CN109525069B - 一种高温超导电机转子低温冷却系统 - Google Patents

一种高温超导电机转子低温冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导电机转子低温冷却系统，包括真空容器、制冷机、冷头换热器、集液腔、冷媒传输管、磁流体密封装置、隔热部件、液氖气化腔和储气罐，选取液氖作为高温超导磁体的低温冷却介质，利用热虹吸原理将低温制冷机、集液腔、冷媒传输管、液氖气化腔等部件组成一个封闭的循环系统，给高温超导磁体提供持续的冷量；在低温制冷机侧，氖气液化成液氖，经冷媒传输管传输至液氖气化腔，在液氖气化腔侧，液氖气化，吸收高温超导磁体磁体及外界环境带来的热量，气化形成的氖气再次经冷媒传输管输送至低温制冷机侧，再次液化，形成一个封闭的循环；本发明相比于冷氦气强迫对流循环，省略了氦气泵的投入，提高了经济性。

Description

一种高温超导电机转子低温冷却系统
技术领域
本发明属于超导应用低温技术领域，具体涉及一种高温超导电机转子低温冷却系统。
背景技术
自1986年高温超导材料发现以来，高温超导材料发展快速并引起了世界许多国家的跟踪发展，超导线材的发展及应用领域正越来越广泛，如超导限流器、超导电缆、超导电机、超导磁储能等。目前，已经商业化运营的高温超导线材主要有一代Bi系超导线材及二代Yi系高温超导线材，而在高温超导电机应用中，由Bi系或Yi系高温超导线材绕制的超导磁体工作温度在30K左右，因此，需要一个稳定可靠的低温系统给超导磁体正常工作提供低温条件。
目前，已知的高温超导转子冷却方式主要有以下三种：
1，将高温超导磁体直接浸泡于液氮或过冷液氮中，此种方法直接简单，安全可靠。但是受制于低温容器本身的漏热及电流引线传导热，需要不停的补充液氮，且磁体工作温度在77K附近，无法满足30K温区的要求。
2，通过低温制冷机直接传导冷却超导磁体，此种方法简单直接，但是无法运用于旋转的超导电机转子上，尤其是线速度较高的情形。
3，采用冷氦气强迫对流的方式，这种方法采用冷氦气作为中间冷却介质，利用氦气泵作为循环动力。主要问题在于：氦气泵造价较高，系统运行压力较高且系统复杂。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种高温超导电机转子低温冷却系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导电机转子低温冷却系统，包括真空容器和储存有氖气的储气罐，所述的真空容器的上端面上通过法兰设置有若干个低温制冷机，所述的低温制冷机的冷头密封延伸进真空容器内，所述的低温制冷机冷头的下部设置有冷头换热器，所述的冷头换热器的底端密封设置有通过连接管与储气罐相连通的集液腔，所述的集液腔的底端连通有延伸出真空容器的冷媒传输管，所述的真空容器的相应位置上向外延伸有包裹住冷媒传输管的导向管；所述的低温冷却系统还包括设置在真空超导电机转子外壁容腔内的密封液氖气化腔，所述的液氖气化腔与超导电机转子外壁之间设置有隔热部件，所述的超导电机转子的超导磁体设置在液氖气化腔外表面上，所述的冷媒传输管延伸进液氖气化腔并与其密封固定连接，所述的真空容器的导向管延伸进超导电机转子外壁容腔，所述的真空容器的导向管上还密封套设有固定安装在超导电机转子连接端上的磁流体密封装置。
所述的冷头换热器采用翅片式换热器，其上均匀设置有多片加热片。
所述的冷头换热器的底端通过高纯氩气保护焊方式与集液腔密封焊接在一起，所述的集液腔的底端与冷媒传输管焊接在一起，所述的冷媒传输管与液氖气化腔的壳体密封焊接在一起。
所述的超导电机转子的超导磁体与液氖气化腔的外表面之间设置有铟片或导热脂，低温制冷机的冷头、冷头换热器、集液腔、冷媒传输管、导向管和磁流体密封装置均包裹有多层绝热材料层。
所述的低温制冷机采用GM制冷机或斯特林制冷机。
本发明的有益效果是：
