DE60124072T2

DE60124072T2 - Kühlanlage für hochtemperatursupraleitende maschinen

Info

Publication number: DE60124072T2
Application number: DE60124072T
Authority: DE
Inventors: F. James Andover MAGUIRE; M. Peter Shrewsbury WINN; Ahmed Westborough SIDI-YEKHLEF; Jie South Grafton YUAN
Original assignee: American Superconductor Corp
Current assignee: American Superconductor Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: US6347522B1; EP1248933B2; US20030010039A1; US6625992B2; AU2001229331A1; ATE343769T1; DE60124072T3; EP1248933A1; EP1248933B1; JP2003519772A; DE60124072D1; WO2001051863A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tieftemperaturkühlsystem zum Kühlen einer Fernwärmelast nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches aus US-A-5,848,532 bekannt ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Kühlverfahren.
US-A-5,513,498 offenbart ein Tieftemperaturkühlsystem zum Kühlen einer Fernwärmelast, wobei der Kryokühler ein Gifford-McMahon-Kryokühler ist.
US-A-5,385,010 offenbart ein Tieftemperaturkühlsystem mit einer Vielzahl von Kryokühlern, welche jeweils eine entsprechende kryogenisch gekühlte Oberfläche aufweisen.
Ein weiteres Tieftemperaturkühlsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 ist in US-A-3,473,341 offenbart.
Supraleitende Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Motoren und Generatoren müssen gekühlt werden, dass sich die Feldstrukturen der Rotoren derselben im supraleitenden Zustand befinden. Der herkömmliche Ansatz zum Kühlen von Rotorfeldspulen ist den Rotor in eine Kryoflüssigkeit einzutauchen. Beispielsweise kann ein Rotor, welcher Feldspulen aus hochtemperatursupraleitenden Materialien einsetzt, in Flüssigstickstoff eingetaucht werden. In diesem Fall wird die durch einen Rotor erzeugte oder in den Rotor geleitete Wärme durch die Kryoflüssigkeit absorbiert, welche einen Phasenwechsel zum gasförmigen Zustand durchläuft. Folglich muss die Kryoflüssigkeit auf Dauer nachgefüllt werden.
Ein weiterer Ansatz zum Kühlen von supraleitenden Magneten ist die Kryokühlanlage oder der Kryokühler. Kryokühler sind mechanische Vorrichtungen, welche in einem von mehreren thermodyna mischen Zyklen arbeiten, wie beispielsweise dem Gifford-McMahon-Zyklus und Stirling-Zyklus. Kryokühler fanden beispielsweise beim Kühlen der stationären Magneten in Kernspintomografiesystemen Anwendung. Eine gute Leistung der Kryokühler hängt zum Großteil von einer Ausgestaltung ab, welche für die Ist-Zustände optimiert wurde, innerhalb welchen der Kryokühler arbeitet. Vor kurzem wurden Kryokühler an die Betätigung in sich drehenden Umgebungen angepasst, wie beispielsweise supraleitenden Motoren und Generatoren. Ein Ansatz dafür ist im U.S.-Patent Nr. 5,482,919 beschrieben. Ein Ansatz zum Kühlen der Feldwicklungen in einem supraleitenden Motor wird im U.S.-Patent Nr. 5,848,532 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung weist ein Tieftemperaturkühlsystem auf, welches zum Steuern der Strömung einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durch eine Fernwärmelast vorgesehen ist, wie beispielsweise einen supraleitenden Magneten oder Rotor, wie in Anspruch 1 definiert wurde.
Die Kryoflüssigkeitstransportvorrichtung, welche innerhalb der Kühlanlage positioniert ist, dient vorteilhaft als Vorrichtung zum Liefern der notwendigen mechanischen Kraft, welche zum Bewegen der Wärmeübtertragungsflüssigkeit von der kryogenisch gekühlten Oberfläche (z.B. Seite eines Kryokühlers) zur Fernwärmelast erforderlich ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kühlanordnungen erfordert die Wärmeübertragungsflüssigkeit folglich keinen Phasenwechsel.
Die Ausführungsformen dieses Aspekts der Erfindung können ein oder mehrere der Strömungsmerkmale enthalten.
