CN1806153B - 用于高温超导体装置的低温冷却的方法和设备 - Google Patents

用于高温超导体装置的低温冷却的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于为HTS装置(24)、特别是用于高电压电力用途的HTS装置提供低温冷却的方法和设备。该方法包括将液体制冷剂(46、48)加压至高于一个大气压，从而改进其介电强度，同时将液体制冷剂过冷却至低于其饱和温度，从而改进装置HTS元件(24)的性能。使用这种冷却方法的设备(10)由以下各部分组成：包括加压气态制冷剂区(44)和过冷液态制冷剂浴的容器；与气态制冷剂排气装置(30)连结的液体制冷剂加热装置(52)，这些连结的装置用来将制冷剂的压力保持在使液体制冷剂具有最佳介电强度的范围；并用来将液体制冷剂(46、48)的温度保持在其沸点以下，以便改进装置(10)中所用的HTS材料(24)的性能。

Description

用于高温超导体装置的低温冷却的方法和设备
优先权要求
本申请要求此前2003年6月19日在美国提交的国际申请第10/465,089号的优先权。
技术领域
本发明一般地涉及用于高温超导体(HTS)设备的低温冷却系统，更具体地涉及用于具有高电压电力用途的HTS装置的低温冷却系统。
技术背景
有一种使用液氮的性质进行低温冷却的HTS冷却系统。通常液氮的使用压力为1个大气压(0.1兆帕)，在此压力下，其工作温度(沸点)为77K。然而。由于HTS材料的临界电流密度在低于77K的温度下会显著提高，已经开发出了方法，通过控制液氮的操作环境来降低其温度。图1是典型物质的p(压力)-T(温度)图，图中显示了该物质p，T的关系和三相(固相、液相和蒸气/气相)。对于氮，“三相点”约为12.53千帕、63.15K。这说明降低液氮的压力，其沸点可降低至大约63K，低于该温度时会形成固态氮。在美国专利第5,477,693中提供了一个使用液氮的这种性质达到更低操作温度的例子。该专利描述了一种方法，在此方法中用真空泵对包含液态氮和气态氮的制冷密封容器(低温恒温器)中的气态氮区域进行抽气。抽气减小了液氮浴的压力，从而将其温度(沸点)降至77K以下。这样，超导体的性能，即其临界电流电平获得了明显提高。
尽管现有技术通过降低液氮的压力降低了其沸点，从而提高了HTS材料的性能，但是其代价是显著降低了液氮的介电强度，从而使这种冷却系统不适合用于高电压HTS用途。通常，用于高电压HTS装置的液体制冷剂基的冷却系统很大程度地依赖于作为主要电绝缘介质的液氮的介电性质。有两个影响液氮介电性质的主要因素。一是液氮的固有介电强度，该固有介电强度是由压力决定的。图2显示了液氮的介电强度与压力的关系。当压力低于1个大气压(0.1兆帕)时，介电强度急剧减小，最佳值位于0.3兆帕-0.5兆帕。另一个主要因素是液氮中产生的气泡。气泡，特别是大尺寸的气泡会降低液氮的介电强度。当浸入液氮中的物体被加热至高于液氮沸点的温度时，会产生气泡。液氮沸点的降低会使得气泡更容易产生。因此，通过减小液氮压力来降低液氮温度的方法在决定液氮介电强度的这两个因素中都会造成负面影响。因此基于这种方法和类似方法的冷却系统都不适合用于高电压HTS用途。
发明内容
简而言之，根据本发明，提供了一种用于HTS装置的液体制冷剂基低温冷却系统的设计方法，该方法的特征为液体制冷剂具有较低的操作温度，从而提高了HTS材料的临界电流密度，同时该方法很大提高了液体制冷剂的介电强度，使得该低温冷却系统适用于高电压用途。这种方法包括以下步骤：将加压的制冷剂保存在制冷剂密封容器中，该密封容器中包含这种制冷剂的液态区域和气态区域。它还包括以下步骤：使用低温冷却装置将部分或所有液体制冷剂保持在等于或低于其沸点的温度，该温度位于其过冷温度范围以内。
