CN114244070A - 一种超导调相机的冷却管路传输耦合装置 - Google Patents

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何大瑞
韩笑
王琼
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Abstract

本发明的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,包括：超导电机转子、连接有静止冷却管的低温制冷系统、中心设有转子冷却管的超导电机转子轴系以及传输耦合器，所述超导电机转子封装于超导电机转子轴系内并可转动地支撑于转子冷却管上，所述低温制冷系统将低温介质沿静止冷却管输送至转子冷却管的一端内，低温介质从转子冷却管的另一端通过静止冷却管排回至低温制冷系统；所述超导电机转子轴系通过传输耦合器可转动地支撑于静止冷却管上。有益效果：该装置大幅避免进气、回气之间的混合与热交换，从而大幅提高了制冷效率，降低了漏热；且易于制造，可靠性高，运行维护简单，便于拆装。

Description

一种超导调相机的冷却管路传输耦合装置
技术领域
本发明属于超导电机领域，尤其涉及一种超导调相机的冷却管路传输耦合装置。
背景技术
基于高温超导技术的电动机和发电机具有体积小、重量轻、损耗低和效率高等一系列优点，因而高温超导电机在成本、体积、重量等方面的巨大效益将在不久的将来引起整个电机制造业巨大的变革。
根据定子和转子线圈所采用的材料可以分为全超导型电机（定子和转子线圈都使用超导材料）和半超导型电机（转子励磁线圈采用超导体，定于是常规材料）。目前研究的重点是半超导型超导电机。它由超导转子、常规定子、冷却系统、力矩管、励磁装置、转子多层屏蔽系统、定子环境屏蔽系统组成。
高温超导电机的冷却系统包括转子的冷却系统和定子的冷却系统。转子的冷却系统是为了及时的把超导线圈和其他磁性材料在电机工作时是产生的损耗和外界环境传输到转子里的热量带走，保持线圈超导状态，保证电机的持续正常运行，这是超导电机同普通电机重大的区别之一，主要包括3部分：制冷机，传输耦合器和转子里的冷却回路。
如图1，（图片来源：陈彪，顾国彪，张国强. 高温超导电机的冷却技术综述.低温工程，2007,5（159）：15-19），目前超导电机使用较多的冷却方式是旋转热管和冷氦气对流传热。旋转热管是由旋转蒸发器，静止的冷凝器，传热介质和连接蒸发器与冷凝器的管道组成一个自循环的系统。
当电机运行时蒸发空间里的传热介质吸收热量汽化。经过传输管道到达冷凝器。被冷凝器冷凝成液体后再经过同一个管道在重力的作用下返回到蒸发空间里，重新吸热蒸发，从而实现自循环。可以看出，该结构中的传输耦合器（即图中的旋转密封部分）是将低温液体通过一根管道输入至电机转子（即蒸发空间）。该结构完全依赖蒸发后的气体不需要依赖闭式管道返回。
如图2，美国专利U.S. 3991588提出一种具有液氦/氦气多层回流管道的结构，其主要依赖多层绝热管道实现液氦输入、氦气回流。与前述结构相比，该结构可以实现冷氦气输入、热氦气返回。但是，该结构极为复杂，加工难度大，且漏热大。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、漏热小且易于制造的超导调相机的冷却管路传输耦合装置，本发明提出的技术方案为：
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置，包括:超导电机转子、连接有静止冷却管的低温制冷系统、中心设有转子冷却管的超导电机转子轴系以及传输耦合器，所述超导电机转子封装于超导电机转子轴系内并可转动地支撑于转子冷却管上，所述低温制冷系统将低温介质沿静止冷却管输送至转子冷却管的一端内，低温介质从转子冷却管的另一端通过静止冷却管排回至低温制冷系统；所述超导电机转子轴系通过传输耦合器可转动地支撑于静止冷却管上。
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置的进一步设计在于，所述传输耦合器包括传输耦合器支架、冷却管支架以及磁流体密封环，所述传输耦合器支架支撑于外部支架上，静止冷却管通过冷却管支架支撑于传输耦合器支架内，磁流体密封环可旋转地安装于传输耦合器支架上并密封且可转动地连接于超导电机转子轴系的转子轴。
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置的进一步设计在于，冷却管支架为气密性材质制成且与静止冷却管、传输耦合器支架密封连接将冷却管支架两侧的空间分隔两个互不流通的密封气室。
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置的进一步设计在于，所述冷却管支架分别与传输耦合器支架、静止冷却管焊接。
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置的进一步设计在于，所述转子冷却管的两端通过密封圈与超导电机转子轴系的转子轴密封连接。
所述超导调相机的冷却管路传输耦合装置的进一步设计在于，所述静止冷却管伸入转子冷却管的距离为10-20倍的静止冷却管外径。
本发明的有益效果为：
本发明的超导调相机的冷却管路传输耦合装置充分利用电机轴的两端，布置对称结构的两个传输耦合器进行低温介质循环，结构简单，适用于低温液体、气体的循环；且通过传输耦合器内部兼顾支撑与气密性的层状结构的巧妙设置，大幅避免进气、回气之间的混合与热交换，从而大幅提高了制冷效率，降低了漏热。该层状结构仅为一层的低温真空密封结构，结构简单、紧凑，尺寸小，避免了多层结构对加工精度要求高的缺点，也避免了高速旋转情况下多层薄壁结构的振动问题，可靠性高，运行维护简单，便于拆装。
