CN112259318B - 一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，涉及超导应用低温技术领域，该系统中，液氢储罐内储存有液氢形成底部的液体段和顶部的气体段，液体段的液氢在重力作用下通过液氢输送管连通传输到高温超导电机转子的外壁容腔内的液氢气化腔中进行换热从而实现降温，液氢气化后形成的氢气通过氢气输送管路传输回液氢储罐的气体段维持液氢储罐内的压力，从而形成一个闭合的循环，该系统使用液氢作为低温冷却介质，能够有效维持液氢气化腔内的温度，满足超导磁体的工作温度要求，而且依靠重力驱动，因此无需额外使用循环泵，提高系统可靠性。

Description

一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统

技术领域

本发明涉及超导应用低温技术领域，尤其是一种利用液氢的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几下三种：

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，需要不停地补充液氮，且磁体工作温度在70K附近，无法满足30K温度的要求。

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，但这种方式系统运行压力较高且系统复杂，而且氦气泵造价较高。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，本发明的技术方案如下：

一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，该系统包括温超导电机转子、液氢储罐、液氢输送管和氢气输送管路；

高温超导电机转子的外壁容腔内包括液氢气化腔，高温超导电机转子的超导磁体设置在液氢气化腔的外表面；

液氢储罐内储存有液氢，液氢储罐的内部包括底部的液体段和顶部的气体段，液氢输送管的进液端连通液氢储罐的液体段、出液端延伸至高温超导电机转子的液氢气化腔内，氢气输送管路的进气端延伸至高温超导电机转子的液氢气化腔内、出气端连通液氢储罐的气体段；

液氢储罐内的液氢在重力作用下经过液氢输送管进入液氢气化腔内进行换热并气化形成氢气使液氢气化腔内压力增大至高于液氢储罐内的压力，液氢气化腔内的氢气经过氢气输送管路进入液氢储罐顶部的气体段维持液氢储罐内的压力。

其进一步的技术方案为，系统还包括燃料电池储发电装置，氢气输送管路的出气端还连通至燃料电池储发电装置，液氢气化腔内的氢气经过氢气输送管路进入燃料电池储发电装置作为燃料进行发电。

其进一步的技术方案为，系统还包括低温制冷机，低温制冷机安装在液氢储罐的气体段处且低温制冷机的冷头密封延伸进液氢储罐内部，低温制冷机的冷头的下部设置有冷头换热器，冷头换热器采用翅片式换热器，低温制冷机产生冷量维持液氢储罐内的压力。

其进一步的技术方案为，系统还包括控制器以及分别设置在液氢输送管和氢气输送管路上的电磁阀，主控器连接并控制各个电磁阀的开度以控制所在管路的流量。

其进一步的技术方案为，液氢输送管的出液端设置有喷嘴，喷嘴对液氢进行雾化后喷入液氢气化腔内进行换热。

其进一步的技术方案为，液氢输送管和氢气输送管路外部包裹有绝热材料层，高温超导电机转子的超导磁体和液氢气化腔的外表面之间设置有导热层。

其进一步的技术方案为，液氢储罐具有真空隔层，液氢储罐内的压力维持在0.1～0.3MPa。

其进一步的技术方案为，液氢输送管和氢气输送管路形成同心套管结构，同心套管结构的一端延伸至高温超导电机转子的液氢气化腔内，同心套管结构的另一端的内外管分别连通液氢储罐的液体段和气体段。

其进一步的技术方案为，液氢气化腔与高温超导电机转子的外壁之间设置有隔热部件，液氢气化腔与高温超导电机转子的外壁之间的容腔为真空，高温超导电机转子的外壁容腔与液氢输送管和氢气输送管路的连接处密封套设有固定安装在高温超导电机转子连接端上的磁流体密封装置，磁流体密封装置外部包裹绝热材料层。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，该系统使用液氢作为低温冷却介质，稳定运行压力为0.1Mpa，可将超导磁体温度稳定至20K左右，能够有效维持液氢气化腔内的温度，满足超导磁体的工作温度要求，相比于氦气冷却方式，工作压力较低，安全性更高。而且液氢与氢气通过不同的管路进行传输，不会发生阻塞现象。

而且该系统利用液氢气化成氢气时体积变化产生的压力差进行驱动，气化生成的氢气被通入液氢储罐顶部，由于液氢气化时体积增大数倍，随着储罐顶部氢气体积聚，液氢被压入液氢气化腔中，吸收超导磁体及外界的热量后气化，产生的氢气再通过冷媒输送管进入液氢储罐中，形成一个闭合的循环，省掉了液氢循环泵，使系统成本降低，可靠性增加。

