CZ20021672A3 - Kryogenní chladicí systém pro rotor, který má vysokoteplotní supravodivé budicí vinutí - Google Patents

Kryogenní chladicí systém pro rotor, který má vysokoteplotní supravodivé budicí vinutí Download PDF

Info

Publication number
CZ20021672A3
CZ20021672A3 CZ20021672A CZ20021672A CZ20021672A3 CZ 20021672 A3 CZ20021672 A3 CZ 20021672A3 CZ 20021672 A CZ20021672 A CZ 20021672A CZ 20021672 A CZ20021672 A CZ 20021672A CZ 20021672 A3 CZ20021672 A3 CZ 20021672A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
reservoir
rotor
coolant
cryogenic
refrigerant
Prior art date
Application number
CZ20021672A
Other languages
English (en)
Inventor
Evangelos Trifon Laskaris
Original Assignee
General Electric Company
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Company filed Critical General Electric Company
Publication of CZ20021672A3 publication Critical patent/CZ20021672A3/cs

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/005—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for medium-size and small storage vessels not under pressure
    • F17C13/006—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels for medium-size and small storage vessels not under pressure for Dewar vessels or cryostats
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2201/00—Vessel construction, in particular geometry, arrangement or size
    • F17C2201/01—Shape
    • F17C2201/0104—Shape cylindrical
    • F17C2201/0109—Shape cylindrical with exteriorly curved end-piece
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/016—Noble gases (Ar, Kr, Xe)
    • F17C2221/017—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/01—Propulsion of the fluid
    • F17C2227/0121—Propulsion of the fluid by gravity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/03—Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/0337—Heat exchange with the fluid by cooling
    • F17C2227/0341—Heat exchange with the fluid by cooling using another fluid
    • F17C2227/0353—Heat exchange with the fluid by cooling using another fluid using cryocooler
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/05—Applications for industrial use
    • F17C2270/0527—Superconductors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Description

