CN103299142B - 用于超导体和超导的同步电机的冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超导体、特别是同步电机（2）的高温超导体的冷却装置（1，23），包括用于冷却介质（30，15）的冷却循环，其中，在具有冷凝器（7）的冷头（6）中液化的冷却介质（15）被引导至待冷却的超导体、特别是导入同步电机（2）的转子（4）中，并且气态地导向返回至冷凝器（7），其中冷却介质（30，15）的、通过借助于热源（14，24）蒸发的部分（30）所产生的压力用于将冷却介质（30，15）从冷凝器（7）输送至超导体。
Description
技术领域
本发明涉及用于超导体、特别是同步电机的高温超导体的冷却装置，包括用于冷却介质的冷却循环，其中，在具有冷凝器的冷头(Kaltkopf)中液化的冷却介质引导至待冷却的超导体、特别是导入同步电机的转子中，并且气态地导向返回至冷凝器。此外本发明涉及一种超导的同步电机、特别是应用于航海运输工具。
背景技术
在所谓的超导的机器中设置至少一个超导的绕组，其中，通常应用所谓的高温超导体(HTS超导体)。HTS超导体称为金属氧化的超导体材料，具有超过77K的转变温度(Sprungtemperature)Tc。
通常低温的液体作为冷却介质应用于对超导体的冷却，特别是也用于对在超导的机器中的超导体的冷却。因此例如对于HTS超导体而言冷却装置是已知的，其中，在封闭的系统中例如将氖气或氮气作为冷却介质在具有冷凝器的冷头上进行液化。冷却介质从此处出发流入承载超导体的部件中，例如待冷却的转子中。蒸发的冷却介质返回到达冷凝器并且在那里重新液化。在此，充分利用所谓的热虹吸效应。液态的冷却介质在承载超导体的、导热的载体上，特别是在绕组载体上蒸发，并且基于压力差返回流至冷凝器，基于在蒸发器中的蒸发和在冷凝器的冷凝器腔室中的冷凝而产生该压力差。这种制冷介质流动装置(Kaeltemittelstroemungen)也称为“Heat-Pipe”。
在已知的冷却装置中通过重力来实现将液态的冷却介质运输至超导体。这意味着，在大地测量学方面，冷凝器布置地高于蒸发器。总体上形成封闭的冷却系统。
那么当冷却装置的或者说包括该冷却装置的同步电机的倾斜位置可能出现时，如同其例如对于船舶应用而言在超导的同步电机中、即例如HTS电机或HTS发电机中可能的那样，该工作方法总是证明为有困难的。在例如船舶的航海交通工具中船舶很容易出现倾斜位置或者说倾斜。这样的静态偏斜称为“Trim”，但是动态偏斜也是可能的。那么液态的冷却介质同样不能到达蒸发器中并且其冷却效果无法发挥。
为了解决这个问题提出，即当冷却装置和特别是因此冷却介质管道也可能出现倾斜时，则总是利用液体镜面的在大地测量学方面的高度，或者甚至于，已经倾斜地安装整个超导的机器。这特别意味着，布置具有冷头的冷凝器布置地明显高于待冷却的超导体。在封闭的系统中液态冷却介质中和进而高位液体镜面充足时，因此尽管冷却介质管道升高，液态的冷却介质也可以导向至超导体、特别是导向进入转子中。
这种工作方式一方面具有的缺点在于，在系统中必须维持大量的液态的冷却介质。另一方面相对于各种组件的布置和管道的走向为冷却介质给出限制，这涉及冷却装置的设计。
当空间不足时，设计限制也在其它的应用领域中给出，空间不足不允许设置具有冷头的在大地测量学方面位置更高的冷凝器，该冷头通常与制冷机连接。这例如也适用于装置、例如铁路的驱动车辆或者类似物的高度限制。
对例如泵的机械装置的应用需要高昂的装备和能量消耗，该消耗恰好对于低冷却介质温度而言还要升高。
发明内容
因而本发明的目的在于，提出一种用于超导体的冷却装置，该冷却装置以可靠的方式将冷却介质运输至待冷却的超导体，在此无需以引力效应为基础，并且克服了相应的限制。
为了实现该目的，根据本发明设置冷却装置，即冷却介质的、通过借助于热源蒸发的部分所产生的压力用于将冷却介质从冷凝器输送至超导体。