同时该系统很好地解决了液氢储罐中的漏热低挥发问题，提高了液氢的利用效率。系统正常运行时，低挥发产生的氢气恰好提供了部分液氢流动的驱动力，液氢气化腔中的排出的氢气除补充进液氢储罐中，剩余的部分通入燃料电池储发电装置中进行发电并存储起来，系统关机时，燃料电池储发电装置为低温制冷机提供电量，来抵消储罐内的漏热，维持液氢储罐内的压力。

附图说明

图1是本申请公开的高温超导电机转子低温冷却系统的系统结构图。

图2是本申请公开的高温超导电机转子低温冷却系统的部分结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，请参考图1所示的系统结构图以及图2所示的部分结构图，该系统包括温超导电机转子1、液氢储罐2、液氢输送管3和氢气输送管路4。其中，液氢储罐2内储存有液氢，液氢即为本申请中用于电机转子的低温冷却介质，液氢储罐2内部形成底部的液体段和顶部的气体段，液体段即为液氢，气体段为氢气，如图1所示。液氢储罐2为多层密封结构，隔层内是真空的，也即具有真空隔层，且经过隔热处理，因此可以大大减小液氢的挥发，液氢储罐2内的压力维持在0.1～0.3MPa。

液氢输送管3的进液端连通液氢储罐2的液体段，通常连通在液氢储罐2的底部，液氢输送管3的出液端延伸至高温超导电机转子1外壁容腔内的液氢气化腔11内。氢气输送管路4的进气端延伸至高温超导电机转子1外壁容腔内的液氢气化腔11内、出气端连通液氢储罐2的气体段。

可选的，本申请的液氢输送管3和氢气输送管路4形成同心套管结构，同心套管结构的内管形成为液氢输送管3、外管形成为氢气输送管路4。同心套管结构的一端延伸至高温超导电机转子的液氢气化腔11内，同心套管结构的另一端的内管连通液氢储罐的液体段、外管连通液氢储罐的气体段。液氢输送管3和氢气输送管路4外部包裹有绝热材料层，当使用同心套管结构时，同心套管结构外部包裹有绝热材料层。

高温超导电机转子1的超导磁体12设置在液氢气化腔11的外表面，超导磁体12用于产生力和扭矩。可选的，超导磁体12和液氢气化腔11的外表面之间设置有导热层，比如涂覆一层导热脂。实际实现时，高温超导电机转子1的外壁容腔与液氢输送管3和氢气输送管路4的连接处密封套设有固定安装在高温超导电机转子连接端上的磁流体密封装置13，当采用同心套管结构时，磁流体密封装置13套设在高温超导电机转子1的外壁容腔于同心套管结构的连接处。磁流体密封装置13起到动、静转换及密封作用，且磁流体密封装置13外部还包裹绝热材料层。除此之外，液氢气化腔11与高温超导电机转子1的外壁之间设置有隔热部件14，隔热部件14作为常温与低温之间的支撑过渡，可传递转子产生的扭矩。液氢气化腔11与高温超导电机转子的外壁之间的容腔为真空，以减少外界环境的漏热。

该系统开始工作时，由于液氢储罐2内压力高于液氢气化腔11中的压力，液氢储罐2内的液氢在重力作用下经过液氢输送管3进入液氢气化腔11内进行换热。可选的，液氢输送管3的出液端设置有喷嘴5，喷嘴5对液氢进行雾化后喷入液氢气化腔11内，液氢经过喷嘴5破碎成小液滴，增大了接触面积，可以提升换热效率。液氢吸收热量气化为氢气，液氢气化腔11内的温度逐渐降低，维持转子内的低温环境，液氢在常压下的沸点为22K左右，能够有效维持液氢气化腔内的温度，满足超导磁体的工作温度要求。同时由于液氢与氢气的密度差，气化后的氢气体积较液氢增大数倍，液氢气化腔11内压力增大，至高于液氢储罐2内的压力时，液氢气化腔11内的氢气经过氢气输送管路4进入液氢储罐2顶部的气体段，补充液氢储罐2中液氢减小的体积，维持液氢储罐2内的压力。液氢储罐2罐底的压力大于液氢气化腔11内压力，在重力的作用下，液氢不断流入液氢气化腔11内，从而形成连续循环过程，无需使用高昂的低温流体泵。

可选的，该系统还包括燃料电池储发电装置6，燃料电池储发电装置6基于氢空燃料电池，氢气输送管路4的出气端还连通至燃料电池储发电装置6，液氢气化腔11内的氢气除了进入液氢储罐2维持压力之外，还经过氢气输送管路4进入燃料电池储发电装置6作为燃料进行发电并存储起来，为该系统的各个用电部件供电。

