CN102803868A - 用于冷却超导体的制冷设备的操作方法以及相应的制冷设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却一超导体(5)的制冷设备(20)，其中，所述制冷设备(20)包括一用于压缩一工作介质的直线压缩机(23)和一通过为所述工作介质减压将一制冷量释放到所述超导体(5)的一低温制冷剂上的制冷单元(22)，其中，所述直线压缩机(23)具有两个活塞(31)，其中的至少一个活塞可以一定的频率(f)和行程(H)相对于另一个活塞做直线运动，优选这两个活塞都可以同步相向地做直线运动，本发明的目的是在上述制冷设备中以较高效率产生明确的制冷量，从而使该制冷设备(20)特别适用于如船舶等移动设备。为此，本发明提出如下解决方案：将所述至少一个可动活塞(31)的行程调节至一优选可规定的额定值。

Description

用于冷却超导体的制冷设备的操作方法以及相应的制冷设备
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的操作一用于冷却一超导体的制冷设备的方法。这种制冷设备例如公开自EP 1526625A2。本发明还涉及一种如权利要求9所述的适于实施该方法的制冷设备。
背景技术
设有超导体的电器或电机如电动机、发电机或超导限流器需要对超导体进行冷却，为此，这类设备中的超导体一般安装在包含低温制冷剂如液氖或液氮的低温恒温器内。制冷设备的作用是对低温恒温器内的制冷剂蒸气进行再冷凝。这个一般又称制冷机的制冷设备通常包括一个闭合回路，工作介质(例如氦气)在该回路的压缩机中受到压缩，在制冷单元内重新减压，从而将制冷量释放到低温恒温器内的制冷剂上。该制冷设备例如可按吉福德-麦克马洪原理、脉管原理或斯特林原理进行工作。
设有超导体的电器或电机由于功率密度高、占用空间小以及超导体所具有的其他专有特性而非常适合用在移动设备如船舶或海上平台上。DE 102004023481A1和WO 03/047961A2所揭示的船用电动机和发电机的转子包括布置在低温恒温器内的旋转式高温超导体励磁绕组，该低温恒温器内装有温度为25K的氖，作为超导体的制冷剂。低温恒温器通过低温热管与制冷设备的冷头连接，该制冷设备还包括压缩机。
EP 1526625A1揭示一种用于船舶和海上系统的短路电流保护系统，包括超导限流器，超导体布置在低温恒温器内，该低温恒温器内装有温度为77K的液氮，作为超导体的制冷剂。由制冷设备对制冷剂蒸气进行再冷凝，该制冷设备包括压缩机和伸入低温恒温器的冷头。该制冷设备自身不可调，而是需要间接通过安装在冷头上的反向加热装置(Gegenheizung)来对其进行调节。该反向加热装置由调温设备通断，从而使液氮在环境压力下保持77K的温度。压缩机优选采用低维护的无油直线压缩机。
设有超导体的电器或电机应用于移动设备，特别是船舶或海上平台时，应当确保制冷设备即使在组件倾斜的情况下也能工作。以船舶为例，即使在倾斜22.5度时也应能正常工作。按活塞原理进行工作的压缩机或螺杆式压缩机用润滑油润滑，工作过程中不允许发生倾斜，因而不适用于这些领域。但可以采用无油直线压缩机。这类直线压缩机通常具有两个活塞，其中的至少一个活塞可在直线电动机的驱动下以一定的频率和行程朝另一个活塞做直线运动，优选这两个活塞都可以同步相向地做直线运动。
在现有技术中，这种压缩机的功率是通过改变电动机电压以手动或自动方式加以控制的。但事实证明，这种控制方式不适用于船舶，因为它并不将活塞谐振频率与回路内的充填压力及工作介质温度的相关性考虑在内。此外，压缩机倾斜还会导致压缩机的工作点发生偏移。其结果之一是无法设定明确的制冷量。另一结果是产生使得制冷设备效率极低、耗电量却较高的工作点。工作点偏移还有可能导致活塞与压缩机壳体发生碰撞，从而引发压缩机安全断路。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种如权利要求1前序部分所述的操作一制冷设备的方法，借助这种方法能以较高效率产生明确的制冷量，从而使该制冷设备特别适用于如船舶等移动设备。本发明的另一目的是提供一种适于实施该方法的制冷设备。
在方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案为一种如权利要求1所述的方法。从属权利要求2至8给出的是该方法的有利设计方案。在制冷设备方面，本发明用以达成上述目的的解决方案为一种如权利要求9所述的制冷设备。从属权利要求10至15给出的是该制冷设备的有利设计方案。