根据本发明的一个方面，在实施该方法时，提供了一种低温冷却系统，该系统具有内部容器、至少一个HTS器件和外部容器。将外部和内部容器之间的空间保持在真空之下，并用多层绝缘(MLI)材料围绕内部容器，使其对辐射热负荷绝缘。内部容器装在外部容器之内，内部容器中装有液体制冷剂。在液体制冷剂上方是制冷剂的气态区，将其加压至高于一个绝对大气压。其中有液体加热装置和排气装置在原位(be in place)控制并保持内部容器中的压力。为解决该低温冷却系统的高电压绝缘问题，用介电材料制成的桶形或类似的结构围绕在HTS周围遍及整个低温恒温器，以确保足够的高电压绝缘性。另外，在整个液体制冷剂区域设置具有小筛目尺寸的网，用来破碎在设备操作过程中产生的大尺寸气泡。该低温冷却系统的另一特点是在内部容器内的四周安装的传热板，该传热板将液体制冷剂分为两个区域。板以下的区域过冷至能够改进HTS性能的温度。板以上的区域为缓冲区，在此区域内，在液态区和气态区之间的界面与缓冲区和过冷液体区之间的界面之间产生温度过渡。热转移板还将来自温度过渡缓冲区和过冷区的热量传递给低温制冷器(低温冷却器)之类的冷却装置。用低温冷却器将板以下区域的温度保持在过冷液体温度的范围，即在此压力下的沸点温度至所述液体制冷剂的三相点温度。
在本发明的一个实施方式中，本发明的低温冷却系统还包括连接于传热板上，用来促进向低温冷却装置传热的双金属界面。在另一实施方式中，本发明的系统还包括用于内部容器和低温冷却装置之间界面的真空空间和用来保持真空空间的相应装置，所述真空空间和用来保持真空空间的相应装置独立于外部容器的真空空间以及用来保持外部容器真空空间的相应装置。
附图说明
参照附图阅读以下详述，可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在这些附图中，相同的数字表示相同的部件。其中：
图1是显示物质在不同压力和温度条件下相变的典型的p-T图。
图2是液氮的介电强度与液氮所处绝对压力的关系图。
图3显示本发明低温冷却系统的一个实施方式。
图4是本发明低温冷却系统的一个实施方式中所用制冷剂状态的示意图。
图5是显示不同热量输入负荷下液氮温度梯度层(TGL)厚度的图，其中液氮大部分处于静止状态。
图6是显示液氮TGL厚度与蒸气区和TGL区域中的各种热负荷关系的图，其中液氮大部分处于静止状态。
具体实施方式
本发明一般地涉及用于具有高电压用途的HTS装置的低温冷却系统，但是该低温冷却系统也可用于具有其它一般目的的HTS装置。提供这种低温冷却系统的方法包括：将包括液体区域和气体区域的加压制冷剂区域保持在高于一个绝对大气压的压力。该方法还包括使用低温制冷器(低温冷却器)之类的冷却装置，将部分或全部的液体制冷剂区域保持在低于其沸点的温度(过冷)。
简而言之，根据本发明，提供了一种用于HTS装置的液体制冷剂基低温冷却系统的设计方法，该方法的特征为液体制冷剂具有较低的操作温度，从而提高HTS材料的临界电流密度，同时该方法能显著提高液体制冷剂的介电强度，使得该低温冷却系统适合用于高电压应用。这种方法包括以下步骤：将加压的制冷剂保存在制冷剂密封容器中，该密封容器中包含这种制冷剂的液态区域和气态区域。它还包括以下步骤：使用低温冷却装置将部分或所有液体制冷剂保持在等于或低于其沸点的温度，该温度位于其过冷温度范围以内。
