热虹吸冷却器的机器来说，因此单单在充分利用重力的情况下进行液态致冷剂的运输，从而不需要其它的泵系统。这要求有致冷单元或者说冷凝器腔，它必须在地理测量方面强制地布置得比机器或绕组支架更高。与此关联的缺点尤其是出现在对机器-和致冷单元构造的空间限制方面。因此例如当机器具有垂直布置的机器轴时，利用机器驱动的物体、例如电动机，可以布置在机器之上。机器这样安置在其周围环境中，使得在机器平面中不存在自由空间。地理测量较高的位置通过被驱动物体而占据，而在这种情况下则不可能将致冷单元装在地理测量上较高地布置。在综合的应用中，例如像对于火车的内燃机车来说，例如也可以由根据上部架线-和隧道高度的规定来限制动车的结构高度。对处于高度规定的数量级的给定机器大小来说，即使当机器轴线水平布置时，致冷单元也不可能布置成在地理测量上高于机器。
另外一种情况出现在船舶或者卸货装置上，此时在纯粹重力驱动的冷却介质流时发生问题。如果要将之前所述的机器装置使用在船舶或者卸货装置上，那么必须反复考虑到静态歪斜，一种所谓的“Trim(保持平衡)”，例如小于等于±5°，和/或考虑到在纵向方向上的动态歪斜，例如小于等于±7.5°。为了得到船级社对于船舶使用的许可，因此在海船甲板上的这样机器装置的冷却系统必须即使在这些条件下也保证可靠实现冷却。如果容许机器有所述的歪斜，那么形成这种危险：在中央转子空腔和致冷单元之间的管状管路部分在地理测量上低于中央转子空腔。其后果是致冷剂在重力的影响下，不能到达所要冷却的转子空腔。因此可能无法确保机器的冷却及其运行。
为了在机器歪斜时也保证可靠地冷却，可以将机器相对于水平面这样倾斜地布置，从而即使在热虹吸管路系统中的平衡位置或者震荡震幅需要假设较大时，也总还有一种向着转子空腔方向的倾斜。在船舶制造中、尤其是在机器长度较大时，一种对应倾斜的布置由于需要大的占用位置恰好不受欢迎。备选地代替一种单管管路系统，这种系统用于在冷凝器腔和蒸发器腔之间的制冷剂循环，其中液态和气态的致冷剂通过相同的管路部分从冷凝器腔流出和流入，可以应用一种双管管路系统。在此利用热虹吸效应，例如在WO 00/13296A中对其进行了说明。然而在转子的空心轴部位中必须为气态的制冷剂设置附加的管子。在地理测量上，必须将冷凝器腔布置得比蒸发器腔足够高，以便确保通过重力使冷却流体从冷凝器腔流入蒸发器腔中。这要求例如在船舶中只是有限提供的结构空间。
另一种备选方案在于应用一种机械泵和/或机械阀。致冷剂可以通过泵设备实现强制循环。然而为此需要很大的设备费用，尤其是如果致冷剂的温度例如从25至30k的话。这样的循环设备决定了显著的损耗，并且对于船舶制造的寿命要求几乎无法以用其长久的维护周期来满足。
申请人补充公开的德国专利申请DE 102010041194.9通过依赖关系特此全面地在本发明的公开内容中被接受，其说明了一种布置，在该布置中用于冷却的装置具有至少两个冷凝器腔，冷凝器腔分别与冷却头热接触，其中至少两个冷凝器腔分别具有一个连接管路，通过这管路使至少两个冷凝器腔与一个蒸发器腔流体连接，连接管路的特征在于，这样设计至少两个冷凝器腔，即液态形式的冷却流体克服重力，通过在第一冷凝器腔中的第一压力和第二冷凝器腔中的第二压力之间的压差，从至少一个冷凝器腔运动进入蒸发器腔中，这些压力分别通过冷凝器腔中的温度来确定。同时需要多个冷却头，这加大了设备费用和空间要求。对于每个冷凝器腔应用分开的冷却头，应该避免在冷凝器腔之间通过冷却头来促进热平衡。
发明内容
本发明的目的因此在于，提出一种用于冷却超导机器的装置和方法，它们即使在机器歪斜时也能实现可靠的冷却，并且使低设备费用与低空间要求相结合。
涉及用于冷却超导机器的装置的所述的目的利用权利要求1的特征来实现，涉及冷却超导机器的方法的目的利用权利要求6的特征来实现。
根据本发明的用于冷却超导机器的装置和方法的有利设计方案可以由分别对应的从属权利要求得出。并列的权利要求特征可以相互组合，并且可以与从属权利要求的特征组合以及从属权利要求的特征都可以相互组合。
相应地，根据本发明的用于冷却超导机器的超导体的装置的特征在于，其至少具有两个相互热分离的冷凝器腔，这些冷凝器腔尤其是通过预定的热阻热连接在一个唯一的冷却头上，而且其中至少两个冷凝器腔通过一个用于液态冷却流体的收集容器与各一个连接管路连接，通过该连接管路使至少两个冷凝器腔与蒸发器腔流体连接，而且其中至少两个收集容器这样设计，使得液态形式的冷却流体克服重力，通过在第一冷凝器腔中的第一压力和第二冷凝器腔中的第二压力之间的压差，从至少一个收集容器运动进入蒸发器腔中，分别通过借助于可以循环运行的加热装置在至少一个收集容器中蒸发的冷却流体的比例来确定第一和第二压力。
