CN1497748A - 高温超导的多级制冷 - Google Patents
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Abstract
一种用来冷却高温超导装置使其维持在超导工作条件的方法，其中第一热传递介质例如第一热传递流体，冷却到高于饱和液氮温度的温度，并用来阻隔环境热量，而第二热传递介质例如第二热传递流体冷却到高温超导温度范围内，以维持超导工作条件。
Description
技术领域
本发明涉及制冷领域，特别是高温超导应用中的制冷。
背景技术
超导是这样一种现象：某些特定的金属、合金以及混合物失去电阻从而具有无穷大的电导率。直到最近，超导仅在稍高于绝对零度的极度低温下才被观测到。将超导体保持在如此低的温度是非常昂贵的，通常需要用到液氦，因此这就限制了这项技术的商业应用。
最近，发现有一些材料在更高的温度下具有超导特性，例如在15至75K的温度范围内。虽然这些材料能够利用液氦或者非常冷的氦蒸汽保持它们的超导温度，但这种冷却方案是非常昂贵的。而且不幸的是，液氮虽然是一个相对廉价的提供低温冷却的方式，但它却不能为大多数高温超导体有效地降到超导温度而提供冷却。
一根由高温超导材料制成的电导线，对于几乎无损失的大量电传输是极有益处的。高温超导材料在30K到50K温度范围内的性能，与通过使用液氮得到的大约80K温度下的性能相比，一般能提高大约一个数量级。
超导系统例如电缆、变压器、故障电流控制器/限制器以及其它的应用，部分依赖于经济廉价的制冷系统的发展。超导系统需要维持在4到80K的温度范围内。然而，系统在环境温度降到超导系统工作温度时需要防止热渗透。低于液氮温度的冷却极其昂贵，因为与液氮级制冷相比，温度需要降的更低。液氮制冷相对廉价，但是它无法为多数高温超导应用提供足够的冷却。
因此，本发明的目的之一是提供一种冷却高温超导装置的方法，通过该方法，可使高温超导装置比现有系统消耗能量更少，费用也更低廉。
发明内容
上述和其它本领域技术人员通过阅读本发明易于得出的目的，可以通过如下所述的本发明来实现：
一种用来冷却高温超导装置的方法，包括：(A)提供一个高温超导装置，所述装置在20到80K的高温超导温度范围内工作；(B)将第一热传递介质冷却到第一温度，所述第一温度高于饱和液氮的温度，并且通过阻止环境热量传递到高温超导装置来加热冷却的第一热传递介质；和(C)将第二热传递介质冷却到第二温度，所述第二温度在高温超导温度范围内，并且通过所述第二热传递介质与高温超导装置的热交换来加热冷却的所述第二热传递介质，从而将高温超导装置的温度维持在高温超导温度范围内。
这里所用的短语“高温超导装置”是指一个电装置如电缆、变压器、故障电流控制器/限制器或磁体，它们维持在超导温度时传输电流的电阻基本上被降为零。
附图说明
图1是本发明一个优选实施方案的示意图。其中，通过一种再循环的多组分制冷剂流体产生制冷，高温超导装置是电缆，用于冷却超导装置的介质是在多个分离循环中流动的流体。
图2是本发明另一个优选实施方案的示意图。其中，通过一种再循环的多组分制冷剂流体产生制冷，高温超导装置是电缆，用于冷却超导装置的介质是在一个由一个泵驱动的整体循环中流动的传热流体。
具体实施方式
本发明可通过在多级而不是仅仅在所需温度上移走热量，而减少将高温超导装置维持在所需温度时所需要的能量，并且，进一步地，当最热级的温度超过大气压下饱和液氮的温度(77K)时，可很大程度减少所需的能量。
本发明将参考附图进行详细描述。任何有效的制冷系统都可用在本发明中为高温超导装置的运行提供冷却。在图1所示的本发明实施方案中，制冷系统是一个使用多组分混合制冷剂流体的单一回路循环系统。多组分制冷剂系统也可以具有内部循环回路，以避免较重的制冷剂组分冻结，或者，也可以具有多于一个的回路。多组分制冷剂流体是包括两种或更多的组分并且可以用来制冷的流体。可用于本发明实施中的多组分制冷剂流体优选地包括下面一组中的至少两种：氟烃(fluorocarbons)、氢氟烃(hydrofluorocarbons)、氢氯氟烃(hydrochlorofluorocarbons)、氟代醚(fluoroethers)、大气气体以及碳氢化合物，例如，多组分制冷剂可以仅由两种不同的碳氟化合物组成。
适用于本发明的一种优选的多组分制冷剂流体优选地包括下面一组中的至少一种组分：氟烃、氢氟烃、氟代醚，以及另一组中的至少一种组分：氟烃、氢氟烃、氢氯氟烃、氟代醚、大气气体以及碳氢化合物。
在本发明的一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氢化合物构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃和氢氟烃构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃、氟代醚和大气气体组成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氢化合物和大气气体组成。最优选的是，多组分制冷剂流体的各组分是氟烃、氢氟烃、氟代醚、碳氢化合物或大气气体。本发明实施中所用的一个特别优选的多组分制冷剂流体的组分由表1列出。