根据本发明的一个实施方式，在实施该方法时，提供了一种低温冷却系统，该系统具有内部容器、至少一个HTS器件和外部容器。所述外部容器中装有饱和的液体制冷剂，该液体制冷剂为内部压力容器中所含的液体制冷剂浴提供过冷装置。将外部和内部容器之间的空间保持在真空之下，并用多层绝缘(MLI)材料围绕内部容器，使其对辐射热负荷绝缘。内部容器封装在外部容器之内，内部容器中装有液体制冷剂。在液体制冷剂上方是制冷剂的气态区，将其加压至高于一个绝对大气压。其中有液体加热装置和排气装置在原位控制和保持内部容器中的压力。通过加热使液体制冷剂沸腾并蒸发至气相空间，从而增大压力。通过排气将气态的制冷剂释放到外部大气中，从而减小容器中的压力。可以用自动化的监控和反馈系统来控制这些加热和排气过程。如上所述，气泡，特别是大尺寸的气泡会降低液氮的介电强度。当浸入液氮中的物体被加热至高于液氮沸点的温度时，会产生气泡。通过加压能升高液氮的沸点。沸点升高会使气泡更难以产生，从而改进了液体制冷剂的介质性质。为进一步解决该低温冷却系统的高电压绝缘问题，用介电材料制成的桶形或类似结构围绕在HTS周围遍及整个低温恒温器，以确保足够的高电压绝缘性。另外，可以在整个液体制冷剂区域设置具有小筛目尺寸的网，如果在设备操作过程中产生大尺寸气泡，它们会被网破碎。该低温冷却系统的另一特点是在内部容器内的四周安装的传热板，该传热板将液体制冷剂分为两个区域。板以下的区域过冷至能够改进HTS性能的温度。板以上的区域为缓冲区，在此区域内，在液态区和气态区之间的界面与缓冲区和过冷区之间的界面之间产生温度过渡。热转移板还将来自温度过渡缓冲区和过冷区的热量传递给低温制冷器(低温冷却器)之类的冷却装置。用低温冷却器将板以下区域的温度保持在过冷液体温度的范围，即在此压力下的沸点温度至所述液体制冷剂的三相点温度。如果液体制冷剂过冷到低于其三相点的温度，会开始形成固态的制冷剂，这可能是所需的结果，也可能不是。在使用低温冷却器达到过冷的情况下，这种做法是不希望有的，这是由于在等于或低于三相点的温度，固态制冷剂开始在围绕低温冷却器的界面形成，显著降低低温冷却器的冷却性能。
图3显示了本发明设备的一个实施方式。本发明的低温冷却系统10包括外密封容器12、安装在外密封容器12之内的内密封容器18、与内部容器气体连接的排气孔30、与内部容器电连接和机械连接的高电压套管14以及与内部容器热连接和机械连接的低温冷却器20。高电压套管14可用来为HTS24供应电流，该套管14与供电网(grid)之类的外部高压电源相连。HTS24与HTS支架32相连，HTS支架32又与传热介质26相连。在内部容器的四周安装铜环36，该铜环牢固地固定在传热介质26上。将内部容器支架34连接在内部容器18上。HTS 24可以是美国专利申请第2003/0021074A1号所述的矩阵故障限流器(MFCL)HTS组合件，这个专利转让给本发明的受让人，该专利引入本文作为参考。
将外部容器12和内部容器18之间的空间保持在真空下，并用多层绝缘(MLI)材料22围绕内部容器18，使其对辐射热负荷具有绝热性。
内部容器排气孔30能为内部容器18排出气体，从而降低内部容器18中的气体压力。另外，可使用辅助气体蒸发加热器52加热液体制冷剂使其沸腾，从而提高内部容器18中的压力。低温恒温器的这两个方面构成了本发明用来在内部容器18中达到最佳压力的压力控制的基础，将在本文中对其进行进一步描述。
可以确定内部容器18的尺寸，从而提供足够的冷却能力以满足HTS24的冷却要求。
内部容器18装有制冷剂，内部容器具有液态区域和气态区域。在一示例性的实施方式中，制冷剂为氮，并将其加压至0.3兆帕，从而使其达到如图2所示的最佳介电强度。液氮中的气泡，尤其是大尺寸的气泡会降低其介电强度。当HTS 24中产生的热量使其温度高于其浸入的液氮的沸点时，会产生气泡。增大低温恒温器中的压力也会提高液氮的沸点温度。当氮气压力保持在0.3兆帕时，液氮的沸点从0.1兆帕时的77K上升至88K。这使得气泡难以产生，从而改进了液氮的电绝缘性质。另外，为了防止在HTS24和内部容器18之间发生电击穿，用介电介质作为电绝缘屏障环绕HTS 24。其它改进低温冷却系统的高电压绝缘性能的方法包括将由介电材料制成的网形结构的桶(bucket)、管、箱、网或类似的物体布置在其中，如果在设备操作过程中产生气泡，便用这些装置能使气泡破碎。选择足够小的这种网状结构的网眼大小，使得穿过这些网的气泡都变得足够小，从而基本不会降低液氮的介电强度，不会使HTS24与其周围环境之间产生任何电压绝缘击穿。在一个示例性实施方式中，网眼直径最高可达5毫米。