Die Kühlanlage ist stationär und die Fernwärmelast dreht sich relativ zur stationären Kühlanlage. Folglich ist das System zur Verwendung in Anwendungen geeignet (beispielsweise Rotationsmaschinen, wie z.B. Motoren und Generatoren), bei welchen es schwierig ist, die wärmetauschende Kühlvorrichtung (z.B. den Kryokühler) im sich drehenden Bezugsrahmen zu positionieren, in welchem die Kühlung erforderlich ist. Der Kryokühler kann ein Gifford-McMahon-Kryokühler sein.
In einem anderen Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Kühlen einer sich drehenden Wärmelast von einer Kühlanlage mit einer kryogenisch gekühlten Oberfläche die folgenden Schritte. Eine Flüssigkeitstransportvorrichtung ist innerhalb der Kühlanlage positioniert. Die Flüssigkeitstransportvorrichtung wird betätigt, um eine Wärmelast mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit in einem sich nicht drehenden Anfangszustand zu versorgen. Die Wärmelast wird mit einer ausreichenden Drehzahl gedreht, um ausreichende Kräfte zu erzeugen, um zu verursachen, dass sich die Wärmeübertragungsflüssigkeit zur sich drehenden Wärmelast bewegt.
Mit diesem Ansatz kann die Betätigung des Gebläses auf den Anstoß bzw. die anfängliche Anlaufperiode der sich drehenden Wärmelast (z.B. Rotoranordnung) in einem bestimmten Modus beschränkt sein, um die Zuverlässigkeit des Gebläses und die Gesamtzuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Der Ansatz macht sich die Differenz in der Dichte des gekühlten Wärmeübertragungsgases, welches durch die Kühlanlage zugeführt wird, und des wärmeren Wärmeübertragungsgases, welches durch die sich drehende Wärmelast (z.B. supraleitende Wicklungen) erhitzt wird, für die Rückführung zur Kühlanlage zu Nutze. Insbesondere ist das kalte Helium, welches der sich drehenden Wärmelast zugeführt wird, dichter als das erwärmte Gas, welches zur Kühlanlage zurückgeführt wird. Die Zentrifugalkraft, welche durch die sich drehende Wärmelast geliefert wird, „stößt" das Helium von der Achse der sich drehenden Wärmelast radial ab. Da die Dichte des zurückgeführten Heliums geringer als die des Heliums ist, welches zugeführt wird, wird jedoch das Helium mit der geringeren Dichte zur Achse „gestoßen", wodurch eine Rückführungsschleife ohne zusätzliche Kraft vom Gebläse gebildet wird.
In Ausführungsformen, welche dieses Verfahren betreffen, kann die Betätigung des Gebläses beendet werden, nachdem die sich drehende Wärmelast eine ausreichende Drehzahl erlangt hat.
In bestimmten Ausführungsformen beider Aspekte der Erfindung, kann eine Anzahl von Kryokühlern mit jeweils einer entsprechenden kryogenisch gekühlten Oberfläche verwendet werden, um ein Redundanzniveau zu liefern, und dadurch eine fortgesetzte Betätigung des Systems bei dem Ereignis zuzulassen, dass einer oder mehrere der Kryokühler eine Reparatur oder Wartung erfordert/erfordern. In solchen Ausführungsformen, kann eine Ventilanordnung (und angemessene Bypassleitungen) zum selektiven Isolieren von zumindest einem der Vielzahl an Kryokühlern von den übrigen der Vielzahl von Kryokühlern vorgesehen sein.
Aus ähnlichen Gründen kann eine Anzahl von Kryoflüssigkeitstransportvorrichtungen vorgesehen sein, um die gleichen Vorteile der Wartung und Reparatur zu liefern, welche oben in Bezug auf die mehrfachen Kryokühler beschrieben wurden.
Beispielhafte Wärmeübertragungsflüssigkeiten beinhalten Helium, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Gemische derselben.
