CN104299748A - 一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统 - Google Patents

Abstract

一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，是一种能够用来放置、固定高温超导磁悬浮储能飞轮中的高温超导块材，并给高温超导块材提供安全、稳定、长时的低温环境的液氮容器。其主要包括：真空填充材料、杜瓦瓶内壁、杜瓦瓶外壁、绝热密封圈、液氮连通器、外置液氮容器、液氮、超导块材支架、绝热涂层、高温超导块材、上端盖构成。将高温超导块材安装于超导块材支架上，并将超导块材支架固定至上端盖，上端盖和由杜瓦瓶内壁、杜瓦瓶外壁，真空填充材料构成的杜瓦瓶的周壁紧固，形成完整密闭的容器。外置液氮容器中加注液氮并通过液氮连通器将液氮注入杜瓦瓶中，使得超导块材完全并长时间浸泡在液氮中，实现高温超导块材所需的安全、长时的低温环境。

Description

一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统

技术领域

本发明涉及一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，通过往杜瓦瓶中加灌液氮，使浸泡在其中的高温超导块材的温度降至临界温度以下并呈现出超导特性，从而为高温超导磁悬浮储能飞轮超导轴承的高温超导块材提供一个安全、稳定、长时的低温环境，保证高温超导磁悬浮储能飞轮能够正常、稳定的长时工作。本发明也适用于普通应用中的高温超导块材低温环境的实现。

背景技术

能源问题是21世纪人类面临的巨大挑战，日益严重的能源紧缺已成为制约我国经济和稳定发展的重要因素。开发新能源，发展高效、环保的分布式储能和节能技术成为能源领域最为重要的研究课题。飞轮作为重要的新型机械式储能方式，它将能量或者是动能存储在高速旋转的飞轮转子中，实现电能到机械能再到电能的转换。它由高速转子、支撑转子的轴承、高速发电/电动互逆式电机以及控制系统组成。储能密度是储能飞轮重要的技术指标，提高转速是实现高储能密度的最有效手段。高温超导磁悬浮储能飞轮系统具有无能耗、本质自稳定的特性，成为国际上储能飞轮的重要发展趋势。开展新型高效率、低功耗高温超导磁悬浮储能飞轮的研究和应用，对解决我国能源问题有重要的现实意义。

高温超导磁悬浮储能飞轮中的高温超导块材在工作过程中必须工作在其临界温度以下，现有的常用高温超导块材主要是YBCO，其转变至超导态的临界温度在90K左右。一般将高温超导块材浸泡在液氮中，使其温度降至77K，高温超导块材表现出超导特性。由于高温超导磁悬浮储能飞轮工作时间较长，故需长时间的保证高温超导块材的低温环境，同时由于高温超导磁悬浮储能飞轮的高温超导块材和与其相互作用的永磁体必须之间的距离必须足够接近(2～3mm数量级)，才能够给储能飞轮提供足够大的刚度和悬浮力。

现有的杜瓦系统都是全封闭式的结构，所有的杜瓦壁均由较厚的杜瓦内壁、杜瓦外壁、真空填充层构成，其三者厚度之和在20～40cm，而高温超导磁悬浮飞轮的超导块材和永磁体之间的作用距离在2～5mm范围内，现有的杜瓦系统无法满足该要求；现有的杜瓦系统是全封闭的结构，只能通过液氮加注入口将液氮通过人工的加注其中，而高温超导磁悬浮飞轮的超导块材必须时时完全的浸泡在液氮其中，这就必须要求杜瓦中的液氮始终处于满贮状态，只要杜瓦中有液氮挥发，就有新的液氮补充进来，现有的杜瓦系统无法满足该要求；现有的杜瓦系统也无法根据实际需求改变液氮中高温超导块材的空间组合方式。因此急需一种能够长时、安全的贮放液氮，并满足不同种高温超导块材组合形式，实现的高温超导磁悬浮储能飞轮工作低温液氮环境的杜瓦系统。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有的液氮杜瓦系统无法满足高温超导磁悬浮储能飞轮的应用要求，提供一种能够为高温超导磁悬浮储能飞轮中的高温超导块材提供安全、稳定、长时的低温环境，并使得高温超导块材和永磁体之间的作用距离在2～3mm的范围之内，满足高温超导磁悬浮储能飞轮的需求，能够提供足够大的悬浮力、导向力、轴向刚度和径向刚度。

