CN106062905A - 用于超导设备的低温恒温器 - Google Patents

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Abstract

一种用于超导设备的低温恒温器，包括利用可能为泡沫绝热材料的非真空材料绝热的箱和延伸通过所述箱的一个或多个空腔，例如HTS线圈穿过所述空腔，所述线圈例如由同心的玻璃套筒真空绝热，与所述线圈相关联的芯体在低温恒温器外穿过所述空腔。

Description

用于超导设备的低温恒温器
技术领域
本发明涉及一种低温恒温器。更特别地，本发明涉及一种用于与超导设备使用的低温恒温器，该超导设备包括但不限于超导变压器和故障电流限制器。
背景技术
使用诸如超导变压器或者故障电流限制器(FCL)的超导体的交流电源设备当变压器在强电流下运行时或者当FCL截获故障时耗散显著的电力和热量。为了将超导部件保持在其超导温度下，将其放置到低温恒温器内。低温恒温器一般包括容纳诸如液氮(LN2)的低温冷却剂的容器和必须被冷却的超导部件，该超导部件被直接浸于冷却剂浴槽中。必须被放入低温恒温器中的超导部件通常是高温超导(HTS)或者低温超导(LTS)线圈绕组。
低温恒温器用热的方法使冷却剂和线圈绕组相对于环境温度绝热。然而，诸如铁芯和FCL的许多实现的这些交流电源设备的其他部件将仍然在室温下运行以减少制冷空间内部的热耗散。必须提供绝热以隔离铁芯来应付在其运行期间的热耗散。因此，低温恒温器常常具有复杂的几何结构，因为其不仅需要部分地冷却超导设备而且其还需要使其内容物与这种设备的热耗散的室温部件绝热。在很多情况中，应当使低温下的部件和室温下的部件之间的间距最小。例如，为了电气效率和成本效率，变压器中的超导绕组和芯体之间的间隙理想地应不超过几厘米。这意味着，该空间中的绝热与低温恒温器的其他部分相比具有低热导率，在其他部件处因为可以容纳更大的绝热厚度而可以容忍更高热导率。高效的三相变压器还具有共用同一低温容积的所有相绕组以避免来自环境温度下的相绕组横穿空间之间的电连接部的热负荷，这进一步使低温恒温器的几何结构变复杂。
变压器的低温恒温器的标准设计已经被用于真空绝热的玻璃增强塑料(GRP)的复合容器。这种低温恒温器的构造是挑战性的和成本低效的。迄今为止仅已经展示了一个这种三相低温恒温器。这种低温恒温器一般需要连续泵送。真空泵增加了复杂性和成本并且需要维护—电气应用环境中的严重缺陷。对于超导变压器，除了绕组单独所需的以外扩大低温空间以容纳换热器、带负荷抽头(tap)的变换器并且为了增加的温度的稳定性简单地增大LN2容积也是有利的。制造较大的真空绝热容器是困难的，因为真空空间必须被很好地设计以防止在大气压力下塌缩。
本发明旨在改进至少一些上述问题或者至少提供一种供公众的替代的低温恒温器。
发明内容
按广义的术语，本发明包括用于超导设备的低温恒温器，包括用于容纳低温冷却剂和超导设备的、以第一非真空绝热材料绝热的箱，并且包括用围绕空腔的第二真空绝热部绝热的、延伸通过箱的至少一个空腔。
在至少一些实施例中，第一绝热材料包括诸如膨胀的泡沫绝热材料的泡沫绝热材料。
在至少一些实施例中，穿过箱的空腔由例如诸如玻璃的材料的真空绝热的内壁和外壁(诸如，同心套筒)限定出。
在一些实施例中，泡沫材料在77K到300K的温度范围上的平均热导率小于大约0.03W/mK。在一些实施例中，泡沫绝热部具有不小于大约400mm、大约450mm、或者大约500mm、或者大约550mm、或者大约600mm或者大约800mm的厚度。
在一些实施例中，真空绝热部具有小于大约0.003W/mK、不超过大约0.002W/mK或者大约0.001W/mK的有效热导率。在一些实施例中，真空绝热部具有在大约5到大约25mm之间的平均厚度。
在本发明的低温恒温器中，围绕并限定容纳变压器芯体的空腔的真空绝热部是薄壁的，而箱的外部绝热部包括更厚的低成本的非真空绝热材料，这从而避免了必须制造更高成本的全真空绝热的容器。低温恒温器的构造可能还是模块化的和灵活的并且因此制造又更经济。
如此处使用的术语“和/或”是指“和”或者“或”或者两者。
如本文中紧跟名词使用的“(s)”是指名词的复数和/或单数形式。
如本说明书中使用的术语“包括”是指“至少部分地由…组成”。当在包括该术语的本说明书中解释声明时，由每个声明中的那些术语所作序的特征都必须存在但还可能存在其他特征。诸如“包括”和“包含”的有关的术语将按相同方式解释。
附图说明
参照附图进一步描述本发明，这些附图显示了本发明的低温恒温器的示例性实施例，其中：
图1是带有盖的低温恒温器的一个平面中的示意性竖直截面图；