Předkládaný vynález se obecně týká kryogenního chladícího systému pro synchronní stroj, který má rotor s vysokoteplotní supravodivou cívkou. Zejména pak se předkládaný vynález vztahuje k odpařovacímu chladícímu systému, který zajišťuje kryogenní médium pro rotor a opětovně ochlazuje použité chladící médium vrácené zpět z rotoru.
Vysokoteplotní supravodivé generátory požadují vysoce spolehlivé a levné zařízení pro kryochlazení, aby byly životaschopné jako komerční výrobky. Dosažení vysoké spolehlivosti s existujícím zařízením pro kryochlazení zahrnuje použití redundantních součástek kryochladiče. Neodpovídající spolehlivost součástek a požadavek, aby vysokoteplotní rotory měly nepřerušovanou dodávku chladícího média nutně vede k tomu, že v systémech pro kryochlazení pro vysokoteplotní supravodivé rotory jsou zahrnuty redundantní součástky.
Cena systémů pro kryochlazení se ale díky potřebě redundantních součástek kryochladiče značně zvyšuje. Navíc, existující systémy pro kryochlazení vyžadují častou údržbu vzhledem k jejich neadekvátní spolehlivosti a systémovým redundancím. Tudíž jsou provozní náklady těchto systémů relativně vysoké.
Nákupní a provozní náklady existujících systémů pro kryochlazení významně zvyšují cenu strojů, které mají vysokoteplotní supravodivé rotory. Tyto vysoké ceny přispívaly k dřívější komerční nepraktičností zařazování vysokoteplotních supravodivých rotorů do komerčně prodejných synchronních strojů. Tudíž existuje podstatná a dříve • 4 nepoznaná potřeba systémů pro kryochlazení, které jsou levnější a nejsou drahé na provoz a zajišťování spolehlivé dodávky kryogenního chladícího média do vysokoteplotního supravodivého rotoru.
Synchronní elektrické stroje, které mají vinutí budících cívek zahrnují rotační generátory, rotační motory a lineární motory, ale nejsou na tuto skupinu omezeny. Tyto stroje obecně zahrnují stator a rotor, jež jsou elektromagneticky spojeny. Rotor může obsahovat jádro rotoru svíce póly a cívková vinutí, namontovaná na jádru rotoru. Jádra rotoru mohou obsahovat magneticky permeabilní pevný materiál, jako například železný výkovek.
V rotorech synchronních elektrických strojů se běžně používá obyčejné měděné vinutí. Elektrický odpor měděného vinutí (třebaže je nízký podle běžných měřítek) je dostatečný pro to, aby přispěl k vydatnému zahřívání rotoru a ke snížení koeficientu účinnosti stroje. V poslední době byla pro rotory vyvinuta supravodivá vinutí cívek. Supravodivá vinutí nemají fakticky žádný odpor a jsou velmi výhodná jako vinutí rotorových cívek.
Rotory se železným jádrem se saturují při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře okolo 2 Tesla. Známé supravodivé rotory využívají konstrukce bez železného jádra, kde v rotoru není žádné železo, aby se dosáhlo ve vzduchové mezeře intenzity magnetického pole 3 Tesla nebo více, což zvyšuje výkonovou hustotu elektrického stroje a má za následek významné snížení váhy a velikosti stroje. Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu, což zvyšuje počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu.
Supravodivé rotory mají supravodivou cívku chlazenou tekutým héliem, kde se použité hélium vrací jako plynné hélium o pokojové teplotě. Užívání tekutého hélia pro kryogenní chlazení vyžaduje nepřetržité opětné zkapalňování vraceného plynného hélia o pokojové
4
4 • 44 4 4
4 «44 4 teplotě a takové opětné zkapalňování vytváří významné spolehlivostní problémy a vyžaduje významnou přídavnou energii. Tudíž existuje potřeba kryogenního chladícího systému, který opětně zkapaíňuje horké použité chladící médium vrácené z rotoru. Opětně zkapalněné chladící médium je pak připravené pro opětovné použití jako chladící médium vysokoteplotního supravodivého rotoru.
Podstata vynálezu
Byl vyvinut vysoce spolehlivý kryogenní chladící systém pro vysokoteplotní supravodivý rotor pro synchronní stroje. Chladící systém zajišťuje stálou dodávku chladícího média do vysokoteplotního supravodivého rotoru. Mimoto je chladící systém ekonomický v konstrukci a provozu. Spolehlivost a ekonomičnost chladícího systému usnadňuje vývoj komerčně životaschopného synchronního stroje s vysokoteplotním supravodivým rotorem.
Kryogenní chladící systém je spádový uzavřený odpařovací chladící systém pro vysokoteplotní supravodivý rotor. Systém obsahuje zvýšený kryogenní zásobník, přenosová potrubí s vakuovým pláštěm, která dodávají tekutý kryogen do rotoru a vrací páru do zásobníku a dále obsahuje kryochladič v místě pro páru v zásobníku, který páru opětně kondenzuje. Kryochladič může být jednostupňový GiffordMcMahonův kryochladič nebo impulsní trubka s odděleným nebo integrovaným kompresorem. Kryogenním médiem může být neon, vodík nebo jiné podobné chladící médium.
