CN117063368A - 超导限流器的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导限流器的冷却装置，可以包括：第一容器，容纳有浸泡超导元件的过冷却液体冷却剂；第二容器，设置为与所述第一容器的外表面相接，并使所述第一容器的侧面下部侧露出，容纳有饱和液体冷却剂；以及冷冻机，插入到所述第二容器内，使汽化的饱和液体冷却剂冷凝。

Description

超导限流器的冷却装置

技术领域

本发明涉及超导限流器的冷却装置，更详细而言，涉及一种非循环式超导限流器的冷却装置。

背景技术

通常，提出有执行针对故障电流的控制的各种各样电力系统稳定化装置。

其中，超导限流器是通过利用超导体的超导电性向系统投入阻抗，从而限制为当产生故障电流时，断路器能够阻断的容量的装置。

使用于超导限流器的超导体在特定温度和特定电流以下呈现出零电阻的特性，而在电力系统发生意料之外的故障时，超导特性被破坏而转换为常导状态，并呈现出高电阻。

因此，能够利用根据温度或电流量的超导体的电阻特性变化来降低故障电流。

为了如上所述的基本的超导限流器的动作，超导限流器的超导体在通常状态下，应利用冷却装置来冷却，从而保持超导状态。

在授权发明专利10-1104234号(2012年1月10日，超导限流器内部温度控制装置和方法，2012年1月3日授权)中，公开了使用冷冻机和导电冷却铜带来冷却沉浸有超导元件的液氮，从而保持温度的构成。

但是，由于铜带的长度越长，铜带自身越产生温度差，而为了获得整体上充分的冷却效果，只能进一步降低冷冻机的运行温度，但这会增加冷冻机的耗电量。

即，冷冻机的温度越低，性能和效率降低。例如，存在与从绝对温度80K降至70K的耗电量相比，从60K降至50K的耗电量增加约20％的问题点。

作为用于保持超导元件的温度的其他冷却装置的构成，有公开发明专利10-2008-0102157号(超导体冷却用多槽装置和超导体冷却方法，2008年11月24日公开)。

在上述的公开专利，包括有冷却超导体的冷却槽和包围冷却槽的屏蔽槽，通过调节压力，使冷却槽保持过冷却，屏蔽槽保持饱和状态。

冷冻机位于屏蔽槽的内侧上部。冷冻机不与屏蔽槽内的液氮接触，并起到使饱和状态的液氮相变化为气体的状态下重新被液化的作用。

另外，在上述的公开发明专利中，额外设置有极低温储罐，并包括有为了补偿屏蔽槽的液位而向屏蔽槽供应液氮的构成。

在如上所述的构成的现有技术中，由于保管液氮的极低温储罐的操作，而存在空间和成本损失的问题点。

发明内容

发明要解决的问题

考虑到上述的问题点的本发明所要解决的课题在于，提供一种没有从外部追加补充液体冷却剂也能够运用的超导限流器的冷却装置

另外，本发明的另一目的在于，提供一种通过使过冷却液体冷却剂的循环活性化来确保温度均匀性，从而能够确保超导元件的冷却温度均匀性的超导限流器的冷却装置。

与此同时，本发明的另一课题在于，提供一种非常有利于保持容纳有过冷却液体冷却剂的第一容器部的压力的超导限流器的冷却装置。

本发明的又一课题在于，提供一种能够通过改善温度的推定方式，更稳定地确保气密性的保持，并确保费用和维护的便利性的超导限流器的冷却装置。

用于解决问题的手段

用于解决上述的技术性课题的本发明的超导限流器的冷却装置可以包括：第一容器，容纳有浸泡超导元件的过冷却液体冷却剂；第二容器，设置为与所述第一容器的外表面相接，使所述第一容器的侧面下部侧露出，并容纳有饱和液体冷却剂；以及冷冻机，插入到所述第二容器内，使汽化的饱和液体冷却剂冷凝。