也就是说至少应用两个冷凝器腔，它们连接有至少一个直接或者间接用于液态的冷却流体的收集容器，也就是说例如通过管件连接。这可以实现将收集容器中的温度通过一种配合于收集容器的加热装置，进行不同的调整。由此又可以在收集腔(和与之连接的冷凝器腔)之间建立起压差。在一个收集容器中通过加热来提高温度，其中使液体蒸发和/或气态冷却流体膨胀，从而使压力升高。如果加热装置不运行，那么尤其是从冷却头出发，即使在收集容器中的温度也重新降低，而且压力减小，这是因为气态冷却流体被冷凝。因此由于在不同的冷凝器腔的收集容器中的温度变化不同，可以在收集容器和进而不同的系统部分之间形成起压差。换而言之，根据本发明提出，在至少两个收集容器之间形成温差，并因此也产生压差。
这种压差使液态冷却流体经过至少一个连接管路运动进入冷凝器腔中。如果压差足够大的话，通过在收集容器中比冷凝器腔中高的压力，该压力可以通过在一个收集容器中比另一个收集容器中高的压力而产生，使一个收集容器的连接管路中的冷却流体也克服重力运动进入蒸发器腔中。因此绝对不需可以运动的部件，如阀或者机械泵。
因为根据本发明还在收集容器中应用了加热装置，因此可以使至少两个冷凝器腔连接在同一个冷却头上。由于通过热阻(热阻元件)在冷却头上实现连接，因此将通过收集容器中温度升高而在一个冷凝器腔中降低的温度，至少非直接地通过冷却头继续传输到至少另一个冷凝器腔上。最后是热阻，它产生一定的时间滞后，这种时间滞后可以实现利用一个唯一的冷却头也进行工作，在该冷却头上热连接有至少两个冷凝器腔，但不会使本发明的基本功能有影响，或者使效率过于强烈地降低。
也可以规定地选择在冷凝器腔和冷却头之间的热阻，最后也就是说可以预先确定，这是因为通过调整加热装置的加热功率和热阻，以优化的方法，可以实现一种优化的效率。冷凝器腔在冷却头上的热连接和加热功率因此是“调整螺钉”，因为可以鉴于最大可能的效率而有目的地选择这些值。
最后使根据本发明的装置运行，其方法是：例如使收集容器交替地加热。按此方式，使一小部分冷却流体蒸发，并因此使液态冷却流体从加热的收集容器压朝向待冷却的物体压入蒸发器腔中。从具有未加热的收集容器的冷凝器腔，将待冷却的物体中、也就是蒸发器腔中蒸发的气态冷却流体抽吸并且再次液化。
在具体的设计方案中可以提出：连接管路在容器底部的区域中连接在相应的收集容器上，和/或加热装置连接在相应的收集容器的底面上。在将液化的冷却流体总是收集在收集容器的底部区域中之后，也就是说仅仅液态冷却流体可以通过在加热时产生的压力被送入蒸发器腔中。加热装置有保障地作用于液态冷却流体，并引起一定的蒸发。
在本发明的特别有利的设计方案中可以提出：加热装置可以以一种加热功率运行，这种功率相当于冷却头功率的80％至120％，尤其是冷却头功率的95％至105％。如果这样选择冷却头功率，使得其达到冷却头功率的较大值，那么就将液态冷却流体在相对较短的时间中、例如在20-40秒内压入蒸发器腔中。由此有利地阻止了：加热的收集容器上的冷凝器通过较长的时间使被加热装置蒸发的冷却流体冷凝，并且由此极大地降低了可用的致冷功率。
在发明思想的一种改进设计中，可以设置控制装置，用于取决于测量传感器测量的在收集容器中、尤其是在收集容器底部的温度的测量值来控制加热装置，尤其是加热装置的接通时间。传感器最后为此起到一种探测器的作用，即将全部液态冷却流体从收集容器中送出去。因为如果不再存在液态冷却流体的话，容器底部的温度快速升高，从而可以快速地识别出是收集容器是空的。然后例如可以断开加热装置，而另一个收集容器的另一个加热装置则可以起作用，用于建立一种新的、变化不同的温差，这可以直接地或者在一定的间隔之后发生。
在冷凝器腔和冷却头之间的热阻是已知的，并且可以参照上述优化过程限定地配合。例如可以提出：将铟层和/或螺纹连接件(verschaubung)设计为热阻。因此例如已知了，应用铟层与冷却头连接，这种铟层受载直至超过屈服极限。
这里还要说明：也可以设置两个以上的、具有配属于收集容器的冷凝器腔，这些冷凝器腔尤其是都与同一个冷却头热连接。与是否设置两个或者更多冷凝器腔无关地，在各自配属的收集容器中的温度可以相互独立无关地进行调节，尤其是通过对加热装置相应地控制。如果设置至少三个冷凝器腔，那么可以有利地同时降低两个收集容器中的温度，并提高一个收集容器中的温度。时间上紧随地，在其中温度提高和降低的收集容器之间可以进行交换，但其中一个收集容器的温度总是高于在另外两个的温度。因此使得液态冷却流体总是从一个连接管路中流出，并且确保可靠的冷却。在两个具有较低温度的收集容器中，当液态冷却流体从第三收集容器的连接管路中流入蒸发器腔中时，使气态冷却流体液化，其从蒸发器腔中流入前两个收集容器中和配属的冷凝器腔中。
