CN1787341B - 用于冷却超导旋转电机的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于冷却超导旋转电机(12)的系统(10)，包括多个设置在邻近超导线圈(26)的转子(28)周围的平衡位置上的密封虹吸管(24)。各密封虹吸管(24)都包括管状体和设置在管状体中的传热介质(40)，其可在电机(12)的运转期间发生相变以从超导线圈(26)中抽取热量。虹吸管热交换器(22)与虹吸管(24)热偶合，用于在电机(12)的运转期间从虹吸管(24)中抽取热量。

Description

用于冷却超导旋转电机的系统和方法
联邦政府资助的研发的相关声明
本发明是根据能源部授予的第DE-FC36-02-GO11100号合同在政府支持下完成的。美国政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及用于超导旋转电机的冷却系统，更具体地涉及一种密封式热虹吸管冷却系统以及使用这种系统来冷却超导转子线圈的方法。
背景技术
超导体是一种在冷却到临界温度之下时可以无电阻地导电的元素、金属间合金或化合物。许多种材料都具备超导性，包括诸如锡和铝的元素、多种金属合金、一些重度掺杂的半导体以及一些陶瓷化合物。在传统的超导体中，超导性是在一些传导电子之间因声子交换而引起的强吸引力所造成的，这会导致传导电子流呈现出由相关电子对构成的超流体相。
超导体用于许多种应用中，包括磁共振成像系统以及发电和送电系统，例如电动机和发电机。超导体中的电阻缺失可使这些设备以高得多的效率运转。高温超导线圈的励磁绕组由易碎的且必须被冷却到临界温度或更低温度下以获得并保持超导性的超导材料形成。
超导线圈可由低温流体如氦、氖、氮、氢等来冷却。然而，很难精确地控制超导线圈周围的液体制冷剂的量。如果线圈周围的液体制冷剂的量太少或处于不够低的温度，那么线圈的冷却就不充分。如果线圈周围的液体制冷剂的量太多或处于所需的温度范围以下，并且不均匀地分布在线圈的周围，那么在电机中将产生旋转不平衡。这可能在某些应用中在给定的高转速和基本半径的条件下导致高径向振动，并且可能会损坏电机。而且，在现有的用于这种电机的低温冷却系统中，冷却系统没有充足的制冷剂储备而能够允许在不关闭电机操作的条件下检修冷却装置，这会导致丧失超导性，以及随后的复杂停机和起动过程。
因此，需要有一种可使液体制冷剂均匀地分布在超导线圈周围的技术。另外，还希望有具备能够对超导线圈提供有效冷却的备用能力的冷却系统。
发明内容
根据本技术的一个方面，提供了一种用于超导旋转电机的冷却系统。该系统包括多个设置在邻近于超导线圈的转子的周围的平衡位置中的密封虹吸管。各密封虹吸管都包括管状体，以及设于管状体中并可在电机运转期间发生相变以从超导线圈中抽取热量的传热介质。虹吸管热交换器与虹吸管形成热偶合，用于在电机运转期间从虹吸管中抽取热量。
根据本技术的另一方面，提供了一种用于冷却超导旋转电机的方法。该方法包括将多个密封虹吸管设置在转子超导线圈的周围的平衡位置中，并通过设于密封虹吸管中的传热介质来从超导线圈中抽取热量。在电机运转期间，通过虹吸管热交换器来从虹吸管中抽取热量。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，可以更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面和优点，在所有图中相同的标号代表相同的部件，其中：
图1是根据本技术的一个示例性实施例的用于超导旋转电机的热虹吸管冷却系统的简图；
图2是根据图1所述的用于超导线圈的热虹吸管冷却系统的简图；
图3是根据图1所述的密封虹吸管的简图；
图4是根据本技术的另一示例性实施例的用于高温超导转子的闭环式蒸发冷却系统的简图；和
图5是说明了在对超导旋转电机进行冷却中所涉及的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