本发明的方法是将所述至少一个可动活塞的行程调节至一优选可预定的目标值(target value)。“活塞行程(冲程stroke)”在此是指活塞从往复运动的第一死点(逆转点)到第二死点(逆转点)所经过的距离。通过这种行程调节可为制冷设备设定一个不受工作介质温度、工作介质充填压力及其他因素(例如压缩机倾斜)影响的固定工作点。根据活塞行程和频率可以精确推断出所产生的制冷量。这样就能目标明确地设定工作点，进而以较高效率产生明确的，特别是可预定的制冷量。因此，以上述方式工作的制冷设备特别适用于移动设备，例如船舶。
根据一种有利设计方案，根据所述制冷量的一目标值推断出所述行程的目标值，通过将所述行程调节至一可预定的目标值来将所述制冷量控制和/或调节至所述这个目标值。
如果存在两个相对于彼此地同步做直线往复运动的活塞，则也可将这两个活塞的行程平均值作为活塞行程调节的控制变量。
在所述可动活塞或每个可动活塞各由一电动机驱动的情况下，如果将电动机上的电压作为活塞行程调节的控制变量，就能很精确地进行活塞行程调节。
可以在调节活塞行程时固定地预定往复运动的频率。
根据一种特别有利的设计方案，在调节活塞行程时测定往复运动的谐振频率并且将所述至少一个可动活塞的往复运动的频率调节成这个谐振频率。这样就能在运行过程中自动达到效率最佳的工作点。
通过一电动机电流与一电动机电压之间的一相移可以特别简单的方式测定所述谐振频率。作为替代方案，也可通过活塞行程调节的调节值来测定所述谐振频率。
在两个相对彼此同步做直线往复运动的活塞中，则优选在调节活塞行程时对所述活塞例如因压缩机倾斜而产生的零位偏差和零位异常进行补偿。当压缩机倾斜时，所述往复运动不仅具有水平方向的分量，还具有竖直方向的分量，因此电动机的作用力也会同时具有水平分量和竖向分量。其中，竖向分量与重力相互作用。其结果是在某个时间点上，其中一个活塞是电动机的作用力与重力发生作用，另一个活塞则是克服重力作用。在此情况下，其中一个活塞到达死点所需要的驱动力将小于另一活塞。因此，如果为两个电动机使用恒定的控制变量(例如电动机电压)，活塞行程就会发生变化，导致活塞零点漂移，这会降低最大制冷量。举例而言，这样的零点漂移可以通过对两个电动机进行选择性的不同控制(例如以调节变量偏差形式，即例如以电动机电压的直流电压分量形式)来加以补偿。
本发明用于冷却超导体的制冷设备包括一用于压缩一工作介质的直线压缩机和一通过为所述工作介质减压将一制冷量释放到所述超导体的一低温制冷剂上的制冷单元，其中，所述直线压缩机具有两个活塞，其中的至少一个活塞可以一定的频率和行程相对于另一个活塞做直线运动，优选这两个活塞都可以同步相对彼此地做直线运动。所述制冷设备包括一调节装置，所述调节装置可将所述至少一个可动活塞的行程调节至一优选可预定的目标值。
所述调节装置中优选存储有描述制冷量与活塞行程之间的关联的数据。
根据一种特别有利的设计方案，所述制冷设备包括一通过调节活塞行程将制冷量控制和/或调节至一可预定目标值的上级控制和/或调节装置。
为了测量所述至少一个可动活塞的活塞行程，所述调节装置可包括一测量装置，所述测量装置优选为一磁场传感器或一光学传感器。
为了对所述可动活塞或每个可动活塞进行精确而高效的驱动，所述制冷设备优选为每个可动活塞各包括一电动机和一用于为所述电动机提供电压与频率均可预定的电流的变频器。
根据一种设计方案，所述制冷设备包括两个可动活塞，所述活塞可分别由一具有频率同步电压的电动机分别通过一变频器进行驱动，其中，所述电动机实施为两相交流电动机，所述变频器实施为包括一电压中间电路的三相变换器，其中，所述变换器的输入端可与一三相电网连接，输出端则通过两个相分别与相应的电动机连接，所述电压中间电路与一附加电容器并联。
如果所述调节装置可在调节活塞行程时测定往复运动的谐振频率并且将往复运动的频率调节成这个谐振频率，就能自动达到效率最佳的工作点。
附图说明
下文将借助附图所示的实施例对本发明以及本发明如从属权利要求中的特征所述的其他有利设计方案进行详细说明。
图1为船用驱动装置示例，该船用驱动装置包括设有超导体的电动机；
图2为直线压缩机剖面图；
图3为制冷量与活塞行程的关系图；
图4为用于控制和调节直线压缩机的组件；
图5为直线压缩机活塞的行程测量值图；
图6为调节装置简图；
图7为制冷量和行程与频率的关系图；以及
图8为包括两相电动机和三相变换器的实施方式。
