CN104106202A - 用于冷却超导机的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷却超导机的装置，其包括容纳冷凝的冷却剂的储备容器，冷却剂能从储备容器经由管道输送给机器，其中储备容器(20)具有储备区(25)和与之隔离开的汽化区(26)，汽化区具有温度总是在冷却剂(27)的沸点温度以上的热源(37)，它通过弯曲的溢流管(33)与储备区(25)连接，使得当在储备区(25)中达到特定的冷却剂液位时，冷却剂(27)就经由溢流管(33)自动地流入汽化区(26)并且在那里汽化。

Description

用于冷却超导机的装置

技术领域

本发明涉及一种用于冷却超导机的装置，其包括容纳冷凝的冷却剂的储备容器，冷却剂能从储备容器经由管道输送给机器。

背景技术

超导机通常包括超导线圈，它们至少在机器运行期间必须被可靠地冷却。根据所使用的超导材料需要不同的冷却温度，其中，很久以来也公知许多跃变温度T_C超过77k的材料。这些材料也被称为High-T_C-超导体材料或者HTS材料。可以使用液态氮、液态氖或者特别是液态氦作为冷却剂。这种冷却剂与绕组或其导热的支承结构进行接触，用于冷却超导绕组。

此外，在大部分情况下由于技术上的临界条件还要求为此对抗重力运输冷却剂，即从较低的位置传送到定位较高的机器。借助机械驱动的泵、借助鼓风泵或者要么通过由外界施加、要么通过冷却剂蒸发产生的超压可以完成对液态冷却剂的这种运输。机械驱动的泵需要频繁的维修保养，在运行时会发热，同时必须避免产生的热量被导入冷却剂，这种泵的使用寿命也是个问题。鼓风泵部分地避免了这些缺点，然而是通过以下方式，即，它的功能依赖于冷却介质中的气泡的升浮，这在传送能力方面受到局限。可能的上升管道直径是有限的，上升高度和泵运速度也是有限的。

技术上有利的是，借助超压运输冷却剂。为此要么需要受控的泵和阀用于热气(在从外界施加超压时)，要么需要控制系统、加热系统等以用于通过汽化制造超压。然而，所有这些有源的元件都蕴藏着失灵的危险，此外还意味着对整个系统带来不小的额外耗费。由DE 102010041194中公知一种利用单独驱控的、在时间上调制的加热装置工作的装置。那里设计了多个分别具有一个配属的冷头的冷凝室，这些冷凝室经由相应的连接管路与共同设计在机器一侧的汽化室液体互通地连接。每个冷凝室都具有一个独有的加热装置。如果冷却剂要从冷凝室经由连接管道传送给汽化室，那么就接上各个相关的冷凝室的加热装置，从而设置出某个温度帮助冷却剂汽化。冷却剂在冷凝室中膨胀，提升到一定的压力，由此使得通往汽化室的连接管路内的液态冷却剂在其中受压。单独的冷凝室的单个的加热装置在时间上受调制地接通，即，它们连续地在时间上相互交错地运行。因此，在冷凝室中本身通过配属于这个冷凝室的加热装置完成冷却剂的汽化。

发明内容

本发明的基本问题是，提供一种构造简单的冷却装置，它能够以简单的方式通过冷却剂的汽化制造超压。

为了解决这个问题，根据本发明在前述类型的装置中设置，储备容器具有储备区和与之隔离开的汽化区，汽化区具有温度总是高于冷却剂的沸点温度的热源，它通过弯曲的溢流管与储备区连接，使得冷却剂在储备区中达到某个特定的液位时，冷却剂就通过溢流管自动地流入汽化区并且在那里汽化。

在根据本发明的装置中，在用于冷凝从机器导回的、气体形式的冷却剂的液化装置(也就是冷凝机)下游连接了单独的储备容器。这个储备容器设计为两部分。它具有储备区，其中聚集着在大部分情况下来自冷凝机的小水滴形式的液化冷却剂。在储备区的旁边设计了汽化区，汽化区却与储备区大气连接。汽化区配属有热源，热源的温度总是高于液态冷却剂的沸点温度。这个热源不受调制。汽化区一开始是空的，冷凝的冷却剂仅仅在储备区内聚集。那里的冷却剂水平随着时间提升。如果冷却剂液位达到某个规定的水平，冷却剂就从储备区经由将储备区与汽化区连接的弯曲的溢流管流入汽化区，在那里汽化。通过汽化，在与汽化区联通的储备区内由于蒸汽的原因形成超压，它使得储备区内的冷却剂经由通往机器的、构造成上升管的管道被输送走。上升管向布置在装置上方(尤其更确切的说是储备容器上方)的机器延伸，液态冷却剂可以通过超压直接经由上升管被传送给机器。

