CN108352372A - 用于冷却浸入液氮中的超导装置的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于超导装置的低温冷却系统，包括：用于容纳在其中浸入了超导装置的液氮的绝热低温恒温器；用于冷却超导装置的制冷机；以及用于将超导装置热耦合至制冷机的冷头的低温流体回路。该低温流体回路包括：低温恒温器中的用于浸入液氮中的换热器；热耦合至冷头的冷凝器；液体输送管，其将冷凝器联接至换热器，用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到换热器；以及气体回流管，其将换热器联接至冷凝器，用于使从换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到冷凝器。
Description
技术领域
本公开涉及用于冷却浸入液氮中的超导装置的方法和设备。
背景技术
当普通材料被冷却到低温时，材料的性质经常发生变化，并且这些变化使低温设备的设计变得复杂。这些变化在低于约150开氏度的温度下变得显著。因此，在本公开中，“低温”是指低于150开氏度的温度。例如，“低温液体”是沸点低于150开氏度的液体。低温液体的示例包括液氦、液氢、液氖、液氮、液氟、液氩、液氧和液氪。
高温超导体(HTS)是转变温度高于三十开氏度(-243.2℃)的超导体。转变温度是这样的温度，低于该温度的超导体在无磁场的情况下会变成超导。在存在磁场的情况下，超导体在低于转变温度的温度下变成超导。在低于转变温度的温度下，存在临界电流密度，超过该临界电流密度的超导体按照定义在1μV/cm的电场中表现出明显的电阻。因此，通常希望在明显低于转变温度的温度下操作HTS磁体以便实现高电流密度。
多种HTS在一定的温度范围内(63.15开氏度至77.35开氏度)具有相对较高的临界电流密度，在所述温度范围内氮在大气压下为液体。这些HTS中的一部分已经商业化生产，例如Bi2223、YBa2Cu3O7、以及被称为REBCO或更宽松地被称为2G HTS导体的YBa2Cu3O7的稀土取代变体。因此液氮是一种最方便和相对廉价的用于与这些HTS一起使用的制冷剂或传热流体。
通常，超导装置被操作成使得磁体电流明显小于临界电流。否则，超导磁体可能会恢复到非超导状态，这导致从在磁体中流动的电流释放热量。这种失去超导状态的事件被称为失超(quench)。为了防止失超期间所释放的热量损坏超导磁体，超导磁体通常被浸入液态制冷剂中，以使液态制冷剂能够沸腾以吸收热量。尽管通常不希望出现失超，但超导故障电流限制器依赖于受控的失超以便限制明显超过正常电流水平的故障电流。例如参见Yazawa等人的“Design and Test Results of 6.6kV High-Tc Superconducting FaultCurrent Limiter”，IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2001年3月，第11卷，第1期，第2511-2514页。
为了连续操作，HTS装置通常被浸入包含在绝热低温恒温器中的液氮中，并且HTS装置热耦合至制冷机以冷却超导装置。HTS装置已经以各种方式热耦合至制冷机，例如通过氦气或过冷液氮的强制对流、以及通过过冷液氮的自然对流，正如Ho-Ming Chang等人的“Cryogenic cooling system of HTS transformers by natural convection ofsubcooled liquid nitrogen，Cryogenics 43(2003)第489-596页，Elsevier Ltd，英国伦敦”中的图1和图2所示。
发明内容
根据一方面，本公开描述了一种用于冷却超导装置的设备。该设备包括：用于容纳在其中浸入了超导装置的液氮的绝热低温恒温器；用于冷却超导装置的制冷机；以及用于将超导装置热耦合至制冷机的冷头的低温流体回路。低温流体回路包括：低温恒温器中的用于浸入液氮中的换热器；热耦合至冷头的冷凝器；液体输送管，其将冷凝器联接至换热器以用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到换热器；以及气体回流管，其将换热器联接至冷凝器以用于使从换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到冷凝器，使得超导装置和换热器之间的传热能够通过低温恒温器中的液氮的自由对流来操作，并且换热器和制冷机的冷头之间的传热能够通过单独体积的制冷剂以液相和蒸气相在低温流体回路中的循环来操作。