附图说明
图1为传统超导电机使用较多的冷却方式示意图。
图2为采用旋转热管冷却系统的超导电机示意图。
图3 为超导调相机的冷却管路传输耦合装置的结构示意图。
图4为传输耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
如图3，本实施例的超导调相机的冷却管路传输耦合装置，主要由超导电机转子1、连接有静止冷却管43的低温制冷系统3、中心设有转子冷却管46的超导电机转子轴系2以及传输耦合器4组成。超导电机转子1封装于超导电机转子轴系2内并可转动地支撑于转子冷却管43上。低温制冷系统3将低温介质5冷却后，通过其内部的泵将低温介质沿静止冷却管输送至转子冷却管的一端内，低温介质从转子冷却管的另一端通过静止冷却管排回至低温制冷系统（沿图示的路径）；超导电机转子轴系2通过传输耦合器4可转动地支撑于静止冷却管43上。该超导调相机的冷却管路传输耦合装置在正常运作时，超导电机转子1、超导电机转子轴系2都处于高速旋转，其它部件是静止状态；超导电机转子1处于低温（-200℃以下），超导电机转子轴系2主体部分处于室温。
如图4，本实施例的传输耦合器4主要由传输耦合器支架41、冷却管支架47以及磁流体密封环42组成。传输耦合器支架41支撑于该装置的外部支架上，静止冷却管43通过冷却管支架47支撑于传输耦合器支架41内。磁流体密封环42可旋转地安装于传输耦合器支架41上并密封且可转动地连接于超导电机转子轴系的转子轴，实现与转子轴21间的旋转密封。
冷却管支架47为具备气密性且低导热率的材质制成，并且选用的材料在低温下也具有一定的强度，本实施例中冷却管支架4选用玻璃钢材料，也可替换为聚四氟乙烯材料。冷却管支架47与静止冷却管43、传输耦合器支架41密封连接将冷却管支架47两侧的空间分隔两个互不流通的密封气室，分别为气室45与气室47，进而降低静止冷却管43和传输耦合器支架41间的漏热。本实施例中冷却管支架47分别与传输耦合器支架41、静止冷却管43焊接。
静止冷却管43伸入转子冷却管22一段距离，由此形成一个间隙46，通过该间隙可以实现静止冷却管43和转子冷却管22间的相对运动，即低温介质5从静止冷却管43进入转子冷却管22，不影响转子冷却管22的高速旋转。与此同时，该间隙密封46可以大幅增加气体的流阻，使得静态气室47中的气体处于稳态，进一步地大幅降低了气体的对流换热。本实施例中静止冷却管伸入转子冷却管的距离为10-20倍的静止冷却管外径，一般设定为100mm-200mm，本实施例中设定为150mm。
本实施例的转子冷却管22的两端通过密封圈23与超导电机转子轴系的转子轴密封连接，实现与转子轴21的同步转动；同时形成一个转子真空腔24，从而可以降低转子轴21和转子冷却管22间的漏热。
本实施例的超导调相机的冷却管路传输耦合装置充分利用电机轴的两端，布置对称结构的两个传输耦合器进行低温介质循环，结构简单，适用于低温液体、气体的循环；且通过传输耦合器内部兼顾支撑与气密性的层状结构的巧妙设置，大幅避免进气、回气之间的混合与热交换，从而大幅提高了制冷效率，降低了漏热。该层状结构仅为一层的低温真空密封结构，结构简单、紧凑，尺寸小，避免了多层结构对加工精度要求高的缺点，也避免了高速旋转情况下多层薄壁结构的振动问题，可靠性高，运行维护简单，便于拆装。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于包括:超导电机转子、连接有静止冷却管的低温制冷系统、中心设有转子冷却管的超导电机转子轴系以及传输耦合器，所述超导电机转子封装于超导电机转子轴系内并可转动地支撑于转子冷却管上，所述低温制冷系统将低温介质沿静止冷却管输送至转子冷却管的一端内，低温介质从转子冷却管的另一端通过静止冷却管排回至低温制冷系统；所述超导电机转子轴系通过传输耦合器可转动地支撑于静止冷却管上。
2.根据权利要求1所述的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于所述传输耦合器包括传输耦合器支架、冷却管支架以及磁流体密封环，所述传输耦合器支架支撑于外部支架上，静止冷却管通过冷却管支架支撑于传输耦合器支架内，磁流体密封环可旋转地安装于传输耦合器支架上并密封且可转动地连接于超导电机转子轴系的转子轴。
3.根据权利要求2所述的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于冷却管支架为气密性材质制成且与静止冷却管、传输耦合器支架密封连接将冷却管支架两侧的空间分隔两个互不流通的密封气室。
4.根据权利要求1所述的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于所述冷却管支架分别与传输耦合器支架、静止冷却管焊接。
5.根据权利要求1所述的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于所述转子冷却管的两端通过密封圈与超导电机转子轴系的转子轴密封连接。
6.根据权利要求1所述的超导调相机的冷却管路传输耦合装置,其特征在于所述静止冷却管伸入转子冷却管的距离为10-20倍的静止冷却管外径。
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