中心元件是弯曲的溢流管，它用作虹吸管，也就是当储备区内的液位上升到超过溢流管的最高点时，用来实现自动溢流。自动的冷却剂流会一直保持下去，直到进入侧上(也就是储备区内)的水平再次下降到溢流管的入流口以下。因此，由此就能够在非常短的时间内将可观的体积量自动地从储备区传送到汽化区，在那里立即汽化，从而能够在非常短的时间内形成可观的超压。

因此，根据本发明的装置能够将规定的冷却剂体积量从储备区非常简单地传送到汽化区。此外不需要受调制地进行加热，而是设计让汽化室持续恒温。

根据一种有利的改进方案，溢流管弯曲成U形，并且布置成倒置的U形，其中，吸入弯管布置在储备区内，排放弯管布置在汽化区内。最后通过吸入弯管的长度(更确切的说是通过吸入弯管上的入流口和溢流管的最高点之间的高度差)定义了体积量，这个体积量随着达到预定的冷却剂液位自动地从储备区被吸入汽化区。

优选地通过隔板实现储备区与汽化区的隔离，这两个区域仅仅是在液体互通性上和导热性上相互隔离，却没有大气隔离。因为确实必须确保的是，通过汽化区内冷却剂的汽化也可以在存在需要传送的冷却剂的储备区内设置超压。定位溢流管的最高点，使它位于将储备区与汽化区隔离开的隔板的上棱边的下方。

正如已经描述的那样，自动地从储备区抽吸走的冷却剂体积量与吸入弯管的吸入开口与溢流管的最高点的间距有关。这个间距至少要有一厘米，优选地有几厘米，才能将足够体积量的冷却剂传送到汽化区内并且汽化。

此外还可能出现这样的情况，即，导致由根据本发明的装置和需要持续冷却的机器构成的整个系统发生运动，特别是例如在船上运输期间。船的倾斜导致该装置也倾斜运动，它导致冷却剂水平面的倾斜，也就是说，水位发生变化。如果这种变化刚好在吸入流程开始时发生，就有可能仅吸走比较少的体积量，因为发生运动的原因使溢流管改变了它相对于冷却剂水平面的位置。当然也可以考虑的是，尽管储备区内有充足的液位，但是由于发生波动而不吸入，因为出于位置的原因使得冷却剂水平面也达不到溢流管的最高点。为了解决这个问题，本发明的一种特别有利的改进方案设计的是，在储备区借助溢流壁隔离出一个溢流区，冷却剂溢流到这个区并且在达到某个特定的液位时，冷却剂从中经由溢流管流入汽化区。在本发明的这种构造方案中，再次在储备区内隔离出可一个单独的溢流区。为此设计了合适的壁构造。液态的、来自冷凝机的冷却剂在储备区聚集，并且随着时间不断升高。如果液位的高度达到溢流壁的上棱边，那么冷却剂也连续地流入溢流区。溢流管利用它的吸入弯管伸入溢流区内。如果在准确定位装置的情况下，溢流区内达到特定的液位，那么就会自动吸走溢流区内规定的冷却剂体积量。不会从其他的储备区吸走，因为通过溢流壁阻止了这种情况。如果现在在吸入之前或期间发生装置的相对运动，那么这种相对运动对液位，更确切的说是溢流区内的冷却剂水平面，只会产生极微小的影响，因为这个区域只是一个非常有限的区域，因此比储备区明显小得多，在储备区内由于它的大小尺寸使得位置变化对冷却剂水平面位置的影响相比小的溢流区内要显著更剧烈。也就是说，储备区内的冷却剂位对向被加热的汽化区运输的冷却剂量的影响明显更小。

配属给汽化区的热源可以是加热装置，特别是持续运行的电阻加热装置，并且只需要让温度保持高于冷却剂的沸点温度。

作为代替，热源也可以是壁面，特别是汽化区的底面，这个壁面在装配状态下与具有处于冷却剂的沸点温度以上的温度的第三物体处于热接触状态。本发明的这种特别符合目的的构造方案完全放弃了额外的加热系统，而是利用以下情况，即，在装配状态下，与储备容器(更确切的说是与汽化区)相邻的位置上通常存在第三物体，它的自身温度明显高于冷却剂的通常在几开尔文范围内的沸点温度。如果现在让汽化区的一个壁面，优选的是它的底面，与第三物体热接触，例如通过让两者直接相互贴靠，或者经由连接在中间的能够传递热量的组件，那么就能够直接地让汽化区持续保持恒温，并且确保汽化的进行。