根据另一方面，本公开描述了一种冷却超导装置的方法。该方法包括将超导装置浸入被容纳在绝热低温恒温器中的液氮中，并且通过低温流体回路将超导装置热耦合至制冷机的冷头。低温流体回路包括：低温恒温器中的浸入液氮中的换热器；热耦合至冷头的冷凝器；液体输送管，其将冷凝器联接至换热器以用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到换热器；以及气体回流管，其将换热器联接至冷凝器以用于使从换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到冷凝器。通过低温恒温器中液氮的自由对流来进行超导装置和换热器之间的传热，并且通过单独体积的制冷剂以液相和蒸气相在低温流体回路中的循环来进行换热器和制冷机的冷头之间的传热。
附图说明
图1是包括浸入在液态制冷剂中的超导装置的设备的示意图。
图2是从超导装置到图1的设备周围的外界环境的热量流动的示意图。
图3是超导变压器和用于超导变压器的冷却系统的局部组装的示意图。
图4是图3的超导变压器和冷却系统的更完整组装的示意图。
尽管本发明能够设想出各种变型和替代形式，但是其具体实施例已经在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应当理解的是，本发明不应局限于图示的特定形式，而且相反地，本发明应涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的范围内的所有变型、等同方案和替代方案。
具体实施方式
图1示出了包括浸入液氮13中的高温超导体(HTS)装置15的设备10，该液氮13被容纳在用作低温恒温器的绝热容器11中。例如，装置15的HTS包括Bi22223或REBCO HTS的绕组，并且装置15是超导磁体、超导故障电流限制器、超导变压器的绕组、或者超导储能电感器。
绝热低温恒温器11用绝热盖12密封，以便将液氮13包含在低温恒温器中。例如，低温恒温器11能够包含比大气压高三个大气压的压力，并且低温流体回路18也能够包含比大气压高三个大气压的压力。对于变压器应用，HTS绕组15附近的液氮13通常将被冷却至低于其在大气压下的沸点的温度，标称值为77K。换句话说，低温恒温器11中的液氮13处于“过冷”。例如，HTS绕组15附近的液氮13被冷却到65开氏度或更低的温度。
通常，有利的是在稍高于大气压的压力下操作低温恒温器11，或者可以在比大气压高2-3个大气压的高压下操作低温恒温器11，以防止来自外部环境的水蒸气泄漏到低温恒温器11中。这通过将液氮的表面保持在使其饱和蒸气压(SVP)对应于操作压力的温度(1atm的操作压力所用的标称值为77K)、通过将表面液体布置成用物理屏障14分层或分离以防止正在冷却的超导装置15周围的较冷液体竖向混合而实现。
为了冷却HTS装置15，设备10包括制冷机20和将HTS装置15热耦合至制冷机的冷头19的低温流体回路18。低温流体回路18包括：换热器16，其用作低温恒温器11中用于浸入液氮13中的蒸发器；热耦合至冷头19的冷凝器26；液体输送管21，其将冷凝器26联接至换热器16，用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到换热器；以及气体回流管25，其将换热器联接至冷凝器，用于使从换热器中的低温流体蒸发的低温蒸气回流到冷凝器，使得超导装置15和换热器16之间的传热能够通过低温恒温器11中液氮的自由对流来操作，并且换热器16与制冷机20的冷头19之间的传热能够通过单独体积的制冷剂以液相和蒸气相在低温流体回路18中的循环来操作。