通过冷凝器腔、收集容器、连接管路和蒸发器腔，可以形成一个闭合的、尤其是封闭的冷却循环回路。尤其是如果设有一种尺寸大小适合的平衡容器，则没有冷却流体流失，而且不需要进行冷却剂回路的维护，或者说添加冷却流体。
装置可以装有一种冷却流体，它包括有一种均质的液体，尤其是液态氮或者液态氖，或者说由它们组成，或者它包括有一种由具有不同冷凝温度的冷却液体组成的混合物。冷却流体的蒸发温度确定了一种温度，在这温度上可以使超导绕组或者说超导机器冷却，也就是说，可以使用超导材料。冷却流体的冷凝温度确定了一种温度，冷却头必须在该温度冷却冷凝器腔，以便使蒸发的、气态冷却流体再次液化。通过混合或者添加冷却流体，也可以使冷却流体进行蒸发或者说液化时的温度得以调整，该温度处于纯材料、例如纯氮或者纯氦蒸发或液化时的温度之间。
超导机器可以是电动机和/或发动机，其尤其具有装有至少一个超导绕组、尤其是包括高温超导体的超导绕组的转子，其中转子布置成可以围绕一个轴线旋转。超导绕组可以由HTS-材料组成或者包括该材料。这样允许应用氮或者氖作为冷却流体。一种这样的超导机器例如可以使用在船舶中。
具有冷却头的冷凝器腔和各自配属的收集容器可以固定地布置在转子之外，而蒸发器腔可以布置在转子之内，尤其是作为圆柱形空腔可以沿着转子的轴线旋转。连接管路可以按照热虹吸原理伸入蒸发器腔中，并且同样固定。由此可以实现机器的有利性能。
除了装置之外，本发明也涉及一种用于冷却尤其是在应用热虹吸效应的条件下的超导机器的超导体的方法，其中可以应用一种根据本发明的装置。根据本发明的方法包括以下步骤：在与热连接于冷却头上的冷凝器腔连接的至少第一收集容器和与热连接于同一个冷却头上的第二冷凝器腔连接的至少第二收集容器之间，通过至少一个加热装置的运行引起温度差，从而使冷却流体在较热的收集容器中蒸发，并且在收集容器中的压力升高，而且因此使液态冷却流体在一个配属于较热的收集容器的连接管路中，从较热的收集容器运动进入蒸发器腔中，并且同时使气态冷却流体经过一个配属于较冷的收集容器的连接管路，从蒸发器腔运动进入较冷的冷凝器腔中。
对于根据本发明的方法来说重要的也在于：在收集容器/冷凝器腔之间建立温度差，这种温度差又引起了一个压差，这种压差也克服重力地将液态冷却剂输送入蒸发器腔中，并且同时确保将蒸发的冷却流体抽吸进入较冷的冷凝器腔中。可以考虑如何能具体地实现这种温差的不同变体。
例如可以通常，升高在与第一冷凝器腔连接的第一收集容器中的温度，其中提高收集容器中的压力，并使得液态冷却流体在第一收集容器和蒸发器腔之间的连接管路中，通过温度的升高和/或气体膨胀而运动进入蒸发器腔中，而且同时在与第二冷凝器腔连接的至少第二收集容器中，使温度保持恒定或者降低，尤其是一种比在第一收集容器中较低的温度，因而使气态冷却流体经过在蒸发器腔和第二收集容器之间的第二连接管路，通过第一收集容器中的温度升高，和/或第二收集容器中的温度降低，而从蒸发器腔运动进入第二冷凝器腔中。通过第一收集容器中的温度升高建立或者说增强压差，因此通过由此在第一收集容器中形成的、也是与蒸发器腔中的压力相比的过压，将液态冷却流体压入蒸发器腔中。可以简单而快速地实现温度升高，因此可以产生较高的压差，并且可以使液态冷却流体通过从若干厘米一直到若干米范围内的较大的高度差，克服重力在连接管路中运动。
但是也可以考虑，如下来产生温差：第一和第二收集容器中升高温度，然而其中在一个收集容器中升高的温度小于在另一个收集容器中升高的温度，从而最后形成一种压差，这种压差足够用于输送冷却流体。在这种情况下使两个加热装置运行。
然而最后可以考虑所有的方案，以便实现一种温差和由此得出的压差，例如也使一个收集容器中的温度保持恒定，例如通过在低功率时运行加热装置，其中在另一个收集容器断开加热装置，并且相应地可以降低温度或进行类似调节。
这里也要说明，只要建立起所想要的冷却流体流，也就可以在若干个第一和/或若干个第二收集容器中产生起不同的温差。例如，正如已经针对根据本发明的冷却装置所叙述的那样，其中实施形式可以针对根据本发明的冷却装置，不言而喻类似地转移到根据本发明的方法上，可以考虑：在与第三同冷却头热连接的冷凝器腔连接的至少第三收集容器中，同样也使温度保持恒定或者降低。
也可以在根据本发明的方法中，只应用一个唯一的冷却头，在该冷却头上连接有不同的冷凝器腔。这样可以在收集容器中的加热装置起作用并且可以被独立地调节之后，并不长时间地需要通过独立的冷却头进行独立的温度调节。然而应该在冷凝器腔和冷却头之间给出一定的热阻元件(热阻)，以便以此方式在所使用的时间刻度上不必蒙受损失。