即使只设计一个储备容器就已经足以充分冷却机器，然而也可以考虑的是，特别是在大型机器中提供相应大的冷却功率。为了这个目的可能要求设计多个分别具有单独的、实现为上升管路的管道的储备容器。现在这些上升管路要么可以单独地导向机器并且通入汽化区，为此在包围着汽化区(更确切的说是超导绕组)的真空区内设计了相应的、密封的贯穿引导体。但是也可以考虑的是，让这些上升管路通入一条共同的、向机器延伸的输送管路，这样设计的优点是，只有这一条输送管路被密封地导入机器。

如果使用多个储备容器，那么每个储备容器都可以配有一个自己的、用于冷凝来自机器的气体形式的冷却剂的液化装置，也就是说，每个储备容器具有一个属于自己的冷凝机。但是作为代替也可以考虑的是，为这些储备容器配备一个共同的液化装置，通过它填充所有的储备容器，也可以在中间接上合适的阀的情况下受控地进行。

附图说明

从下面描述的实施例中以及借助附图得出本发明的其他优点、特征和细节。图中示出：

图1是根据本发明的带有配属的液化装置和需要冷却的机器的装置的原理图，以及

图2是根据本发明的装置的用于示出工作原理的放大原理图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置1，后面还会阐述它的细节。它用于冷却并因此运行在这里示出的回转的机器2，该机器具有固定住的、温度为室温的、带有定子绕组4的外壳3(当然也可以设计一台静止的机器)。在外壳内部并且由定子绕组4包围着转子5，它围绕着旋转轴线可旋转地支承，正如用箭头A所示的那样。转子5旋转支承在轴承6中。它具有真空室7，其中，例如在空心圆柱体形式的、能够传递扭矩的悬挂元件8上保持着带有HTS绕组10的绕组支架9。在绕组支架中，存在一个与旋转轴线同心的、在轴线方向上延伸的空腔12，其例如具有圆柱体的形状。其中，绕组支架9相对于空腔12是真空密封的。它在转子的某一侧上封闭住空腔，转子在这一侧上借助庞大的轴向式的转子轴部件11被支承住。在相对置的一侧上，中央空腔12连接在侧面空腔13上。这个侧面空腔13从绕组支架9区域向外延伸到外壳3以外，为此借助相应的、后面还会描述的输送及排放管路。包围着这个侧面空腔13的、支承在其中一个轴承6中的、管道形式的转子轴部件用14表示。总所周知这种利用超导绕组工作的机器的基本构造，不需要对其进行详尽深入的说明。

为了通过导热部件间接地冷却HTS绕组，设计了根据本发明的装置1，它的前方连接了液化装置15，也就是冷凝机。液化单元包括冷头16，冷头例如可以是型号为Gifford-McMahon的低温制冷机，或者特别是可再生的低温制冷机，例如脉冲管制冷机或者分置式斯特林制冷机。冷头16的制冷部分在与冷凝单元18处于接触状态的真空容器17中，来自机器的、气体形式的冷却剂在所述冷凝单元中冷凝。冷凝的冷却剂经由输送管路19流向根据本发明的装置1，后面还会对其进行深入描述。

根据本发明的装置1包括储备容器20，管道21从这里出发以上升管路的形式导向机器。管道21在通过合适的密封装置22密封的情况下伸入空腔13并且然后再伸入空腔12。通过管道21可以将液化的冷却剂从储备容器20中借助其中产生的超压传送到空腔12中。在那里汽化，也就是吸收来自包围着空腔的绕组支架9(更确切的说是需要冷却的超导HTS绕组10)的热量。于是，汽化的、气体形式的冷却剂就经由另一条从空腔12出发、并且还是在通过密封装置22密封住的情况下从机器伸出去的管路23被运送走，并且在所示实施例中经由分支管路24被导向液化装置15。举例示出了以下可能性，延长管路23，以便除了配属的单独的装置以外还能馈给一个或者多个其他的液化装置15，其中，所有其他的装置1都以相应的、如同针对所示装置示出的方式经由管道21与空腔12处于连接状态。