在0.3兆帕压力下，在液态氮和气态氮界面42的表面温度为沸腾液氮的沸腾温度(饱和温度)88K。液氮区又进一步被传热介质26分为两个区域。板26之下的液态区域为过冷区48，板26之上的区域为热缓冲区46。用低温冷却器20将过冷区48的温度保持在大约65K。将HTS24浸没在过冷液体冷却剂区域中。由于降低了的操作温度(65K)，HTS 24的性能，即临界电流密度值会获得显著的改进。所述低温冷却器可以为封闭循环低温冷却器，它选自Gifford-McMahon制冷设备或脉冲管制冷设备或这两种的组合。
从88K的液/气表面42至65K的传热板26之间具有温度过渡。在液/气界面42同时发生液体蒸发和气体凝聚，如果HTS在其稳态下进行操作，进入低温恒温器的热量和低温冷却器的冷却达到平衡，在此液/气界面上会最终达到平衡状态。根据在区域46中的热负载和模式情况，该区域中的液氮可主要处于静止状态或处于湍流状态。热缓冲区46因而将过冷区48与区域46中的活动(event)隔开。
在此例子中，传热介质26由导热性极好的铜制成，其表面上具有一些孔(未显示)，以便于两个液氮区域之间的传热，以及这两个区域向低温冷却器20的传热。尽管本发明的低温冷却系统中并不需要传热板26，传热板26的存在仍然可以显著改进这种系统的传热性能。传热介质26可以为板、环、杆或类似的结构，这种传热介质由铜或类似的金属制成，优选由铜和铜合金制成，用来促进从制冷剂区域向低温冷却装置的传热。
总之，本发明具有几个更适于高电压应用、同时能够改进HTS材料性能的特征。对制冷剂的加压可以使制冷剂具有其最佳的介电强度，同时使HTS所处的液体制冷剂区域过冷，从而增大HTS材料的临界电流密度。
接下来描述本发明低温冷却系统的热缓冲区或温度梯度层(1evel)(TGL)46区域中的液体制冷剂大部分处于静止状态的情况。如果向TGL的总热漏失较低，并且在此区域内几乎没有或没有对流传热，便会存在这种情况。此示例性实施方式假定液氮为冷却介质，将其加压至0.3兆帕绝对压力(在此压力下液氮的沸点约为88K)，过冷液氮区域的温度约为65K。再来看图3的示例性系统的构成。下文将描述液体表面42向传热介质26的传热机制。任何流入气体区域44的热量、如未立刻传出气态区域，会提高气体的温度。在气/液界面42，气体会在制冷剂的表面凝结。然后凝结热量会通过TGL46的传热传递到被低温冷却器20所保持的过冷液氮区48。由于有效设定了较高温度(88K)和较低温度(65K)，TGL46的厚度以及其被铜环36限定的表面积决定了可通过该层传递的热量的量。如果热量输入大于某种TGL46厚度所设定的热传导值，多余的热量会蒸发制冷剂，减小TGL厚度，从而增加传热速率，直至达到新的平衡。如果热量输入小于通过TGL46的热传导值，会有净的凝结，从而增大TGL厚度。其结果是，对于从表面42至传热介质26的特定热负荷，会达到最佳的平衡TGL厚度(Lopt)。层厚“L”增加的时间关系表示为凝结造成的TGL增加减去热负荷“Q”引起的蒸发造成的TGL减少，其数学表示为：
dL/dt＝k×(S/L)×ΔT×1/(Sα)-Q/(Sα)，其中k＝液体制冷剂的热导率(对于液氮，k＝1.5毫瓦/厘米/K)；
其中S＝TGL的表面积(当表面42的直径为100厘米时，表面积为π/4×1002平方厘米)；
其中ΔT＝TGL的上界面和下界面之间的温差(88K-65K＝23K)；
其中，α＝气态/液态制冷剂的气化热或冷凝热。
当dL/dt＝0时，TGL具有最佳厚度，求出Lopt为Lopt＝k×S×(ΔT)/Q。