根据本发明的方法最后也建立在以下的基础上：为了将冷却流体似类似连续地输入至蒸发器腔中，变化地、尤其是交替地形成温度差和由此得出压差，从而使在迄今较冷的冷凝器腔中重新冷凝的冷却流体最后又可以回流。因此可以提出，时间上直接地或者间接地紧随迄今所述的步骤，在至少一个较热的收集容器中使温度降低，或者保持恒定，并且在至少一个较冷的收集容器使温度升高或者保持恒定。在两个收集容器中温差例如正好反过来，其中这种过程常常可以任意地重复。该方法因此可以作为将液态冷却流体泵送至蒸发器腔中的一种连续或者脉动的过程来实施。
尤其是在通过冷却流体运动和/或尤其是克服重力使压力平衡时，通过在收集容器中和蒸发器腔中的压差和/或温差仅仅实现调节或控制冷却流体的运动。不必再使用阀门或者机械泵也使连接管路中的液态冷却流体克服重力地运动进入蒸发器腔中。因此避免在低温时机械零部件的问题，并且降低维护费用和成本。
此外还可以提出，在蒸发器腔中使冷却流体从液态转变成气态，并冷却超导机器的转子的旋转超导绕组，其中超导绕组尤其是包括高温超导体，和/或其中蒸发器腔尤其是作为圆柱形空腔可以沿着转子的旋转轴线转动地布置在转子内部。此外可以提出：冷却头和至少两个带有其收集容器的冷凝器腔以及至少两个连接管路固定地布置，连接管路尤其是被一个包住连接管路的总管包围住。
在根据本发明方法的特别有利的设计方案中，此外可以提出：在每个收集容器中，尤其是在每个收集容器的底部测量温度，并且取决于所测的温度对加热装置进行控制。如已经针对根据本发明的装置所示那样，如果将液态冷却流体从收集容器压出来，则容器底部的温度快速升高。这可以通过适合的传感器来求得，并且用于控制尤其是加热装置的接通时间。
在本发明的另一种适用的改进设计中，为了提高收集容器中的温度，使加热装置以冷却头功率的80-120％、尤其是冷却头功率的95％-105％的功率运行。通过处于冷却头功率数量级中的加热功率将液态冷却介质在相对短的时间内压入蒸发器腔中，从而阻止了：在冷凝器腔中在加热的收集容器上，经过较长的时间，使得被加热装置蒸发的冷却流体冷凝，并由此极大地阻碍了可供使用的制冷功率。
此外可以提出：为了优化效率，使设在冷却头和冷凝器腔之间的热阻和加热装置的加热功率相互协调配合。正如针对根据本发明的装置所叙述的那样，热阻和加热功率都是一种量值，可以考虑到最优的效率、也就是说根据发明方法的最佳的效率对其进行选择。例如可以在一种优化方法的范畴中确定适合的值，从而最后可以确定地选择加热功率和/或热阻。
附图说明
本发明的其它优点和细节可以由以下说明的实施例以及根据附图得出。所示为：
图1是具有根据现有技术用于冷却的装置的超导机器的剖视图；
图2对应于本发明用于冷却的装置的简化图。
在附图中，对应的部分用相同的标号表示。
具体实施方式
对应于附图的机器分别包括定子和转子以及配属的致冷单元。在以下说明的机器的实施形式中，尤其是可以指同步-电动机和/或发电机。机器包括旋转的超导绕组，该绕组原则上应用了金属的LTS-材料(低-Tc-超导材料)或者氧化的HTS-材料(高-Tc-超导材料)。后者的材料应该是以下实施例的基础。绕组可以由一个线圈或者由一个线圈系统以两极、四极-或者其它多极的布置方式组成。一个对应的同步-电动机的原理结构见图1，正如它由背景技术已知的那样。
以2表示的机器包括固定的、处于室内温度的外壳3，它有一个定子绕组4。转子5可以围绕轴承6中的旋转轴线A旋转地设置在外壳3内并被定子绕组4包围。对于这些轴承6来说可以是指传统的机械轴承，或者也指磁轴承。转子此外还具有真空容器7，在该真空容器中具有HTS-绕组10的绕组支架9保持在例如空心圆柱形的、传输转矩的悬挂元件8上。在该绕组支架9中与旋转轴线A同心地具有在轴向方向上延伸的中央空腔12，该空腔例如具有圆柱形状。绕组支架9相对于该空腔12设计成真空密封的。绕组支架在转子5的一侧封住空腔，转子在该侧借助于实心的轴向转子轴部分5a被保持住。在对峙侧，中央空腔12连接在具有相比较较小直径的侧面空腔13上。该侧面空腔13从绕组支架9的区域向外伸出越过外壳3的区域。用5b表示包围该侧面空腔13的、支承在一个轴承6中的管状转子轴部分。
为了通过导热部件间接地冷却HTS-绕组10而设置致冷单元，其仅仅示出了一个冷却头16。对于这种致冷单元来说可以是指一种吉福德-麦克马洪(Gifford-Mcmahon)类型的低温冷却器，或者尤其是指一种斯特林(Stirling)冷却器。冷却头16和致冷单元的所有主要的其它部件都位于转子5或者说其外壳3之外。
例如布置在转子5侧面几米远的冷却头16的冷却部件在真空容器23中，通过传热物体17与具有冷凝器腔18的致冷介质冷凝单元良好地热接触。在该冷凝器腔上连接有真空隔绝的、位置固定的热管20，其侧面在轴向区域中伸入到侧面的、一起旋转的空腔13中，或者中央空腔12中。在图中没有详细说明的密封装置21用于使热管20相对于侧面空腔13密封，该密封装置具有至少一个密封元件，其可以设计成磁流体密封件和/或迷宫式密封件和/或间隙密封件。通过热管20和侧面空腔13，中央空腔12与冷凝器腔18的热交换区域向外气密地密封连接。在中央空腔12和冷凝器腔18之间延伸的管状部件一般称为管路部件22，用于容纳致冷剂。这些管路部件22与冷凝器腔18和中央空腔12一起被视为管路系统。