Die Details der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung unten dargestellt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems nach der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In Bezug auf 1 enthält ein Kühlsystem 10 einen Wärmetauscher in Form einer Kühlanlage 12, welche mit einer Last, hier einer Rotoranordnung 14 eines supraleitenden Motors 17, über einen Leitungskreis 15 verbunden ist, durch welchen ein Kühlmittel, eine Kryoflüssigkeit oder eine Wärmeübertragungsflüssigkeit fließt. Der Leitungskreis ist aus vakuumisolierten Leitungen gebildet. Da die Kryoflüssigkeit an eine Rotoranordnung abgegeben wird, wird eine Gleitringdichtung verwendet, wie beispielsweise eine ferrofluidische Dichtung 19, um die Kühlanlage 12 zu koppeln, welche sich in einer feststehenden Bezugsebene zur Rotoranordnung 14 in einer sich drehenden Bezugsebene befindet. In dieser Ausführungsform ist die Kryoflüssigkeit Helium und daher enthält das Kühlsystem 10 eine Heliumquelle 20, welche erforderlich sein kann, um Helium aufgrund einer undichten Stelle, beispielsweise durch die Gleitringdichtung 19, in das System nachzufüllen. Vorzugsweise zirkuliert das Kryomittel in einem gasförmigen Zustand durch das Kühlsystem.
Die Kühlanlage 12 kann in Form jeder einer breiten Vielzahl von Konfigurationen sein, welche Wärmetauscher mit einer Lochplatte oder einem Trompetenrohr enthält. In dieser Ausführungsform ist die Kühlanlage 12 direkt an sechs Kryokühlern 13 angebracht (z.B. durch Löten), welche jeweils jeder einer breiten Vielzahl von kryokühlenden Kühlanlagen sein können, welche konstruiert wurden, um gemäß einem von mehreren thermodynamischen Zyklen einschließlich Gifford-McMahon-, Stirling- und Impulsrohrzyklen zu arbeiten, wie beispielsweise jene, welche in U.S. 5,482,919 beschrieben sind. Jeder Kryokühler 13 wird mit einem Kompressor 23 assoziiert, in anderen Ausführungsformen kann jedoch ein einzelner Kompressor mit den mehrfachen Kryokühlern verwendet werden. Jeder Kryokühler liefert eine kryogenisch gekühlte Oberfläche zum Kühlen des Heliums.
Die Kryokühler 13 sind in einer Reihenanordnung geschaltet und beinhalten Ventile 18, um zuzulassen, dass jeder Kryokühler von den übrigen Kryokühlern isoliert ist, während sie eine fortgesetzte Betätigung des Systems zulassen. Insbesondere werden Bypassleitungen (nicht gezeigt) für jeden Kryokühler 13 verwendet, um einen fortgesetzten Fluss der Kryoflüssigkeit zuzulassen, so dass der isolierte Kryokühler beispielsweise repariert oder ersetzt werden kann. Die Ventile 18 können jedes einer breiten Vielzahl von Ventilen, welche zum Arbeiten bei kroygenischen Temperaturen fähig sind, einschließlich Steuerventilen und Solenoidventilen sein.
Das Kühlsystem 10 beinhaltet in dieser Ausführungsform auch ein Paar an Hochgeschwindigkeitsgebläsen 18 (10000-30000 U/Min), welche innerhalb der Kühlanlage 12 zum Umwälzen des Heliums durch das Kühlsystem angeordnet sind. Im Wesentlichen dienen die Gebläse 18 als mechanische Einrichtungen, welche innerhalb der kryogenischen Umgebung zum Liefern der notwendigen Kraft zum Bewegen des Heliums über die Kryokühler 13 und auf die Rotoranordnung 14 positioniert sind. Mit diesem Gedanken können andere mechanische Vorrichtungen, welche fähig sind solche Kräfte zu liefern und in einer kryogenischen Umgebung einschließlich Membranen, kolbenbetätigten Vorrichtungen oder Gebläsen zu arbeiten, als Fluidtransportvorrichtung(en) im Kühlsystem 10 dienen. Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Kühlanordnungen muss sich das Helium (oder eine andere Kryoflüssigkeit) keinem Phasenwechsel unterziehen, um erneut gekühlt zu werden, nachdem es durch die Last erhitzt wurde. Wie in dem Fall mit mehreren Kryokühlern 13, wird ein Paar an Gebläsen 18 verwendet, um Redundanz zu liefern und die Wartung in dem Fall zu ermöglichen, dass eines der Gebläse eine Wartung oder ein Auswechseln erfordert. Natürlich werden angemessene Ventil- und Bypassleitungen erfordert, um zuzulassen, dass jedes der Gebläse 18 von den anderen isoliert ist, während sie eine ununterbrochene Betätigung des Systems zulassen. Ein zur Betätigung in einer kryogenischen Umgebung als gut geeignet bestimmtes Gebläse, ist ein Gebläse des Modells A20, welches von Stirling Cryogenics and Refrigeration BV, Holland, erhältlich ist.