低温流体回路18构造为热管或热虹吸管，其中，低温流体回路18中的单独体积的制冷剂在不借助泵的情况下进行循环。更具体地说，图1示出了作为热虹吸管的低温流体回路18，其中，冷凝器26相对于换热器16而升高。用作蒸发器的换热器16被定位成使得其被浸入在低温恒温器11的下部分中的过冷液氮13中。换热器16包含处于其沸点的低温液体17，其中，蒸发的气体通过绝热气体输送管25引导至制冷机20的冷头19处的冷凝器26。冷凝液体在重力作用下通过绝热液体回流管21回流到换热器16。例如，气体输送管25和液体回流管21均由两个同轴管构成，在这两个同轴管之间具有真空绝热间隙。当低温流体回路中的压力超过压力极限时，泄压阀22通过自动释放低温流体回路中的压力来防止低温流体回路18的过度加压。液态制冷剂供应罐23和真空泵24设有相应的阀29和30，以用于当制冷机20不工作时进行填充操作和短时间的蒸发冷却。
在具体的示例中，换热器16中的液态制冷剂17在65K或更低的温度下进行操作，其内部压力对应于在换热器16的温度下的制冷剂17的饱和蒸气压(SVP)。(SVP被定义这样的蒸气压力，在所述蒸气压力下，物质的气相和物质的液相或固相在指定温度下平衡地存在)。通常，低温恒温器11中的压力可以大于要被冷却的HTS装置15周围以及换热器16周围的液氮13的SVP，以使得该液氮处于过冷。低温流体回路18中的压力可以低于低温恒温器中的压力，以便促进换热器16中的低温流体的泡核沸腾。
换热器16可以是大表面积的容器的形式，其具有设计用以承受真空和适当正压的薄金属壁。例如，为了良好的导热性，薄金属壁由高纯度的铜或铝制成，以便获得横跨壁的小于0.1K的温度下降。换热器16可以具有管中的歧管或类似元件的形式，或者它可以是平面形式或者是带有波纹的平面以增加表面体积比。换热器16可以被封装在包含待冷却的HTS装置15的低温恒温器11内。对于诸如变压器或电流限制器这样的大型HTS装置而言，换热器16可以具有几米的高度或宽度且具有几厘米的厚度，并且换热器可以环绕HTS装置的HTS绕组。
图2示出了从HTS装置15通过图1的系统10到制冷机的冷头19的传热。在第一对流过程31中，热量从HTS装置15流向低温恒温器中的液氮浴13，并且该对流由从HTS装置15到液氮浴13的温度下降ΔT11驱动。在第二对流过程32中，热量从液氮浴13流向换热器(图1中的16)的外表面27，并且该对流由从液氮浴13到换热器的外表面27的温度下降ΔT2驱动。在通过换热器(图1中的16)的壁的第三传导过程33中，热量从换热器的外表面27流向内表面28。该传导33由从换热器外部到换热器内部的温度下降ΔT3驱动。例如，换热器的壁的表面积足以利用对流传热大于1m2/kW的有效表面积在其外表面和低温恒温器中的液氮之间以最小的温度下降提供所需的单位面积传热，该最小的温度下降优选地小于1K。
在泡核沸腾的第四过程34中，热量从换热器的内表面38流向蒸气相的换热器制冷剂17。该泡核沸腾34由从换热器的内表面38到蒸气相的换热器制冷剂17的温度下降ΔT4驱动。换热器可以填充有液态制冷剂，使得在换热器的绝大部分的壁区域上出现液态制冷剂的泡核沸腾。在冷凝的第五过程35中，热量从蒸气相的换热器制冷剂流动到冷凝器26。该冷凝由从蒸气相的换热器制冷剂到冷凝器26的温度下降ΔT5驱动。在传导的第六过程中，热量从冷凝器26流向制冷机的冷头19。该传导由从冷凝器26到制冷机的冷头19的温度下降ΔT6驱动。最后，在第七过程37中，制冷机(图1中的20)从冷头移除热量并将热量排放到外界环境中。
通过一系列传热过程31、32、33、34、35、36、37进行的热量流动提供了冷却浸入低温恒温器中的液氮中的HTS装置的高效、经济且可靠的方法。制冷剂在其中蒸发以从过冷液氮池提取热量的换热器利用了换热器内表面上的泡核沸腾34的高传热效率。制冷剂蒸气在冷凝器中的冷凝35也具有高传热效率。总的来说，图2中的一系列传热过程可以确保在正常操作期间以高负载因数冷却诸如HTS变压器这样的HTS装置期间，从变压器的超导体绕组到制冷机的冷头的温度下降不超过2开氏度。
可以选择在换热器和冷凝器中的低温流体的组分以获得HTS装置的操作温度的可接受范围(例如，从大约77K降低到大约64K)，并且在低温恒温器或者换热器和冷凝器中没有过高的压力(例如，比大气压高出的量小于3个大气压)。例如，制冷机冷头附近的冷凝器中的温度处于63K至54K的范围内，并且换热器的温度处于64K至66K的范围内。通过冷冻制冷机冷头附近的冷凝器中的制冷剂而对HTS装置的最低冷却温度施加有效限制。对于纯氮而言，这在63.15K的温度下进行。例如可以通过使用低温流体的混合物来扩展该下限，所述混合物例如为氮与冰点比氮低的制冷剂混合，例如为氮与氧或氖混合。然后，在图1的设备10的操作期间，制冷机的冷头可以具有63开氏度或更低的温度，以用于将HTS装置15冷却到非常接近低温恒温器11中液氮的冰点的最低温度。将氮的冰点降低不超过少量的几个开氏度就足以使得该极限温度成为换热器的外表面上的氮的临界点。