该管路系统的腔室装有致冷剂，根据HTS-绕组10的所希望的运行温度来选择致冷剂。因此例如可以考虑用氦(在正常压力时冷凝温度4.2k)、氢(在正常压力时冷凝温度20.4k)、氖(在正常压力时冷凝温度27.1k)、氮(在正常压力时冷凝温度77.4k)或者氩(在正常压力时冷凝温度87.3k)。
也可以规定用这些气体的混合物。在充分利用一种所谓热虹吸效应情况下进行致冷剂的循环。对此致冷剂在冷却头16的、在冷凝器腔18的区域中的冷却面上冷凝。接着这样液化的，用k表示的致冷剂通过管路部件22流入中央空腔12中。冷凝物的运输是在重力的影响下进行。为此热管20可以有利地相对于旋转轴线A在地心方向上略微倾斜(少量的几度)，以便因此有利于液态致冷剂k从管子20的敞开端20a流出。在转子5的内部然后使液态致冷剂k蒸发。蒸发的致冷剂用k′表示。这种在吸热的情况下蒸发的致冷剂k′然后经过管路部件22的内部流回到冷凝器腔18中。这里通过在起到蒸发器作用的空腔12中的轻微过压，引起向着冷凝器腔18方向上的回流，过压通过在蒸发器中产生气体和在冷凝器腔18中的液化而引起。因为液化的致冷剂k从冷凝器腔18循环进入中央空腔12，并且蒸发的致冷剂k′从该空腔12循环回到冷凝器腔18中，都是在由冷凝器腔18、管路部件22和空腔12构成的管状管路系统中进行，因此在充分利用热虹吸效应的情况下可以考虑具有制冷剂k，k′循环的单管系统。
此外正如在图1中所示那样，当机器2用于船舶或者卸货装置上时，会出现歪斜，此时旋转轴线A相对于水平面H倾斜几度的一个角度δ。然后虽然如前所述那样，致冷剂在冷凝器腔18中冷凝；但是致冷剂不再能到达中央空腔12，从而然后管路部件20，22逐渐地完全是液态致冷剂k。在管路系统填充相对少量的制冷剂k，k′时，则转子内腔或者说空腔12可以干运行，而且因此不再被冷却。当管路系统的填充量较大时，在一定的时间之后，也阻止了液态致冷剂k在管路部件20，22中流向蒸发器腔12。在这种情况下同样也无法再保证对转子5或其超导绕组10进行可靠的冷却。
根据现有技术因此可以提出：在这种状态下使冷凝器侧的气体压力短时间地提高，从而因此将致冷剂液体从管路部件20，22中(在有倾角δ时)克服重力地压入中央空腔12中。根据现有技术借助于热的缓冲容积PVW和机械泵28来实现这种压力升高。借助于这些措施可以使冷凝器腔18中的气体压力暂时升高，使得在那中和在管路部件20中的液态制冷剂k压入中央空腔12中。在位于处于过压下的缓冲容积PVW和冷凝器腔18之间的连接管路24中，因此布置了控制阀门29，这阀门打开至泵28的连接，泵然后将气体k′从缓冲容积输送入冷凝器腔中。阀门30允许多余的气体从冷凝器腔18中返回。
一种这样要引起的压力震荡可以持久地、也即是说在短的、重复的时间间隔中(分别对于短的持续时间而言)进行，或者可以通过已知结构形式的位置传感器26由控制单元27来控制。这种位置传感器探测到机器2的倾角为δ的歪斜，并因此通过控制单元27如所述地输入压力体积(气体脉冲)。
在图1中没有表示出用于提供和导出气体的其它部件，例如像进气阀，由该阀可以从系统中通过连接管路24填充气态的致冷剂，因为这些部件一般是已知的。只是标出了一个在系统中有非许可的过压时进行反应的过压阀31。
不言而喻，必须防止热量传入包围致冷剂k或k′的部件或者容器。为了保证其热隔绝，因此适合地设有一个真空环境，其中在一定条件下在对应的真空腔中此外还可以设有隔离介质，例如超隔离体或者隔离泡沫。在图1中用V表示包围在真空容器7中的真空环境。此外真空容器还包围围绕侧面空腔13的、一直伸展至密封件21的管子。包围住热管20以及冷凝器腔18和导热体17的真空环境用V′表示。必要时也可以在围绕转子5的、被外壳3包围住的内腔32中产生负压。
在机械泵28和阀门29，30，31的系统中不利的是：在为了简化起见没有表示出的部件在冷凝区域中的布置中，在冷凝温度时，这些部件很容易出故障，而在这些温度下设计运动的部件很费事而且成本高。正是鉴于用于船舶、但是也用于其它机器类型，需要长时间地无维护运行。机械运动的部件因此减少到最小，因为这些部件一般容易出故障。
根据本发明，如图2所示，在一个前述的机器2中，采用一种新型的冷却原理。这时可以放弃像泵28和阀门29，30，31那样的部件，其中机器的所有其它部件类似于以前在图1中所述机器的部件，因此不再另外叙述。