Die Betätigung des Gebläses 18 kann auf eine anfängliche Anlaufperiode der Rotoranordnung 14 in einem bestimmten Modus beschränkt sein, um die Zuverlässigkeit des Gebläses und die Gesamtzuverlässigkeit des Systems zu erhöhen. Insbesondere ist die Rotoranordnung derart konfiguriert, dass das Heliumgas durch eine erste Einführungsleitung 27 eingeführt wird, welche im Wesentlichen entlang einer Achse 25 der Rotoranordnung liegt. Das gekühlte Helium aus der Kühlanlage 12 wird dann den supraleitenden Feldwicklungen entlang der Versorgungsleitung 29 bereitgestellt, welche sich von der Achse 25 radial weg erstreckt. Das Heliumgas wird dann entlang einer ersten Rückführleitung 31, welche sich radial erstreckt, zu einer zweiten Rückführleitung 33, welche im Wesentlichen entlang der Achse 25 liegt, und zurück zur Kühlanlage 12 zurückgeführt. Das Vorsehen der Einführungs-, Zuführungs- und Rückführungsleitungen auf diese Weise lässt vorteilhaft zu, dass Zentrifugalkräfte, welche durch die sich drehende Maschine erzeugt werden, helfen die Umwälzung des Heliums zwischen der Rotoranordnung 14 und der Kühlanlage 12 aufrechtzuerhalten und in bestimmten Ausführungsformen die gesamte erforderliche Kraft dafür liefern. D.h., bei bestimmten Anwendungen kann das Gebläse 18 auf beschränktere Weise betätigt werden, um die zusätzliche Kraft zum Helium zu liefern, welches durch das System fließt, während das Gebläse bei anderen Anwendungen nur erfordert werden kann, um in einem Anfangsmodus zu arbeiten, in welchem sich der Motor noch nicht dreht.
Dieser Ansatz macht sich die Differenz in der Dichte des gekühlten Wärmeübertragungsgases, welches durch die Kühlanlage zugeführt wird, und des wärmeren Wärmeübertragungsgases, welches durch die supraleitenden Wicklungen erhitzt wurde, für die Rückführung zur Kühlanlage zu Nutze. Insbesondere ist das kalte Helium, welches sich von der Achse 25 entlang der Zuführungsleitung 25 entfernt, dichter als das erwärmte Gas, welches entlang der Rückführleitung 31 rückgeführt wird. Die Zentrifugalkraft, welche durch die sich drehende Rotoranordnung 14 geliefert wird, „stößt" im Wesentlichen das Helium von der Achse 25 der Rotoranordnung 14 ab. Da die Dichte des zurückgeführten Heliums geringer als die des zugeführten Heliums ist, wird jedoch das Helium mit der geringeren Dichte zur Achse „gestoßen", wodurch eine Rückführungsschleife ohne zusätzliche Kraft vom Gebläse 18 gebildet wird.
Andere Ausführungsformen sind innerhalb des Bereichs der Ansprüche. Zwar wurde Helium in der obigen Beschreibung des Kühlsystems 10 als Kühlmittel verwendet, aber andere Arbeitsmedien, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon, Neon und Gemische derselben, können beispiels weise abhängig von der bestimmten Anwendung, Arbeitstemperatur und dem erwünschten Kühlniveau verwendet werden.
In anderen Ausführungsformen können die Kryokühler zum Ermöglichen der Wartung und Reparatur von Kryokühlern 13, derart vorgesehen sein, dass ein hülsenähnliches Gehäuse in Verbindung mit dem Kühlsystem gewartet wird, wobei die Innenabschnitte der Kryokühler entfernbar sind, um eine Reparatur oder ein Auswechseln zuzulassen.