例如，制冷剂的大部分是氮，并且制冷剂的小部分是氧或氖，以使得在超导装置的冷却期间换热器的外部温度可以是65开氏度或更低。例如，制冷剂是至少78摩尔百分比的氮以及在2摩尔百分比至21摩尔百分比范围内的氧的混合物。例如，制冷剂由已经在移除水蒸气、二氧化碳和其它非低温组分的冷却过程中被液化的空气获得，这导致约78％的氮、21％的氧和1％的氩的混合物。
例如，通过将一些氧与氮混合，将氮的冰点降低不超过少量的几个开氏度。氧的冰点为54K。在液态空气的冰点为57K的条件下，低于5摩尔百分比的氧的掺合会将冰点降低超过一开氏度，从而允许HTS装置的操作点以类似的幅度降低。
换热器16、冷凝器26、液体输送管21和气体回流管25中的氧气的总量可以是低温恒温器中的液氮总量的一小部分。例如，用于50MVA变压器的平板式换热器可以具有3.5×1.5m的面积和0.02m的厚度，并且仅包含0.1m 3的制冷剂，而低温恒温器中的液氮的体积可以是5m3至10m3。因此，在低温流体回路和低温恒温器将发生损坏而导致故障或危险的情况下，氧将通过与氮混合而被稀释，使得氧的浓度不足以维持燃烧。
图2以虚线表示而示出了可能存在于与图1中的设备10相类似的设备中的附加热量流动路径。一些热量可以通过低温恒温器内的强制循环41从HTS装置15流出。然而，低温恒温器内液氮的强制循环将使用低温泵，这增加了费用并且降低了可靠性。因此如果自由对流可以提供足够的传热，就不需要使用强制循环。
一些热量可以从液氮浴13经由液氮的循环42流向外部系统例如安装在低温恒温器外部的制冷机的冷头上的换热器。然而，液氮向外部系统循环以及向低温恒温器回流可能无法提供足够的传热或可接受的温度下降，除非强制进行循环。
一些热量可以从换热器内部28经由强制循环43流向外部系统。然而，强制循环同样需要低温泵，这会增加费用并降低可靠性。低温泵可以是低温风扇，其帮助制冷剂蒸气从换热器流至冷凝器。一些热量也可以从换热器内部28经由传导44直接流向制冷机的冷头。在这种情况下，除非冷头处于低温恒温器中或通过足量的导热材料(例如高纯度的铜或铝)与换热器内部28联接，否则热量流动可能不足。
通过使用泵送存储的液态制冷剂45可以从换热器移除一些热量。在由于制冷机的故障、维修或更换而导致制冷机不起作用的情况下，这对于HTS装置的临时冷却可能是有效的。例如，在图1的设备10中，液态制冷剂被允许从罐24流过阀门29，并且液态制冷剂通过液体输送管21向下流入换热器16的内部。打开真空泵24并且打开阀门30以使得换热器16中的液态制冷剂蒸发并且制冷剂蒸气通过阀30和真空泵34从低温流体回路排出。换热器中的液态制冷剂的蒸发冷却了换热器16，这相应地冷却了HTS装置15。
图1中的设备和图2中的方法可以应用于大型以及小型的HTS装置。然而，图1中的设备和图2的方法因降低了投资成本和提高了效率而特别适用于电网应用，以便使大型HTS变压器与常规的油浸式铜变压器相比能够具有成本竞争力。
用于40MVA 110/11kV HTS变压器绕组的建模结果预测当与高效制冷机(1/COP～152)耦合时，在65K温度下额定运行的该变压器的负载损耗可以仅为常规变压器的负载损耗的四分之一。在诸如移动变压器这样的利基市场(niche market)之外，HTS变压器的商用价值取决于利用HTS变压器较低的终身损耗成本来抵消其较高的购买价格，以实现比常规变压器更低的总拥有成本(TCO)。以额定功率(即以高负载因数)持续运行的常规变压器的终身损耗成本对TCO的贡献非常大(该终身损耗成本可以是购买价格的两倍)，这取决于对终身投资和用于计算净现值的折现率的假设。用于基载发电(base-load generation)的发电机升压变压器(GSU)的负载因数接近100％，因此将成为HTS变压器技术的首要市场。
为了选择在通过效率节约成本为首要因素的应用中所用的制冷机，相关量度是每瓦冷却功率的总拥有成本，其可以表示为：