V prvním provedení je vynálezem systém s chladícím médiempro zajištění kryogenního chladícího média pro vysokoteplotní supravodivý rotor, který obsahuje: kryogenní zásobník, který uchovává kapalné kryogenní chladící médium; vstupní přenosové potrubí spojující zásobník s rotorem a vytvářející kanál pro průchod kapalného
4« 4444
4*·' 44 4 • 4 · V
4444 4
4 «««
444 4« «·· ·4« chladícího média ze zásobníku do rotoru, přičemž zásobník je vyvýšen nad rotor a kapalné chladící médium se dostává do rotoru samospádem.
V jiném provedení je vynálezem systém s chladícím médiem připojený k vysokoteplotnímu supravodivému rotoru pro synchronní stroje, kde zdroj kryogenního chladícího média obsahuje: kryogenní zásobník a zdroj kryogenního chladícího média uloženého v zásobníku, přičemž zásobník je vyvýšen nad rotor; vstupní potrubí vytvářející kanál pro chladící médium mezi zásobníkem a rotorem; vratné potrubí vytvářející kanál pro chladící médium mezi rotorem a zásobníkem; a kryochladtč, který chladí médium v zásobníku.
V dalším provedení je vynálezem metoda pro chlazení vinutí supravodivé budící cívky v rotoru synchronního stroje za použití vyvýšeného kryogenního zásobníku, kde tato metoda zahrnuje kroky: uchovávání kryogenního chladícího média v zásobníku, přičemž zásobník je vyvýšen nad rotor; umožnění toku chladícího média působením gravitace ze zásobníku do rotoru; chlazení vinutí budící cívky pomocí chladícího média a vracení chladícího média do zásobníku.
Přehled obrázků na výkresech
Provedení vynálezu je popsáno pomocí přiložených výkresů v souvislosti s popisem provedení.
Obr. 1 je schematický bokorys schematického supravodivého rotoru, který je zobrazen ve statoru.
Obr. 2 je schematický perspektivní pohled na oválnou supravodivou cívku, která má kanály pro chladící plyn.
• · ·
44 ·
Obr. 3 je schematický diagram kryogenního chladícího systému dodávajícího chladící médium do supravodivého rotoru.
* 4 4 « * 4 4 4 4 * 4 4 4 «4 4 4« 4444
Příklady provedeni vynálezu
Obr.1 znázorňuje příklad provedení synchronního generátoru 10. majícího stator 12 a rotor 14. Stator 12 (znázorněno tečkovanými čarami) zahrnuje cívky s budicím vinutím, které obklopují válcovou rotorovou dutinu 16 statoru. Rotor 14 je uložen uvnitř rotorové vakuové dutiny 16 statoru. Když se rotor 14 otáčí uvnitř statoru 12, pohybuje se magnetické pole 18 generované rotorem a cívkami rotoru statorem a vytváří ve vinutí statorových cívek elektrický proud. Tento proud vystupuje z generátoru jako elektrický výkon.
Rotor 14 má obecně podélnou osu 20 a obecně pevné jádro 22 rotoru. Pevné jádro 22 rotoru má vysokou magnetickou permeabilitu a je většinou vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. U supravodivých strojů s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke snížení magnetomotorické síly a tudíž užití drátu. Železné jádro rotoru může být například magneticky nasyceno při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře kolem 2 Tesla.
Rotor 14 nese obecně dvojici podélných oválných vinutí vysokoteplotních supravodivých cívek. Vinutí supravodivé cívky může být alternativně sedlového tvaru nebo mít nějaký jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní konstrukci vysokoteplotního supravodivého rotoru. Chladící systém cívky, který je zde popisován, může být upraven pro jiné konfigurace cívek, než je oválná cívka.
Rotor obsahuje koncové hřídele 24, 30, které drží jádro 22 a jsou neseny ložisky 25. Kolektorový koncová hřídel 24 má kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenního chladícího média použitého
6«·· · ♦ «4 · ··· < * « « · · » • · * · · · ··· ·· ·*· *·4 ·« «·«· pro chlazení vinutí supravodivé cívky v rotoru 14· Kryogenní přenosová spojka 26 zahrnuje stacionární segment připojený ke zdroji chladícího média a rotační segment, který zajišťuje chladící médium pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Kolektorový koncová hřídel může také obsahovat kolektorové kroužky 78 k připojení cívky rotoru k vnějšímu elektrickému zařízení nebo zdroji. Hnací koncový hřídel 30 může být spojkou 32 hnací turbiny.