在由根据本发明的装置1、机器2的空腔12和13以及由管路23，24和液化装置15构成的管路系统构成的封闭循环中，存在冷却剂(填充量例如为1升或以上)，它用于冷却超导的HTS绕组10。这种冷却剂例如可以是氦(正常压力下冷凝温度为4.2K)，氢(正常压力下冷凝温度为20.4K)，氖(正常压力下冷凝温度为27.1K)，氮(正常压力下冷凝温度为77.4K)或者氩(正常压力下冷凝温度为87.3K)。也可以考虑这些气体的混合物。这种冷却剂在液化装置15中冷凝，并且如所述的那样经由管路19输送给装置容器20，请见图2。

储备容器20由两个区域构成，也就是储备区25和与之不进行液体流通但是大气连接的汽化区26。管道21通入储备区，正如管道19也是如此，冷却剂几乎持续不断地从这个管道流入储备区。冷凝的冷却剂27在储备区25中聚集，水位持续上升。随着达到在图2中所示的液位，冷却剂27流入溢流区28，它是由储备区25内的溢流壁29隔离出来的。该溢流壁29具有一个底部和多个壁分段，溢流区28的上侧是敞开的，使得冷却剂27能够越过溢流壁29的上棱边流入。溢流壁29的上棱边30就高度而言位于将储备区25与汽化区26分隔开的隔板32的上棱边31以下。

此外还设计了溢流管33，它用作虹吸管。它将储备区25(更确切的说是溢流区28)与汽化区26连接。U形的溢流管具有吸入弯管34，该分支伸入溢流区28内。吸入弯管34过渡到在所示实施例中水平延伸的横向分支35，横向分支又过渡到垂直竖立的排放弯管36。横向分支35在隔板32的上棱边31下方延伸。

此外还在汽化区26内设计了热源37。这个热源37在所示实施例中靠底板一侧布置在汽化区26上。它可以是单独的、然而持续运行的加热装置，它在汽化区内靠底板一侧产生的(更确切的说是具备的)温度高于所使用的冷却剂27的沸点温度。但是，热源37也可以通过与汽化区26的底部处于热接触状态的第三物体得以实现。在任何情况下都必须确保汽化区具有的相应的热源37温度高于冷却剂的沸点温度。

低温组件容纳在真空绝缘体39中。

装置1的工作方式例如可以从图2中获知。

正如所描述的那样，经由管路19几乎连续地流入冷却剂27，储备区25内的冷却剂水平面连续上升。随着达到等同于溢流壁29的上棱边30的水位，冷却剂27就流入溢流区28，使得冷却剂水位在那里也随着时间提升。这个填充过程一直进行，直到溢流区28内的冷却剂的水平等于溢流管33的最高点，在所示实施例中是横向分支35的下平面。从达到这个水位开始，现在就开始自动地通过用作虹吸管的溢流管33吸走位于溢流区28内的冷却剂，它流入汽化区26。这个吸走的过程一直进行，直到水位再次下降到吸入弯管34的吸入开口38的平面内。然后这个吸走的过程停止。

如所描述的那样，通过溢流管33吸走的冷却剂流入汽化区26。在那里，它接触到热源37。这导致冷却剂27立即汽化，正如用从汽化室26的底部朝上伸的、然后是虚线的箭头所示的那样。在汽化室26与储备室25自动连接以后，就会在整个储备容器中制造出(更确切的说是形成)超压。超压对储备区25内冷却剂27的水位施压。如果超压足够大，就会让冷却剂27从下面被压入管道21，并且经由管道传送到机器2的空腔12内，冷却器在这里发挥它的冷却作用，并且再次汽化。于是，汽化的冷却剂经由管道23，24到达液化装置15，在那里重新液化并且经由管路19再次被输送给储备容器20。由于冷却剂27被挤压出去，所以储备区25内冷却剂27的水位下降，水位的下降与制造的超压的强度有关。通过连续不断地流入冷却剂，储备区25内的水位又连续不断地下降，直到它的高度使得冷却剂27会越过溢流壁29流入溢流区28，并且水位在那里又再次升高，直到达到横向分支35的水平，并且进入下一个自动的吸走流程，同时立即发生汽化过程，并且制造超压并且将冷却剂经由上升管路21挤压到空腔12内。于是实现了一个连续不断的自动循环，它使得仅通过在储备容器20中制造超压就能够有节奏地、自动地泵运冷却剂。