在本发明的实施例中，所述过冷却液体冷却剂的液位是完全浸泡所述超导元件的高度，所述饱和液体冷却剂的液位可以与所述过冷却液体冷却剂的液位相同。

在本发明的实施例中，所述过冷却液体冷却剂的液位是完全浸泡所述超导元件的高度，所述饱和液体冷却剂的液位可以高于所述过冷却液体冷却剂的液位。

在本发明的实施例中，相当于所述饱和液体冷却剂的液位与所述过冷却液体冷却剂的液位差的所述第一容器的侧面区域是，可以在所述过冷却液体冷却剂汽化时使其重新冷凝，从而保持第一容器的内部压力的冷凝面。

在本发明的实施例中，所述冷凝面的高度可以是5cm至30cm。

在本发明的实施例中，在所述第一容器的过冷却液体冷却剂中，作为隔着所述第一容器的侧面与所述第二容器的饱和液体冷却剂相接的部分的上层部进行热交换而被冷却，并通过与下层部形成对流来保持整体均匀的温度。

本发明的实施例还可以包括检测所述第二容器的内部压力的压力传感器，将从所述压力传感器检测到的第二容器的内部压力换算为饱和液体冷却剂的温度，至少通过所述冷冻机来控制换算的饱和液体冷却剂的温度。

本发明的实施例还可以包括第三容器，覆盖所述第一容器和所述第二容器的侧面和底面，利用真空来赋予隔热性。

发明效果

本发明包括容纳有过冷却液体冷却剂第一容器和包围第一容器的外部并容纳有饱和液体冷却剂的第二容器，由于第二容器设置为仅与第一容器的上部侧相接，因此，能够通过过冷却液体冷却剂的局部温度差，使第一容器内的循环活性化，从而具有确保超导元件的温度均匀性的效果。

另外，在本发明中，由于第二容器的饱和液体冷却剂的液位设定为高于第一容器的过冷却液体冷却剂的液位，使第一容器的壁面作用为冷凝面，从而具有有利于保持第一容器内部压力的效果。

与此同时，本发明通过检测第一容器的内部压力，并将检测到的压力换算为温度，使检测超低温的温度传感器的使用最小化，从而能够降低成本，此外，通过将温度传感器的插入设置和用于保持气密性的复杂构成简单化，从而具有有利于维护且能够提高压力保持性能的效果。

附图说明

图1是本发明优选实施例的超导限流器的冷却装置的构成图。

图2至图4分别是本发明另一实施例的超导限流器的冷却装置的构成图。

具体实施方式

为了充分地理解本发明的构成和效果，参照附图对本发明优选实施例进行说明。但是，本发明并不局限于以下说明的实施例，可以实现为各种形态，并进行各种各样变更。但是，针对本实施例的说明是为了使本发明的说明变得完整，并向本发明所属领域的普通技术人员完整地告知发明的范围而提供的。在附图中，为了便于说明构成要素，其大小是比实际扩大而图示的，各个构成要素的比例可以被放大或缩小。

为了说明多个构成要素而使用了第一、第二等的叙述，但这些构成要素不应局限于这些术语。这些术语仅可以为了区别一个构成要素与另一个构成要素而使用。例如，在不脱离本发明的权利要求范围的情况下，“第一构成要素”可以命名为“第二构成要素”，与此类似地“第二构成要素”也可以命名为“第一构成要素”。另外，除非上下文另外明确指出，否则单数表达包括复数表达。除非另外定义在本发明中使用的术语，否则具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

以下，参照附图，详细说明本发明一实施例的超导限流器的冷却装置。

图1是本发明优选实施例的超导限流器的冷却装置的截面构成图。

参照图1，本发明包括：第一容器10，容纳有浸泡超导元件11的过冷却液体冷却剂12；第二容器20，设置成与第一容器10的外表面相接，使所述第一容器10的侧面下部侧露出，并容纳有饱和液体冷却剂21；第三容器30，与所述第一容器10和第二容器20的侧面和底面相接；以及冷冻机40，插入到所述第二容器20，使汽化的饱和液体冷却剂21被冷凝。