图2是带有盖的低温恒温器的另一平面中的示意性竖直截面图；和
图3是沿图1的线I-I的低温恒温器的示意性水平截面图。
具体实施方式
附图显示了用于冷却三相超导变压器的HTS线圈的低温恒温器。低温恒温器1包括箱7，该箱具有用于容纳诸如液氮的低温冷却剂3的坚固且不透气的壳体2，在箱7内容纳必须保持在低温温度下的超导变压器线圈10。LTS或者HTS线圈10优选被直接浸于低温冷却剂3中。箱中的冷却剂的高度由图1中的线15指示。箱包括盖9。外部壳体的盖部分以2a指示。低温冷却剂3被图2中指出的低温冷却器和换热器12保持在合适温度范围内。
包括盖9的箱7内部的衬层是非真空绝热层6，其包括诸如膨胀的闭孔式聚苯乙烯泡沫的闭孔泡沫材料。在至少一些实施例中，泡沫材料具有小于0.03W/mK的热导率和不小于大约400mm的最小厚度。在其他实施例中，泡沫材料可能具有不小于大约450mm、或者大约500mm、或者大约550mm、或者大约600mm或者大约800mm的最小厚度。
在至少一些实施例中，泡沫绝热层6具有大体上均匀的厚度。在至少一些实施例中，泡沫绝热层6基本上衬上了箱7的整个内部。泡沫绝热层6可能例如通过热粘合或胶合被附接到壳体2上，或者可能通过喷涂或浇注在壳体内部所形成。
外部壳体2一般是由比绝热材料6更刚性的和防刺穿的材料(例如诸如，玻璃增强塑料(GRP)的材料)形成，并且外部壳体2的厚度小于更厚的绝热层6的。外部壳体2主要为箱提供结构强度。
在一些实施例中，诸如纤维增强聚合物的硬化剂被结合到泡沫绝热层6中以提供抗由热收缩所引起的变形的硬化。在其他实施例中，可以在泡沫绝热层6的内表面和/或外表面上设置诸如纤维增强聚合物或者玻璃增强聚合物(GRP)的合成物的硬化层。在所示的实例中，参见图2和3，GRP层13被设置在泡沫绝热层6的内表面上，图2和3两者都显示了外部壳体2和内层13(图1未显示)。
该低温恒温器具有延伸通过箱的空腔，该空腔在箱底部和箱盖之间延伸。在所示实施例中，低温恒温器1包括延伸通过箱7的三个空腔8。空腔8是如图所示的在顶部和底部之间穿过箱的中空通道。空腔8中的每个是由真空套筒5所形成的真空绝热层限定和绝热的，该真空套筒由诸如玻璃的不透气材料的至少内壁5a和外壁5b(参见图3)限定出，该内壁和外壁在其之间限定出密闭的真空空间。备选地，诸如不透气复合材料的其他合适的材料也可以被用作限定真空空间的内壁和外壁。在所示实施例中，每个玻璃壁5a和5b包括玻璃筒，并且两个更大和更小直径的玻璃筒被同轴地设置并且在它们的两个端部处联接/密封以限定出密闭的真空空间或者真空套筒。每个变压器相的芯体4被容纳在穿过真空套筒5中一个的空腔8中。
围绕并限定出容纳变压器芯体的空腔的真空绝热部可以按模块形式预先形成并且然后被直接安装到包括非真空的外绝热部的箱中。真空套筒在它们的两个相反端部处被联接到泡沫绝热部6上，并且接合部通过胶合或者任何其他合适方法使得不漏以防止低温冷却剂3在底部接合部处的渗漏，并且通过在顶部接合部处的弹性密封剂、O形环或者垫片以形成气密密封。
如所述的，在所示实施例中，设置三个真空筒5来接收三相变压器的铁芯4的芯肢(limb)，但在另一实施例中，可能为围绕箱内的空腔的单个线圈设置具有穿过空腔的相关联芯体的单个真空筒。在另一实施例中，线圈可能是电流限制设备。
如所述的，真空筒5是薄壁的，以允许低温恒温器内的变压器线圈10与它们相关联的外部芯体4之间的紧密耦合，而同时通过利用更厚的泡沫绝热部10避免如先前所述的需要制造更高成本的全真空绝热容器。低得多成本的该低温恒温器的损耗可能类似于或者稍多于等效尺寸的全真空绝热低温恒温器的。低温恒温器越大，则可能获得的经济效果越大。低温恒温器的构造可能还是模块化的和灵活的并且因此制造又更经济。
在至少一些实施例中，真空绝热部5具有小于0.001W/mK的有效热导率和大约5到25mm的平均厚度。在其他实施例中，真空绝热部5可能具有不超过大约0.002W/mK或者大约0.003W/mK的有效热导率。
在至少一些实施例中，真空套筒8也提供了防辐射传热的绝热部。在一个实施例中，辐射绝热可能包括衬在真空空间的内部的通称多层绝热(MLI)的镀铝的迈拉(mylar)片或者类似的绝热系统。导电涂层的迈拉片被再分以抵消由来自芯体的杂散磁场所感应的涡流的作用。在另一实施例中，玻璃微滴在真空空间内以提供辐射绝热。在进一步的实施例中，玻璃套筒被在真空空腔的内表面上间断地镀银，以防止环绕芯体的传导路径。
上文描述了包含其优选形式的本发明。应当理解，该低温恒温器可以被用于其他超导设备。如对本领域的技术人员显而易见的变动和修改旨在结合到如所附权利要求中限定的其范围中。

Claims (22)

1.一种用于超导设备的低温恒温器，包括箱，所述箱用于容纳低温冷却剂和超导设备、以第一非真空绝热材料绝热，并且包括至少一个空腔，该空腔利用围绕所述空腔的第二真空绝热部绝热、延伸通过所述箱。
2.一种根据权利要求1所述的低温恒温器，其中所述第一绝热材料包括泡沫绝热材料。
3.一种根据权利要求2所述的低温恒温器，其中所述第一绝热材料包括膨胀的泡沫绝热材料。
4.一种根据权利要求1到3中任一项所述的低温恒温器，其中穿过所述箱的所述空腔由所述真空绝热部的内壁和外壁限定。
5.一种根据权利要求4所述的低温恒温器，其中所述真空绝热部的内壁和外壁包括同心的套筒。
6.一种根据权利要求4所述的低温恒温器，其中所述真空绝热部的内壁和外壁包括玻璃壁。
7.一种根据权利要求1到6中任一项所述的低温恒温器，其中所述第一绝热部在77K到300K的温度范围上具有小于大约0.03W/mK的平均热导率。
8.一种根据权利要求1到7中任一项所述的低温恒温器，其中所述第一绝热部具有不小于大约400mm的厚度。
9.一种根据权利要求1到8中任一项所述的低温恒温器，其中所述真空绝热部具有小于大约0.003W/mK的有效热导率。
10.一种根据权利要求1到9中任一项所述的低温恒温器，其中所述真空绝热部具有在大约5到大约25mm之间的平均厚度。
11.一种根据权利要求1到10中任一项所述的低温恒温器，其中围绕所述空腔的所述第二真空绝热部包括具有间断的辐射绝热层，以避免环绕所述空腔的传导路径。
12.一种根据权利要求1到11中任一项所述的低温恒温器，其中所述箱包括箱底部和箱盖。
13.一种根据权利要求12所述的低温恒温器，其中延伸通过所述箱的所述空腔在所述箱底部和箱盖之间延伸。
14.一种根据权利要求1到13中任一项所述的低温恒温器，其中所述超导设备包括围绕所述箱内的所述空腔的线圈，具有经过所述空腔的相关联芯体。
15.一种根据权利要求1到14中任一项所述的低温恒温器，其中所述超导设备包括三相变压器，并且所述低温恒温器包括延伸通过所述箱的三个所述真空绝热的空腔，每个具有围绕所述箱内的所述空腔的变压器线圈和用于经过所述空腔的每个变压器相的芯体。
16.一种根据权利要求1到13中任一项所述的低温恒温器，其中所述超导设备包括电流限制设备。
17.一种超导线圈和低温恒温器，所述低温恒温器包括容纳所述线圈和泡沫绝热部内的低温冷却剂的箱和通过所述线圈的真空绝热的空腔。
18.一种根据权利要求17所述的超导线圈和低温恒温器，其中所述真空绝热的空腔由内部和外部的同心套筒限定。
19.一种根据权利要求18所述的低温恒温器，所述同心套筒包括玻璃套筒。
20.一种根据权利要求18或者权利要求19所述的低温恒温器，其中所述同心套筒中的一个或两者包括具有间断的辐射绝热层，以避免围绕所述空腔的传导路径。
21.一种根据权利要求17到20中任一项所述的低温恒温器，其中所述箱由箱底部和箱盖限定并且延伸通过所述箱的所述空腔在所述箱底部和箱盖之间延伸，并且与所述线圈相关联的芯体穿过所述空腔。
22.一种低温恒温器，包括衬有相对较厚壁的内部泡沫绝热材料的相对较薄壁的外部材料的箱，并且包括延伸通过所述箱的真空绝热空腔，所述真空绝热部具有比所述泡沫绝热材料的厚度更薄的壁区段。
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Application publication date: 20161026

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