表1
组分
浓度(摩尔百分比)
C3F7-O-CH3 2-10
C3F8 5-25
CF4 10-55
Ar 0-30
N2 1-55
Ne 0-10
根据图1，热的多组分制冷剂流体16，通常在环境温度下，通过压缩机21被压缩到通常在100到2000磅/平方英寸绝对压力(psia)的范围内。得到的压缩制冷剂流体1通过后冷却器50冷却除掉压缩热，然后成为流2进入制冷循环的热交换器系统60中。在图1所示的本发明的实施方案中，热交换器系统60包括标号为61、62、63、64、65和66的六个模块或部分，这些部分从最热(部分61)到最冷(部分66)。尽管在图1中这些部分是分离的部分，但可以理解这些部分中的一些或者全部可以合成一个常规结构。
制冷剂流体通过热交换器部分与返回管路中的加热多组分制冷剂流体进行间接热交换从而被管道冷却，这将在下面进行更完整的描述。在各个热交换器部分之间的冷却制冷剂流体分别被表示为温度逐渐降低的冷却剂流3、4、5、6和7，作为冷却多组分制冷剂流体8从热交换器系统60中流出。然后，冷却多组分制冷剂流体8通过膨胀装置9进行膨胀产生制冷，该膨胀装置可以是等熵膨胀的涡轮膨胀器，也可以是等焓膨胀的焦-汤膨胀阀。接着，所得到的具制冷作用的多组分制冷剂流体10返回热交换器系统60，用于制冷循环的加温支路。同样，图1表示本发明的一个实施例，而不是对发明进行限制，其中代表性或者说典型的温度对应于所示实施方案中的不同的物流。如图1所示，流11、12、13、14和15表示的加热多组分制冷剂流体，最后作为热的多组分制冷剂流体16从热交换器部分61中流出，其温度为60K到300K。
任何高温超导装置都可用于本发明的实施中，例如包括电缆、变压器、故障电流控制器/限制器的高温超导装置。图1所示的本发明的实施方案中，高温超导装置是电缆70。如图1所示，优选地，高温超导装置被多层隔热层保温隔离，该多层隔热层包括外层71和紧靠超导装置的内层72。图1所示的实施方案在隔热层71和72之间还有一个附加隔热层73。高温超导装置在高温超导温度20到80K的范围内工作，优选地，在30到65K范围内。图l所示的实施例中高温超导电缆70在大约65K的温度下工作。
附图所示的本发明实施方案是优选的实施方案，其中热传递介质是热传递流体。可用于实施本发明的其它热传递介质包括导热块料。
可用于实施本发明的热传递流体优选地为从大气气体、碳氢化合物、氟烃、氢氟烃、氟代醚和氢氟化醚(hydrofluoroethers)中选择的种类。可以用多种组分的混合物来组成一种单一的热传递流体，特别是在图2所示的本发明实施方案中仅用一种热传递流体来对每个温度层进行冷却的情况下。
再参看图1，第一热传递流体42，在图1所示的实施例中温度为200K，通过泵22和管道40泵送到第二热交换器部分62，在第二热交换器部分中，它与加热多组分制冷剂14进行间接热交换，从而被冷却超过饱和液氮温度的温度，通常在100到275K范围内。在本实施例中，第一热交换流体被冷却到190K。可用作实施本发明的第一热交换流体的流体实例包括CF4，C3F8，C3F7-O-CH3，CF4和C3F8的混合物以及C3H6和C4H10的混合物。随后，冷却的第一热传递流体41被用来阻止环境热量传递到高温超导装置。在图1所示的本发明实施方案中，冷却的第一热传递流体41传递到并通过外隔热层71和内隔热层72之间的隔热组件74。在这过程中，第一热传递流体加热成热传递流体流42，再循环回到泵22。
图1所示的本发明实施方案中的第二热传递流体48，被输送到泵24，其组分与第一热传递流体不同。可用作本发明的第二热传递流体的例子包括氩气、氧气和氩气的混合物、氮气和氧气的混合物、氮气和氩气的混合物、和N2和CF4的混合物。在图1所示的本发明的实施方案的实施例中，第二热传递流体流48的温度为67K。第二热传递流体由泵24通过管道46被输送到第六或者说最冷热交换器部分66，在这里，它与加热多组分制冷剂流体10进行间接热交换，从而冷却到高温超导温度范围内。在本实施例中，第二热传递流体被冷却到65K。然后，冷却的第二热交换流体47通过与高温超导装置进行直接或间接的热交换而被加热，从而将高温超导装置保持在高温超导温度范围内。在图1所示的本发明实施方案中，已冷却的第二热传递流体47传递到并通过内隔热层72与超导电缆70之间的隔热组件74。在这过程中，第二热传递流体加热成热传递流体流46，再循环回到泵24。