Das Konzept der Erfindung ist für Kühlkomponenten bei Temperaturen ebenso anwendbar, welcher höher als jene sind, welche sowohl für Hochtemperatur- als auch Tieftemperatursupraleiter erfordert werden. Das Kühlsystem 10 kann beispielsweise auch verwendet werden, um elektronische Tieftemperatursysteme mit Temperaturen zwischen –183,15° und –37,15°C (90° und 236°K) (vorzugsweise –123,15° bis 103,15°C (150°-170°K) zu kühlen. Beispiele von elektronischen Tieftemperatursystemen werden im U.S. Patent Nr. 5,612,615 beschrieben. Bei solchen Tieftemperaturanwendungen können andere Kühlmittel als die oben beschriebenen bevorzugt werden. Beispielsweise kann ein Fluoralkan oder ein anderer Fluorkohlenstoff verwendet werden.
Bei Anwendungen mit einer hohen Spannung wird erwünscht, dass das zum Liefern der Kühlung verwendete Kühlmittel ein Charakteristikum einer hohen Durchschlagfestigkeit aufweist. Die oben beschriebenen Fluoralkane sind beispielsweise dafür bekannt, solch ein Charakteristikum aufzuweisen.

Claims

Tieftemperaturkühlsystem zum Kühlen einer Fernwärmelast mit: einer Kühlanlage, welche mindestens eine kryogenisch gekühlte Oberfläche und mindestens eine innerhalb der Kühlanlage angeordnete Kryoflüssigkeitstransportvorrichtung enthält, zum Liefern einer mechanischen Kraft zum Umwälzen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit zwischen der kryogenisch gekühlten Oberfläche und der Fernwärmelast, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung eine mechanische Einrichtung ist, wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit durch zumindest eine kryogenisch gekühlte Oberfläche in einer einzigen Phase aufrechterhalten wird.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlanlage stationär ist und sich die Fernwärmelast relativ zur stationären Kühlanlage dreht.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 2, welches zudem einen Kryokühler mit einer kryogenisch gekühlten Oberfläche aufweist.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 3, wobei der Kryokühler ein Gifford-McMahon-Kryokühler ist.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, welches zudem eine Vielzahl von Kryokühlern aufweist, welche jeweils eine entsprechende kryogenisch gekühlte Oberfläche aufweisen.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 5, wobei alle Kryokühler Gifford-McMahon-Kryokühler sind.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 5, welches zudem eine Ventilanordnung aufweist, um zumindest einen der Vielzahl an Kryokühlern von den übrigen der Vielzahl an Kryokühlern selektiv zu isolieren.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, welches zudem eine Vielzahl an Kryoflüssigkeitstransportvorrichtungen aufweist.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 8, welches zudem eine Ventilanordnung aufweist, um zumindest eine der Vielzahl an Kryoflüssigkeitstransportvorrichtungen von den übrigen der Vielzahl an Kryoflüssikgeitstransportvorrichtungen selektiv zu isolieren.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kryoflüssigkeitstransfervorrichtung ein Gebläse enthält.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit aus einer aus Helium, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Gemischen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Tieftemperaturkühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit Helium ist.
Verfahren zum Kühlen einer sich drehenden Wärmelast unter Verwendung einer kryogenisch gekühlten Oberfläche, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: das Betätigen einer Flüssigkeitstransportvorrichtung in Form einer mechanischen Einrichtung, welche innerhalb der Kühlanlage angeordnet ist, um eine Wärmelast in einem drehungsfreien Anfangszustand mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit zu versorgen; das Drehen der Wärmelast mit einer ausreichenden Drehzahl zum Erzeugen von ausreichenden Kräften, um zu verursachen, dass sich die Wärmeübertragungsflüssigkeit zur sich drehenden Wärmelast bewegt; und wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit in einer einzigen Phase aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 13, welches nach dem Drehen der der Wärmelast zudem das Beenden der Betätigung der Flüssigkeitstransportvorrichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Kryoflüssigkeitstransfervorrichtung ein Gebläse enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit aus einer aus Helium, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Gemischen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmeübertragungsflüssigkeit Helium ist.