CN210805338U - 一种超导电缆冷却系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超导电缆冷却系统，包括压缩机、预冷机、膨胀机、过冷箱和冷却容器；压缩机具有氖气入口和氖气出口，过冷箱具有过冷腔室，压缩机的氖气出口、预冷机、膨胀机、过冷箱的过冷腔室以及压缩机的氖气入口依次通过管道连接；冷却容器具有用于冷却超导电缆的冷却腔室以及分别与冷却腔室连通的液氮入口和液氮出口，冷却容器的液氮出口和液氮入口之间连接有液氮流通管，液氮流通管穿过过冷箱的过冷腔室。本申请使用循环流动的氖气对液氮进行持续降温，能够有效地维持超导电缆冷却环境的稳定；液氮和氖气均采用闭式循环，基本能够实现液氮的零损耗，极大地减少了液氮的浪费；通过调节压缩机和膨胀机的转速，还可以实现制冷量的调节。

Description

一种超导电缆冷却系统

技术领域

本申请属于超导电缆技术领域，更具体地说，是涉及一种超导电缆冷却系统。

背景技术

超导电缆是超导技术的重要应用之一，它集成了超导材料、低温制冷、电力工程、电缆等多学科技术于一身，是21世纪电力传输的新材料，并以其特有的优势，开始在世界范围内应用。

使用超导材料制作超导电缆，可以在液氮的冷却下低电阻地传送电能，由于液氮的价格低廉，使超导技术的大规模应用成为可能。在超导电力系统中，超导电缆放在盛满液氮的低温绝热管或容器中，由于超导电缆自身有少量的发热，加上外界的漏热，液氮会不断挥发，压力升高，温度也随之上升，但目前普遍采用往低温绝热管或容器中持续补充低温液氮的方式维持超导电缆冷却环境的稳定，这样会浪费较多的液氮。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种超导电缆冷却系统，以解决超导电缆冷却时浪费液氮的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种超导电缆冷却系统，包括压缩机、预冷机、膨胀机、过冷箱和冷却容器；所述压缩机具有氖气入口和氖气出口，所述过冷箱具有过冷腔室，所述压缩机的氖气出口、所述预冷机、所述膨胀机、所述过冷箱的过冷腔室以及所述压缩机的氖气入口依次通过管道连接；所述冷却容器具有用于冷却超导电缆的冷却腔室以及分别与所述冷却腔室连通的液氮入口和液氮出口，所述冷却容器的液氮出口和液氮入口之间连接有液氮流通管，所述液氮流通管穿过所述过冷箱的过冷腔室。

进一步地，还包括换热箱，所述换热箱具有换热腔室和位于所述换热腔室内的换热管，所述预冷机、所述换热管以及所述膨胀机依次通过管道连接，所述过冷箱的过冷腔室、所述换热箱的换热腔室以及所述压缩机的氖气入口依次通过管道连接。

进一步地，连接所述换热管与所述膨胀机的管道穿过所述过冷箱的过冷腔室。

进一步地，还包括第一保温箱，所述换热箱、所述过冷箱和所述膨胀机均设置在所述第一保温箱的内部。

进一步地，所述冷却容器包括外管以及设置在所述外管中的内管，所述内管和所述外管围合形成所述冷却容器的冷却腔室，所述冷却容器的液氮出口和液氮入口分别开设在所述外管的管壁上，所述超导电缆穿过所述内管的内部。

进一步地，还包括第二保温箱，所述冷却容器设置在所述第二保温箱的内部。

进一步地，述第一保温箱连接有抽真空装置；或者，所述第一保温箱的内壁设置有珠光砂保温板。

进一步地，所述第二保温箱连接有抽真空装置；或者，所述第二保温箱的内壁设置有珠光砂保温板。

进一步地，所述液氮流通管上设置有液氮泵。

进一步地，所述管道和/或所述液氮流通管上设置有流量控制阀。

本申请的有益效果在于，通过形成封闭的第一循环回路和封闭的第二循环回路，分别供氖气和液氮流动，且第一循环回路中流动的氖气能够对第二循环回路中的流动的液氮持续降温，使液氮在由液氮入口进入冷却腔室冷却超导电缆之前处于过冷态，维持超导电缆冷却环境的稳定，能够有效地对穿过冷却腔室的超导电缆进行持续冷却；使用沸点和熔点更低、密封性较好不易泄漏的氖气对液氮进行持续降温，能够有效地维持超导电缆冷却环境的稳定；液氮和氖气均采用闭式循环，基本能够实现液氮的零损耗，极大地减少了液氮的浪费；通过调节压缩机和膨胀机的转速，还可以实现制冷量的调节。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的结构示意图。