本发明的技术解决方案是：一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，由外置的液氮容器和提供低温环境的杜瓦瓶组成；外置的液氮容器和杜瓦瓶通过液氮连通器连接，外置液氮容器中加满液氮，液氮通过液氮连通器加至杜瓦瓶中；杜瓦瓶由杜瓦瓶内壁、杜瓦瓶外壁、位于杜瓦瓶内壁和杜瓦瓶外壁之间的真空填充材料、绝热密封圈、超导块材支架、绝热涂层、高温超导块材和上端盖构成，真空填充材料、杜瓦瓶内壁和杜瓦瓶外壁构成了杜瓦瓶的底座和周壁，在杜瓦瓶周壁上端密封紧固有上端盖，杜瓦瓶周壁和上端盖的接触面处之间为绝热密封圈，上端盖的下表面喷涂有绝热涂层，用来降低杜瓦瓶内、外部的热交换；超导块材支架紧固在上端盖的下表面上，高温超导块材固定在超导块材支架上；当杜瓦瓶中的液氮挥发时，液氮通过液氮连通器自动从外置液氮容器中流入杜瓦瓶中，使得杜瓦瓶中始终注满液氮，从而使得高温超导块材始终浸泡在液氮中，以满足高温超导块材实现超导特性以及长时间工作在超导态所需的安全、稳定、长时的低温环境。

本发明与现有技术相比优点在于:

(1)本发明设计了一种全新的杜瓦结构，该杜瓦系统由外置的液氮容器和提供低温环境的杜瓦瓶构成，外置的液氮容器和杜瓦由液氮连通器连接，贮放在外置液氮的液氮容器中的液氮通过液氮连通器加贮至杜瓦瓶，由于外置液氮容器中的下液面始终高于杜瓦瓶的上液面，故只要外置液氮容器中余有液氮，杜瓦瓶中始终会加贮满液氮，使得高温超导块材始终浸泡在液氮中，保证超导块材不会因为温度升高而导致失超，保证了高温超导块材超导特性的长时、安全、稳定存在。

(2)本发明的高温超导块材安装在超导块材支架上，不同种高温超导块材可对应不同的超导块材支架。将超导块材支架连同高温超导块材组合通过螺栓紧固在上端盖上，使得超导块材的上表面紧贴上端盖。上端盖和杜瓦瓶周壁通过螺钉紧固，实现杜瓦内部空间的密封，保证了高温超导块材超导特性的长时、安全、稳定存在。

(3)本发明的超导块材支架和上端盖，在超导块材支架的上表面和上端盖的下表面，都有和高温超导块材对应的凹槽，使得超导块材能够一部分内嵌在该凹槽中，当高温超导磁悬浮储能飞轮的高温超导块材和永磁环相互作用是，不会因为有横向相互作用力的存在导致高温超导块材组的移动或者错位，使得飞轮系统不能正常工作，进一步提高了系统的安全性。

(4)本发明有绝热涂层喷涂在上端盖的下表面，降低了经由上端盖进行的杜瓦瓶内、外部的热交换，从而降低了杜瓦中的液氮挥发率，实现了高温超导块材所需的低温环境的长时存在；同时和普通的敞口容器相比，上端盖和杜瓦周壁之间的连接处中间加有绝热密封圈，即保证了密封，又保证了绝热，降低了杜瓦瓶周壁和上端盖接触处的热交换和液氮泄露，进一步保证了液氮在杜瓦中的长时放置。

(5)本发明的高温超导块材的上表面紧贴在上端盖的下表面，实现了高温超导块材能够靠近杜瓦瓶外部的高温超导磁悬浮储能飞轮中高温超导轴承的永磁环，减少了高温超导块材和其相互作用的永磁环的距离，能够提供足够大的悬浮力、导向力、轴向刚度和径向刚度；此外，杜瓦上端盖厚度在2～3mm之间，使得超导块材和杜瓦瓶外的永磁体之间的作用距离更加接近。

(6)另外，本发明的上端盖下表面有和高温超导块材对应的凹槽，使得高温超导块材在固定时能够有一部分内嵌到上端盖内，保证了高温超导块材和永磁环作用时，不会因为作用力而导致超导块材的横向位移，提高了高温超导块材固定的可靠性。

(7)本发明的上端盖的下表面和高温超导块材的接触面处有网格状分布的液氮通道，当高温超导块材的上表面和上端盖的下表面紧触时，两者之间仍然有液氮的流动，使得高温超导块材和液氮的接触面积尽可能的扩大，提升了对高温超导块材的冷却效果。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的上端盖示意图；