以下，进一步详细说明如上所述构成的本发明超导限流器冷却装置的构成和作用。

首先，第一容器10提供圆柱型的容纳空间，在内侧设置有超导元件11。超导元件11可以设置成与电力系统的相数相同数量。

即，在三相的电力系统中，可以使用三个超导元件11。

超导元件11在第一容器10内浸泡在过冷却液体冷却剂12中，并利用过冷却液体冷却剂12来保持温度，从而在产生故障电流之前的状态下，保持电阻接近零的状态。

所述过冷却液体冷却剂12可以是液氮。

第一容器10的内部压力P1为3bar(巴)，过冷却液体冷却剂12的温度以77K作为正常基准温度。

为了保持第一容器10的内部压力，注入有非冷凝气体。作为非冷凝气体的例，有气体状态的氖和氦，可以理解为，第一容器10的过冷却液体冷却剂12的上部侧空间通过填充气体状态的氖或氦与气体状态的氮混合的气体来保持压力。

容纳于第一容器10的过冷却液体冷却剂12在没有特殊理由的情况下不会被替换，并在保持设置状态的同时保持温度。

第一容器10的过冷却液体冷却剂12的温度通过第二容器20的饱和液体冷却剂21和冷冻机40的作用来保持。

第二容器20设置在第一容器10的侧面周缘，但仅设置在第一容器10的侧面上部侧。

第二容器20可以从第一容器10的侧面上端向下覆盖侧面高度的50％左右。更具体而言，可以覆盖40至60％。

第二容器20的压力P2保持为不足1bar，饱和液体冷却剂21的温度应保持为不足77K的温度。饱和液体冷却剂21同样可以使用液氮。

饱和液体冷却剂21的温度优选为70至76K。

第二容器20是露出第一容器10的侧面下部和底面的环型结构，并提供相同形态的内部空间。

第二容器20的内壁可以直接使用第一容器10的外壁一部分，从而有利于热交换。

容纳于第二容器20的饱和液体冷却剂21的液位可以与所述容纳于第一容器10的过冷却液体冷却剂12的液位相同，稍后，进一步详细说明其他例。

在所述第二容器20的一面，例如，顶面结合有多个冷冻机40，冷冻机40的冷头被引入到第二容器20的内侧。

因此，第二容器20的饱和液体冷却剂21与第一容器10的过冷却液体冷却剂12之间构成热交换，并且此时的热交换通过饱和液体冷却剂21与过冷却液体冷却剂12之间的第一容器10外壁的一部分来构成。

通过热交换，饱和液体冷却剂21的一部分汽化，从而使过冷却液体冷却剂12保持温度。

汽化的饱和液体冷却剂21再次通过冷冻机40的冷凝而被液化，液化的液体因重力而落下，与饱和液体冷却剂21混合，并反复上述过程。

所述第一容器10的过冷却液体冷却剂12主要在第二容器20覆盖的上部侧进行热交换。在图1中，A区域是与第二容器20的饱和液体冷却剂21进行热交换的上层区域，而在下层区域B不会进行热交换。

但是，相对地，由于下层区域B的过冷却液体冷却剂12的温度比上层区域A的过冷却液体冷却剂12的温度高，因此，在上层区域A与下层区域B之间产生对流。

即，本发明通过将第二容器20与第一容器10的接触面限制在一部分来引导根据热交换的第一容器10内部的过冷却液体冷却剂12的局部热失衡，从而形成对流。

利用如上所述的对流的形成，使第一容器10内的过冷却液体冷却剂12自主循环并构成温度平衡，因此，具有能够提高温度均匀性的特征。

这样的温度均匀性能够将超导元件11整体以均匀的温度进行冷却，并且能够通过确保超导元件11的温度均匀性，来确保超导元件11自身的电阻均匀性。

另外，与现有方式相比，通过减少第二容器20的体积，来减少饱和液体冷却剂21的使用量，并利用冷冻机40来保持相对少量的饱和液体冷却剂21的温度，从而有利于保持饱和液体冷却剂21的温度。

