CN103782353A - 用于冷却装置的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于对装置进行冷却的设备和方法。本发明涉及一种用于在应用冷头（3）的情况下对装置（2）进行冷却的方法和设备（1），其包括通过温差环流原理对待冷却的装置（2）进行热冷却。在此，同时经由机械热桥（5）进行导热，热桥将冷头（3）直接与待冷却的装置（2）热连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在应用冷头的情况下对装置进行冷却的方法和设备，其具有通过温差环流原理对待冷却的装置进行热冷却。
背景技术
为了对装置进行冷却、例如将超导线圈冷却到较低的温度，通常应用冷头。超导线圈例如能够使用在磁自旋断层摄影机中、电动机中、发电机中或限流器中。在此将温度冷却至低于100K。尤其在应用高温超导（HTS）材料、例如Y2BaCu3O7（YBCO）的情况下已经在液氮温度中实现导体的超导特性。
此外，在对装置进行冷却时，对于冷却系统要求较短的冷却时间，待冷却的装置内部的低的温度梯度和/或冷头和待冷却的装置之间的小的温度差。此外，描述借助一个冷头对一个装置进行冷却。显然，其类似地能够理解为借助一个冷头对多个装置进行冷却，借助多个冷头对一个装置进行冷却或借助多个冷头对多个装置进行冷却。
为了借助一个冷头对一个装置进行冷却，待冷却的装置必须与冷头热连接。为了将冷头热耦接到待冷却的装置上，存在不同的方法。因此，或者待冷却的装置借助于热桥经由导热管路热耦接到冷头上。替选地，从现有技术中已知借助于温差环流装置对待冷却的装置进行热耦接。
在借助于热桥来热耦接待冷却的装置的情况下，经由铜轨道或铜带将冷头与待冷却的装置连接。因为冷头经由导热管路与待冷却的装置形成连接，所以冷头在冷却器件保持为温度T，该温度相对地低于装置的温度TE。温度差与冷头和待冷却的装置之间的横截面和长度相关。
冷头的冷却功率P随冷头温度T下降。在对系统冷却时，冷头通过冷头和待冷却的装置之间的小的温度差持续地以高的冷却功率P工作在最佳的温度范围中。因此，待冷却的装置能够被相对快地冷却。
因为在冷却的状态下在待冷却的装置中并且相对于冷头不出现大的温度梯度，所以需要热桥的相应大的材料横截面。由此，能够造成敏感的冷头的不允许高的机械负荷。应避免在待冷却的装置和相对于冷头的在被冷却的状态下的大的温度梯度，因此这引起在冷却时较差的效率。
在借助于温差环流将待冷却的装置进行热耦接的情况下，将气态的流体、尤其是氖气在冷凝器中液化。冷凝器应当以良好导热的方式与冷头连接。液态的流动至待冷却的装置并且在那里能够通过过渡到气态状态而吸收热量。因为几乎在下相同的温度下在整个系统中进行流体的凝结和压缩，所以仅在待冷却的装置之内且相对于冷头而形成极其小的温度梯度。然而由此，冷头的工作温度总是位于在所应用的冷却介质的沸腾温度中。
因此冷头也在整个冷却持续时间期间位于低的温度T，所以所述冷头在该时间仅提供相对小的冷却功率P。由此，对待冷却的物体冷却持续相对长。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供用于冷却装置的方法和设备，其在对待冷却的装置进行冷却时具有高的效率并且同时允许较短的冷却时间。
本发明的目的在用于对装置进行冷却的方法方面利用权利要求1所述的特征来实现并且在用于冷却装置的设备方面利用权利要求7所述的特征来实现。
用于冷却的装置的根据本发明的方法的和用于冷却装置的根据本发明的设备的有利的设计方案分别从相关联的从属权利要求中得出。在此，并列权利要求的特征能够彼此组合并且与从属权利要求的特征组合，并且从属权利要求的特征能够彼此组合。
用于在应用冷头的情况下对装置进行冷却的方法包括通过温差环流原理对待冷却的装置进行热冷却。同时经由机械热桥进行导热，所述热桥将冷头直接与待冷却的装置热连接。
由此，在对待冷却的装置进行冷却的情况下，在冷却时间较短的同时实现高的效率。通过经由导热管路连接，在对系统进行冷却时将冷头保持在高的温度水平上。在对系统进行冷却时，冷头因此提供高的冷却功率P并且以相对良好的效率工作。在待冷却的物体的热容Q也下降时，所提供的冷却功率P才下降。由此实现短的冷却时间。
在冷却介质的沸腾温度中，温差环流装置承担待冷却的装置的冷却。由此，待冷却的装置和冷头之间的温度差极其小，使得冷头在冷却功率P和效率最佳的情况下工作。通过利用沸腾的冷却介质进行冷却也能够在空间上扩展的物体中实现小的温度梯度。