1、本发明选取液氖作为高温超导磁体的低温冷却介质，利用热虹吸原理将低温制冷机、集液腔、冷媒传输管、液氖气化腔等部件组成一个封闭的循环系统。在低温制冷机侧，氖气液化成液氖，经冷媒传输管传输至液氖气化腔；在液氖气化腔侧，液氖气化，吸收超导磁体及外界环境带来的热量，气化形成的氖气再次经冷媒传输管输送至低温制冷机侧，再次液化，形成一个封闭的循环。由于一个大气压下，液氖的沸点是27.1K，因此可保证高温超导磁体工作在30K温度下。此种冷却方式无需额外的循环动力，与冷氦气冷却相比，省掉了氦气循环泵，使系统成本降低，可靠性增加，同时相变冷却效果较好，高温超导磁体温度分布均匀。
2、本发明冷媒传输管采用单管传输，在工作状态下，液氖与氖气在同一根管路中相向流通，经分析计算，在一定管径下，氖气与液氖的流速比值在一定范围内，可以很好的流通，不会发生阻滞现象。因此，在满足上述比值范围内，采用单管传输可以大大简化系统的结构，有利于安装操作及系统可靠性。
3、本发明系统稳定运行压力为0.1MPa，在开始至超导磁体温度稳定至30K阶段，压力维持在0.1MPa~0.3MPa之间，相比于冷氦气冷却方式，工作压力较低，系统安全性得到保证。
4、本发明真空容器和超导电机转子通过磁流体密封装置过渡连接，磁流体密封装置起到动、静转换及密封的作用。本发明液氖气化腔与超导电机转子外壁之间设置有隔热部件，隔热部件作为常温与低温之间的支撑过渡，该隔热部件既能隔热又能传递转子产生的扭矩。
5、本发明超导电机转子的超导磁体设置在液氖气化腔外表面上，液氖气化腔与超导磁体之间采用传导的方式进行热传递，两者之间采用铟片或导热脂之类的材料加强导热。
6、本发明采用储气罐为系统提供氖气，同时可以防止系统压力波动过大，提高了系统可靠性及安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
各附图标记为：1—真空容器，2—低温制冷机，3—冷头换热器，4—集液腔，5—冷媒传输管，6—磁流体密封装置，7—隔热部件，8—液氖气化腔，9—超导磁体，10—储气罐，11—连接管，12—加热片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种高温超导电机转子低温冷却系统，包括真空容器1和储存有氖气的储气罐10，所述的真空容器1的上端面上通过法兰设置有若干个低温制冷机2，所述的低温制冷机2采用的是30K温区单级大冷量制冷机，低温制冷机2可以为GM制冷机或斯特林制冷机，也可以采用单台或多台低温制冷机2并联运行的方式。所述的低温制冷机2的冷头密封延伸进真空容器1内，所述的低温制冷机2冷头的下部设置有冷头换热器3，所述的冷头换热器3采用翅片式换热器，其上均匀设置有多片加热片12，用于调节低温制冷机2的制冷量并增大换热面积。所述的冷头换热器3的底端通过高纯氩气保护焊方式密封焊接有集液腔4，所述的集液腔4通过连接管11与储气罐10相连通，所述的集液腔4的底端焊接有延伸出真空容器1的冷媒传输管5，所述的真空容器1的相应位置上向外延伸有包裹住冷媒传输管5的导向管。
所述的低温冷却系统还包括设置在真空超导电机转子外壁容腔内的密封液氖气化腔8，所述的液氖气化腔8与超导电机转子外壁之间设置有隔热部件7，采用隔热部件7作为常温与低温之间的支撑过渡，所述的隔热部件7既能隔热又能传递转子产生的扭矩。所述的超导电机转子的超导磁体9设置在液氖气化腔8外表面上，所述的超导电机转子的超导磁体9与液氖气化腔8的外表面之间设置有铟片或导热脂加强导热。所述的冷媒传输管5延伸进液氖气化腔8并与液氖气化腔8的壳体密封焊接，所述的真空容器1的导向管延伸进超导电机转子外壁容腔，所述的真空容器1的导向管上还密封套设有固定安装在超导电机转子连接端上的磁流体密封装置6。所述的静止真空容器1与超导电机转子通过磁流体密封装置6过渡连接，磁流体密封装置6起到动、静转换及密封的作用。
A区为真空容器1的容腔，B区为真空超导电机转子外壁和液氖气化腔8之间的容腔，A区和B区均为真空区域，处在真空区域低温部分的低温制冷机2的冷头、冷头换热器3、集液腔4、冷媒传输管5、导向管和磁流体密封装置6均包裹有多层绝热材料层，C区域为液氖气化腔8，即液氖气化区域。