参见图1，图中显示了用于通常为电动机或发电机的超导旋转电机12的热虹吸管冷却系统10。另外，本技术可在运用了超导体的其它系统如医疗成像系统中使用。热虹吸管冷却系统10包括低温制冷系统14、制冷剂输入管16、制冷剂输出管18、输送接头20、虹吸管热交换器22和多个密封的虹吸管24。在所示实施例中，旋转电机12是发电机。在这一实施例中，发电机12具有设置在转子芯28上的超导转子线圈26。超导转子线圈26通过其从电源(未示出)中接收到的电力来产生磁场。如果超导转子线圈26的温度超出临界电流，线圈26将失去其超导性，并且会在超导转子线圈26中导致阻封状态。热虹吸管冷却系统10用来冷却超导转子线圈26，并避免线圈26中的这种过高温度。
低温制冷系统14包括安装在主容器32上的低温冷冻机30，该主容器32用来保持由低温冷冻机30所凝聚的低温流体34的储存体。如本领域中的技术人员所理解的那样，低温冷冻机30可包括Gifford-McMahan型、脉冲管型或任何其它合适的制冷系统，低温流体可以是氮、氖、氢、氦或这些流体的组合，或者任何其它可从发电机12、尤其是从线圈26中抽取充足热量的适当流体。在无法从低温冷冻机30中获得冷却时，储存在主容器32中的液体制冷剂34提供了用来吸收在发电机12处于故障状态期间或在停电期间所增加的热负荷的热缓冲。带有其自身的液体制冷剂34的独立供应源的辅助容器36通过中间热交换器38而与主容器32相连。
多个密封的虹吸管24设置在超导转子线圈26周围的平衡位置。在所示实施例中，两个密封虹吸管24设置在超导转子线圈26周围的沿直径相对的位置。虽然在所示实施例中显示了两个密封虹吸管24，但是可以构思出任意数量的虹吸管。在另一实施例中，虹吸管24包括热管。传热介质40设置在虹吸管24中，并设置成可在发电机12的运转期间发生相变，从而从超导线圈26中抽取热量。在所示实施例中，传热介质40包括两相低温流体(即液相42和气相44)。虹吸管24在其两端处是密封的。虹吸管热交换器22与虹吸管24形成热偶合，用于在发电机12的运转期间从虹吸管24中抽取热量。下面将详细说明虹吸管热交换器22的操作。
制冷剂输入管16和制冷剂输出管18与辅助容器36相连。制冷剂输入管16和制冷剂输出管18通过输送接头20而与虹吸管热交换器22相连。制冷剂输入管16设置成可将液体制冷剂34从辅助容器36供应至虹吸管热交换器22。结果，虹吸管热交换器22被低温流体34冷却。制冷剂输出管18设置成可形成制冷剂蒸气46从虹吸管热交换器22至辅助容器36的流动通道。在一个示例中，可将制冷剂输入管16设置在制冷剂输出管18内，以便最大限度地减小寄生热增益。
辅助容器36中的制冷剂蒸气46通过将热量传递给储存在主容器32中的低温流体34而再冷凝。中间热交换器38提供了辅助容器36中的制冷剂蒸气46和主容器32中的低温流体34之间的热界面。主容器32中的液体制冷剂冷却辅助容器36中的制冷剂蒸气46并使之冷凝。辅助容器36中的制冷剂蒸气46的这种冷凝便于制冷剂流体依靠重力而输送到制冷剂输入管16和输出管18中，并且保持流体在制冷剂输入管16和输出管18中的恒定温度。
在另一实施例中，低温流体可以是单相流体如氦气，并利用叶轮而被迫流经管16，18。在这种情况下，低温流体的流率和低温属性足以将热量从虹吸管热交换器22传递到中间热交换器38。
低温制冷系统14、制冷剂输入管16、制冷剂输出管18、输送接头20、虹吸管热交换器22、多个密封虹吸管24和发电机12都设置在真空外壳48中。真空外壳48设置成可为封装在外壳48内的部件提供热绝缘。为了便于构造，真空外壳48可由若干个独立的真空管构成。
参见图2，图中显示了热虹吸管冷却系统10的详图。如上所述，两个密封的热虹吸管24设置在超导转子线圈26周围的沿直径相对的位置处。密封热虹吸管24中的低温流体经历了蒸发和冷凝，以促进超导转子线圈26的冷却。
在超导转子线圈26和密封热虹吸管24之间设有传热板50。传热板50包括高导热性材料。在所示实施例中，传热板50包括铜板。如本领域中的技术人员所理解的那样，还可以构思出任何其它合适的传热板。传热板50最大限度地减小了转子线圈26和密封热虹吸管24之间的热梯度。传热板50还促进了热量从转子线圈26到虹吸管24的分布，并且有助于热量沿转子线圈26的长度均匀传播。在传热板50和虹吸管热交换器22之间设有热总线52。热总线52设置成提供了传热板50和虹吸管热交换器22之间的热界面。