图5中的图显示了计算的结果，该图显示了TGL达到平衡厚度所需的时间与各种热负荷之间的关系。图5显示了三种不同热负荷的时间变化图60，Lopt表示蒸发和冷凝两条曲线的趋同。图6显示了Lopt与″Q″的曲线图62，其中Lopt是TGL的最佳厚度，″Q″为热负荷。注意在这些计算中，不包括另外的蒸发加热器。
所得的过程是趋同的自反馈系统。然而，对于预期的操作条件，其随时间变化的关系非常慢，从而得到慢响应系统。这表明随着时间进行，温度、压力和制冷剂液面之类的控制参数对变化并不非常敏感。该分析的一个重要的结果是，对于100瓦的情况，最佳的TGL厚度仅为几厘米。由TGL厚度随热负荷增加而减小的趋势可以得出结论，当增加热负荷时，TGL变得对操作参数的变化更加敏感，使体系变为较不稳定的操作状态。
前述的本发明实施方式具有许多特征，包括加压的制冷剂气态区域和过冷液体区域、用来保持压力的加热和排气装置、气泡尺寸抑制装置、以及用于将制冷剂保持在等于或低于其沸点的过冷温度范围内的冷却装置。所有这些特征的性质和效果都使得本发明的低温冷却系统能更有益地用于高电压HTS用途。
尽管本文仅描述并说明了本发明的一些特征，但是本领域的技术人员可对其进行许多修改和变化。因此，应理解所附的权利要求书包括符合本发明真正精神的所有这些修改和变化。另外，在描述本发明时，以液态和气态的氮作为制冷介质。也应当理解在本发明的低温冷却系统中，可以用其它制冷剂代替氮。

Claims (27)

1.一种用于使低温冷却系统(10)达到并保持低温冷却的方法，所述低温冷却系统(10)具有制冷剂密封容器(18)并具有至少一个超导体(24)，所述制冷剂密封容器中装有处于液态的制冷剂和气态的制冷剂，该方法包括以下步骤：
在制冷剂密封容器(18)中保持加压制冷剂区域(44)；以及
用过冷装置(20)将过冷区(48)中的一部分液态制冷剂的温度保持在等于或低于其沸点的温度。
2.如权利要求1所述的低温冷却方法，所述方法还包括以下步骤：将制冷剂的压力保持在高于一个绝对大气压，从而提高制冷剂的介电强度。
3.如权利要求1所述的低温冷却方法，所述方法还包括以下步骤：对液体制冷剂进行加热和沸腾，从而提高气态制冷剂区域(44)的压力。
4.如权利要求3所述的低温冷却方法，其特征在于，所述对液体制冷剂进行加热和沸腾的步骤还包括对热缓冲区(46)中的液体制冷剂进行加热的步骤。
5.如权利要求1所述的低温冷却方法，所述方法还包括以下步骤：对气态制冷剂进行排气，以降低气态制冷剂区域(44)的压力。
6.如权利要求5所述的低温冷却方法，其特征在于，所述对气态制冷剂进行排气的步骤还包括在制冷剂密封容器(18)上使用排气孔(30)。
7.如权利要求1所述的低温冷却方法，其特征在于，所述制冷剂密封容器(18)装在外部容器(12)中，外部容器(12)适合用来保持真空。
8.如权利要求7所述的低温冷却方法，其特征在于，所述外部容器(12)包含饱和的液体制冷剂为内部容器(18)中所含的液体制冷剂提供过冷装置(20)。
9.如权利要求1所述的低温冷却方法，其特征在于，所述过冷装置(20)为封闭循环低温冷却器。
10.如权利要求9所述的低温冷却方法，其特征在于，所述封闭循环低温冷却器是Gifford-McMahon制冷装置。
11.如权利要求9所述的低温冷却方法，其特征在于，所述封闭低温冷却器是脉冲管制冷装置。
12.如权利要求1所述的低温冷却方法，其特征在于，所述过冷装置(20)含有位于外部容器(12)中的饱和液体制冷剂，以对内部容器(18)中的液体制冷剂进行过冷却。
13.如权利要求1所述的低温冷却方法，所述方法还包括以下步骤：保持制冷剂的压力，以升高制冷剂的沸点，从而提高制冷剂产生气泡的温度。