其中，PPW是每瓦冷却功率的购买价格，Af是可用性系数，其理想值为100％，PWM是终身维护成本的现值，LF是负载因数，A/COP是假设负载系数为100％时运行制冷机的每瓦冷却功率的终身能量成本。A是资本损失估算因子即设备使用寿命期间单位损耗功率的净现值。取值取决于电力成本，并且要假定设备的财务折现率和使用期限。合理的取值高达10美元/瓦，但取值差异很大。假定100％可用性和负载因数的比较表明单级斯特林制冷机(例如SPC-4)在该量度方面明显优于其他制冷机。该制冷机通过将进入的氮气冷凝成液体而作为低温发生器提供其冷却功率。40MVA变压器所需的冷却负载在65K的温度下处于SPC-4，2.8kW的冷却功率范围内。Gifford-McMahon(GM)制冷机的竞争成熟的制冷机技术由于其相对较低的效率和较低的单位制冷能力而处于劣势，对于Cryomech AL600而言在65K的温度下的单位制冷能力只有500W。
最近针对40MVA HTS变压器的成本研究表明，线缆成本几乎占40％，并且冷却系统几乎占总投资成本170万美元的30％，这是包括防火功能的常规变压器的购买价格的大约两倍。这些成本估算假定采用低成本低温恒温器和传热技术。最小化线缆和冷却系统的成本对于商用价值而言是至关重要的。
HTS涂覆的导体的临界电流随着温度的下降从在临界温度下(通常为90K左右)为零而近似线性地增加。在65K和66K的操作温度之间的临界电流之差通常约为4％。假设40MVA变压器的导体成本约为60万美元，工作温度的每一开氏度的下降价值约25,000美元。因此，在从HTS变压器绕组到冷却器冷头的传热顺序中，温度下降应该被最小化。例如，使用图1中的设备10和图2中的方法，在图2的传热31至36中，温度下降为ΔT1至ΔT6。
通过自然对流的HTS变压器绕组冷却是优选的，原因在于变压器的低温恒温器内的强制循环需要一个或多个低温泵，这会增加费用并降低可靠性。传导机制中的液体与固体界面传热的实验数据能够描述为其中，传导传热系数hc的取值约为1000Wm- 2K-1。
三相40MVA变压器将具有六个绕组，对于几乎为15m2的外表面积而言，每个绕组的直径约为0.5m，高度约为1.5m，使得预期的温度下降ΔT1小于0.2K(假定功耗为750W/相)，并且仅从绕组的外表面传热。例如，绕组被电绝缘材料包裹，并且功耗将倾向于集中在绕组的端匝中而非均匀分布。
在HTS变压器的低温恒温器内可以装配一个或多个大面积换热器。例如，单个低温恒温器包含HTS变压器的所有的三相绕组。单个低温恒温器的单一冷却体积使得穿过低温恒温器的盖以将HTS绕组连接到外界环境的电流引线中的损耗最小化。
用于50MVA级变压器的制冷剂的体积将为约10m3，其中，低温恒温器的罐的内部尺寸约为3.5×1.7×1.7m，允许为有载调压变压器(on-load tap changer)提供空间。平板式换热器可以具有3.5×1.5m、或者约10m2(两侧)或者可为双倍的面积，双倍的面积允许波纹状的壁面轮廓。假定与上述相同的103Wm-2K-1的传热系数hc和2.8kW的传热，则温差ΔT2可以保持在0.15K以下。
虽然换热器可以直接联接至制冷机的冷头，但这不是理想的，原因在于即使采用高纯度的铝或铜，也不能设计出将足够高的表面积(其用以对液固界面上的传热提供较低的温度下降)与换热器材料中的低温度下降相结合的换热器。螺栓接头的热阻以及浸入低温恒温器中的冷头的维护要求是另外的问题。
对于如上所述的热通量，在热导率为10Wm-1K-1且壁厚为2mm的情况下，通过换热器壁的温度下降ΔT3小于0.03K。(在70K的温度下用于不锈钢的范围内，假定低取值的热导率，原因在于换热器材料需要具有低导电性以使变压器的杂散磁场中的涡流损耗最小化)。尽管壁材料的导电性低，但温度下降几乎可以忽略不计。低温流体回路(图1中的18)被构造成为热管以向制冷机提供高导热性连接，该制冷机可以处于低温恒温器外部。通常，热管是传热装置，其结合了热传导和相变的原理以高效地管理两个固体界面之间的传热。在热管的高温界面处，与导热固体表面接触的液体通过从该表面吸收热量而变成蒸气。然后，蒸气沿着热管行进到低温界面并冷凝恢复成液体，从而释放潜热。然后液体通过毛细管作用、离心力或重力而回流至高温界面，然后重复该循环。由于沸腾和冷凝的传热系数非常高，因此热管是高效的热导体。被称为热虹吸管的热管利用重力使液体从冷凝器回流至蒸发器。