根据本发明还提出，冷却装置配备有热源，热源布置在冷凝器和待冷却的超导体之间的输送部段中，并且设计用于这样运行，即，通过蒸发的、因此体积大的冷却介质产生压力，该压力将冷却介质输送至待冷却的超导体。以这种方式可能的是，液态的冷却介质在不利用重力的情况下向上输送至待冷却的超导体，特别是输送进入转子中。在此充分利用了通过在液态的冷却介质的区域中的热源而导致的压力升高情况，并且将冷却介质最终压向超导体。特别地，这种冷却介质供给装置适用于船舶，由于在液态的冷却介质与船舶的实际位置无关，可以相对于水平面输送。可以更灵活地选择液态的冷却介质量，并且冷凝器不再必须强制地高于管道部段的排出开口，承载超导体的部件、特别是转子位于管道部段中。在同步电机中，超导体例如可以固定在能导热的绕组载体上，该绕组载体构成转子的内腔的边界，该转子作为蒸发器腔室起作用。
在此具体地可以提出，设置用于液态的冷却介质的容器，该容器通过第一管道部段与冷凝器连接并且通过第二管道部段与承载待冷却的超导体的、用在蒸发器的部件、特别是转子连接，热源连接该容器。因此在该容器中，一部分液态的冷却介质转化到气态的状态中，从而产生压力，该压力将冷却介质从容器朝向超导体输送。
在此本发明特别能实现的是，第二管道部段设计为升液管。冷却介质的、通过借助于由热源蒸发的部分所产生的压力因此最终可以将冷却介质克服重力地、即向上输送。
此外在本发明中由于重力不再提供输送力，能实现的是，第二管道部段至少部分是柔性的。也无需再使用刚性的管，而例如可能的是，第二管道部段包括波纹软管(Wellenschlauch)和/或波纹管，液态的冷却介质被在容器中的压力驱动地流过该第二管道部段。
在本发明的特别适合的设计方案中可以提出，在冷凝器侧前接于容器地设置有阀、特别是止回阀。因此阀用于这样的目的，从容器中出发压入这两个管道部段的压力在阀关闭时,在第二管道部段上在待冷却的部件的或者是超导体的方向上取向，以便实现有效的输送。而原则上可能使用经过控制的阀，以下还要详细地探讨，根据本发明优选的是装入止回阀，该止回阀在没有其它的控制装置的情况下仅仅允许冷却介质从冷凝器中向后流(nachstroemt)入容器中，然而不允许将液态的冷却介质压回到冷凝器中。以有利的方式，在应用止回阀的情况下不需要阀控制装置，从而由于排除了阀烧断情况而增加了运行安全性。
优选地在应用利用引力的止回阀的情况下，利用引力的止回阀布置在虹吸管的、竖直的、与容器相邻的部分中。在此，例如可以应用止回阀，该止回阀基于受到重力的负载、例如设置在止回阀中的球形件。用于液体容器的导管部段因此设计为虹吸管，并且在上升的管道部件中，该止回阀定位在容器之前。
如已经提及的那样，本发明通常允许，冷凝器布置得低于待冷却的超导体，从而也可以有针对性地在根据本发明的冷却装置中选择这样的设计方案。
在发明思路的有利的改进方案中，热源特别地可以是电加热装置。加热装置、特别是电加热装置具有这样的优点，即可以以特别简单的方式控制发热时间、进而加热装置的运行。那么以更适合的方式可以循环地运行该加热装置。由于在加热装置的运行阶段中通过蒸发的冷却介质关闭止回阀，并且上升的压力经过第二导管部段、特别是升液管将液态的冷却介质升液管输送至超导体，这特别地在应用止回阀的情况下可能是有利的。如果该加热装置再次关闭，则压力下降并且液体容器可以容易地被再次充满，这意味着，液态的冷却介质可以从冷凝器向后流。在替代止回阀应用经过控制的阀的情况下，也可以在加热装置运行时关闭该阀，以便通过压力上升输送液态的冷却介质。
在此可以提出，加热装置的运行阶段与加热装置的非运行阶段的比值大于40％、特别大于50％，和/或加热功率在运行阶段中是小于冷头功率的两倍、特别是小于冷头功率。在此特别地，耦合在液体容器中的加热装置循环地运行，其中，但是与其它的冷却方法、例如喷射冷却相比，应用相对较小的加热功率。由此以有利的方式，明显地减少了加热装置烧断的危险。此外，在期间实际进行加热的时间、即加热装置的运行阶段，相对于脉冲冷却明显更长。这也用于保护加热装置防止烧断，并且这在根据本发明的装置中、特别是在应用具有前接的止回阀的容器的情况下可特别有利地应用。
在这一点上应该指出的是，在应用加热装置的情况下，原则上可以设置加热装置的连续运行，然而那么必须设提出对冷却装置的单个组件的特殊设计，该冷却装置因此允许冷却介质从冷凝器回流。因而循环的运行是优选的。
所谓的循环运行不必是周期性的，而是适合地可以进行调节。在此，加热装置能根据加热装置的温度和/或在超导体上的温度和/或容器的液位进行调节。也设置相应的传感器，例如在加热装置上的和超导体上的温度传感器和/或在容器上的液位传感器，可以将传感器的数据输送给用于加热装置(和必要时可控制的阀)。然后该控制装置设计用于根据加热装置的温度和/或在超导体上的温度和/或容器的液位调节该加热装置，其中，当然也可以考虑影响调节的其它的和/或另外的参数。
在另一个设计方案中，原则上也可以考虑的是，通过热桥耦合的、与气体、特别是外部空气的连接部用作热源，其中，气体的温度高于冷却介质的沸腾温度。也可以在处于超过冷却介质的沸点的温度水平上应用液态的冷却介质的、特别是容器的耦合，特别是结合应用前面所述的经过控制的阀。在此还涉及一种在容器上的被动热耦合，从而通过放弃主动运行的加热装置能继续提高冷却装置的故障安全性。总之在此必须在设计中要注意的是，特别是在可控制的阀打开时，确保液态的冷却介质向后流入容器或者说进入这个热源影响的位置中。在此，特别地也可以使用一种“向外的”热连接类型，从而可以将周围空气作为热载体。当然也可能的是，应用其它的气体或冷却介质。
除了冷却装置，本发明还涉及超导的同步电机、特别是HTS同步电机，其特别应用在航海运输工具上，该同步电机包括根据本发明的冷却装置。如同前文已经阐述的那样，在将冷却介质输送至待冷却的超导体时放弃引力，从而在根据本发明的冷却装置中倾斜位置的影响要小得多。设计带有根据本发明的冷却装置的同步电机也可以特别有利地装在船舶上，例如作为发电机或发动机。也在其它的应用情况下，其中基于可能的倾斜位置，相对于重力通过引力的输送显现出不稳定，也可以刚好应用根据本发明的冷却装置，如同在这样的应用中，在该应用的结构上的限制方面，不会实现布置得高于位于蒸发器腔室中的转子的冷凝器。
关于根据本发明的冷却装置整体的实施类似地转移到根据本发明的同步电机，从而由此也可以实现所谓的优点。
附图说明
结合所说明的实施例以及结合附图得出本发明的其它的优点和细节。在此示出：
图1是根据本发明的冷却装置的第一实施例的原理图，
图2是用于运行加热装置的图表，和
图3是根据本发明的冷却装置的第二实施例的原理图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的冷却装置1的原理图，该冷却装置分配给在船舶中运行的同步电机2，以便用于冷却在相对于定子3可转动的转子4内部布置的超导的绕组5。绕组5由高温超导体制成并且由热传导的绕组载体承载，该绕组载体布置在真空壳体中并且其内部的边界基本上构成圆柱的、在轴方向上延伸的内腔。
在这种情况下，应用氖气作为用于冷却超导体的冷却介质，氖气在封闭的冷却循环中运动。在冷凝器7的冷凝器腔室中，气态的冷却介质液化，该冷凝器热端与冷头6连接，该冷头如同原则上已知地与制冷机器热耦合。这种液态的冷却介质现在通过第一管道部段8、容器9和第二管道部段10引导至在转子4中的超导的绕组5，其中，液态的冷却介质引导入转子4中在现有技术中充分地已知，并且在此不必详细地阐述。
在冷却效果范畴中，冷却介质在绕组载体上蒸发并且由此冷却绕组5。转子4的内腔也作为蒸发腔室起作用。冷却介质通过回流管道11再次引导至冷凝器7，在那里冷却介质再次液化。由此冷却循环闭合。
由于冷凝器7比转子4明显更低地布置，并且第二管道部段10设计为升液管，在冷却装置1中不应用引力作为输送力。更确切地说，通过蒸发的冷却介质30所产生的压力用于将液态的冷却介质经过第二管道部段10输送进入转子4中。
明显地，第一管道部段8在容器9之前形成虹吸管12，在其与容器9相邻的、与重力相反上升取向的部分部段中设置有止回阀13。在容器9的底部布置有作为热源的加热装置14，在此为电加热装置14。在运行时，加热装置14影响位于容器9中的液态冷却介质15，从而产生蒸发的冷却介质30，并且出现压力。这个压力经过第二管道部段10将液态的冷却介质15输送进入转子4的内腔中，然而在止回阀13自动关闭之后，不送回至冷凝器7。
加热装置14循环地运行，由控制装置16控制。在此，基于测量加热装置14的温度的温度传感器17的、测量在转子4中的温度的温度传感器18的和测量容器9的液位的液位传感器19的数据，控制装置16调节加热装置14的运行。通过这种调节总体上形成电加热装置14的循环运行，其中，可以比在脉冲冷却装置中明显地更长地选择运行阶段，并且类似地在运行阶段中可以运行低加热功率。例如可以选择加热装置在其中为主动的时间的比例、即运行阶段与非运行阶段的比例大于40％，优选地大于50％。此外，加热功率可以这样选择，即其是小于冷头功率的两倍、特别是小于冷头功率。在这一点上应该指出的是，即，在其中应该设置加热装置14的长运行阶段的这些情况下，可以有意义的是，在冷头上设置用于液态的冷却介质15的收集槽，以便在这些其中没有冷却介质可以向后流的阶段中抑制(zurueckzuhalten)冷却介质15。
如果因此通过运行加热装置14产生压力，则止回阀13关闭并且液态的冷却介质15被输送到转子4中。在加热装置14的非运行阶段中，止回阀13重新打开，并且液态的冷却介质15向后流入容器9中。低加热功率和长运行持续时间延长了加热装置14的寿命，并且确保近似连续地将冷却介质15输送至转子4中。运行阶段的持续时间在此可以根据系统的设计处于秒范围或分钟范围中。
在这一点上应该指出的是，替代止回阀13也可以应用受控的阀，该阀也由控制装置16控制。
在这个实施例中，第二管道部段10可以部分是柔性的，例如以波纹软管和/或波纹管的形式设计，这是可能的，因为输送并不经过引力实现，而是借助于在容器9中产生的压力来实现。
图2现在再次明确地示出加热装置14的可能的运行阶段，其中，相对于时间示出加热功率。值20在此相应于冷头功率。明显地，长运行阶段21在低功率的情况下实现，这些运行阶段通过非运行阶段22分开。
此外应该指出的是，原则上也可能的是，如果这种类型的调节是适合的，则控制装置16在加热装置14的运行阶段中可以设计用于调节加热功率的绝对值。
图3示出了根据本发明的冷却装置23相对于冷却装置1修改的实施方式，其中，对于简单相同的组件设有相同的参考标号。在转子4、管道部段和管道8，10和11、冷凝器7和冷头6以及容器9方面没有区别。总之在此与冷却装置1不同地，将通过热桥25耦合的气体、在此通过管27耦合的外部空气用作热源24。相应地存在连续的热输入，从而为此替代止回阀13设置受控的阀28，该阀通过控制装置29运行，必要时再次取决于传感器17，18和19的测量值。当液态的冷却介质15应该回流入容器中时，则阀28总是打开。
Claims (24)
1.一种用于超导体的冷却装置(1，23)，包括用于冷却介质(30，15)的冷却循环，其中，在具有冷凝器(7)的冷头(6)中液化的冷却介质(15)被引导至待冷却的所述超导体，其中所述冷却介质(30，15)的、通过借助于热源(14，24)蒸发的部分(30)所产生的压力用于将所述冷却介质(30，15)从所述冷凝器(7)输送至所述超导体，其特征在于，
-或者所述热源是能循环地运行的加热装置(14)，其中所述加热装置(14)的运行阶段(21)与所述加热装置(14)的非运行阶段(22)的比值大于40％，并且加热功率在所述运行阶段(21)中小于冷头功率的两倍，或者
通过热桥(25)耦合的、连接至气体的连接部用作热源(24)，其中，