具体实施方式
图1所示的现有技术中的已知船用驱动系统1包括高温超导体电动机(HTS电动机)2，该电动机布置在位于真正意义上的船体以外的吊舱3中，又称吊舱式驱动装置(Pod-Antrieb)。HTS电动机2也可安装在船体内部。HTS电动机2的转子4包括布置在低温恒温器6内的旋转式高温超导体励磁绕组5，该低温恒温器内装有温度为25K的氖，作为超导体的制冷剂。转子4被定子7包围。二者间存在一气隙。通过电线8为该HTS电动机供电。HTS电动机2通过螺旋桨轴9与螺旋桨10连接。
低温恒温器6通过低温热管12与制冷设备20的制冷单元22连接。制冷设备20包括一个用于工作介质的闭合热力回路21，除制冷单元22外，该回路内还连接着无油直线压缩机30和热交换器24。在回路21中，工作介质在压缩机30中受到压缩，在热交换器24中得到冷却，在制冷单元22中减压，从而将制冷量释放到超导体的制冷剂上。在低温恒温器6内蒸发的制冷剂由低温热管12输送至制冷单元22并在制冷单元22的冷却表面发生再冷凝。
如果制冷设备20按吉福德-麦克马洪原理(Gifford McMahon principle)进行工作，制冷单元22就是所谓的冷头。工作介质例如为氦气。但该制冷设备也可按照例如脉管原理或斯特林原理进行工作。
图2为关于直线压缩机30的其他技术细节的示意图。直线压缩机30具有两个活塞31，这两个活塞可以在壳体34内按箭头32所指方向以一定的频率f和行程H分别朝另一活塞31做直线运动。根据一种变体方案，其中一个活塞31也可以保持静止，仅由另一个活塞31以一定的频率f和行程H朝该活塞做直线运动。
这两个活塞31分别由一直线电动机33驱动。这种活塞运动的一个作用是通过输入装置35吸入压力较低的氦气。吸入的氦气被活塞31压缩后再由输出装置36排出。
电动机33的输入端存在两相电动机电压U，由该电动机电压产生电动机电流I。
根据本发明，将上述两个活塞31的行程调节至可预定的目标值。根据制冷单元22释放到超导体5的制冷剂(在此为氦)上的制冷量的目标值推导出行程目标值。图3为活塞31以恒频f做往复运动时制冷量K与行程H的示范性关联图。如图所示，制冷量K随着活塞31的行程H的增大而上升。因此，通过调节活塞31的行程H，就可将制冷量控制和/或调节至目标值。
为了测定活塞31的行程，直线压缩机30内部在每个活塞31上均设有一个用于测定该活塞31的行程的测量装置37。测量装置37优选为磁场传感器(例如霍尔传感器)或光学传感器(例如激光二极管)。
图4为制冷设备20中用于调节和控制直线压缩机的其他组件的示意图。调节装置40用于将活塞31的行程调节至可预定的目标值。调节装置40或者从使用者接收手动输入的制冷量额定值K，或者从用于控制和/或调节制冷量的上级控制和/或调节装置50接收制冷量目标值K。调节装置40根据这个目标值推导出活塞31的行程目标值和活塞31的往复运动的频率目标值。为此，调节装置40中存储有描述制冷量、活塞行程和谐振频率之间的关联的数据41。必要时可以事先通过实验来测定这些关联。
直线电动机33各有一个变频器43为其提供频率为fu的可规定电压U。控制和/或调节单元44用于控制和/或调节变频器43。
将两个活塞31的行程平均值作为活塞行程调节的控制变量。为此，调节装置40通过信号线42从测量装置37检测活塞位置的实际值，并据此测定两个活塞31的行程平均值。测量测量装置37的输出信号(例如电压)的持续时间为至少一个行程周期，即一次完整的往复运动。
根据活塞在一个往复运动周期内的两个死点(即活塞反转运动方向的位置)之间的差值测定这两个活塞的行程。图5为与此相关的不同测量值，这些测量值构成了两个活塞31在一个往复运动周期内其行程H以时间t为横坐标的特性曲线。根据这些测量点计算出每个活塞31的活塞行程的最小值和最大值，进而计算出每个活塞的每周期行程。
两个活塞的每周期行程平均值产生实际值HIm，将该实际值传输给调节装置40的调节器45。图6为包括调节器45和调节对象46的调节装置的简图。调节器45根据活塞行程实际值HIm与活塞行程目标值HS之间的差值决定控制变量，该控制变量在此就是电动机电压U的额定值Us，调节装置20将该调节值连同电动机电压频率的额定值fs一起传输给变频器43的控制和/或调节单元44。控制和/或调节单元44随后将两个变频器43的输出电压控制和/或调节至所要求的目标值Us和fs，其中，为两个直线电动机33提供频率同步电压(frequenzsynchrone Spannung)。