冷凝器与冷头处于热接触并且在冷凝器处将气态的流体液化，将流体以液态的方式输送至待冷却的装置，并且在待冷却的装置处或其附近在吸收热量的情况下过渡到气态状态。由此在技术耗费小的情况下实现高的效率。
能够将氖气、氦气或氮气用作为流体。在此，根据待冷却的装置的待实现的并且要保持的温度TE选择流体。具有其沸点的流体确定温度TE，在冷却之后将待冷却的装置保持在该温度上。因此例如在YBCO应用在超导装置中以用于保持超导特性的情况下，氮适合作为流体。
冷头能够在经由热桥对待冷却的装置进行冷却的情况下保持在高于流体的沸腾温度的温度T上并且在达到流体的沸腾温度时基本上通过温差环流原理对待冷却的装置进行冷却。由此，在进行冷却时，实现短的冷却时间并且在待冷却的装置运行时在经过冷却的状态下实现高的效率。在此，热桥能够具有小的横截面。
能够将金属、尤其是铜用作为机械热桥。铜具有高的热导能力进而良好地适合于确保冷头和待冷却的装置之间的热传递。
能够应用轨道状的和/或带状的机械热桥。该形状在重量小、材料消耗小且机械稳定性高的情况下具有大的导热横截面。
用于对装置进行冷却的本发明的设备包括冷头，所述冷头与待冷却的装置通过温差环流原理热连接。此外，该装置具有机械热桥，冷头经由所述热桥直接与待冷却的装置热连接。
冷凝器设置为与冷头热接触以用于在冷凝器处对气态的流体进行液化，温差环流装置设置用于将液态的流体运输至待冷却的装置并且用于将气态的流体从待冷却的装置运输至冷凝器。
能够将氖气、氦气或氮气设作为流体。
冷头能够在经由热桥对待冷却的装置进行冷却的情况下保持在高于流体的沸腾温度的温度T上。经由温差环流装置能够在待冷却的装置的温度TE等于流体的沸腾温度的情况下，冷头和待冷却的装置基本上保持在相同的温度上。
机械热桥能够由金属、尤其由铜制成。
机械热桥能够是轨道状的和/或带状的。
机械热桥能够设计为是多件式的，尤其是由多个单独的轨道状的和/或带状的热桥构成。由此，能够实现热桥的质量的更好的空间分布。也能够实现与在应用仅一个热桥的情况下相比更大的导热横截面。一个或多个热桥能够设计为具有与没有温差环流装置的设备中的热桥相比更小的横截面，因为自待冷却的装置的温度TE与冷头的温度T相等时起基本上通过温差环流原理进行冷却。
能够设置多个温差环流装置以用于将液态的流体运输至待冷却的装置并且用于将气态的流体从待冷却的装置运输至冷凝器。由此，与应用仅一个温差环流装置相比实现更好的热传递。
待冷却的装置能够包括特别是至少一个超导线圈形式的超导体。
与冷却装置的设备关联的优点类似于之前所描述的关于用于冷却装置的方法的优点。
附图说明
下面，根据附图详细阐明本发明的优选的实施方案与根据从属权利要求的特征的有利的改进方案，然而并不仅限于此。
在附图中示出：
图1示出具有机械热桥5和带有温差环流装置4的冷凝器的用于冷却待冷却的装置2的根据本发明的设备1的示意性截面图，以及
图2示出取决于冷头温度T的冷头冷却功率P的图表，以及
图3示出取决于待冷却的装置2的温度TE的冷却功率P的图表，以及
图4示出取决于待冷却的装置2的温度TE的冷头温度T的图表。
具体实施方式
在图1中示出用于对待冷却的装置2进行冷却的根据本发明的设备1的示意性截面图。设备1包括冷头3，所述冷头经由具有温差环流装置4的冷凝器并且经由机械热桥5与待冷却的装置2热连接。在图1的实施例中分别仅示出一个冷头3、一个机械热桥5和一个具有温差环流装置4的冷凝器。但是本发明也包括具有多个冷头3和/或多个机械热桥5和/或多个具有温差环流装置4的冷凝器的实施例，所述实施例为了简化起见而在附图中没有示出。
图1中的冷头3直接地与冷凝器4热连接且机械连接，其中冷凝器4包括温差环流装置4。根据温差环流原理在冷头4处凝结流体，例如氖气、氮气或氦气，并且以液态的形式运输至待冷却的装置2，在那里所述流体被汽化。运输能够通过重力和/或通过例如泵送或压力差来进行。在凝结时，流体输出热量，所述流体在汽化时再次吸收所述热量。借此，将冷功率经由液态流体从冷头3运输至待冷却的装置2，并且输出至待冷却的装置2，其中对待冷却的装置进行冷却或者待冷却的装置通过冷却功率保持在小于待冷却的装置2的环境温度的恒定的低温上。