即，能够减少冷冻机40的数量，或使冷冻机40的温度控制为相对较高的温度，从而具有能够减少成本，并减少能耗的特征。

第三容器30是将所述第二容器20的侧面和底面，第一容器10的露出的侧面和底面全部包围的结构，内侧以真空31状态阻断热传递，从而有利于保持第一容器10和第二容器20的过冷却液体冷却剂12和饱和液体冷却剂21的温度。

图2是本发明另一实施例的超导限流器的冷却装置的截面构成图。

图2所示的超导限流器的另一实施例的构成与参照图1进行说明的例相同地，包括：第一容器10；第二容器20，设置于第一容器10的外侧一部分周缘；以及第三容器30，包围第一容器10和第二容器20的侧面和底面。

在所述第一容器10的内侧的容纳空间容纳有超导元件11，该超导元件11处于完全浸泡在过冷却液体冷却剂12中的状态。

即，过冷却液体冷却剂12的液位位于比超导元件11更高的位置。

如上所述，过冷却液体冷却剂12的适当温度为77K，在过冷却液体冷却剂12的上部侧的第一容器10的空间注入有非冷凝气体，以能够保持3bar的压力。

在过冷却液体冷却剂12的温度保持为77K，压力为3bar的情况下，理论上，可能发生过冷却液体冷却剂12不会汽化，但是，因温度的偏差或其他理由导致过冷却液体冷却剂12汽化，而使第一容器10的压力增加的现象。

第一容器10内部的压力变化成为使整体的相平衡发生变化的要素，需要恒定地保持压力。

因此，如图2所示，第二容器20内部的饱和液体冷却剂21的液位L2设定为保持高于第一容器10的过冷却液体冷却剂12的液位L1。

相当于饱和液体冷却剂21的液位L2与过冷却液体冷却剂12的液位L1的差L2-L1的第一容器10的外壁一部分区域成为比其他外壁区域温度更低的区域，并将其命名为冷凝面13。

冷凝面13的高度，即，液体冷却剂21的液位L2与过冷却液体冷却剂12的液位L2的高度差为5cm至30cm。

冷凝面13的高度不足5cm时，冷凝效果低，而在超过40cm的情况下，可能产生不必要的能量浪费。

因此，在第一容器10内，作为汽化的过冷却液体冷却剂12的气体氮在温度为冷凝温度以下的冷凝面13被冷凝而再次液化，并受重力影响而流入过冷却液体冷却剂12。

如上所述的过程会持续反复地构成，因此，通过使其他理由汽化的过冷却液体冷却剂21再次被冷凝，从而能够保持第一容器10的内部压力。

如上所述，容纳于所述第二容器20的饱和液体冷却剂21与第一容器10的过冷却液体冷却剂12进行热交换的同时，在所述冷凝面13冷凝汽化的过冷却液体冷却剂12，从而温度变高而被汽化。

汽化的饱和液体冷却剂21反复利用冷冻机40的冷头来被冷凝的过程，能够在保持饱和液体冷却剂21和过冷却液体冷却剂12的温度的同时，保持第一容器10内的压力。

图3是本发明另一实施例的超导限流器的冷却装置的截面构成图。

参照图3，本发明可以还包括检测第二容器20的内部压力的压力传感器50。

在现有技术中，为了容纳于第二容器20内部的饱和液体冷却剂21的温度管理，使用有通过使用在第二容器20与饱和液体冷却剂21直接接触的温度传感器，检测饱和液体冷却剂21的温度的方式。