调节器45例如是积分调节器。优选在对调节对象的阶跃响应和总系统对整定值变化的响应(Führungsverhalten)进行过评价后再具体确定调节器45的结构。
因此，将电动机31上的电动机电压U作为活塞行程调节的控制变量。可以在调节活塞行程时规定往复运动的频率。但是，谐振频率与温度和充填压力等多项工作参数之间的相关性有可能导致制冷设备20的工作效率较差。图7为行程H与制冷量K之间以频率f为横坐标的可能关联图。如图所示，制冷量和行程在谐振频率fo范围内达到最大值。因此，调节装置20优选在调节活塞行程时测定往复运动的谐振频率并且将往复运动的频率调节成这个谐振频率。如此一来，制冷设备20就能达到效率最佳的工作点。
可以根据调节装置40中所存储的谐振频率与工作参数(例如温度)之间的关联测定上述谐振频率并加以控制。但优选将该谐振频率自动调节至最佳值。为此，调节装置40在电动机电压U恒定的规定振幅下以一定的时间间隔通过改变电动机电压频率的额定值fs自动使电动机电压的频率fU朝更大频率和更小频率方向发生变化，并在此过程中测定电动机电压U与电动机电流I之间的相移。相移达到最大值时，即产生谐振频率。
为此，调节装置40从变频器43或这些变换器的控制和/或调节单元44接收电动机电压U和电动机电流I的测量值并测定相移。也可以直接在变换器43或控制和/或调节单元44内测定相移，再传输给调节装置40。
作为替代方案，也可以通过活塞行程调节的控制变量测定谐振频率。在此情况下，该调节值(在此为电动机电压)最小时所产生的频率就是谐振频率。
调节装置40优选在调节活塞行程时将活塞31例如因压缩机20倾斜而产生的零位偏差和零位异常考虑在内。举例而言，这样的零位偏差和零位异常可以通过为两个变换器43规定不同的额定值来加以补偿(例如以电动机电压的直流电压分量形式)。
调节装置40还可包括用以防止活塞与壳体壁部相撞以及防止额定值减小而引发过电流的监测装置。为此，调节装置40需要对测量装置37所测得的极值进行监测，看其是否超过规定极限值。
两个直线电动机33也可由同一个变频器43供电。但是如果采用这一方案，在调节活塞行程过程中补偿活塞例如因压缩机倾斜而产生的零位偏差和零位异常时，就不能以不同的方式控制这两个电动机。
根据一种如图8所示的实施方式，电动机33实施为两相交流电动机。由于大型系统(例如船舶)中的供电网络大多实施为三相电网60，因此，变频器43实施为三相变换器，分别包括网侧换流器61、电动机侧换流器62以及布置在这两个换流器之间的电压中间电路63，以确保电网60负荷对称。
但是在使用市售变换器43的情况下，这些变换器有可能将中间电路63的两相负荷识别为电网断相，从而实施断路操作。一种补救措施是通过与两个变换器43的中间电路63并联的附加电容器64来稳定这两个变换器43的中间电路电压。
如此一来，制冷设备20所产生的制冷量就可以通过调节行程来加以控制或调节了。这里存在巨大的节电潜力，因为压缩机效率大约仅为1％。市售压缩机总是满负荷运行，不需要的制冷量通过反向加热(Gegenheizen)予以补偿或抵消。抵消1W制冷量相当于抵消100W的电网输出功率。本发明的调节控制方式可以使压缩机保持在固定的工作点上，不会因温度变化或其他运行影响因素(例如压缩机倾斜)而发生工作点偏移。还能避免活塞碰撞以及活塞碰撞所引起的压缩机安全断路。
工作点调定后即使在压缩机倾斜的情况下也能得到保持。这是压缩机能够应用于船舶的一个重要前提。由于市场上已经能购买到适用于船舶结构的调节控制组件，因此，本发明的制冷设备可以采用纯船用设计。
通过对工作频率进行自动再调整，可以使压缩机的工作点始终接近谐振点。借此确保压缩机任何时候都在谐振点上工作，即具有最佳效率。
本发明的调节装置还能对多个联合运行的压缩机进行并行控制和调节。举例而言，HTS同步电机需要使用四台制冷设备(制冷机)，其中两台例如为冗余。原本需要使另外两台设备满负荷运行，而采用本发明后，这四台设备都可以部分负载运行。如此一来，这四台设备都可以在有利于效率的范围内工作。

Claims (15)

1.一种操作一用于冷却一超导体(5)的制冷设备(20)的方法，其中，所述制冷设备(20)包括一用于压缩一工作介质的直线压缩机(23)和一通过膨胀所述工作介质将一制冷量(K)释放到所述超导体(5)的一低温制冷剂上的制冷单元(22)，其中，所述直线压缩机(23)具有两个活塞(31)，其中的至少一个活塞、优选地两个活塞相对于彼此同步地，能够以一定的频率(f)和行程(H)相对于另一个活塞做直线运动，其特征在于，