参见图3，图中显示了密封的虹吸管24。如图所示，两相低温流体40(即液相42和气相44)设置在虹吸管24中。如上所述，各虹吸管24在其两端处是密封的。虹吸管24的与制冷剂输入管16和输出管18相接触的末端被虹吸管热交换器22密封起来，该虹吸管热交换器22设置成可将热量从虹吸管24传递给制冷剂输入管16中的低温流体34。结果，虹吸管24中的低温蒸气44冷凝。转子芯28的旋转和这种旋转所引起的离心力导致液体制冷剂42在虹吸管24中沿纵向和径向方向流动。线圈26所产生的热量使虹吸管24中的液体制冷剂蒸发，将流体转换成气相，由于其相对更低的密度，因此气相流回到虹吸管热交换器22中。沿虹吸管24的轴向温度保持大致恒定，并与液体的蒸发温度相等。这便促进了超导转子线圈26的传热，并还保持了大致等温的线圈温度。
在上述实施例中，热虹吸管冷却系统10能够为发电机的三种操作模式如线圈冷却、停止操作和旋转操作提供冷却。在使发电机12的线圈26冷却下来的期间，主容器32中的低温液体用于冷却辅助容器36和低温输出管18中的低温蒸气并使之冷凝。低温输入管16中的低温液体与和传热板50相连的热总线52热接触，导致线圈26的传导冷却。在停止操作模式的期间，线圈26的蒸发冷却只发生在下方的虹吸管中。线圈的上部通过传热板50来冷却。传热板50将热量从线圈的上部传递到下方的虹吸管，以便冷却线圈。在旋转操作模式的期间，旋转力在虹吸管中的低温液体上产生径向向外的作用力，使得低温液体被迫流到虹吸管的外部。线圈所产生的热量使虹吸管中的低温液体蒸发。低温蒸气流向虹吸管热交换器22。虹吸管中的低温流体的蒸发和冷凝促进了线圈的有效冷却。
上述热虹吸管冷却系统10提供了超导线圈26的被动冷却。结果，液体制冷剂均匀地分布在线圈26的周围，从而消除了电机中的旋转不平衡。不需要用来监测和控制液体制冷剂流入发电机中的主动式控制系统。
参见图4，图中显示了用于高温超导转子56的闭环式蒸发冷却系统54。冷却系统54包括低温制冷系统58、制冷剂输送管60、输送接头62和多个直接冷却管64。冷却系统54包括安装在两腔杜瓦瓶68上的低温冷却式再冷凝冷头66，该杜瓦瓶68用来保持由冷头66所凝聚的低温流体70的储存体。虽然在所示实施例中显示了一个冷头66，但是还可构思出多个冷头。两腔杜瓦瓶68包括第一腔72、第二腔74以及设于第一腔72和第二腔74之间的热交换器76。在所示实施例中，热交换器76包括设有多个翅片80的铜板78。
超导转子56包括设置在转子芯84周围的超导转子线圈82。多个直接冷却管64设置在超导转子线圈82周围的平衡位置中。在所示实施例中，两个直接冷却管64设置在超导转子线圈82周围的沿直径相对的位置处。传热介质86设置在直接冷却管64中，并设置成可在发电机的运转期间发生相变以从超导线圈82中抽取热量。在所示实施例中，传热介质86包括两相低温流体。铜箔88设于直接冷却管64和超导线圈82之间，并设置成可最大限度地减小转子线圈82和直接冷却管64之间的热梯度，以促进转子线圈82的冷却。
制冷剂输送管60与杜瓦瓶的第二腔74相连。制冷剂输送管60经输送接头62与直接冷却管64相连。制冷剂输送管60设置成可将液体制冷剂70从杜瓦瓶的第二腔74供应到直接冷却管64中。制冷剂输送管60还设置成形成了制冷剂蒸气90从直接冷却管64至杜瓦瓶的第二腔74的流动通道。
杜瓦瓶的第二腔74中的制冷剂蒸气90通过将热量传递给储存在杜瓦瓶的第一腔72中的低温流体70而再冷凝。热交换器76提供了杜瓦瓶的第二腔74中的制冷剂蒸气90和杜瓦瓶的第一腔72中的低温流体70之间的热界面。杜瓦瓶的第一腔72中的液体制冷剂70冷却杜瓦瓶的第二腔74中的制冷剂蒸气90并使之冷凝。在所示实施例中，杜瓦瓶的第二腔74中的压力大于杜瓦瓶的第一腔72中的压力。
杜瓦瓶的第一腔72提供了由冷头66维持的液体制冷剂的较大存储量。这允许冷头在不要求电机停机的条件下进行检修。
图5是说明了在对超导旋转电机进行冷却中所涉及的示例性步骤的流程图。总冷却过程由标号92表示。在步骤94中，将多个密封虹吸管设置在处于转子芯周围的超导转子线圈周围的平衡位置中。一般来说，将两个密封虹吸管设置在线圈周围的沿直径相对的位置处。在步骤96中，低温流体的储存体通过低温制冷系统的低温冷冻机而保持在主容器中。低温流体的这种备用能力可在热瞬变状态或停电期间或者在冷却系统停机时保持冷却效果，从而保持转子线圈26的超导性。
在步骤98中，存储在低温制冷系统的辅助容器中的液体制冷剂通过输送管而输送到与密封虹吸管相连的虹吸管热交换器中。在电机的运转期间，电流流过超导线圈并产生磁场。线圈因其环境和操作而被加热。通过设置在虹吸管中的传热介质来抽取这种热量，如标号100所示。如所示，传热介质是低温液体。在从线圈中抽取热量的期间，低温液体发生相变。虹吸管热交换器用作密封虹吸管中的蒸气和输送管中的低温液体之间的热界面。蒸气在密封虹吸管中通过将热量传递给输送管中的低温液体而冷凝。在步骤102中，通过低温输送管将所产生的低温蒸气从虹吸管热交换器输送到辅助容器中。在步骤104中，液体制冷剂冷却辅助容器中的低温蒸气并使之冷凝。中间热交换器用作主容器中的液体制冷剂和辅助容器中的低温蒸气之间的热界面。这可实现依靠重力将低温液体从辅助容器经低温输送管输送到虹吸管热交换器中。
虽然本文只是显示并描述了本发明的某些特征，但是本领域中的技术人员可想到许多改型和更改。因此应当理解，所附权利要求将包括属于本发明的真实精神范围之内的所有这些改型和更改。

Claims (10)

1.一种用于冷却超导旋转电机(12)的系统(10)，所述系统包括：
多个彼此密封并设置在超导线圈(26)和转子(28)周围的平衡位置中的密封虹吸管(24)，所述密封虹吸管通过传热板(50)与超导线圈(26)热接触，各所述密封虹吸管(24)均包括管状体，以及设于所述管状体中并在电机(12)的运转期间会发生相变以从所述超导线圈(26)中抽取热量的传热介质(40)；和
与所述虹吸管(24)热偶合的虹吸管热交换器(22)，用于在所述电机(12)的运转期间从所述虹吸管(24)中抽取热量。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，两个设置在所述超导线圈(26)周围的沿直径相对的位置处的密封虹吸管(24)。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述虹吸管热交换器(22)由低温流体(34)来冷却。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统还包括用于使低温流体(34)保持液态的低温制冷系统(14)，其中所述低温制冷系统(14)包括设置成可保持低温液体(34)的储存体的主容器(32)，以及用于冷却所述虹吸管热交换器(22)的辅助容器(36)，所述辅助容器(36)中的蒸气(46)通过传热给所述低温流体(34)的储存体而被再冷凝。
5.根据权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，所述系统还包括制冷剂输入管(16)，其设置成将所述低温流体(34)从所述辅助容器(36)供应至所述虹吸管热交换器(22)中。
6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述系统还包括制冷剂输出管(18)，其设置成形成了蒸气(46)从所述虹吸管热交换器(22)至所述辅助容器(36)的流动通道。
7.一种用于冷却超导旋转电机(12)的方法(92)，所述方法包括：
将多个密封虹吸管设置在转子和转子超导线圈周围的平衡位置中(94)，所述多个密封虹吸管彼此密封并且通过传热板(50)与所述超导线圈(26)热接触；
通过设于所述密封虹吸管中的传热介质来从所述超导线圈中抽取热量(100)；和
在所述电机的运转期间通过虹吸管热交换器来从所述虹吸管中抽取热量。
8.根据权利要求7所述的方法(92)，其特征在于，所述方法还包括利用低温流体(34)来冷却所述虹吸管热交换器(22)。
9.根据权利要求7所述的方法(92)，其特征在于，所述方法还包括在低温制冷系统的主容器中保持低温流体的储存体(96)。
10.根据权利要求9所述的方法(92)，其特征在于，所述方法还包括通过将热量传递给低温流体的储存体而使所述低温制冷系统的辅助容器中的蒸气再冷凝(104)。
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