Obr.2 představuje příkladné provedení vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé oválné budící cívky. Supravodivé budicí vinutí 34 rotoru zahrnuje vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá vysokoteplotní supravodivá cívka zahrnuje vysokoteplotní supravodič jako jsou vodiče BSCCO (BixSrxCaxCuxox) laminované do pevného závitového kompozitu impregnovaného epoxidem. Řadu BSCCO 2223 drátů je například možné laminovat a svinout do pevné cívky impregnované epoxidem.
Vysokoteplotní supravodivý drát je křehký a lehce poškoditelný. Vysokoteplotní supravodivá cívka je typicky vrstveně vinutá vysokoteplotní supravodivou páskou a pak je impregnovaná epoxidem. Vysokoteplotní supravodivá páska je navinuta do přesné cívkové formy, aby se dosáhlo malých rozměrových tolerancí. Páska je navinutá dokola ve spirále, aby se vytvořila oválná supravodivá cívka 36.
Rozměry oválné cívky jsou závislé na rozměrech jádra rotoru. Obecně každá oválná cívka obklopuje magnetické póly jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky je spojité v celém tvaru cívky. Cívky vytvářejí cestu elektrického proudu bez odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra.
Ve vinutí 34 cívky jsou obsaženy kanály 38 média pro kryogenní chladící médium. Tyto kanály se mohou rozprostírat okolo vnější hrany supravodivé cívky 36.. Tyto propouštěcí kanály přivádějí kryogenní chladící médium k cívkám a odstraňují teplo z těchto cívek. Chladící médium udržuje ve vinutí supravodivé cívky nízké teploty, např. 27°K, ·
Ί ·# 0 • 9 které jsou nutné k vyvolání supravodivých podmínek, včetně neexistence elektrického odporu v cívce. Chladící kanály mají vstupní a výstupní otvory 39 na jednom konci jádra rotoru. Tyto otvory 39. spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kryogenní přenosovou spojkou 29.
Obr. 3 je schéma kryogenního chladícího systému 50 pro vysokoteplotní generátor 10. Kryogenní zásobník 52 nebo Dewarova nádoba uchovává kapalný kryogen. Zásobník je umístěn ve větší výšce 54 vzhledem k vysokoteplotnímu supravodivému generátoru. Výška zásobníku nad rotorem je úměrná požadovanému tlaku chladícího média, které vstupuje do rotoru a nepřímo úměrná hustotě chladícího média. Vzhledem k výšce zásobníku tlačí gravitace chladící médium z chladícího zásobníku do spojky 26 rotoru a do supravodivých cívek 36. Gravitace neselhává, nepožaduje údržbu a je zdarma. Spádový chladící systém je tudíž vysoce spolehlivý a ekonomický.
Chladící systém je uzavřený systém. Chladící médium ze zásobníku 52 teče vstupním přenosovým potrubím 56, které spojuje zásobník se spojkou 26 rotoru. Chladící médium prochází vakuově opláštěnými chladícími kanály v koncovém hřídeli 24 a chladícími kanály 38 okolo supravodivých cívek 36. Chladící médium udržuje cívku na kryogenních teplotách pomocí odpařovacího chlazení a zajišťuje, že cívky fungují v supravodivých podmínkách. Použité chladící médium, typicky ve formě studeného plynu, opouští chladící kanál 38 z cívky, prochází vakuově opláštěnými kanály v koncovém hřídeli a chladící spojkou 26. Zpětné přenosové potrubí 58 vede vracené chladící médium z rotoru do zásobníku 52. Vstupní a přenosové potrubí jsou vakuově opláštěný a tudíž jsou důkladně izolovány. Vakuová izolace přenosových potrubí minimalizuje ztráty přenosem tepla v chladícím médiu při toku ze zásobníku do rotoru a z rotoru do zásobníku.
Chladící médium je většinou inertní, jako například neon nebo vodík. Teploty, které jsou vhodné pro vysokoteplotní supravodiče jsou «4 Μ • 4 • ·
*· 4
4 ·
4» ···· obecně pod 30° a s výhodou okolo 27°K. Kryogenními médii nejvhodnějšími k chlazení supravodivých cívek ve vysokoteplotním rotoru jsou vodík, který může chladit cívku na 20°K a neon, který může chladit supravodivou cívku na 27°K. Kapalný neon opouští zásobník 52 kryochlazení například při teplotě okolo 27°K. V zásobníku 52 se běžně užívá tekutý kryogen k zásobování vysokoteplotního supravodivého rotoru kapalným chladícím médiem. Vstupní přenosové potrubí s vakuovým pláštěm zajišťuje, že kapalné chladící médium ze zásobníku vstoupí do rotoru s přibližně stejnou teplotou, při které opouští zásobník.
Chladící médium se při protékání okolo supravodivé cívky odpařuje. Odpařování chladícího média ochlazuje supravodivé cívky a zajišťuje, že cívky fungují v supravodivých podmínkách. Odpařené chladící médium teče jako chladný plyn z vysokoteplotního supravodivého rotoru zpětným potrubím 58 do chladícího zásobníku 52. Zpětné potrubí je dimenzované tak, aby studený chladící plyn prošel z rotoru do vyšší parní oblasti 60 zásobníku 52. Parní oblast je v zásobníku vertikálně nad kapalinovou oblastí 62. Parní oblast a kapalinová oblast v zásobníku mohou být spojité, nebo mohou být oddělené se vzájemným přenosem média.