将所述至少一个可动活塞(31)的行程(H)调节至一优选可预定的额定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
根据所述制冷量(K)的一目标值推断出所述行程(H)的目标值，通过将所述行程(H)调节至一可预定的目标值来将所述制冷量(K)控制和/或调节至所述这个目标值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
在两个相对于彼此地同步做直线往复运动的活塞(31)中，将所述两个活塞的行程平均值作为活塞行程调节的控制变量。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在所述可动活塞或每个可动活塞(31)各由一电动机(33)驱动的情况下，将所述电动机(33)上的电压(U)作为所述活塞行程(H)调节的控制变量。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在调节所述活塞行程(H)时，固定地预定所述往复运动的频率(f)。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在调节所述活塞行程(H)时测定所述往复运动的谐振频率(fo)并且将所述往复运动的频率(f)调节成所述这个谐振频率(fo)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
通过一电动机电流(I)与一电动机电压(U)之间的一相移或者通过所述活塞行程调节的控制变量来测定所述谐振频率(fo)。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
调节所述活塞行程(H)时对所述活塞(31)的零位偏差和零位异常进行补偿。
9.一种用于冷却一超导体(5)的制冷设备(20)，包括一用于压缩一工作介质的直线压缩机(23)和一通过膨胀所述工作介质而将一制冷量(K)释放到所述超导体(5)的一低温制冷剂上的制冷单元(22)，其中，所述直线压缩机(23)具有两个活塞(31)，其中的至少一个活塞、优选地两个活塞相对于彼此同步地、能够以一定的频率(f)和行程(H)相对于另一个活塞做直线运动，其特征在于一调节装置(40)，所述调节装置将所述至少一个可动活塞(31)的行程(H)调节至一优选可预定的目标值。
10.根据权利要求9所述的制冷设备(20)，其特征在于，
所述调节装置(40)中存储有描述所述制冷量(K)与所述活塞行程(H)之间的关联的数据(41)。
11.根据权利要求9或10中任一项权利要求所述的制冷设备(20)，其特征在于，
所述制冷设备包括一通过调节所述活塞行程(H)将所述制冷量(K)控制和/或调节至一可预定目标值的上级控制和/或调节装置(50)。
12.根据权利要求9至11中任一项权利要求所述的制冷设备(20)，其特征在于，
所述调节装置(40)包括一用于测量所述至少一个可动活塞(31)的活塞行程(H)的测量装置(37)，所述测量装置特定而言为一磁场传感器或一光学传感器。
13.根据权利要求9至12中任一项权利要求所述的制冷设备(20)，其特征在于，
为了对所述可动活塞或每个可动活塞(31)进行驱动，所述制冷设备为每个可动活塞各包括一电动机(33)和一用于为所述电动机(33)提供电压与频率均可预定的电流的变频器(43)。
14.根据权利要求13所述的制冷设备(20)，其特征在于两个可动活塞(31)，所述活塞可分别由一具有一频率同步电压的电动机(33)分别通过一变频器(43)进行驱动，其中，所述电动机(33)实施为两相交流电动机，所述变频器(43)实施为包括一电压中间电路(63)的三相变换器，其中，所述变换器(43)的输入端可与一三相电网(60)连接，输出端则通过两个相分别与相应的电动机(33)连接，所述电压中间电路(63)与一附加电容器(65)并联。
15.根据权利要求9至14中任一项权利要求所述的制冷设备(20)，其特征在于，
所述调节装置(40)可在调节所述活塞行程(H)时测定所述往复运动的一谐振频率(fo)并且将所述往复运动的频率(f)调节成所述这个谐振频率(fo)。
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