与图1所示的具有冷凝器腔18的装置相反，图2所示的根据本发明的装置1的实施例具有第一和第二冷凝器腔18，18′，用于冷却超导机器2，这些冷凝器腔分别通过热阻33，33′连接在一个(唯一的)冷却头16上。也可以备选地设有三个或者更多的冷凝器腔18，为了简化起见对此在图中未示出。每个冷凝器腔18，18′配有一个用于液态冷却流体k的收集容器34，34′。收集容器34，34′又通过设计成热管的连接管路20，20′与蒸发器腔12流体连接，蒸发器腔在图1中是中央空腔12。连接管路20，20′的收集容器侧开口布置在收集容器34，34′的底部。可见地，连接管路20，20′设计用于将液态冷却流体k向上输送到测量学上位置较高的蒸发器腔12中。
冷凝器腔18，18′和所属的连接管路20，20′和蒸发器腔12构成封闭的系统，也就是说，向外使流体密封的内腔。内腔填充了冷却流体k，k′(致冷剂)，这些冷却流体以液态k的和/或气态k′的集聚状态、即作为液态冷却流体k和/或作为气态的冷却流体k′出现。
在收集容器34，34′的底部布置了一个这里设计成电加热器的加热装置35，35′，通过该装置可以这样和收集容器34，34′无关地升高收集容器34，34′中的温度T1，T2，即可以蒸发部分位于一个收集容器34，34′中的液态冷却流体k，并因此提高在相应的收集容器34，34′中的压力p1，p2。
在机器2运行时，此时转子5的超导绕组10如前已经在图1中所述那样被冷却到冷凝温度Tk或者在此之下，蒸发器腔12部分地填充液态冷却流体k。冷却流体k蒸发并由此从转子5带走热量，或者说冷却转子5的超导绕组10。在图2中出示了根据本发明的装置1，其用于在第一时刻冷却一个超导机器2。在这个时刻使气态的、蒸发的冷却流体k′从蒸发器腔12经过连接管路20′流入冷凝器腔18′中。在收集容器34′和冷凝器腔18′中的温度T2低于冷却流体k冷凝温度，这通过冷却头16来时限，由此从气体状冷却流体k′吸走热量并且冷凝成液态冷却流体k。液态冷却流体k汇集在收集容器34′中。
在第一收集容器34中，通过加热装置35的运行使温度T1提高到一个高于冷却流体k冷凝温度的温度。因此液态冷却流体k蒸发和/或气体状冷却流体k′在第一收集容器34中膨胀，从而使第一收集容器34中的压力p1提高到一个值，该值高于蒸发器腔12中的压力pv和冷凝器腔18′中的压力p2。换而言之，产生了一个由压差而引起的温差。因此将位于收集容器34中的液态冷却流体k通过连接管路20压入蒸发器腔12中，如果压力大于冷却流体k重力，则确切地说克服重力的作用来实现。
这里应该说明，所述的效应通过冷凝器腔18′中的负压p2来加强，由于气体状冷却流体k′在冷凝器腔18′中冷却和冷凝时体积减小而产生该负压。该负压将气体状冷却流体k′从蒸发器腔12中抽吸到连接管路20′中，并且因此减小了蒸发器腔12中的压力pv。在第一冷凝器腔18和蒸发器腔12之间的压差Δp＝(p1-pv)由此增强，并且附加地使液态冷却流体k从连接管路20运动进入蒸发器腔12中用于压力平衡。如果液态冷却流体k已经从收集容器34中完全地或者至少差不多完全地运动进入蒸发器腔12，则结束之前所述的过程。为了保证连续的冷却，或者说连续的、类似连续的或者脉冲的液态冷却流体k的冷却流进入蒸发器腔12中，可以及时地通过加热装置35，35′的运行和冷却头16的作用，在冷凝器腔18，18′中交换温度T1，T2。可以通过冷却头16使冷凝器腔18冷却到一个低于冷却流体的冷凝温度的温度，其中加热装置35不起作用。同时可以通过加热装置35′使冷凝器腔18′加热到一个在冷却流体k的冷凝温度之上的温度。这使得在这一节中所述的第二时刻，冷凝器腔18′如同冷凝器腔18在第一个时刻那样起作用，而在第二时刻冷凝器腔18如同冷凝器腔在18′在第一时刻那样起作用。在冷凝器腔18′中通过提高温度形成过压，并使液态冷却流体k从连接管路20′运动进入蒸发器腔12中。因为该情况类似于图2所示的情况，只是在冷凝器腔18，18′之间具有交换的作用(温度、压力和流体流)，因此为了简化起见就不在图中示出在第二时刻的情况和过程。
应该指出的是：在一种具有三个或者更多的冷凝器腔和收集容器的设计方案中，在另一个时刻另一个收集容器可以起到收集容器34在第一时刻的作用。然而在本实施例中，在第三时刻又形成第一时刻的状态，从而通过收集容器34，34′或者说冷凝器腔18，18′引起的有规则的交换，在一个固定的时间周期之后、或者在不同的时间之后，可以确保装置1的类似连续的、或者是脉冲的运行，以便冷却超导机器2。