如此，在使用直接检测极低温的饱和液体冷却剂21的温度的温度传感器时，存在不仅成本很高，而且在温度传感器发生异常的情况下，用于交换的作业变得非常困难的问题点。

由此，在本发明中，利用压力传感器50来检测第二容器20的内部压力，并将其换算为温度，从而确保饱和液体冷却剂21的温度推定值。

能够根据温度推定值来调节所述冷冻机40的温度，并根据需要，能够利用追加的加热器来调节饱和液体冷却剂21的温度。

利用压力传感器50的饱和液体冷却剂21的温度推定可以利用包括饱和液体冷却剂21的饱和线图的温度-压力曲线来进行推定。

在压力传感器50检测出的压力较高的情况下，可以判断为饱和液体冷却剂21的温度高于正常温度，从而比适当的水准汽化得更多，与此相反，在压力较低情况下，可以判断为饱和液体冷却剂21的温度低于正常温度，从而相比于汽化量，冷凝量更多。

因此，本发明可以利用压力传感器50来推定饱和液体冷却剂21的温度，并执行饱和液体冷却剂21的温度控制。

在本发明中，可以单独使用压力传感器50，而不使用直接检测饱和液体冷却剂21的温度的温度传感器。

另外，可以同时使用压力传感器50和直接检测饱和液体冷却剂21的温度的温度传感器，从而使用针对温度检测的冗余结构。

即，基于在温度传感器检测的饱和液体冷却剂21的温度，与在压力传感器50检测的压力换算的饱和液体冷却剂21的温度进行比较，从而在差值为设定值以上的情况下，可以判断为温度传感器发生异常。

图4是本发明另一实施例的超导限流器冷却装置的剖视图。

参照图4，本发明可以是第二容器20覆盖到第一容器10的底面为止的结构。

在上述结构中，也可以使用上述的冷凝面13的结构，从而使利用压力传感器50的温度检测变的可能。

以上说明了本发明的实施例，但这仅作为示例性的，本发明所属领域的普通技术人员可以理解根据此的各种各样变形和同等范围的实施例是可能的。因此，本发明的真正的技术保护范围应由所附权利要求范围来确定。

工业实用性

本发明是关于利用自然规律，使容器内部保持温度均匀性的技术，因此具有工业上的利用可能性。

Claims (9)

1.一种超导限流器的冷却装置，其中，包括：

第一容器，容纳有浸泡超导元件的过冷却液体冷却剂；

第二容器，设置为与所述第一容器的外表面相接，容纳有饱和液体冷却剂；以及

冷冻机，插入到所述第二容器内，使汽化的饱和液体冷却剂冷凝。

2.根据权利要求1所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

所述第二容器仅设置在所述第一容器的侧面上部侧。

3.根据权利要求1或2所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

所述过冷却液体冷却剂的液位是完全浸泡所述超导元件的高度，

所述饱和液体冷却剂的液位与所述过冷却液体冷却剂的液位相同。

4.根据权利要求1或2所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

所述过冷却液体冷却剂的液位是完全浸泡所述超导元件的高度，

所述饱和液体冷却剂的液位高于所述过冷却液体冷却剂的液位。

5.根据权利要求4所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

相当于所述饱和液体冷却剂的液位与所述过冷却液体冷却剂的液位差的所述第一容器的侧面区域是，

所述过冷却液体冷却剂汽化时使其重新冷凝，从而保持所述第一容器的内部压力的冷凝面。

6.根据权利要求5所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

所述冷凝面的高度为5cm至30cm。

7.根据权利要求4所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

在所述第一容器的过冷却液体冷却剂中，

作为隔着所述第一容器的侧面与所述第二容器的饱和液体冷却剂相接的部分的上层部进行热交换而被冷却，

并通过与下层部形成对流来保持整体均匀的温度。

8.根据权利要求4所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

还包括检测所述第二容器的内部压力的压力传感器，

将从所述压力传感器检测到的所述第二容器的内部压力换算为饱和液体冷却剂的温度，

至少通过所述冷冻机来控制换算的饱和液体冷却剂的温度。

9.根据权利要求4所述的超导限流器的冷却装置，其特征在于，

还包括第三容器，覆盖所述第一容器和所述第二容器的侧面和底面，利用真空来赋予隔热性。