在图1中的设备10中，低温流体回路18构造为热虹吸管，并且这允许液体输送管21和气体回流管25从低温恒温器11中的换热器16经过低温恒温器的盖12一直延伸至制冷机20的升高的冷头19。因为液体输送管和气体回流管是绝热的，所以制冷机冷头19可以与变压器的低温恒温器11水平间隔开，并且在盖12上方可以具有充足的间隙以用于使电流引线从盖突出并且使电流的电连接件通往盖上方的电源线。
例如图3示出了超导变压器系统51的局部组装的示意图，该超导变压器系统51包括：用于容纳液氮的绝热低温恒温器52，超导变压器的部件浸入在液氮中；以及制冷机53，其用于冷却超导变压器的部件。低温恒温器52包括外壁54和内壁55。壁54、55在图3中看起来是透明的，使得低温恒温器52内的部件可见，但实际上壁54、55不透明。另外，壁54、55之间的空间填充有绝热材料例如塑料泡沫。
三个圆柱形绝热管56、57和58提供穿过低温恒温器52的相应的平行间隔开的竖直孔。相应的高温超导体线圈组件61、62、63环绕每根绝热管56、57、58。例如，每个超导线圈组件61、62、63均包括用于变压器的三相中的相应一相的初级线圈和次级线圈。内壁55限定了填充有液氮64(在液氮中浸入了超导体线圈组件61、62、63)的矩形容器。
为了冷却超导体线圈组件61、62、63，低温流体回路60将超导线圈组件61、62、63热耦合至制冷机53的冷头。低温流体回路60包括：浸入低温恒温器中的液氮64中的换热器65；热耦合至制冷机53的冷头的冷凝器68；绝热液体输送管66，其将冷凝器连接到换热器，以用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到换热器；以及绝热气体回流管67，其将换热器联接至冷凝器，以用于使从换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到冷凝器。换热器65是竖向矩形板形式的金属盒，超导线圈组件61、62、63位于矩形板的一侧，并且矩形板的另一侧面对低温恒温器52的内壁55。
图4示出了组装在绝热管56、57、58的孔中且在低温恒温器52的上方和下方突出的铁磁芯69的硅钢叠片。例如，铁磁芯69的顶部从盖突出，该盖将液氮64密封在低温恒温器中。图4还示出了布置在换热器65和低温恒温器的内壁55之间的绝热材料制成的安装板70。
Claims (22)
1.一种用于冷却超导装置的设备，所述设备包括：
用于容纳在其中浸入了超导装置的液氮的绝热低温恒温器；
用于冷却所述超导装置的制冷机；以及
用于将所述超导装置热耦合至所述制冷机的冷头的低温流体回路，
其中，所述低温流体回路包括：所述低温恒温器中的用于浸入液氮中的换热器；热耦合至所述冷头的冷凝器；液体输送管，其将所述冷凝器联接至所述换热器以用于将所述冷凝器中冷凝的低温液体输送到所述换热器；以及气体回流管，其将所述换热器联接至所述冷凝器以用于使从所述换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到所述冷凝器，使得所述超导装置和所述换热器之间的传热能够通过所述低温恒温器中的液氮的自由对流来操作，并且所述换热器和所述制冷机的冷头之间的传热能够通过单独体积的制冷剂以液相和蒸气相在所述低温流体回路中的循环来操作。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述制冷机和所述冷头位于所述低温恒温器的外部，并且所述液体输送管是绝热的，并且所述气体回流管是绝热的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述冷头被升高到所述换热器的上方，以用于使所述冷凝器中冷凝的低温液体在重力的作用下流向所述换热器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述冷头被升高到所述低温恒温器的盖的上方，液体输送管穿过所述低温恒温器的盖，并且所述气体回流管穿过所述低温恒温器的盖。