其中，图中各标记为：

1、压缩机；2、预冷机；3、膨胀机；4、过冷箱；5、冷却容器；6、氖气入口；7、氖气出口；8、过冷腔室；9、管道；10、冷却腔室；11、液氮入口； 12、液氮出口；13、超导电缆；14、液氮流通管；15、换热箱；16、换热腔室； 17、换热管；18、第一保温箱；19、外管；20、内管；21、第二保温箱；22、液氮泵；23、流量控制阀。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，一种超导电缆冷却系统，包括压缩机1、预冷机2、膨胀机3、过冷箱4和冷却容器5。压缩机1具有氖气入口6和氖气出口7，过冷箱4具有过冷腔室8，压缩机1的氖气出口7、预冷机2、膨胀机3、过冷箱4的过冷腔室8以及压缩机1的氖气入口6依次通过管道9连接或连通，形成供氖气流通的第一循环回路。冷却容器5具有具有用于冷却超导电缆13的冷却腔室10以及分别与冷却腔室10连通的液氮入口11和液氮出口12，冷却容器5的液氮出口12和液氮入口11之间连接有液氮流通管14，液氮入口11、冷却腔室10、液氮出口12和液氮流通管14依序连通形成供液氮流通的第二循环回路，且液氮流通管14穿过过冷箱4的过冷腔室8。

工作时，氖气由氖气入口6进入压缩机1，经压缩机1压缩后，压力增加且温度升高，形成高压氖气并由氖气出口7排出；经过管道9进入预冷机2进行冷却，再经过管道9进入膨胀机3，在膨胀机3内，高压氖气迅速膨胀，压力降低，氖气对外做功导致温度急剧下降；由膨胀机3排出的氖气作为低温流体进入过冷箱4的过冷腔室8，为穿过过冷腔室8的液氮流通管14中流动的液氮降温，将液氮冷却至过冷态(温度在-196℃至-206℃之间)；为液氮流通管14中流动的液氮降温后的氖气温度升高，经过管道9由氖气入口6再次进入压缩机1，使氖气在第一循环回路中循环流动，为穿过过冷腔室8的液氮流通管 14中流动的液氮持续降温；同时，液氮在第二循环回路中循环流动，对穿过冷却腔室10的超导电缆13进行持续冷却。

本申请采用氖气膨胀做功制冷的方式，实现对液氮的过冷冷却，从而维持超导电缆13冷却环境的稳定。通过形成封闭的第一循环回路和封闭的第二循环回路，分别供氖气和液氮流动，且第一循环回路中流动的氖气能够对第二循环回路中的流动的液氮持续降温，使液氮在由液氮入口11进入冷却腔室10冷却超导电缆13之前处于过冷态，维持超导电缆13冷却环境的稳定，能够有效地对穿过冷却腔室10的超导电缆13进行持续冷却。本申请使用沸点和熔点更低 (相比于氮气)、密封性较好不易泄漏(相比于氦气)的氖气对液氮进行持续降温，能够有效地维持超导电缆13冷却环境的稳定；液氮和氖气均采用闭式循环，基本能够实现液氮的零损耗，极大地减少了液氮的浪费；通过调节压缩机 1和膨胀机3的转速，还可以实现制冷量的调节。