图3为本发明的超导块材支架示意图；

图4为本发明的绝热密封圈示意图；

图5为本发明的外置液氮容器示意图；

图6为本发明的液氮连通器示意图；

图7为本发明的杜瓦内外壁、真空填充层示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的结构组成框图，由外置的液氮容器6和提供低温环境的杜瓦瓶12组成。外置的液氮容器6和杜瓦瓶12通过液氮连通器5连接，外置液氮容器6中加满液氮7，液氮7通过液氮连通器5加至杜瓦瓶12中；杜瓦瓶12由杜瓦瓶内壁2、杜瓦瓶外壁3、位于杜瓦瓶内壁2和杜瓦瓶外壁3之间的真空填充材料1、绝热密封圈4、超导块材支架8、绝热涂层9、高温超导块材组合体10和上端盖11构成。真空填充材料1、杜瓦瓶内壁2和杜瓦瓶外壁3构成了杜瓦瓶12的底座和周壁，在杜瓦瓶12周壁上端通过螺钉紧固密封有上端盖11，且杜瓦瓶12周壁和上端盖11的接触面处之间通过绝热密封圈4进行密封并降低热交换，从而构成一个密封的液氮贮存空间，用来贮存实现高温超导块材低温环境所需的液氮；上端盖11的下表面喷涂有绝热涂层9，用来降低杜瓦瓶12内、外部的热交换，0.1mm厚的低温环氧树脂使超导体可靠地固定在上端盖11上，简化了固定安装形式，也避免了金属固定安装方式可能产生的对磁性能的影响；超导块材支架8通过螺钉紧固在上端盖11的下表面上，高温超导块材组合体10固定在超导块材支架8上；当杜瓦瓶12中的液氮7挥发时，液氮7通过液氮连通器5自动从外置液氮容器6中流入杜瓦瓶12中，使得杜瓦瓶12中始终注满液氮7，从而使得高温超导块材组合体10始终浸泡在液氮7中，以满足高温超导块材组合体10实现超导特性以及长时间工作在超导态所需的安全、稳定、长时的低温环境。

如图2所示，给出了本发明的上端盖11的结构示意图。上端盖11为超导块材固定模块，对于不同高温超导磁悬浮储能飞轮中不同的高温超导块材组合体10组合形式，只需要在同一个安装尺寸标准下按照高温超导块材组合的形式改动上端盖11即可。上端盖11的下表面有和高温超导块材组合体10相对应的凹槽13，使得高温超导块材组合体10在固定时能够有一部分内嵌到上端盖11内，保证了高温超导块材组合体10不会因为处于超导态的超导体与外磁场相互作用而产生横向位移，提高了高温超导块材组合体10固定的可靠性。此外，上端盖11的厚度在2～3mm之间，使得超导块材和杜瓦瓶外的永磁体之间的作用距离更加接近。在上端盖11的下表面和高温超导块材组合体10的接触面处有网格状分布的液氮通道14，当高温超导块材组合体10的上表面和上端盖11的下表面紧触时，两者之间仍然有液氮7的流动，使得高温超导块材组合体10和液氮7的接触面积尽可能的扩大，提升了对高温超导块材组合体10的冷却效果，提高了系统的稳定性。上端盖11的外圈螺孔15用来将上端盖11和杜瓦瓶12的周壁紧固在一起，内圈的螺孔16用来将放有高温超导块材组合体10的超导块材支架8和上端盖11紧固在一起；上端盖11有液氮连通器接口17，用来套接液氮连通器5。

如图3所示，给出了本发明的超导块材支架8示意图。超导块材支架8为超导块安装固定模块，对于不同高温超导磁悬浮储能飞轮不同的高温超导块材组合体10组合形式，只需要在同一个安装尺寸标准下按照高温超导块材组合体10组合的形式改动上端盖11，将高温超导块材组合体10置入超导块材支架8内就能够安全的固定住高温超导块材组合体10。超导块材支架8的上表面留有和超导块材组合体10相对应的凹槽18，使高温超导块材组合体10和外部永磁体作用时不会因为作用力而导致超导块材的横向位移，提高了高温超导块材固定的可靠性。超导块材支架8下表面的凹槽壁处呈镂空状19，使得高温超导块材能够和高温超导块材的接触面积尽可能的大，同时在超导块材支架8的周壁留有多处液氮流通通道20，使得液氮7在超导块材支架8之间可以自由流动，保证了超导块材组合体10在液氮7中的充分浸泡，超导块材支架8的上端面处的螺孔21和上端盖11的内圈螺孔16对应，用来将两者紧固在一起。

