CN1942979B - 低温电缆的循环冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种用于低温电缆的循环冷却系统，其中，储池单元可以减小尺寸，且不需要传统的调节机构和调节储池单元内制冷剂量的工作。用于低温电缆的循环冷却系统具有用于容纳制冷剂的储池单元(1)和用于通过从储池单元(1)送出的制冷剂冷却电缆的电缆冷却部分(4)。从电缆冷却部分(4)送出的制冷剂返回到储池单元(1)并进行循环。该循环冷却系统具有制冷剂温度调节机构(2，5)，用于保持储池单元(1)内的制冷剂量处于恒定水平。

Description

低温电缆的循环冷却系统

技术领域

本发明涉及一种诸如超导电缆的低温电缆的循环冷却系统。

背景技术

诸如超导电缆的低温电缆通过诸如液氮或液氦的制冷剂冷却。作为用于这种电缆的循环冷却系统，例如，已知一种在日本专利未审公开8-148044中描述的系统。在这种循环冷却系统中，制冷剂的循环回路是闭合回路，并且制冷剂可以在其不蒸发的状态下循环。

图2示意性示出了该系统。该系统包括储存制冷剂33的储池单元30、压力供给制冷剂33的压力供给泵31、保持储池单元30内预定压力的压力控制装置36、将制冷剂33冷却到预定温度的热交换单元32、将制冷剂33分配(split)到电缆35(存在三根电缆，每根都每示出)中的阀单元34等。

系统重复这样的循环，即，从储池单元30送出的制冷剂33在热交换单元32被冷却到预定温度，并被供给到电缆35，然后再回到储池单元30。

专利文献1：日本专利未审公开8-148044(权利要求和图1)

发明内容

但是，在上述传统循环冷却系统中，相对于电缆35，储池单元30是循环回路的上游，而从储池单元30送出的制冷剂33在热交换单元32冷却到预定温度之后被向电缆35供给。即，由于制冷剂33在冷却电缆35之后返回到储池单元30，由于在电缆35处产生热量而制冷剂33的温度升高，并且由于热膨胀而体积增大。

相应于电缆35处产生的热量，制冷剂33体积也变化。例如，在预期在电缆35处产生大量的热时，制冷剂33相应地需要被充分冷却。在这种情况下，相反，制冷剂33收缩且体积减小。

从而，由于制冷剂33因制冷剂33温度变化而体积膨胀或收缩，且液体体积变化，而储池单元30之外的每个部件，如电缆35的冷却部分和管路的容积不变，制冷剂液体体积变化需要在储池单元30的容量内被吸收。于是，储池单元30的制冷剂存放容量必须被设计成吸收制冷剂33的液体体积的变化，结果，储池单元30需要较大的容量。另外，为了保持储池单元30内的制冷剂量恒定，需要为调节作业而提供制冷剂量的调节机构。尤其是当系统内的制冷剂总量较大，或者系统温度变化较大时，考虑到体积的膨胀和收缩，储池单元需要具有较大的容量，或者需要较大容量的制冷剂量调节机构。

本发明的目的是提供一种低温电缆的循环冷却系统，该系统解决了传统循环冷却系统的问题，并能够使得储池单元较小，且不需要储池单元内制冷剂量的调节机构或者调节作业。

根据本发明的低温电缆的循环冷却系统特征在于该系统具有制冷剂温度调节机构，以保持储池单元内的制冷剂量恒定，从而实现所述目的。

具体地说，根据本发明的低温电缆的循环冷却系统具有存放制冷剂的储池单元和电缆冷却部分，该电缆冷却部分通过从储池单元送出的制冷剂冷却电缆，从电缆冷却部分送出的制冷剂再返回到储池单元以进行循环.本系统的特征在于它具有制冷剂温度调节机构，以保持储池单元内的制冷剂量恒定.

在低温电缆的循环冷却系统中，制冷剂温度调节机构可以包括探测制冷剂温度的传感器和根据传感器的探测结果调节冷却容量的热交换单元。

在低温电缆的循环冷却系统中，探测制冷剂温度的传感器可以位于电缆冷却部分的制冷剂出口附近。

在低温电缆的循环冷却系统中，热交换单元可以位于电缆冷却部分的制冷剂出口和通向储池单元的制冷剂返回入口之间。

在低温电缆的循环冷却系统中，热交换单元的冷却容量的调节可以通过调节操作热交换单元的功率或电源频率来实现。

由于根据本发明的低温电缆的循环冷却系统具有制冷剂温度调节机构，以保持储池单元内制冷剂量恒定，不需要增加储池单元的容量，来吸收制冷剂体积的变化，使得储池单元较小。此外，调节储池单元内制冷剂体积的机构或作业也不再需要。

当探测制冷剂温度的传感器位于电缆冷却部分的出口附近且热交换单元设置于电缆冷却部分的制冷剂出口和通向储池的制冷剂返回入口之间时，热交换单元的冷却容量可以根据电缆发热的变化而更可靠地调节，同时，可以防止因电缆的发热而制冷剂容积变化直接影响储池单元一侧。因此，储池单元内的制冷剂量可以更确实地保持恒定。

此外，当热交换单元的冷却容量的调节通过调节操作热交换单元的功率或电源频率来实现时，与传统系统相比，该热交换单元消耗更少的热量，使得节约能量，在传统系统中，总是在全功率下工作，并且在冷却过度时通过用加热器加热来调节温度。

附图说明

图1示意性示出本发明的低温电缆的循环冷却系统的示例；

图2示意性示出传统的低温电缆的循环冷却系统的示例。

附图标记描述

1，30：储池单元；2，32：热交换单元；3，34：阀单元；4：电缆冷却部分；5：传感器；7，31：压力供给泵；8：旁通阀；9，36：压力控制装置；10：制冷机；11：冷头(cold head)；12：流量计；13：流量调节阀；14：旁通阀；15，16：管路；18：真空隔热容器；20：安全阀；21：单向阀；22：电源；23：功率调节器；C：制冷剂；G：气体；P1，P2：压力表

具体实施方式

保持储池单元内制冷剂量恒定的制冷剂温度调节机构具有保持系统内制冷剂温度恒定的功能。这种机构的一个代表性示例是包括探测制冷剂温度的传感器和根据传感器的探测结果调节冷却容量的热交换单元的机构。根据传感器探测的制冷剂温度的变化增加(当温度要降低时)或减小(当温度要增高时)热交换单元的冷却容量，使得制冷剂温度保持恒定。

探测制冷剂温度的传感器可以是任何类型的，只要该传感器可以提供敏感和正确的探测，即使在低温下.在根据本发明的低温电缆的循环冷却系统中，通常，电缆处发热量的变化对制冷剂温度的变化影响最大.因此，优选的是，传感器设置成靠近电缆冷却部分的出口，这是因为可以快速探测到电缆处发热量的变化，并可以实现制冷剂温度的灵敏调节.

热交换单元也可以是任何类型的，只要该单元具有足够的冷却容量，并且可以根据制冷剂温度的变化对冷却容量进行调节。此外，调节冷却容量的方法没有特别限制，且可以采用通常用在传统冷却系统中的方法，即，其中热交换单元总是在全功率下工作，且在制冷剂温度降低过大时通过用位于热交换单元处的加热器加热来执行调节的方法，其中，热交换单元的全功率大于对应于制冷剂温度所预期的最大变化量的功率。但是，优选的是，冷却容量的调节是通过调节操作热交换单元的功率或电源频率来实现的，由于不需要用加热器加热，因此可以降低冷却所需的能量(功耗)。

电源频率的调节例如是通过逆变器来实现的。热交换单元的冷却能力取决于频率。例如，当60Hz工作变化到30Hz工作时，冷却能力将成为一半。

在根据本发明的低温电缆循环冷却系统中，制冷剂从储池单元被传送到电缆冷却部分。当探测制冷剂温度的传感器位于靠近电缆冷却部分的出口时，例如，热交换单元可以设置在储池单元和电缆冷却部分之间。当在电缆处的发热较大并且靠近电缆冷却部分的温度升高时，热交换单元的冷却能力可以增大，并且可以抑制制冷剂温度的升高。

但是，在这种情况下，由于电缆冷却部分，即，发热部分在热交换单元的下游，不能实现根据电缆处的发热量变化快速调节制冷剂温度，并由此不能实现根据因制冷剂温度变化带来的制冷剂体积变化而进行快速调节。即，即使在电缆处发热量变化带来的制冷剂温度变化，并结果制冷剂体积增加或减小时，体积已经增加或减小的制冷剂本身不能被直接进行温度调节，并且不可能快速解决制冷剂体积变化的问题。于是，难于进行灵敏调节。

从而，优选的是，热交换单元设置在电缆冷却部分的制冷剂出口和通向储池单元的制冷剂返回入口之间。更优选的是，探测制冷剂温度的传感器位于靠近电缆冷却部分的出口，而热交换单元设置在电缆冷却部分的制冷剂出口和通向储池单元的制冷剂返回入口之间。以这种方式，可以实现直接解决电缆处发热变化的热交换单元冷却容量的调节，同时可以更确实地保持储池单元内制冷剂量恒定，而因热膨胀或热收缩带来的制冷剂体积的变化不会直接影响储池单元，这是由于向储池单元提供在热交换单元处被冷却到预定温度的制冷剂。

下面，将参照图1更具体地描述更优选的方式。

作为主要部件，图1中的系统包括储池单元1、热交换单元2、阀单元3、电缆冷却部分4和探测制冷剂温度的传感器5(下面称为传感器5)。

储池单元1是一个封闭的容器，以存储制冷剂C，并包括循环制冷剂的压力供给泵7和压力控制装置9。制冷剂C由压力供给泵7加压而进行循环，并且通过储池单元内的旁通阀8调节制冷剂的排放压力。对于压力供给泵7，可以使用即使在循环回路中制冷剂压力降低的情况下也能提供所需的流量的泵。

压力供给泵7可以独立地设置在储池单元1的外侧。但是，当如本示例中那样泵设置在储池单元1之内时，可以共享真空隔热容器(vacuuminsulated container)，并且可以降低系统的制造成本。要指出的是，P1是压力表，来测量储池单元1内的压力，P2是压力表，来测量压力供给泵7的排放口的压力，20是安全阀，以保护储池单元1免于过压危险，而21是单向阀，以防止气体等进入储池单元1内。

压力控制装置9提供气体G，以保持储池单元1内的压力几乎恒定，并保持制冷剂C处于制冷剂处于不蒸发的状态。但是，压力控制装置不是本发明中必不可少的。对于要提供的气体G，可以使用比制冷剂低沸点或三态点的气体。当制冷剂C是液氮时，例如可以使用氦。

在上述传统循环冷却系统中，可以提供保持储池单元1内制冷剂量的自动制冷剂供给机构(液面计和根据测量结果工作的供应器的结合)。但是，在本发明中基本上不需要这种机构。

阀单元3具有将通过管路15从储池单元1送来的制冷剂C分开以提供到电缆冷却部分4的功能。在本示例中，为了均匀地将制冷剂C提供到位于电缆冷却部分4内的三相电缆，制冷剂C被分成三个分支，并且为每个分支提供流量计12、流量调节阀13和旁通阀14。

通过阀单元13送来的制冷剂C被提供到电缆冷却部分4。在本示例中，制冷剂C从电缆冷却部分4的一端被提供，在另一端，对应于三相的制冷剂C的三个分支接合成一股，以排出并然后返回到热交换单元2侧。