可选的，该系统还包括控制器以及分别设置在液氢输送管3和氢气输送管路4上的电磁阀，如图1示出了设置在液氢储罐2至液氢气化腔11的液氢输送管3上的第一电磁阀5、设置在液氢气化腔11至液氢储罐2的氢气输送管路4上的第二电磁阀6、设置在液氢气化腔11至燃料电池储发电装置6的氢气输送管路4上的第三电磁阀7。主控器电性连接各个电磁阀，图1中未单独示出主控器，主控器控制各个电磁阀的开度从而可以控制电磁阀所在管路传输的液氢或氢气的流量，调节液氢气化腔11与液氢储罐2内部的压力，维持连续循环。

由于液氢储罐2内不可避免地存在漏热现象，会导致液氢挥发，因此该系统还包括低温制冷机8，低温制冷机8安装在液氢储罐2的气体段处且低温制冷机8的冷头密封延伸进液氢储罐2内部，用于吸收液氢储罐2中的漏热。低温制冷机8的冷头的下部设置有冷头换热器，冷头换热器采用翅片式换热器，可以增大换热面积，提升制冷效果。本申请中的低温制冷机8采用单级大冷量制冷机，比如斯特林制冷机或GM制冷机。低温制冷机8可以由燃料电池储发电装置6供电驱动工作。

低温制冷机8通常在该系统停止对高温超导电机转子降温时工作，比如可以通过关闭设置在各个管路上的电磁阀使该系统停止对转子降温，此时若没有低温制冷机8，由于液氢储罐2内不可避免存在的漏热现象，会导致液氢挥发，进而导致液氢储罐2内的压力增大，引发安全问题，而本申请通过设置低温制冷机8，可以利用低温制冷机8产生的冷量将液氢储罐2的漏热抵消，从而维持液氢储罐2内的压力。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用液氢的高温超导电机转子低温冷却系统，其特征在于，所述系统包括高温超导电机转子 、液氢储罐、液氢输送管和氢气输送管路；

所述高温超导电机转子的外壁容腔内包括液氢气化腔，所述高温超导电机转子的超导磁体设置在所述液氢气化腔的外表面；

所述液氢储罐内储存有液氢，所述液氢储罐的内部包括底部的液体段和顶部的气体段，所述液氢输送管的进液端连通所述液氢储罐的液体段、出液端延伸至所述高温超导电机转子的液氢气化腔内，所述氢气输送管路的进气端延伸至所述高温超导电机转子的液氢气化腔内、出气端连通所述液氢储罐的气体段；

所述液氢储罐内的液氢在重力作用下经过所述液氢输送管进入所述液氢气化腔内进行换热并气化形成氢气使所述液氢气化腔内压力增大至高于所述液氢储罐内的压力，所述液氢气化腔内的氢气经过所述氢气输送管路进入所述液氢储罐顶部的气体段维持所述液氢储罐内的压力；

所述系统还包括低温制冷机，所述低温制冷机安装在所述液氢储罐的气体段处且所述低温制冷机的冷头密封延伸进所述液氢储罐内部，所述低温制冷机产生冷量维持所述液氢储罐内的压力。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括燃料电池储发电装置，所述氢气输送管路的出气端还连通至所述燃料电池储发电装置，所述液氢气化腔内的氢气经过所述氢气输送管路进入所述燃料电池储发电装置作为燃料进行发电。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述低温制冷机的冷头的下部设置有冷头换热器，所述冷头换热器采用翅片式换热器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括控制器以及分别设置在所述液氢输送管和氢气输送管路上的电磁阀，所述控制器连接并控制各个电磁阀的开度以控制所在管路的流量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液氢输送管的出液端设置有喷嘴，所述喷嘴对液氢进行雾化后喷入所述液氢气化腔内进行换热。

6.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述液氢输送管和氢气输送管路外部包裹有绝热材料层，所述高温超导电机转子的超导磁体和液氢气化腔的外表面之间设置有导热层。

7.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述液氢储罐具有真空隔层，所述液氢储罐内的压力维持在0.1~0.3MPa。

8.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述液氢输送管和氢气输送管路形成同心套管结构，所述同心套管结构的一端延伸至所述高温超导电机转子的液氢气化腔内，所述同心套管结构的另一端的内外管分别连通所述液氢储罐的液体段和气体段。

9.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述液氢气化腔与所述高温超导电机转子的外壁之间设置有隔热部件，所述液氢气化腔与所述高温超导电机转子的外壁之间的容腔为真空，所述高温超导电机转子的外壁容腔与所述液氢输送管和氢气输送管路的连接处密封套设有固定安装在所述高温超导电机转子连接端上的磁流体密封装置，所述磁流体密封装置外部包裹绝热材料层。

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