Opětné zkapalnění plynného chladícího média v zásobníku je provedeno pomocí rekondenzoru 64 se studenou hlavou. Rekondenzor odvádí teplo z plynného chladícího média v zásobníku, takže médium kondenzuje do své kapalné podoby a odtéká dolů do kapalinové oblasti. Rekondenzor nemusí pracovat nepřetržitě, protože zásobník má zásobu kapalného chladícího média pro vysokoteplotní supravodivý rotor. Kapalné chladící médium v zásobníku zajišťuje nepřerušovanou dodávku chladícího média pro vysokoteplotní supravodivý rotor. Rekondenzor se může tudíž opravovat, zatímco vysokoteplotní supravodivý generátor pokračuje v práci bez přerušení. Rekondenzor může dočasně selhat bez toho, že by bylo nutné vysokoteplotní supravodivý rotor během opravy rekondenzoru zastavit. Když je vysokoteplotní rotor zastaven kvůli normální servisní údržbě, může se servisní údržba zásobníku provést pomocí servisního průduchu 66..
Kryochladič 64 může být tvořen jednou nebo více jednotkami Gifford-McMahon nebo jednotkami impulzní trubky se studenou hlavou, aby se dosáhli potřebné chladící kapacity vysokoteplotního supravodivého rotoru. Kryochladič může být rekondenzor, který kondenzuje páru na kapalinu. Obecně by neměly být potřebné redundantní jednotky kryogenního chlazení. Nadbytečná kapacita kryochladiče není nutná, protože zásobník kryogenu má dostatečnou zásobní kapacitu kapalného chladícího média, aby bylo možné kondenzační chladící jednotky 64 odstavit za účelem údržby nebo nahrazení bez jakéhokoliv ovlivnění činnosti rotoru. Zásobní kapacita zásobníku je dimenzována tak, aby poskytovala rotoru dostatek kapaliny během doby, kdy je rekondenzor odstaven, například jeden den. V tom případě by typická kapacita zásobníku pro vysokoteplotní supravodivý rotor chlazený neonem byla okolo 100 litrů, Během doby odstavení kryochladiče pracuje chladící systém jako otevřený, takže pára chladícího média vracející se z rotoru se uvolňuje do vnější atmosféry prostřednictvím servisního průduchu 66. Ztracený kapalný kryogen je doplněn tak, že se po opětovném uvedení kryochladiče do provozu znovu naplní zásobník.
Během činnosti teče kapalný kryogen samospádem z kapalinové oblasti 62 v zásobníku 52 vakuově opláštěným vstupním přenosovým potrubím 56 do přenosové spojky 26 supravodivého rotoru. Chladící médium koluje trubkami výměníku tepla 38. které jsou v kontaktu s vnější částí vysokoteplotní supravodivé cívky a tudíž chladí cívku 36 přenosem varného tepla. Plynná chladící pára se vrací z rotorové přenosové spojky 26 vakuově opláštěným zpětným přenosovým potrubím 58 do vrchní části (parní oblast 60) zásobníku. Hnací síla, která uvádí chladící médium do oběhu uzavřeným systémem je tlakový rozdíl, který vyplývá z výšky 54 vstupního sloupce těžké kapaliny
4· · « 99 «9 • · ·* 99 »9·
9· 9 » » « «
9«· 9 9 « « « · • · 9 9 9 9 * 99 9*9 *«« ·« «·99 v porovnání s výškou 58 sloupce vracejícího se lehkého plynného média.
V parní oblasti 60 zásobníku pracuje chladná hlava 64 kryochladiče za účelem rekondenzace páry. Rekondenzací chladícího média se médium vrací do kapalinové oblasti zásobníku a je opětovně použitelné k chlazení vysokoteplotního supravodivého rotoru. Systém je uzavřený systém, který opětovně používá chladící médium a zabraňuje úniku média. Nicméně, systém může pracovat jako otevřený systém, pokud kryochladič nepracuje. Navíc může být navržený chladící systém rotoru použit efektivně ke chlazení rotoru jako otevřený systém, když se natlakuje parní oblast v zásobníku a tím se prohání více média rotorem, jak je požadováno pro rychlé ochlazení.
Chladící systém 50 je ekonomický a spolehlivý. Systém se spoléhá na gravitaci a zásobník chladící kapaliny zajišťuje levnou nepřerušovanou dodávku chladícího média. Systém dále minimalizuje možnou poruchu tím, že systémy náročné na údržbu, jako je kryochladič, nejsou pro nepřetržitou práci nutné.
I když byl vynález popsán pro provedení, které je v současné době považováno za nejpraktičtější a nejvýhodnější, je zřejmé, že vynález není tímto provedením limitován, ale naopak lze očekávat, že pokryje těleso a vinutí cívky mající postranní části přilehlé k plochým povrchům.
• *· • · · • 4 · • 44 4 44
• 44· · 4
4 · 4
• 4 44 444 • 4
•4 ·· · · · · • » ♦ • 4
4« ···*