进一步的，该超导电缆冷却系统还包括换热箱15，换热箱15具有换热腔室16和位于换热腔室16内的换热管17，预冷机2、换热管17以及膨胀机3 依次通过管道9连接，过冷箱4的过冷腔室8、换热箱15的换热腔室16以及压缩机1的氖气入口6依次通过管道9连接。增加换热箱15之后，压缩机1 的氖气出口7、预冷机2、换热管17、膨胀机3、过冷箱4的过冷腔室8、换热箱15的换热腔室16以及压缩机1的氖气入口6依次通过管道9连接或连通，形成供氖气流通的第一循环回路，换热箱15通过其换热腔室16回收由过冷箱 4的过冷腔室8流出的氖气的冷量，并通过换热管17将冷量传递从预冷机2流动到膨胀机3的高压氖气，预冷机2和换热管17对高压氖气形成二级制冷，进一步降低该高压氖气的温度，并能够充分利用由过冷箱4的过冷腔室8流出的回流氖气的冷量，降低系统的能耗。

进一步的，连接换热管17与膨胀机3的管道9穿过过冷箱4的过冷腔室8。过冷箱4将其过冷腔室8中的氖气的部分冷量通过连接换热管17与膨胀机3 的管道9传递给高压氖气，对高压氖气进一步降温，使预冷机2、换热管17和过冷腔室8对进入膨胀机3之前的高压氖气形成三级制冷，使第一循环回路中流动的氖气在进入膨胀机3之前的降温过程以及在排出膨胀机3之后的升温过程更加均匀，进一步降低系统的能耗。

进一步的，该超导电缆冷却系统还包括第一保温箱18，换热箱15、过冷箱 4和膨胀机3均设置在第一保温箱18的内部，以减小换热箱15、过冷箱4和膨胀机3中流动的氖气的漏热，进一步降低系统的能耗。

进一步的，冷却容器5包括外管19以及设置在所述中的内管20，内管20 和外管19围合形成冷却容器5的冷却腔室10；此时，冷却容器5的液氮出口 12和液氮入口11分别开设在外管19的管壁上，超导电缆13穿过内管20的内部。冷却容器5的结构简单，外管19和内管20之间形成供液氮流动的冷却腔室10，使该冷却腔室10中流动的液氮能够有效地包围穿过内管20的内部的超导电缆13，对超导电缆13进行持续有效的冷却。

进一步的，该超导电缆冷却系统还包括第二保温箱21，冷却容器5设置在第二保温箱21的内部，以减小冷却容器5中流动的液氮的漏热，进一步降低系统的能耗。

具体的，第一保温箱18和/或第二保温箱21连接有抽真空装置，抽真空装置将第一保温箱18和/或第二保温箱21的内部空气抽空，使第一保温箱18和/ 或第二保温箱21的内部处于真空状态，达到保温、减少漏热的目的。第一保温箱18的内壁和/或第二保温箱21内壁还可以设置珠光砂保温板，通过在第一保温箱18的内壁和/或第二保温箱21内壁设置保温材料(珠光砂)，达到保温、减少漏热的目的。

进一步的，液氮流通管14上设置有液氮泵22，使第二循环回路中的液氮在液氮泵22的输送下快速循环流动，提高对超导电缆13的持续冷却效率。膨胀机3可采用透平膨胀机3，透平膨胀机3的效率能达到80％至85％，使系统的制冷效率高、制冷量大，液氮泵22和透平膨胀机3还能连续运行时间可达8000 小时以上，使系统的冷却过程能够连续较长时间，具有较高的可靠性。

进一步的，管道9和/或液氮流通管14上设置有流量控制阀23。通过调节第一循环回路中连接各个部件或设备的管道9上的流量控制阀23的开度，可以控制第一循环回路中氖气的流速，进而控制氖气对液氮的冷却效果；通过调节液氮流通管14上的流量控制阀23的开度，可以控制第二循环回路中液氮的流速，进而控制液氮对超导电缆13的冷却效果。