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述低温恒温器能够包含比大气压高三个大气压的压力，并且所述低温流体回路能够包含比大气压高三个大气压的压力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，还包括联接至所述低温流体回路的泄压阀，其用于当所述低温流体回路中的压力超过压力极限时自动释放所述低温流体回路中的压力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，还包括用于保持液态制冷剂的罐、以及联接在所述罐和所述换热器之间的阀，以用于选择性地允许来自所述罐的液态制冷剂流入所述换热器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，还包括联接至所述换热器的真空泵，其用于从所述换热器移除制冷剂蒸气。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述超导装置是包括高温超导体绕组的变压器。
10.一种冷却超导装置的方法，所述方法包括：
将超导装置浸入被容纳在绝热低温恒温器中的液氮中；以及
通过低温流体回路将所述超导装置热耦合至制冷机的冷头，其中，所述低温流体回路包括：所述低温恒温器中的浸入液氮中的换热器；热耦合至所述冷头的冷凝器；液体输送管，其将所述冷凝器联接至所述换热器以用于将冷凝器中冷凝的低温液体输送到所述换热器；以及气体回流管，其将所述换热器联接至所述冷凝器以用于使从所述换热器中的低温液体蒸发的制冷剂蒸气回流到所述冷凝器；并且通过所述低温恒温器中液氮的自由对流来进行所述超导装置和所述换热器之间的传热，并且通过单独体积的制冷剂以液相和蒸气相在所述低温流体回路中的循环来进行所述换热器和所述制冷机的冷头之间的传热。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述制冷机和所述冷头位于所述低温恒温器的外部，所述液体输送管是绝热的，所述气体回流管是绝热的，并且所述冷头被升高到所述换热器的上方，以使得所述冷凝器中冷凝的低温液体在重力的作用下流向所述换热器。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，所述超导装置被液氮冷却至65开氏度或更低的温度。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，邻近所述超导装置的液氮被冷却至低于液氮在大气压下的沸点的温度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述低温恒温器中包含大于大气压的压力。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述低温流体回路中的压力小于所述低温恒温器中的压力。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述低温恒温器的冷头具有63开氏度或更低的温度。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述低温流体回路中的制冷剂的大部分是氮，并且所述低温流体回路中的制冷剂的小部分是氧或氖，并且在所述超导装置的冷却期间所述换热器的外部温度为65开氏度或更低。
18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，所述低温流体回路中的制冷剂是至少78摩尔百分比的氮、以及在2摩尔百分比至21摩尔百分比的范围内的氧的混合物。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中，所述低温流体回路中的制冷剂包含小于5摩尔百分比的氧。
20.根据权利要求10至19中任一项所述的方法，其中，所述超导装置是变压器的高温超导体的绕组，并且在所述变压器的操作期间的所述超导装置的冷却过程中，从所述变压器的超导体绕组到所述制冷机的冷头存在不超过两开氏度的温度下降。
21.根据权利要求10至20中任一项所述的方法，还包括当所述低温流体回路中的压力超过压力极限时，联接至所述低温流体回路的泄压阀自动地释放所述低温流体回路中的压力。
22.根据权利要求10至21中任一项所述的方法，还包括当所述制冷机不工作时，允许低温液体进入所述换热器并从所述换热器排出低温蒸气以冷却所述超导装置。
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