Claims (25)

1. Systém s chladícím médiem pro zajištění kryogenního chladícího média pro vysokoteplotní supravodivý rotor vyznačující se tím, že obsahuje: kryogenní zásobník uchovávající kapalné kryogenní chladící médium: vstupní přenosové potrubí propojující zásobník s rotorem a vytvářející kanál pro kapalné chladící médium za účelem jeho průchodu ze zásobníku do rotoru, kde tento zásobník je vyvýšen nad rotor a kapalné chladící médium se dostává do rotoru samospádem.
2. Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje zpětné potrubí z rotoru do zásobníku, vytvářející kanál pro použité chladící médium za účelem jeho průchodu z rotoru do zásobníku.
3. Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že vstupní přenosové potrubí má vakuový plášť.
4. Systém s chladícím médiem podle nároku 2 vyznačující se tím, že zpětné přenosové potrubí má vakuový plášť.
5. Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryogenní chladící médium je plynný vodík.
6. Systém s chladícím médiem podle nároku 2 vyznačující se tím, že kryogenní chladící médium je kapalina ve vstupním přenosovém potrubí a je párou ve zpětném potrubí.
Φφ ·* • · φ • · • ·· φφ 4 φ φ φφφ φ φφφ · * * · φ φφφ
ΦΦΦ ·Φ ΦΦΦ 444 44ΦΦ
7. Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že zásobník obsahuje horní parní oblast a dolní kapalinovou oblast.
8. Systém s chladícím médiem podle nároku 7 vyznačující se tím , že dále obsahuje rekondenzor spojený s parní částí zásobníku,
9. Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že zásobník je Dewarova nádoba.
10.Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že chladící médium je neon.
11.Systém s chladícím médiem podle nároku 1 vyznačující se tím, že zásobník má servisní průduch.
12. Systém s chladícím médiem připojený k vysokoteplotnímu supravodivému rotoru pro synchronní stroj a ke zdroji kryogenního chladícího média vyznačující se tím, že obsahuje: kryogenní zásobník a zásobu kryogenního chladícího média uchovávaného v zásobníku, přičemž zásobník je vyvýšen nad rotorem; vstupní potrubí vytvářející kanál pro médium pro chladící médium mezi zásobníkem a rotorem; zpětné potrubí vytvářející kanál pro médium pro chladící médium mezi rotorem a zásobníkem, a kryochladič chladící médium v zásobníku.
13. Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím, že vstupní přenosové potrubí má vakuový plášť.
14. Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím, že zpětné přenosové potrubí má vakuový plášť.
15.Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím, že kryogenní chladící médium je plynný neon nebo plynný vodík.
·· ·· • · * • * 4 · 4 ·♦· 4 · · « ft · • * · 4 · · · ·♦* 44 444 ·4· ·« «444
16.Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím že kryogenní chladící médium je kapalina ve vstupním přenosovém potrubí a je párou ve zpětném potrubí.
17.Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím, že zásobník obsahuje horní parní oblast a dolní kapalinovou oblast.
18.Systém s chladícím médiem podle nároku 12 vyznačující se tím, že zásobník má servisní průduch.
19. Způsob pro chlazení vinutí supravodivé budící cívky v rotoru synchronního stroje používající vyvýšený kryogenní zásobník vyznačující se tím, že zahrnuje kroky: a) uchovávání kryogenního chladícího média v zásobníku, přičemž zásobník je vyvýšen nad rotorem; b) umožnění toku chladícího média působením gravitace ze zásobníku do rotoru; c) chlazení vinutí budící cívky pomocí chladícího média a d) vracení chladícího média do zásobníku.
20. Způsob podle nároku 19 vyznačující se tím, že médium vracející se do zásobníku je plynné a médium tekoucí ze zásobníku je kapalné.
21. Způsob podte nároku 19 vyznačující se tím, že dále obsahuje krok kondenzace vraceného média.
22. Způsob podle nároku 19 vyznačující se tím, že dále obsahuje kroky: e) kondenzace parní části chíadícího média v zásobníku nebo ve zpětném potrubí; f) přerušení kroku (e) čímž přestane kondenzace parní části chladícího média; g) pokračování toku chladícího média ze zásobníku do rotoru během kroku (f).
23. Způsob podle nároku 22 vyznačující se tím, že dále obsahuje krok unikání parní části průduchem během kroku (f).
24. Způsob podle nároku 22 vyznačující se tím, že dále obsahuje krok: h) zvyšování tlaku chladícího média v zásobníku během kroku (f).
1 Λ · · · ·**·«
14 ··♦·······* • * · · · « · ··· ·· ··· ··· »« ····
25.Způsob podle n ároku 24 vyznačující se tím, že krok (h) se provádí během ochlazovací fáze rotoru.
CZ20021672A 2001-05-15 2002-05-14 Kryogenní chladicí systém pro rotor, který má vysokoteplotní supravodivé budicí vinutí CZ20021672A3 (cs)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/854,943 US6553773B2 (en) 2001-05-15 2001-05-15 Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ20021672A3 true CZ20021672A3 (cs) 2003-02-12