超导电缆冷却系统在某次实际工作时，在第一循环回路中，氖气由氖气入口6进入压缩机1，经压缩机1压缩后，压力增加且温度升高，形成高压氖气并由氖气出口7排出，此时氖气升温至323K；氖气经过管道9进入预冷机2进行第一次冷却至278K，再经过管道9进入换热箱15的换热管17，换热箱15 的换热腔室16中的回流氖气对换热管17中流动的氖气进行第二次冷却，氖气由换热管17排出时冷却至90K，氖气通过管道9流经过冷箱4的过冷腔室8进行第三次冷却，氖气进入压缩机1前冷却至75K；在膨胀机3内，高压氖气迅速膨胀，压力降低，氖气对外做功导致温度急剧下降，由膨胀机3排出的氖气降温至55K，作为低温流体进入过冷箱4的过冷腔室8，为穿过过冷腔室8的液氮流通管14中流动的液氮降温，将液氮冷却至过冷态，同时过冷腔室8中的氖气的部分冷量用于上述第三次冷却；氖气流出过冷箱4的过冷腔室8后升温至 85K并进入换热箱15的换热腔室16，用于上述第二次冷却；氖气流出换热箱 15的换热腔室16后升温至273K并进入压缩机1再次进行压缩，如此进行循环。在上述过程中，氖气从压缩机1流动至膨胀机3，经过三次逐步冷却，再由膨胀机3回流至压缩机1，经过两次逐步升温，氖气的冷量的利用率高，冷却和升温过程均匀，使系统工作连续可靠并能降低能耗。

在第二循环回路中，液氮由冷却容器5的液氮出口12流出冷却腔室10，通过液氮流通管14进入过冷箱4的过冷腔室8之前为77K，经过过冷腔室8中低温氖气冷却至过冷态，液氮由液氮流通管14流出过冷箱4的过冷腔室8之后为65K，并通过冷却容器5的液氮入口11进入冷却腔室10对超导电缆13进行冷却，再由冷却容器5的液氮出口12流出冷却腔室10，如此进行循环，使冷却容器5的冷却腔室10中的液氮稳定维持在65K至77K，而且温度范围可通过管道9和/或液氮流通管14上的流量控制阀23调节，持续稳定地对超导电缆 13进行冷却。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导电缆冷却系统，其特征在于，包括压缩机、预冷机、膨胀机、过冷箱和冷却容器；所述压缩机具有氖气入口和氖气出口，所述过冷箱具有过冷腔室，所述压缩机的氖气出口、所述预冷机、所述膨胀机、所述过冷箱的过冷腔室以及所述压缩机的氖气入口依次通过管道连接；所述冷却容器具有用于冷却超导电缆的冷却腔室以及分别与所述冷却腔室连通的液氮入口和液氮出口，所述冷却容器的液氮出口和液氮入口之间连接有液氮流通管，所述液氮流通管穿过所述过冷箱的过冷腔室。

2.根据权利要求1所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，还包括换热箱，所述换热箱具有换热腔室和位于所述换热腔室内的换热管，所述预冷机、所述换热管以及所述膨胀机依次通过管道连接，所述过冷箱的过冷腔室、所述换热箱的换热腔室以及所述压缩机的氖气入口依次通过管道连接。

3.根据权利要求2所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，连接所述换热管与所述膨胀机的管道穿过所述过冷箱的过冷腔室。

4.根据权利要求2所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，还包括第一保温箱，所述换热箱、所述过冷箱和所述膨胀机均设置在所述第一保温箱的内部。

5.根据权利要求1所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，所述冷却容器包括外管以及设置在所述外管中的内管，所述内管和所述外管围合形成所述冷却容器的冷却腔室，所述冷却容器的液氮出口和液氮入口分别开设在所述外管的管壁上，所述超导电缆穿过所述内管的内部。

6.根据权利要求1所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，还包括第二保温箱，所述冷却容器设置在所述第二保温箱的内部。

7.根据权利要求4所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，所述第一保温箱连接有抽真空装置；或者，所述第一保温箱的内壁设置有珠光砂保温板。

8.根据权利要求6所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，所述第二保温箱连接有抽真空装置；或者，所述第二保温箱的内壁设置有珠光砂保温板。

9.根据权利要求1所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，所述液氮流通管上设置有液氮泵。

10.根据权利要求1所述的一种超导电缆冷却系统，其特征在于，所述管道和/或所述液氮流通管上设置有流量控制阀。

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