14.如权利要求1所述的低温冷却方法，所述方法还包括以下步骤：在静止液体制冷剂的情况下，使温度梯度层保持最佳厚度，其中，该温度梯度层的最佳厚度由公式k×S×(ΔT)/Q表示，式中“S”是温度梯度层的表面积，式中“ΔT”是温度梯度层两面的温差，式中“k”是温度梯度层中制冷剂的热导率，式中“Q”是通过温度梯度层与气态区域(44)之间界面向温度梯度层输入的热量。
15.一种低温冷却系统(10)，所述系统具有内部容器(18)、至少一个高温超导体(24)和外部容器(12)，内部容器(18)适合于装在外部容器(12)中，并适合于储存液态的加压的制冷剂和气态的加压的制冷剂，该冷却系统包括：
用来沸腾液态制冷剂，从而提高气态区域(44)内压力的液体加热装置(52)；
用来排放气体，从而降低气态区域(44)内压力的排气装置(30)；以及
用来将过冷区(48)中的一部分液体制冷剂保持在等于和低于其沸点的过冷温度范围的低温冷却装置(20)。
16.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述外部容器(12)是真空容器。
17.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述外部容器(12)中装有饱和的液体制冷剂，该液体制冷剂为内部压力容器(18)中所含的液体制冷剂浴提供过冷装置。
18.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述冷却装置(20)为封闭循环低温冷却器。
19.如权利要求18所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述封闭循环低温冷却器选自Gifford-McMahon制冷装置和脉冲管制冷装置。
20.如权利要求18所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述封闭循环低温冷却器包括封闭循环制冷装置和置于外部容器(12)内的过冷液体制冷剂。
21.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括板形、环形或杆形的传热介质(26)，这种传热介质(26)由铜和铜合金制成，以促进热量从制冷剂区域传递给低温冷却装置(20)。
22.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括介电介质，该介电介质将高温超导体(24)包封起来。
23.如权利要求22所述的低温冷却系统(10)，其特征在于，所述介电介质为金属丝网，其中网的网眼尺寸不超过5毫米，以促进热缓冲区(46)和过冷区(48)中气泡尺寸的减小。
24.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括置于内部容器(18)之内，用来在热缓冲区(46)和过冷区(48)内传递热量的传热板(26)。
25.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括包围着内部容器(18)，用来减少向内部容器(18)中的辐射热漏失的多层绝缘物(22)。
26.如权利要求24所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括连接于传热板(26)上，用来促进向低温冷却装置(20)传热的双金属界面。
27.如权利要求15所述的低温冷却系统(10)，所述系统还包括用于内部容器(18)和低温冷却装置(20)之间界面的真空空间和用来保持真空空间的相应装置，所述真空空间和用来保持真空空间的相应装置独立于外部容器(12)的真空空间以及用来保持外部容器(12)真空空间的相应装置。
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