此外为了控制加热装置35设置控制装置36，其根据温度传感器37，37′的数据来控制加热装置35，35′，这些温度传感器测量收集容器34，34′底部的温度。如果液态冷却流体k′完全或者差不多完全地被压入到蒸发器腔12中，在收集容器34，34′底部的温度则显著升高。在这个时刻可以间接或者直接地对加热装置运行的进行交换。
在这个实施例中，在运行时恒定地将一个基本上相当于冷却头16功率的加热功率用作加热装置35，35′的加热功率，从而可以相对快速地清空正在加热的收集容器34，34′。
最后应该说明：此外当前预定地选择了由一个加载到屈服极限之上的铟层组成的热阻33，33′。与加热装置35，35′的功率协调地选择热阻，从而达到最佳的效率。例如可以在一种模拟和/或一种优化方法的范畴中确定适合的值。
Claims (26)
1.一种用于冷却超导机器(2)的超导体的装置(1)，其中所述装置(1)具有至少两个相互热分离的冷凝器腔(18，18′)，所述冷凝器腔通过预定的热阻(33，33′)热连接在一个唯一的冷却头(16)上，并且其中至少两个冷凝器腔(18，18′)分别通过用于液态冷却流体(k)的收集容器(34，34′)与各一个连接管路(20，20′)连接，通过所述连接管路使至少两个冷凝器腔(18，18′)与蒸发器腔(12)流体连接，而且其中至少两个收集容器(34，34′)这样设计，使得液态形式的所述冷却流体(k，k′)能克服重力，通过在第一收集容器(34，34′)中的第一压力p1和第二收集容器(34′，34)中的第二压力p2之间的压差，从至少一个收集容器(34，34′)运动进入所述蒸发器腔(12)中，分别通过借助于能循环运行的加热装置(35，35′)在至少一个收集容器(34，34′)中蒸发的所述冷却流体(k，k′)的比例来确定所述第一和第二压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接管路(20，20′)在容器底部的区域中连接在相应的所述收集容器(34，34′)上，和/或所述加热装置(35，35′)连接在相应的所述收集容器(34，34′)的底面上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述加热装置(35，35′)能以一种加热功率运行，所述加热功率相当于所述冷却头(16)功率的80％至120％。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述加热功率相当于所述冷却头(16)功率的95％至105％。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置控制装置(36)，用于取决于测量传感器(37，37′)测量的在所述收集容器(34，34′)中的温度的测量值来控制所述加热装置(35，35′)的接通时间。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，设置控制装置(36)，用于取决于测量传感器(37，37′)测量的在所述收集容器(34，34′)中的温度的测量值来控制所述加热装置(35，35′)的接通时间。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量传感器(37，37′)测量在所述收集容器(34，34′)底部的温度。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将铟层和/或螺纹连接件设计为所述热阻(33，33′)。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，将铟层和/或螺纹连接件设计为所述热阻(33，33′)。
10.一种方法，用于应用根据权利要求1至9中任一项所述的装置(1)来冷却超导机器(2)，其中A)在与热连接在冷却头(16)上的冷凝器腔(18，18′)连接的至少第一收集容器(34，34′)和与热连接在同一个所述冷却头(16)上的第二冷凝器腔(18，18′)连接的至少第二收集容器(34，34′)之间，通过至少一个加热装置的运行引起温差，从而使冷却流体(k)在较热的收集容器(34，34′)中蒸发，并且在所述收集容器(34，34′)中的压力(p1，p2)升高，而且因此使液态冷却流体(k)在一个配属于所述较热的收集容器(34，34′)的连接管路(20，20′)中，从所述较热的收集容器(34，34′)运动进入蒸发器腔(12)中，并且同时使气态冷却流体(k′)经过配属于较冷的收集容器(34′，34)的连接管路(20′，20)，从所述蒸发器腔(12)运动进入较冷的所述冷凝器腔(18′，18)中。