Family

ID=25319946

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ20021672A CZ20021672A3 (cs) 2001-05-15 2002-05-14 Kryogenní chladicí systém pro rotor, který má vysokoteplotní supravodivé budicí vinutí

Country Status (11)

Country Link
US (1) US6553773B2 (cs)
EP (1) EP1261118A1 (cs)
JP (1) JP4001365B2 (cs)
KR (1) KR100911518B1 (cs)
CN (1) CN1307775C (cs)
BR (1) BR0201806A (cs)
CA (1) CA2384578C (cs)
CZ (1) CZ20021672A3 (cs)
MX (1) MXPA02004836A (cs)
NO (1) NO331158B1 (cs)
PL (1) PL200523B1 (cs)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7018249B2 (en) * 2001-11-29 2006-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Boat propulsion system
DE10211568B4 (de) * 2002-03-15 2004-01-29 Siemens Ag Kälteanlage für zu kühlende Teile einer Einrichtung
US6725683B1 (en) * 2003-03-12 2004-04-27 General Electric Company Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding
US6732536B1 (en) * 2003-03-26 2004-05-11 Praxair Technology, Inc. Method for providing cooling to superconducting cable
US20100019604A1 (en) * 2003-05-27 2010-01-28 General Electric Company Methods and apparatus for assembling homopolar inductor alternators including superconducting windings
US7317268B2 (en) * 2004-03-30 2008-01-08 General Electric Company System and method for cooling a super-conducting device
US7608785B2 (en) * 2004-04-27 2009-10-27 Superpower, Inc. System for transmitting current including magnetically decoupled superconducting conductors
EP1774638A1 (en) * 2004-06-04 2007-04-18 Rapp Hydema As Liquid cooling for an electric motor
US7548000B2 (en) 2004-10-18 2009-06-16 General Electric Company Multilayer radiation shield
US8511100B2 (en) * 2005-06-30 2013-08-20 General Electric Company Cooling of superconducting devices by liquid storage and refrigeration unit
US7228686B2 (en) * 2005-07-26 2007-06-12 Praxair Technology, Inc. Cryogenic refrigeration system for superconducting devices
US7466046B2 (en) * 2006-07-05 2008-12-16 General Electric Company Methods and apparatus for operating an electric machine
US7821164B2 (en) * 2007-02-15 2010-10-26 General Electric Company Method and apparatus for a superconducting generator driven by wind turbine
US20090113999A1 (en) * 2007-03-08 2009-05-07 General Electric Company Method for Testing a Rotor and Stator Assembly
US7847454B2 (en) * 2007-03-08 2010-12-07 General Electric Company Encapsulated stator assembly and process for making
US20080219834A1 (en) * 2007-03-08 2008-09-11 General Electric Company Rotor Shaft Assembly for Magnetic Bearings for Use in Corrosive Environments
US8875380B2 (en) * 2007-03-08 2014-11-04 General Electric Company Process of forming an encapsulated magnet assembly
US20080218008A1 (en) * 2007-03-08 2008-09-11 General Electric Company Rotor and Stator Assemblies that Utilize Magnetic Bearings for Use in Corrosive Environments
US8847450B2 (en) * 2007-03-08 2014-09-30 General Electric Company Encapsulated magnet assembly and process for making
DE102007030474A1 (de) * 2007-06-29 2009-01-02 Siemens Ag Elektrische Maschine mit supraleitender Rotorwicklung
WO2010144811A1 (en) * 2009-06-11 2010-12-16 Florida State University Zero delta temperature thermal link
US20110225987A1 (en) * 2010-03-21 2011-09-22 Boyd Bowdish Self generating power generator for cryogenic systems
CN102003829B (zh) * 2010-10-29 2012-07-25 北京科技大学 利用重力作用实现液体蒸发制冷和热机过程的机构及方法
US8338979B2 (en) * 2011-06-30 2012-12-25 General Electric Company Method and apparatus for a superconducting direct current generator driven by a wind turbine
KR101386760B1 (ko) * 2012-10-16 2014-04-18 두산엔진주식회사 자기 포화 실드를 갖는 초전도 발전 시스템
US9306433B2 (en) * 2013-03-13 2016-04-05 E-Aam Driveline Systems Ab Drive module with spray cooling of electric motor
CN103730985B (zh) * 2014-01-21 2015-12-09 电子科技大学 一种兆瓦级高温超导风机系统
US10033236B2 (en) * 2014-07-23 2018-07-24 Lockheed Martin Corporation Vacuum gap generators and motors
GB201515701D0 (en) * 2015-09-04 2015-10-21 Tokamak Energy Ltd Cryogenics for HTS magnets
CN108352372A (zh) * 2015-10-15 2018-07-31 维多利亚互联有限公司 用于冷却浸入液氮中的超导装置的方法和设备
CN107612287B (zh) * 2017-10-25 2023-05-12 南方电网电力科技股份有限公司 一种高温超导同步调相机
CN108494173A (zh) * 2018-06-12 2018-09-04 中国科学院电工研究所 一种立式电机的转子蒸发冷却装置
CN110725747A (zh) * 2019-11-01 2020-01-24 北京动力机械研究所 无轴电传动涡轮发动机
EP4199009A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-21 Supernode Limited A superconducting cable system with evaporative cooling