渗透入高温超导装置的热量可被阻挡在位于第一热传递流体温度和第二热传递流体温度间的一个或多个温度。图1所示的本发明实施方案中使用了一个这样的中间冷却循环。在这个实施方案中，与第一热传递流体和/或第二热传递流体组成相同或不同的第三热传递流体45，流到泵23。用作实施本发明的第三热传递流体的流体实例可包括CF4、CF4和C3F8的混合物、Ar和CF4的混合物、N2和Ar的混合物、N2和CF4的混合物、和CH4和C2H6的混合物。在图1所示的本发明实施方案的实施例中，第三热传递流体流45的温度为100K。第三热传递流体从泵23经管道43流到第四热交换器部分64，在这里，与加热多组分制冷剂流体12进行间接热交换，从而冷却到冷却的第一热交换流体温度和冷却的第二热交换流体温度之间的温度。在这个例子中，第三热交换流体冷却到85K。接着，冷却的第三热交换流体44被通过隔热层71和73渗透的热量加热。在图1所示的本发明实施方案中，冷却的第三热传递流体44流到并通过内隔热层72与中间隔热层73之间的隔热组件74。在这过程中，第三热传递流体被加热成热传递流体流45，再循环回到泵23。
图2所示的是本发明的另一个实施方案，在该实施方案中，仅用一个热传递流体循环来为高温超导装置的三个温度层提供冷却。在本发明的这个实施方案中，可用作热传递流体的流体实例包括空气，氖气，N2和CF4的混合物，N2、CF4和C3F8的混合物，N2和Ar的混合物，N2和O2的混合物，和Ar和O2的混合物。该实施方案仅使用一个泵来驱动热传递流体通过所述循环，而不是图1所示实施方案中使用三个单独的泵。图2中与图1相同的附图标记代表相同的部件，在此不再赘述。
参见图2，热传递流体140流过热交换器部分62，在那里与加热多组分制冷剂14进行间接的热交换，从而被冷却到第一温度，该温度高于饱和液氮的温度，并通常在100到275K的范围内。得到的热传递流体141被分成流150和52。在该实施方案中，流150是第一热传递流体，并且如前面图1所示的实施方案一样用来对高温超导装置进行处理。流52通过阀53后成为流143，然后通过热交换器部分64，在那里与加热多组分制冷剂流体12进行间接热交换，从而被冷却到中间温度。得到的热交换流体144被分成流51和54。流51是第三热传递流体，并且如前面图1所示的实施方案一样用来对高温超导装置进行处理。流54通过阀55后成为流146，然后被输送到热交换器部分66，在那里与加热多组分制冷剂流体10进行间接热交换，从而被冷却到高温超导温度范围内的一个温度。得到的热传递流体147在本实施方案中是第二热传递流体，并且如前面图1所示的实施方案一样用来对高温超导装置进行处理。热的第一和第三热传递流体从超导装置组件74中分别以流142和145流出，并且流142通过阀56后成为流57。这些流与包括来自超导装置组件74的被加热的第二热传递流体的流148会合形成合并的热传递流体流149，流149再被输送到泵122以完成热传递流体循环。
尽管根据某些优选的实施方案对本发明做出了详细的描述，但本领域的技术人员可以认识到，仍有其它一些实施方案也落在本发明权利要求的范围内。例如，可用一个多级的布来顿(Brayton)循环代替多组分制冷剂流体循环，来为第一和第二热传递介质提供冷却。
Claims (10)
1.一种用来冷却高温超导装置的方法，包括：(A)提供一个高温超导装置，所述装置在20到80K的高温超导温度范围内的温度下工作；(B)将第一热传递介质冷却到第一温度，所述第一温度高于饱和液氮的温度，通过阻止环境热量传递到高温超导装置来加热冷却的所述第一热传递介质；和(C)将第二热传递介质冷却到高温超导温度范围内的第二温度，通过所述第二热传递介质与高温超导装置的热交换来加热冷却的第二热传递介质，从而将高温超导装置的温度维持在高温超导温度范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一热传递介质包括第一热传递流体，第二热传递介质包括第二热传递流体。
3.如权利要求2所述的方法，其中用一个外隔热层和一个内隔热层对高温超导装置进行隔热，内隔热层置于比外隔热层更靠近高温超导装置的位置。
4.如权利要求3所述的方法，其中冷却的第一热传递流体在内隔热层和外隔热层之间通过。
5.如权利要求3所述的方法，其中冷却的第二热传递流体在内隔热层和高温超导装置之间通过。
6.如权利要求2所述的方法，其中第一热传递流体在第一循环中循环流动，第二热传递流体在与所述第一循环分离的第二循环中循环流动。
7.如权利要求2所述的方法，其中第一热传递流体和第二热传递流体在一个整体回路中循环。
8.如权利要求2所述的方法，还包括将第三热传递流体冷却到第三温度，所述第三温度大于所述第二温度小于所述第一温度，并且通过与高温超导装置的间接热交换加热冷却的所述热传递流体。
9.如权利要求1所述的方法，其中高温超导装置是电缆。
10.如权利要求2所述的方法，其中第二热传递流体与第一热传递流体的组成不同。
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