CN1280371A - 高温超导体用冷却剂 - Google Patents

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M·陈
W·保尔
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Abstract

在基于高温超导体组件的运行过程中,例如在供电领域,在增加功率时,因冷却和防电击穿而受到限制。必须限定额定电流IN以使之产生低的潜热和/或限定驱动电压以避免产生高的电场强度。按照本发明,在冷却液如液氮中加入悬浮的小颗粒,可以提高将热传到冷却剂的效率,同时可以提高冷却剂的介电常数。

Description

高温超导体用冷却剂
本发明涉及用于冷却本专利权利要求1的前序部分所述的高温超导体的冷却剂。具体地说，涉及在供电领域使用基于高温超导体的部件、组件或设备时所用的冷却剂。
高温超导体在供电领域中应用，例如在中等电压范围内作为输电电缆、变压器或限流器时，对冷却和电绝缘有特定的要求。一方面，当额定电流密度在临界电流密度范围内时，超导体内将产生不可忽略的电压降和相应的热量。另一方面，在交流电领域，超导体内也产生交流电的损失，同样也常常使超导体发热，其程度通常还非常大。因此，在连续运行过程中，为了不使超导体的温度超过其临界温度(Tc)，额定电流(IN)不能大于一定的电流强度。冷却超导体使其温度低于Tc的最简单的方法是，将超导体浸在置于被称为低温箱的特殊容器内的冷却液体如液氮、液氦、液氖或液氮和液氧的混合物中。
另外，能够处于大于100kV电势的超导体一定要与低温箱电绝缘。电场强化，也就是说电场的不均匀分布特别发生在尖端部位或边缘区域。冷却剂的存在和／或空气或气体绝缘性的缺乏由于降低击穿电压而变得更明显，后者在大体积的纯的LN2中通常为10KV／mm，在伴有气泡产生的沸腾氮中会更低。在设计超导体组件时，最高电压必须相应在限制和／或必须更注意避免易被击穿的位置。
所说的问题对于在基于超导体的限流器来说更为重要。在限流状态下，当超过临界电流IC的故障电流或过载电流流过超导体时，超导体处于一种阻抗状态。相应地，散发出更多的热量，并且必须通过冷却剂除去这些热量。因为，在限流状态下，大多数部件的驱动电压通过超导体降低，超导体不同部分之间所处电势不同，故有击穿的危险。
热量从高温的超导体部分传至冷却剂是关键的一点。所述的超导体除了真正的超导体外，还可以包括分流电阻和／或绝缘层。如果超导体组件与冷却剂之间的温度差过大(例如，对于液氮为77K)，就会遇到冷却剂的薄膜沸腾区。若使用液氮(LN2)，在要被冷却结构的表面上就会形成一个连续的气态氮的薄膜。这就使得热传递变差并表明：一方面，使浸在冷却剂中的物体冷却变慢或，另一方面，最坏的情况是，如果后者自身产生热，会使温度进一步升高。与之相反，至少在温度梯度小的情况下，在冷却剂与要冷却的物体之间形成的气泡沸腾区内热传递加快，已经测出样品处于恒定热量吸收下的相应温度分布曲线，例如参见论文″Transient heat transfer from smooth surfaces into liquid nitrogen″，byV．Drach and J．Fricke，Cryogenics，Volume 36(1996)，pages 263 to 269。
本发明的目的是，提供一种用于高温超导体的冷却剂，该冷却剂改善了高温超导体应用，特别是在中等和高功率的供电领域中应用时的经济性。
利用具有本专利权利要求1所述特征的高温超导体的冷却剂，可以达到上述目的。
本发明的核心在于下述发现，即，除了超导体自身的构造外，包围超导体的冷却剂也影响其应用的经济性。通过简单改进已知的冷却液体，在高温超导体组件的结构和设计中可以节省费用。
按照本发明对于冷却剂的要求包括，例如，保护超导体以防热量过载及超导体各部分之间或超导体与装有冷却剂的低温箱之间电击穿。为此，小颗粒物应分散或悬浮，也就是说，以飘浮状态精细地分散于冷却液体中。
根据第一个优选的实施方案，分散的颗粒物作为冷却液体的凝结核，可以延缓从气泡区向薄膜沸腾区的转变。因此可以更好地防止浸于分散液中的组件过热，故可以在较高的额定电流下工作。
根据另外一个优选的实施方案，悬浮粒子的介电常数高于冷却液的介电常数，基于这种方法改性的冷却液体的冷却剂，可以防止部件电击穿，允许较高的工作电压。
优选使用液氮LN2作为冷却液体。
以下借助实施例和附图对本发明作更详细的说明。所用的标记数字列于标记数字表中。
图1表示装有本发明的高温超导体的冷却剂的低温箱。
图1所示的低温箱1盛满冷却液30，它使冷却液与周围环境绝热。高温超导体组件20，通过普通的供电导线21连接到电路中，浸于冷却液30内。分散地冷却液30中的小颗粒物32悬浮于冷却液30中，并与后者一起以悬浮或分散的形式形成本发明的冷却剂3。蒸发的冷却液30形成上升的气泡31。图1中没有示出封闭低温箱1的盖子和供电导线21通过低温箱的套管，高温超导体组件20是，例如，限流器或电能传输领域中的其它一些单元的变压器的部分。