在图1中仅示出具有温差环流装置4的凝结器的极度简化的结构，所述凝结器包括与冷头3热接触的凝结器腔、管形的部段和与待冷却的装置2热接触的体积部或腔，流体能够以液态的或气态的形式流入待冷却的装置。从现有技术中已知温差环流系统的不同的构造，所述构造能够与本发明组合。因此，例如系统借助两个平行的管形的部段能够实现液态的和气态的流体的更好的分开的运输。系统能够是密闭的、闭合的或打开的系统，所述系统连接到制冷机和/或流体储备容器上。在系统内部从位置固定部件到可转动的部件的流体密封的过渡也是可能的。因此例如从作为待冷却的装置2的机器的可转动的转子到具有连接的冷头3的位置固定的、不旋转的冷源的热传递是可能的。然而，从可转动的至位置固定的部件的连接与提高的耗费和经由机械热桥而减小的导热相关联，然而原则上，可以应用到该系统上。其他的从现有技术中已知的实施形式同样能够与根据本发明的设备组合。
如在图1中示出的是，能够设置真空容器7，所述真空容器包围冷头3、具有温差环流装置4的冷凝器、热桥5和待冷却的装置2。由此，能够抑制或严格限制热的环境与冷头3、具有温差环流装置4的冷凝器、热桥5和待冷却的装置2的热交换。替选地，也能够仅围绕待冷却的装置2和体积部6布置真空容器7或者连同另外的区域一起包围。
如之前描述的那样，在根据本发明的设备1中，通过具有温差环流装置4的冷凝器进行从待冷却的装置2到具有例如连接的制冷机的冷头3的热传递。同时，经由导热管路进行经由机械热桥5的从待冷却的装置2到冷头3的热传递。机械热桥5例如能够由良好导热的铜带或铜管构成，铜带或铜管在一侧上以机械地且导热的方式与待冷却的装置1连接并且在相反的一侧上与冷头3连接。由此，能够确保经由导热管路在待冷却的装置2和冷头3之间的良好的热传递。
在图2中示出根据通常应用的冷头3的取决于以°K为单位的冷头温度T的以W为单位的典型可实现的冷头冷却功率P。可实现的冷却功率P首先仅随温度T的下降而稍微下降并且然后强烈地下降。为了实现在用于冷却装置2的设备1运行时高的效率，其中装置2首先必须先被冷却并且然后必须保持在低的温度上，当冷头3能够在尽可能高的温度T的情况下工作时是有利的。当将待冷却的装置2和冷头3之间的温度差保持在很小时，实现上述内容。
在图3中示出利用填充有氖气的温差环流装置4的可能的热传递或可能的要传递的冷却功率P。它们在直至大约30°K的温度TE下几乎是恒定的。在同时应用温差环流装置4和热桥5时，通过经由热桥5的热传递将冷头3保持在高的温度水平上，该温度水平仅相对的低于待冷却的装置2的温度TE。此外，因为待冷却的装置2的热容Q9在300°K的较高的温度TE的情况下较大并且然后自大约150°K起随温度TE的下降而强烈地下降，所以在较高的冷头温度T情况下进而在可用的冷却功率P较大的情况下导出引出用于冷却的而待导出的热量的很大一部分。这在应用温差环流装置4和热桥5的同时实现取决于温度冷却功率P11的传递，该温度几乎对应于图2中示出的典型的冷头3的可实现的冷却功率P的温度。因此，用于冷却待冷却的装置2的、具有冷头3、具有带有温差环流装置4的冷凝器和同时具有热桥5的设备尤其有效地工作，即以高的效率工作。这样，由于不足的传递能力而使传递到待冷却的装置2的冷头3的冷却功率P损失仅仅为很小或将近没有。
在图4中示出借助根据本发明的设备1在待冷却的装置2处可实现的冷头温度T13。在冷头3与待冷却的装置2直接接触而没有通过热传递引起温度梯度的情况下，在进行冷却时已经在待冷却的装置2处和在冷头3处存在相同的温度，见曲线14。在仅应用具有温差环流装置4的冷凝器而没有机械热桥5的情况下，仅极其缓慢的冷却是可行的。几乎在相同的温度下进行流体的凝结和汽化。冷头3的工作温度总是位于流体的蒸发温度中。冷头3在整个冷却持续时间期间处于较低的温度T进而仅提供小的冷却功率P。由此，冷却持续得极其长。
首先在根据本发明附加地应用热桥5的情况下，冷头3的温度T提升到高的水平上。冷头3已经能够在冷却时持续地以高的冷却功率P工作在最佳的温度范围中。由此，待冷却的装置2能够相对快地被冷却。
在没有温差环流装置4的情况下，在已冷却的状态下，需要热桥5的较大的横截面，以便在待冷却的装置2中并且相对于冷头3没有获得大的温度梯度。在已冷却的状态下在待冷却的装置2中并且相对于冷头3的高的温度梯度导致效率差。因此，能够避免上述情况。然而为了避免上述情况所需的大的热桥5的横截面能够引起敏感的冷头3的不能承受的较大的机械负载。
通过根据本发明同时的应用温差环流装置4和热桥5，在待冷却的装置已冷却的状态下也能够将快速的冷却和高的效率彼此联系在一起。热桥5用于快速的冷却并且在冷却的状态下温差环流原理承担待冷却的装置2的冷却。热桥5的大的横截面不是必需的，进而不会出现之前描述的、与大的横截面相关联的缺点。
根据本发明的设备1能够借助根据本发明的方法来描述。之前描述的实施例能够彼此组合并且与从现有技术中已知的实施例组合。因此，例如也能够为热桥5应用下述材料，如铁、钢、良好导热的塑料或其他与铜结合或者代替铜的材料。根据本发明的设备1也能够用于另外的待冷却的装置2、例如替代超导机器而用于常规的机器。