如图4所示，给出了本发明的绝热密封圈4示意图。密封圈4由线膨胀系数较小的无氧铜加工而成，当上端盖11和杜瓦瓶12周壁紧固时，绝热密封圈4夹在两者之间，不仅可以提高杜瓦瓶12的密封效果，同时可以降低经由上端盖11和杜瓦瓶12周壁之间的空隙进行的热交换，降低了液氮的挥发率，提高了液氮对高温超导块材组合体10的冷却时长，同时降低了液氮7的消耗成本。

如图5所示，给出了本发明的外置液氮容器6的示意图。外置液氮容器6由液氮加贮口61、液氮连通器接口62、容器内壁63、容器外壁64、真空绝热填充层65、液面观测孔66、降压阀67构成。容器内壁63、容器外壁64和中间的真空绝热填充层65构成一个密封的容器，通过真空绝热填充层65降低了容器内外部的热交换，降低了液氮的挥发率，延长液氮的贮存时间。外置液氮容器6的下方设有液氮连通器接口68，可以将液氮连通器5套接在外置液氮容器6内；在外置液氮容器6的侧壁有液氮加贮口69，通过液氮加贮口69将液氮加贮至外置液氮容器6中，液氮7一部分通过液氮连通器6加贮至杜瓦瓶12，一部分留于外置液氮容器6中，当杜瓦瓶12中的液氮7有挥发时，由于外置液氮容器6中的液面高于杜瓦瓶12中最高处的液面，液氮7将自动通过液氮连通器5流入杜瓦瓶12中，使得杜瓦瓶12中时刻保持液氮满贮，高温超导块材组合体10始终浸泡在液氮7中。在在外置液氮容器6的侧壁有设有降压阀67，当外置液氮容器6中的压力达到一定值时，降压阀67自动开启，使得外置液氮容器6中的压力下降，保证系统的安全性。在外置液氮容器6的侧壁设有液面观测孔66，通过液面观测孔66可以实时获知当前外置液氮容器6中的液氮量。真空绝热填充层65为聚苯乙烯泡沫。

如图6所示，给出了本发明的液氮连通器5示意图。液氮连通器5由阀门51、连通管内壁52、连通管外壁53、真空填充层54、密封接口55组成。连通管内壁52、连通管外壁53和中间的真空填充层54形成双层壁加真空绝热层的结构，进一步降低了液氮连通器5内、外部的热交换液氮，真空填充层54为聚苯乙烯泡沫；密封接口55一端接至放置高温超导块材组合体10的杜瓦瓶12，另一端接至外置液氮容器6，使得液氮7能够从外置液氮容器6中注入杜瓦瓶12中；在连接管路中设有开合阀门51，通过开合阀门51，可以控制液氮7需要从外置液氮容器6注入杜瓦瓶12中，以及在高温超导储能飞轮处于不工作的状态时，关闭液氮流通通道。

如图7所示，给出了本发明的杜瓦瓶12内、外壁，真空填充层示意图。杜瓦瓶内壁2和杜瓦瓶外壁3焊接在一起，构成了杜瓦瓶12的周壁和底座，两者之间抽至真空状态，并填充绝热粉末材料(如聚苯乙烯泡沫)形成真空填充材料1，用来降低杜瓦瓶12内、外部的热交换；杜瓦瓶内壁2的上部有螺孔22，用来紧固杜瓦瓶12的上端盖，以形成密闭的液氮贮存环境。

Claims (9)