所述气体的温度高于所述冷却介质(30，15)的沸腾温度。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置用于同步电机(2)的高温超导体。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却介质被导入同步电机(2)的转子(4)中，并且气态地导向返回至所述冷凝器(7)。
4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述加热装置是电的加热装置。
5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述运行阶段(21)与所述非运行阶段(22)的比值大于50％。
6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述加热功率在所述运行阶段(21)中小于所述冷头功率。
7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述气体是外部空气。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的冷却装置，其特征在于，设置用于液态的冷却介质(15)的容器(9)，所述容器通过第一管道部段(8)与所述冷凝器(7)连接并且通过第二管道部段(10)与承载待冷却的所述超导体的部件连接，所述热源(14，24)连接所述容器。
9.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述部件为转子(4)。
10.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述第二管道部段(10)设计为升液管。
11.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述第二管道部段(10)至少部分是柔性的。
12.根据权利要求10所述的冷却装置，其特征在于，所述第二管道部段(10)至少部分是柔性的。
13.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，在冷凝器侧前接于所述容器(9)地设置有阀(13，28)。
14.根据权利要求9所述的冷却装置，其特征在于，在冷凝器侧前接于所述容器(9)地设置有阀(13，28)。
15.根据权利要求12所述的冷却装置，其特征在于，在冷凝器侧前接于所述容器(9)地设置有阀(13，28)。
16.根据权利要求13所述的冷却装置，其特征在于，所述阀为止回阀。
17.根据权利要求14所述的冷却装置，其特征在于，所述阀为止回阀。
18.根据权利要求15所述的冷却装置，其特征在于，所述阀为止回阀。
19.根据权利要求16所述的冷却装置，其特征在于，利用引力的所述止回阀(13)布置在虹吸管(12)的、竖直的、与所述容器(9)相邻的部分中。
20.根据权利要求1至7中任一项所述的冷却装置，所述冷凝器(7)布置得低于待冷却的所述超导体。
21.根据权利要求19所述的冷却装置，所述冷凝器(7)布置得低于待冷却的所述超导体。
22.根据权利要求8所述的冷却装置，其特征在于，所述加热装置(14)能根据所述加热装置(14)的温度和/或在所述超导体上的温度和/或所述容器(9)的液位进行调节。
23.根据权利要求21所述的冷却装置，其特征在于，所述加热装置(14)能根据所述加热装置(14)的温度和/或在所述超导体上的温度和/或所述容器(9)的液位进行调节。
24.一种应用在航海运输工具上的超导的同步电机(2)，包括根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1，23)。
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