不需要强制性要求通过溢流壁29构造出溢流区28。也可以考虑的是，直接从“单一体的”储备区25中吸入冷却剂27。在这种情况下，当储备区25内总体的冷却剂水位达到横向分支25的水平时，就开始吸走流程。吸走冷却剂的过程最多持续到水位再次下降到吸入开口38的平面。在这种情况下，相比根据图2所示的构造方案能自动吸走更多的液体体积量，在图2所示的构造方案中，可以吸走的最大液体体积量最终是由溢流区的大小以及吸入开口38的平面和横向分支35的平面之间的间距h决定的。然而，吸走较少的体积量就足以制造出充足的超压(通常大于≥0.1巴的超压就足够了)。

图2中所示的具有溢流区28的构造方案的另一个优点在于，这个系统对储备容器20发生略微倾斜的情况比较不敏感，正如例如当机器2在船上运输或者在离岸装置上运行时可能出现的情况那样。在这种情况下，由于船或离岸装置的运动可以发生装置1的摇晃和移位，然而，冷却剂27在各处的水位却总是在水平面上。如果没有设计溢流区28，那么这种倾斜就可能导致吸入弯管34区域内的水位因为倾斜的原因而显著下降，于是，因为达到了横向分支25的水平(更确切的说是需要观察的最高点)，所以即使就相对于水平的起始位置的填充量而言可能在储备区25内存在足够的冷却剂27，但是很长时间也不会开始吸走流程。也就是说，这种运动完全可能对自动的吸走流程并且因此对冷却剂27向空腔12的传送造成影响，因此，位置变化可能造成影响。

然而，如果设计了溢流区28，那么这个区大致可以视为单独的系统。因为它比较小，所以这种摇晃只能造成极微小的影响。不可能出现任何即使只是几乎可能导致吸入开口区域内的水位相对下沉的高度差，因此整个布置可能发生的位置变化也不会对经由用作虹吸管的溢流管33进行的自动吸入过程造成影响，并且因此也不会影响汽化流程和因此造成的冷却剂传送过程。因此，这个系统特别稳定，因此使得机器2的运行也特别稳定。

尽管用优选的实施例更详尽地阐述并描述了本发明的细节，但是本发明不会因此受到这些公开的例子的局限，专业技术人员能够从中推导出其他的变化方案，而不离开本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于冷却超导机的装置，其包括容纳冷凝的冷却剂的储备容器，所述冷却剂能从所述储备容器中经由管道输送给机器，其特征在于，所述储备容器(20)具有储备区(25)和与所述储备区隔开的汽化区(26)，所述汽化区具有温度总是在所述冷却剂(27)的沸点温度以上的热源(37)，所述热源通过弯曲的溢流管(33)与所述储备区(25)连接，使得当在所述储备区(25)中达到特定的冷却剂液位时，所述冷却剂(27)就经由所述溢流管(33)自动地流入所述汽化区(26)并且在所述汽化区中汽化。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述溢流管(33)弯曲成U形，并且具有布置在所述储备区(25)中的吸入弯管(34)和布置在所述汽化区(26)中的排放弯管(36)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述溢流管(33)的最高点位于分开所述储备区(25)与所述汽化区(26)的隔板(32)的上棱边(31)的下方。

4.根据权利要求2和3所述的装置，其特征在于，所述吸入弯管(34)的吸入开口(38)和所述最高点之间在高度上的间距(h)为至少一厘米，优选为几厘米。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述储备区(25)中借助溢流壁(29)隔开溢流区(28)，所述冷却剂(27)溢流到所述溢流区中，并且所述冷却剂(27)在达到特定的液位时从所述溢流区经由所述溢流管(33)流入所述汽化区(26)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源(37)是加热装置，特别是电阻加热装置。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源(37)是壁面，特别是所述汽化区(26)的底面，这个壁面在装配位置与具有处于所述冷却剂的所述沸点温度之上的温度的第三物体处于热接触状态。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置多个储备容器(20)，这些储备容器的设计为上升管路(21)的管道单独地导向所述机器(2)，或者这些储备容器的上升管路(21)通入共同的、向所述机器(2)延伸的输送管路。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，每个储备容器(20)配属有自己的、用于冷凝来自所述机器(2)的气态的所述冷却剂(27)的液化装置(15)，或者这些储备容器(20)配属有共同的液化装置(15)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却剂在所述管道中逆重力地被传送。