1.一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：由外置的液氮容器(6)和提供低温环境的杜瓦瓶(12)组成；外置的液氮容器(6)和杜瓦瓶(12)通过液氮连通器(5)连接，外置液氮容器(6)中加满液氮(7)，液氮(7)通过液氮连通器(5)加至杜瓦瓶(12)中；杜瓦瓶(12)由杜瓦瓶内壁(2)、杜瓦瓶外壁(3)、位于杜瓦瓶内壁(2)和杜瓦瓶外壁(3)之间的真空填充材料(1)、密封圈(4)、超导块材支架(8)、绝热涂层(9)、高温超导块材组合体(10)和上端盖(11)构成，真空填充材料(1)、杜瓦瓶内壁(2)和杜瓦瓶外壁(3)构成了杜瓦瓶(12)的底座和周壁；其中，杜瓦瓶外壁(3)和杜瓦瓶内壁(2)与上端盖(11)的接触面处之间通过密封圈(4)实现密封，从而降低热交换，构成一个密封的液氮贮存空间，用来贮存实现高温超导块材低温环境所需的液氮；上端盖(11)的下表面喷涂有绝热涂层(9)，用来降低杜瓦瓶内、外部的热交换；超导块材支架(8)紧固在上端盖(11)的下表面上，高温超导块材组合体(10)固定在超导块材支架(8)上；当杜瓦瓶(12)中的液氮(7)挥发时，液氮(7)通过液氮连通器(5)自动从外置液氮容器(6)中流入杜瓦瓶(12)中，使得杜瓦瓶(12)中始终注满液氮(7)，从而使得高温超导块材组合体(10)始终浸泡在液氮(7)中，以满足高温超导块材组合体(10)实现超导特性以及长时间工作在超导态所需的安全、稳定、长时的低温环境。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的上端盖(11)为超导块材固定模块，超导块材支架(8)为超导块材装夹模块，对于不同高温超导磁悬浮储能飞轮中不同的高温超导块材组合体(10)，只需要在同一个安装尺寸标准下按照高温超导块材组合体的形式更换上端盖(11)，就能够安全地固定住高温超导块材组合体(10)。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的上端盖(11)下表面有和高温超导块材对应的凹槽(13)，使得高温超导块材组合体(10)在固定时能够有一部分内嵌到上端盖(11)内，保证了高温超导块材组合体(10)不会因为处于超导态的高温超导体与外部永磁体的相互作用而导致超导块材的横向位移，提高了高温超导块材固定的可靠性。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的上端盖(11)的下表面和高温超导块材组合体(10)的接触面处有网格状分布的液氮通道(14)，当高温超导块材组合体(10)的上表面和上端盖(11)的下表面紧触时，两者之间仍然有液氮的流动，使得高温超导块材和液氮的接触面积尽可能的扩大，提升了对高温超导块材的冷却效果。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的高温超导块材组合体(10)的上表面紧贴在上端盖(11)的下表面，使高温超导块材组合体(10)能够近距离靠近杜瓦瓶的外部永磁体，减少了高温超导块材组合体(10)和外部永磁体的工作距离。

6.根据权利要求1或4或5所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的上端盖(11)的厚度在2～3mm之间，简化了固定安装形式，避免了其它金属固定安装方式可能产生的对磁性能的影响。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：密封圈(4)为0.5mm的无氧铜垫，利用无氧铜较低的线膨胀系数和比较小的厚度，实现变环境温度条件下的可靠密封。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的外置液氮容器(6)由液氮加贮口(61)、液氮连通器接口(62)、容器内壁(63)、容器外壁(64)、真空绝热填充层(65)、液面观测孔(66)、降压阀(67)构成，容器内壁(63)、容器外壁(64)和中间的真空绝热填充层(65)构成一个密封的容器；液氮连通器接口(62)位于整个容器的下方，用于与液氮连通器(5)套接；液氮加贮口(61)位于整个容器的上方，用于将液氮加贮至容器中；在容器侧壁上设有降压阀(67)，当整个容器中的压力达到一定值时，降压阀(67)自动开启，使得整个容器的压力下降，保证系统的安全性；液面观测孔(66)置于容器的侧壁上，可以实时获知整个容器中的液氮量。

9.根据权利要求1所述的一种高温超导磁悬浮储能飞轮用杜瓦系统，其特征在于：所述的液氮连通器(5)由阀门(51)、连通管内壁(52)、连通管外壁(53)、真空填充层(54)、密封接口(55)组成，连通管内壁(52)、连通管外壁(53)和中间的真空填充层(54)形成双层壁加真空绝热层的结构，降低了液氮连通器(5)内、外部的热交换；密封接口(55)位于连接管路的两端，其一端接至放置高温超导块材组合体(10)的杜瓦瓶(12)上，另一端接至外置液氮容器(6)，使得液氮(7)能够从外置液氮容器(6)中注入杜瓦瓶(12)中；在管路中设有开合阀门(51)，通过开合阀门(51)，控制液氮(7)需要从外置液氮容器(6)注入杜瓦瓶(12)中，以及在高温超导储能飞轮处于不工作的状态时，关闭液氮流通通道。