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，时间上直接或者间接地紧随步骤A)，在至少一个较热的收集容器(34，34′)中使温度(T1，T2)降低或者保持恒定，而且在至少一个较冷的收集容器(34′，34)中使温度(T1，T2)升高或者保持恒定。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，作为将所述液态冷却流体(k)泵送至所述蒸发器腔(12)中的连续或者脉动的过程来实施所述方法。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在通过冷却流体运动和/或克服所述重力使压力平衡时，通过在所述收集容器(34，34′)中和所述蒸发器腔(12)中的压差和/或温差仅仅实现调节或控制所述冷却流体(k，k′)的运动。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在通过冷却流体运动和/或克服所述重力使压力平衡时，通过在所述收集容器(34，34′)中和所述蒸发器腔(12)中的压差和/或温差仅仅实现调节或控制所述冷却流体(k，k′)的运动。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述蒸发器腔(12)中使所述冷却流体(k，k′)从液态转变成气态，并且冷却所述超导机器(2)的转子(5)的旋转的超导绕组(10)，其中所述超导绕组(10)包括高温超导体，和/或其中所述蒸发器腔(12)能沿着所述转子(5)的旋转轴线(A)转动地布置在所述转子(5)内部。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述蒸发器腔(12)作为圆柱形空腔(12)能沿着所述转子(5)的旋转轴线(A)转动地布置在所述转子(5)内部。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述蒸发器腔(12)中使所述冷却流体(k，k′)从液态转变成气态，并且冷却所述超导机器(2)的转子(5)的旋转的超导绕组(10)，其中所述超导绕组(10)包括高温超导体，和/或其中所述蒸发器腔(12)能沿着所述转子(5)的旋转轴线(A)转动地布置在所述转子(5)内部。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述蒸发器腔(12)作为圆柱形空腔(12)能沿着所述转子(5)的旋转轴线(A)转动地布置在所述转子(5)内部。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在每个收集容器(34，34′)中测量所述温度(T1，T2)，并且取决于所述测量的温度对所述加热装置(35，35′)进行控制。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在每个收集容器(34，34′)的底部测量所述温度(T1，T2)。
21.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了升高收集容器(34，34′)中的所述温度(T1，T2)，使所述加热装置(35，35′)以所述冷却头(16)功率的80％至120％的功率运行。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，为了升高收集容器(34，34′)中的所述温度(T1，T2)，使所述加热装置(35，35′)以所述冷却头(16)功率的80％至120％的功率运行。
23.根据权利要求22所述的方法，使所述加热装置(35，35′)以所述冷却头(16)功率的95％至105％的功率运行。
24.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，为了优化效率，使设在所述冷却头(16)和冷凝器腔(18，18′)之间的热阻(33，33′)和所述加热装置(35，35′)的加热功率相互配合。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，为了优化效率，使设在所述冷却头(16)和冷凝器腔(18，18′)之间的热阻(33，33′)和所述加热装置(35，35′)的加热功率相互配合。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，为了优化效率，使设在所述冷却头(16)和冷凝器腔(18，18′)之间的热阻(33，33′)和所述加热装置(35，35′)的加热功率相互配合。
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