具有发明意义的构想在于，经由借助于热桥5进行的导热和同时通过温差环流原理借助于具有温差环流装置4的冷凝器，将冷头3与待冷却的装置2热连接。令人惊讶的是，不同的冷却原理不相互妨碍，而是相互补充，如在图2至4的图表中示出。仅使用一种冷却原理时，如在现有技术中对于冷却装置2被看作是足够的，即使在待实现的温度下在进一步冷却时也不能引起在较短时间内的冷却并且不能同时达到良好的效率。只有通过应用通过温差环流原理并且经由借助于热桥5进行导热而进行冷却才能够在进一步冷却中实现短的冷却时间和同时良好的效率。
Claims (15)
1.一种用于在应用冷头（3）的情况下对装置（2）进行冷却的方法，所述方法包括通过温差环流原理对待冷却的所述装置（2）进行热冷却，其特征在于，同时经由机械热桥（5）进行导热，所述机械热桥将所述冷头（3）直接与待冷却的所述装置（2）热连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷凝器（4）与所述冷头（3）处于热接触并且气态的流体在所述冷凝器（4）处被液化，将所述流体液态的输送至待冷却的所述装置（2），并且在待冷却的所述装置（2）处或待冷却的所述装置附近在吸收热量的情况下过渡到气态状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将氖气、氦气或氮气作为流体应用。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述冷头（3）在经由所述热桥（5）冷却待冷却的所述装置（2）的情况下保持在高于所述流体的沸腾温度的温度T上并且在达到所述流体的所述沸腾温度时基本上通过所述温差环流原理对待冷却的所述装置（2）进行冷却。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，应用金属、特别是铜作为所述机械热桥（5）。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，应用轨道状的和/或带状的机械热桥（5）。
7.一种用于借助冷头（3）对装置（2）进行冷却的设备（1），所述冷头与待冷却的所述装置（2）通过所述温差环流原理热连接，其特征在于，设置有机械热桥（5），所述冷头（3）经由所述热桥直接与待冷却的所述装置（2）热连接。
8.根据权利要求7所述的设备（1），其特征在于，冷凝器（4）设置为与所述冷头（3）热接触以用于在所述冷凝器（4）处对气态的流体进行液化，温差环流装置（4）设置用于将液态的所述流体运输至待冷却的所述装置（2）并且用于将气态的所述流体从待冷却的所述装置（2）运输至所述冷凝器（4）。
9.根据权利要求7或8所述的设备（1），其特征在于，所述流体为氖气、氦气或氮气。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的设备（1），其特征在于，所述冷头（3）在通过所述热桥（5）冷却待冷却的所述装置（2）的情况下保持在高于所述流体的沸腾温度的温度T上并且通过所述温差环流装置（4）在待冷却的所述装置（2）的温度TE等于所述流体的所述沸腾温度的情况下，所述冷头（3）和待冷却的所述装置（2）基本上处于相同的温度。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的设备（1），其特征在于，所述机械热桥（5）由金属，特别是由铜制成。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的设备（1），其特征在于，所述机械热桥（5）是轨道状的和/或带状的。
13.根据权利要求7至12中的任一项所述的设备（1），其特征在于，所述机械热桥（5）设计为是多件式的，尤其是由多个单个的轨道状的和/或带状的热桥（5）构成。
14.根据权利要求7至13中的任一项所述的设备（1），其特征在于，设置有多个温差环流装置（4），用于将液态的所述流体运输至待冷却的所述装置（2）并且用于将气态的所述流体从待冷却的所述装置（2）运输至所述冷凝器（4）。
15.根据权利要求7至14中的任一项所述的设备（1），其特征在于，待冷却的所述装置（2）包括特别是呈至少一个超导线圈的形式的超导体。
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