本发明选取液氖作为高温超导磁体的低温冷却介质，利用热虹吸原理将低温制冷机2、集液腔4、冷媒传输管5、液氖气化腔8等部件组成一个封闭的循环系统。在低温制冷机2侧，氖气液化成液氖，经冷媒传输管5传输至液氖气化腔8；在液氖气化腔8侧，液氖气化，吸收超导磁体9及外界环境带来的热量，气化形成的氖气再次经冷媒传输管5输送至低温制冷机2侧，再次液化，形成一个封闭的循环。由于一个大气压下，液氖的沸点是27.1K，因此可保证高温超导磁体9工作在30K温度下。此种冷却方式无需额外的循环动力，与冷氦气冷却相比，省掉了氦气循环泵，使系统成本降低，可靠性增加，同时相变冷却效果较好，高温超导磁体9温度分布均匀。
本发明冷媒传输管5采用单管传输，在工作状态下，液氖与氖气在同一根管路中相向流通，经分析计算，在一定管径下，氖气与液氖的流速比值在一定范围内，可以很好的流通，不会发生阻滞现象。因此，在满足上述比值范围内，采用单管传输可以大大简化系统的结构，有利于安装操作及系统可靠性。
本发明系统稳定运行压力为0.1MPa，在开始至超导磁体9温度稳定至30K阶段，压力维持在0.1MPa~0.3MPa之间，相比于冷氦气冷却方式，工作压力较低，系统安全性得到保证。
本发明真空容器1和超导电机转子通过磁流体密封装置6过渡连接，磁流体密封装置6起到动、静转换及密封的作用。本发明液氖气化腔8与超导电机转子外壁之间设置有隔热部件7，隔热部件7作为常温与低温之间的支撑过渡，该隔热部件7既能隔热又能传递转子产生的扭矩。
本发明超导电机转子的超导磁体9设置在液氖气化腔8外表面上，液氖气化腔8与超导磁体9之间采用传导的方式进行热传递，两者之间采用铟片或导热脂之类的材料加强导热。
本发明采用储气罐10为系统提供氖气，同时可以防止系统压力波动过大，提高了系统可靠性及安全性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高温超导电机转子低温冷却系统，其特征在于：包括真空容器（1）和储存有氖气的储气罐（10），所述的真空容器（1）的上端面上通过法兰并联有若干个低温制冷机（2），低温制冷机（2）采用30K温区单级大冷量制冷机，所述的低温制冷机（2）的冷头密封延伸进真空容器（1）内，所述的低温制冷机（2）冷头的下部设置有冷头换热器（3），冷头换热器（3）采用翅片式换热器，其上均匀设置有多片加热片（12），所述的冷头换热器（3）的底端密封设置有通过连接管（11）与储气罐（10）相连通的集液腔（4），所述的集液腔（4）的底端连通有延伸出真空容器（1）的冷媒传输管（5），所述的真空容器（1）的相应位置上向外延伸有包裹住冷媒传输管（5）的导向管；所述的冷头换热器（3）的底端通过高纯氩气保护焊方式与集液腔（4）密封焊接在一起，所述的集液腔（4）的底端与冷媒传输管（5）焊接在一起，所述的冷媒传输管（5）与液氖气化腔（8）的壳体密封焊接在一起；所述的超导电机转子的超导磁体（9）与液氖气化腔（8）的外表面之间设置有铟片或导热脂；所述的低温制冷机（2）的冷头、冷头换热器（3）、集液腔（4）、冷媒传输管（5）、导向管和磁流体密封装置（6）均包裹有多层绝热材料层；所述的低温冷却系统还包括设置在真空超导电机转子外壁容腔内的密封液氖气化腔（8），所述的液氖气化腔（8）与超导电机转子外壁之间设置有隔热部件（7），所述的超导电机转子的超导磁体（9）设置在液氖气化腔（8）外表面上，所述的冷媒传输管（5）延伸进液氖气化腔（8）并与其密封固定连接，所述的真空容器（1）的导向管延伸进超导电机转子外壁容腔，所述的真空容器（1）的导向管上还密封套设有固定安装在超导电机转子连接端上的磁流体密封装置（6）。
2.根据权利要求1所述的一种高温超导电机转子低温冷却系统，其特征在于，所述的低温制冷机（2）采用GM制冷机或斯特林制冷机。
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