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2713885C2 (de) 1977-03-29 1979-02-01 Kraftwerk Union Ag, 4330 Muelheim Kühlmittelkreislauf für den Läufer eines Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung
US4280071A (en) 1979-07-30 1981-07-21 Westinghouse Electric Corp. Vapor trap and regulator for superconductive turbogenerators
FR2589646B1 (fr) 1985-10-30 1987-12-11 Alsthom Machine synchrone a enroulements stator et rotor supraconducteurs
US4745760A (en) * 1987-07-21 1988-05-24 Ncr Corporation Cryogenic fluid transfer conduit
JPH0851762A (ja) * 1994-08-09 1996-02-20 Imura Zairyo Kaihatsu Kenkyusho:Kk 超電導モーター
US5531015A (en) 1994-01-28 1996-07-02 American Superconductor Corporation Method of making superconducting wind-and-react coils
US5548168A (en) 1994-06-29 1996-08-20 General Electric Company Superconducting rotor for an electrical machine
US5625548A (en) 1994-08-10 1997-04-29 American Superconductor Corporation Control circuit for cryogenically-cooled power electronics employed in power conversion systems
US5672921A (en) 1995-03-13 1997-09-30 General Electric Company Superconducting field winding assemblage for an electrical machine
US5532663A (en) 1995-03-13 1996-07-02 General Electric Company Support structure for a superconducting coil
US5586437A (en) * 1995-09-06 1996-12-24 Intermagnetics General Corporation MRI cryostat cooled by open and closed cycle refrigeration systems
US5777420A (en) 1996-07-16 1998-07-07 American Superconductor Corporation Superconducting synchronous motor construction
US6173577B1 (en) 1996-08-16 2001-01-16 American Superconductor Corporation Methods and apparatus for cooling systems for cryogenic power conversion electronics
US5774032A (en) 1996-08-23 1998-06-30 General Electric Company Cooling arrangement for a superconducting coil
US5848532A (en) * 1997-04-23 1998-12-15 American Superconductor Corporation Cooling system for superconducting magnet
US6131647A (en) * 1997-09-04 2000-10-17 Denso Corporation Cooling system for cooling hot object in container
JP3263666B2 (ja) * 1998-07-24 2002-03-04 明 奥村 遠心ローター上の容器内の液体試料を該ローター上の他の容器内に移送する方法
US6376943B1 (en) 1998-08-26 2002-04-23 American Superconductor Corporation Superconductor rotor cooling system
US6140719A (en) 1999-02-17 2000-10-31 American Superconductor Corporation High temperature superconducting rotor for a synchronous machine
US6066906A (en) 1999-02-17 2000-05-23 American Superconductor Corporation Rotating machine having superconducting windings
US6169353B1 (en) 1999-09-28 2001-01-02 Reliance Electric Technologies, Llc Method for manufacturing a rotor having superconducting coils
US6347522B1 (en) 2000-01-11 2002-02-19 American Superconductor Corporation Cooling system for HTS machines

Also Published As

Publication number Publication date
NO20022305D0 (no) 2002-05-14
JP2003032963A (ja) 2003-01-31
CA2384578C (en) 2013-02-05
KR100911518B1 (ko) 2009-08-10
CA2384578A1 (en) 2002-11-15
US20020170298A1 (en) 2002-11-21
US6553773B2 (en) 2003-04-29
NO20022305L (no) 2002-11-18
BR0201806A (pt) 2003-03-11
MXPA02004836A (es) 2004-12-13
EP1261118A1 (en) 2002-11-27
PL353902A1 (en) 2002-11-18
CN1385948A (zh) 2002-12-18
PL200523B1 (pl) 2009-01-30
NO331158B1 (no) 2011-10-24
CN1307775C (zh) 2007-03-28
JP4001365B2 (ja) 2007-10-31
KR20020087349A (ko) 2002-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CZ20021672A3 (cs) Kryogenní chladicí systém pro rotor, který má vysokoteplotní supravodivé budicí vinutí
US6438969B1 (en) Cryogenic cooling refrigeration system for rotor having a high temperature super-conducting field winding and method
JP4151757B2 (ja) 超伝導界磁巻線のための開ループ形短期冷却を有する極低温冷却システムと方法
EP0690550B1 (en) Superconducting rotor for an electrical machine
JP4937563B2 (ja) 超電導回転機を冷却するシステム
JP4247273B2 (ja) 回転子と超伝導性の回転子巻線とを備えた機械
CN102780382B (zh) 具有超导电枢线圈和其它部件的电机
CZ20021666A3 (cs) Synchronní stroj se spojkou pro přenos kryogenního plynu do rotoru se supravodivými cívkami
CN100483901C (zh) 同步电机转子和在转子芯上支撑高温超导线圈绕组的方法
US6725683B1 (en) Cryogenic cooling system for rotor having a high temperature super-conducting field winding
NO331565B1 (no) Supraledende spole i rotor i elektrisk maskin
EP2487695B1 (en) System and method for magnetization of rare-earth permanent magnets
KR20220031080A (ko) 자성 재료로 형성된 진공 용기를 포함하는 초전도 발전기
CN100492827C (zh) 同步电机的转子和用于支撑其上的超导线圈绕组的方法
KR101445034B1 (ko) 초전도 발전 시스템
Al-Mosawi et al. Development of a coreless HTS synchronous generator operating at sub-cooled liquid nitrogen temperatures
Al-Mosawi et al. 100kVA High Temperature Superconducting Generator Al-Mosawi MK, Xu B., Beduz C, Goddard K.*, Sykulski JK*, Yang Y., Stephen NG, Webb M., Ship KS*, and Stoll R* Mechanical Engineering Department, School of Engineering Sciences, University of Southampton, Southampton SO17 IBJ, UK.