分散的颗粒32起到凝结核(核心)的作用并延缓了在要冷却的物体20表面形成由蒸发的冷去液31构成的连续薄膜。因此，与薄膜沸腾相比，即使在较大的温度梯度下，气泡沸腾是占优势的，并具有更好的传热性能。由于冷却效率的提高，使超导体20可以在更高的额定电流负荷下工作。
本发明的冷却剂3还可以提高电击穿强度。可以预料电击穿发生在电场强度最高的地方。所说的电场强化具体发生在导体上形成的尖端部、角部或边缘处。介电常数ε高的电介质通常具有较高的击穿强度。为了避免超导体20与低温箱1之间，或超导体的可能处于不同的电势的各部分之间必须形成不适宜的大的间距，将介电常数ε高于冷却液30(如ε(LN2)=1．45)的颗粒32加入冷却液30中。这使冷却剂3的介电常数增加，并提高了电场的屏蔽。
另外，所需要的电场屏蔽通过介电电泳(dielectrophoretic)效应而得到促进。在不很强的可极化流体中，介电常数高的颗粒通过能将它们拉向高绝对场强区的力作用于非均匀电场。因此，颗粒向上面提及的潜在危险区聚集，进一步强化该区域的屏蔽。这也使上面提及的冷却效果增加，例如，在导体的角部，电流分布不均匀地增加和相应地损失。
作为添加剂与冷却液30混合的颗粒32优选由陶瓷材料组成，如，SiO2、Al2O3、SrTiO3、BaSrO3、TiO2、SiC、ZnO和／或在冷却剂温度下(LN2为77K)仅以固体存在的物质，如，H2O、CO2、Ar、甲烷或乙烯。后者的介电常数是1．5(Ar)到2．2(H2O)，对于陶瓷材料可以高达1000(SrTiO3)甚至更高。颗粒表面一定程度的相糙度是有利的。粒径优选为不使颗粒之间相互聚集，其长度通常在1－100μm。悬浮颗粒的比密度优选在冷却液的密度范围之内，后者如液氮为0．8g／cm3，液氧为1．2g／cm3。在另一个优选实施方案中，提供了一些装置以防颗粒沉积，如，在低温箱中安装泵或搅拌器。颗粒物密度优选小于2vol％。
实施例：
一个一侧涂有清漆，另一侧有1mm厚的玻璃纤维环氧树脂层的宽2cm、厚500μm的钢条浸入液氮中，并与电源相接。达到稳定状态直至电流密度为160A，也就是说，产生的热量被冷却剂带走，且电压降保持恒定。
随后，将平均粒径为10μm的Al2O3粉末混入液氮中(2vol％)，重复该实验，这时，最高达到电流密度为200A时仍保持热稳定状态。这相当于冷却效率增加56％!
击穿实验按照IEEE标准1．2／50μs(IEC－60)在液氮中进行。加入小颗粒的雪花和冰晶后，与用纯氮相比，击穿电压提高35％。
总之，若使用本发明的冷却剂，会改善使用基于超导体的单元的经济性。
具体来说，在增加功率时，需要增加冷却效果和击穿强度，这至少部分的可由冷却剂的改进来达到，从而导致单元本身结构设计的节约。
图中数字意义如下：
1．低温恒温箱
20．高温超导体
21．供电导线
3．冷却剂
30．冷却液
31．蒸发的冷却液
32．悬浮或分散的颗粒

Claims (9)

1、一种用于冷却高温超导体(2)的冷却剂，带有冷却液(30)，其特征在于，在冷却液(30)中悬浮或分散有小的颗粒(32)。
2、按照权利要求1的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒(32)是冷却液(30)的凝结核。
3、按照权利要求1的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒(32)具有高于冷却液(30)的介电常数。
4、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒(32)的长度在1－100μm范围。
5、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒(32)的总体积小于冷却液(30)体积的2％。
6、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒由SiO2、Al2O3、SrTiO3、BaSrO3、TiO2、SiC、ZnO或冻结的H2O、CO2、Ar或其混合物组成。
7、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，所述的冷却液(30)由液氮(LN2)组成。
8、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，所述的小颗粒(32)的比密度和冷却液的比密度至少大致上是同一数量级的。
9、按照权利要求2或3的冷却剂，其特征在于，预先采取措施以防止小颗粒(32)沉积。
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