在电缆冷却部分4内，相应的电缆被制冷剂C冷却，同时制冷剂C由于电缆的发热而温度升高。温度升高量取决于电缆发热量的变化(即，电流变化)而变化。

靠近电缆冷却部分4的制冷剂出口设置的传感器5探测制冷剂C的温度，并且测量结果反馈到热交换单元2的功率调节器23。从传感器5送出的制冷剂C通过管路16被送往热交换单元2。

热交换单元2将从传感器5送来的制冷剂C冷却到预定温度。在本示例中，制冷机10的冷头11保持与Cu块接触，并且制冷剂C的传输管绕Cu块缠绕，以通过固体热传到进行热交换。此外，虽然在本示例中使用一个热交换单元2，但是当一个单元的冷却能力不足时，可以串联两个或多个单元。

在本示例中，热交换单元2设置在传感器5的出口侧管路16的下游、制冷剂C的通向储池单元1的返回管路的上游。即，该热交换单元2位于电缆冷却部分4的制冷剂出口和通向储池单元1的制冷剂返回入口之间。

从用于热交换单元的电源22给制冷机10提供能量来工作。在电源22和制冷机10之间设置功率调节器23，用于操作热交换单元2。如上所述，由传感器5探测的制冷剂温度反馈并控制功率调节器23。从而，热交换单元2的冷却能力被调节，并且通向储池单元1的返回入口的温度被控制为恒定，同时防止了因制冷剂C温度变化带来的制冷剂C的体积变化。对于功率调节器23，可以使用能够任意改变向热交换单元2输入的电源频率的逆变器。

要指出的是，当在发热部分，即电缆冷却部分4与热交换单元2之间存在的制冷剂量较大时，因制冷剂的热膨胀或热收缩带来的制冷剂体积变化变大。于是，优选的是，这种制冷剂的量较小，且热交换单元2靠近电缆冷却部分4，即，靠近传感器5的出口定位。

从热交换单元2送出的制冷剂C通过管路15返回到储池单元1。

储池单元1、热交换单元2和阀单元3单独容纳在真空隔热容器18内，而构成循环回路的管路15、16覆盖有真空隔热层。从而，冷却系统整体的热损失可以很小。要指出的是，每个单元1、2、3、15和16可以整体真空隔热，而不必单独进行。

工业应用性

根据本发明的低温电缆的循环冷却系统用作诸如超导电缆的电缆的冷却系统，这种电缆在由制冷剂冷却的条件下使用。该系统尤其适用于需要缩小尺寸或简化机构的场合。

Claims (5)

1.一种低温电缆的循环冷却系统，具有储存制冷剂的储池单元(1)和由从所述储池单元(1)送出的制冷剂冷却电缆的电缆冷却部分(4)，该系统将从所述电缆冷却部分(4)送出的制冷剂返回到所述储池单元(1)，以再次循环，

其中，该系统具有制冷剂温度调节机构(2，5)，以保持所述储池单元(1)内的制冷剂量恒定；

用于循环制冷剂的压力供给泵(7)设置在所述储池单元(1)中；

所述制冷剂一直处于液体形式。

2.如权利要求1所述的低温电缆的循环冷却系统，其中，所述制冷剂温度调节机构(2，5)包括探测制冷剂温度的传感器(5)和根据所述传感器(5)的探测结果调节冷却容量的热交换单元(2)。

3.如权利要求2所述的低温电缆的循环冷却系统，其中，探测制冷剂所述温度的所述传感器(5)位于靠近所述电缆冷却部分(4)的制冷剂出口。

4.如权利要求2所述的低温电缆的循环冷却系统，其中，所述热交换单元(2)位于所述电缆冷却部分(4)的制冷剂出口和通向所述储池单元(1)的制冷剂返回入口之间。

5.如权利要求2所述的低温电缆的循环冷却系统，其中，所述热交换单元(2)的冷却容量的调节是通过调节操作所述热交换单元的功率或电源频率来实现的。

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