JP6931089B2 - 負荷を冷却する方法および装置ならびに相応する装置と負荷とを備えたシステム - Google Patents
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Description
高電圧ケーブルおよび中電圧ケーブルならびにバスバーは、高温超伝導体(HTS)として形成されていてよい。このようなケーブルおよびバスバーは、直流・交流を問わず通電を行うことができる。以下においては、このようなケーブルおよびバスバーを「HTS通電体」とも呼ぶ。HTS通電体は、100Kよりも低い温度、好適には80Kよりも低い温度への冷却を必要とする。
・ 典型的に、液体窒素がポンプ内で増圧され、過冷却器内で所要の冷却温度にまで冷却され、負荷に導かれ、負荷内で昇温され、最後に再びポンプに戻される。相応する窒素は「循環窒素」とも呼ばれる。用語「過冷却器」は、液体が、相応する冷却の後に過冷却された液体になるという理由に基づいて使用される。
・ ポンプの上流側における循環窒素の過冷却と、ポンプの下流側における過冷却とが組み合わされている回路も知られている。このためには、2つの過冷却熱交換器が必要とされて、過冷却器内に配置される。
・ 過冷却器内の熱交換器は、最も単純な構成では、液体窒素浴(「浴窒素」)に配置される蛇管である。高温の循環窒素は、蛇管の内部に案内されて、外部に存在する低温の浴窒素によって冷却される。このときに浴窒素は蒸発する。蛇管熱交換器に対して択一的に、別のタイプの熱交換器も使用され得る。
・ 過冷却器内で蒸発によって生じた浴窒素損失は、典型的には、貯え容器からの新しい液体窒素の後充填により補償される。
・ ポンプ下流側における冷却循環路内の圧力は、循環窒素が常に液状のままとなり、かつ蒸気泡が発生しないように設定される。熱力学的な視点から見て、このことは、循環路内の圧力が常に過冷却器の浴内よりも高いことが望ましく、かつ循環窒素が、沸点を超えて加熱されてはならないことを意味する。
・ 循環窒素の最低温度は、過冷却器からの出口において達成される。この温度は実質的に、過冷却器で使用された浴窒素の温度(および過冷却器内での熱伝達)によって規定される。
・ 温度低下のためには、浴窒素の圧力が、機械的な(一般にオイル潤滑された)真空ポンプの使用下に連続的なポンプ排出によって減じられる。達成可能な温度の下限値は、約63Kであり、このことは約0.13バールの蒸気圧に相当する。温度がそれ以上低くなると、浴窒素が凍結されてしまう。
・ 1つまたは複数の冷凍機(クライオクーラとも呼ばれる)を過冷却器に組み込むことにより、浴窒素の温度を減少させることもできる。この1つまたは複数の冷凍機は、冷却時に蒸発した浴窒素を、所要の冷却温度にまで冷却し、かつ液状化/再凝縮させる。この場合には、真空ポンプは必要とされない。クライオクーラとしては、典型的には、いわゆるブレイトンクーラまたはいわゆるスターリングクーラが使用される。相応する冷却システムは、閉じたシステム(クローズドシステム)として構成されている。
このような背景に鑑み、本発明は、独立項の形の各請求項の特徴部に記載の特徴を有する、負荷、特に通電体、好ましくはHTS通電体を冷却する方法および装置、ならびに相応する装置と負荷とを備えたシステムを提案する。好適な構成は、従属形式の各請求項ならびに以下の説明の対象である。
図1aには、従来技術によるシステムが、簡略化された概略図で示されていて、全体を符号200で示されている。
Claims (8)
- 液体窒素を使用して負荷を冷却する方法であって、液体窒素を循環路内に案内し、該液体窒素を、冷却された液体窒素との間接的な熱交換によって冷却し、かつ前記負荷と熱交換させる方法において、
−前記循環路内に案内された液体窒素の冷却のために使用される、冷却された液体窒素の第1の分量を、開いた冷却システム(10)内で、圧力減少と、形成された窒素蒸気の導出とによって冷却し、前記冷却された液体窒素の第2の分量を、閉じた冷却システム(20)内で、1つまたは複数の冷凍機の使用により冷却し、
−前記開いた冷却システム(10)と、前記閉じた冷却システム(20)とを、第1の端部と第2の端部とを備えた通電体(1)の冷却のために使用し、この場合、前記開いた冷却システム(10)を、前記通電体(1)の前記第1の端部に配置し、前記閉じた冷却システム(20)を、前記通電体(1)の前記第2の端部に配置し、
−冷却能力を、第1の時間に、比較的小さな第1の全冷却能力で提供し、第2の時間に、比較的大きな第2の全冷却能力で提供し、この場合、全冷却能力の第1の部分量を、前記開いた冷却システム(10)によって提供し、全冷却能力の第2の部分量を、前記閉じた冷却システム(20)によって提供し、前記第1の部分量を、前記第1の時間において、前記第2の時間における第1の部分量よりも小さな値に調節する、
ことを特徴とする、負荷を冷却する方法。 - 前記第2の部分量を、前記第1の時間において、前記第2の時間における値と同じ値に調節する、請求項1記載の方法。
- 前記循環路内に案内された液体窒素を、前記開いた冷却システム(10)および前記閉じた冷却システム(20)内で、それぞれ70〜78Kの温度レベルから65〜70Kの温度レベルにまで冷却する、請求項1または2記載の方法。
- 前記循環路内に案内された液体窒素を、前記開いた冷却システム(10)および前記閉じた冷却システム(20)で、5〜20バールの圧力レベルにまで冷却する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
- 使用される前記1つまたは複数の冷凍機が、ネオンおよび/またはヘリウムの使用により運転されるスターリング型またはブレイトン型の冷凍機を含む、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
- 液体窒素を使用して負荷を冷却する装置であって、当該装置が、液体窒素を循環路内に案内し、該液体窒素を、冷却された液体窒素との間接的な熱交換によって冷却し、かつ前記負荷と熱交換させるように構成されている、負荷を冷却する装置において、
−前記循環路内に案内された液体窒素の冷却のために用いられている液体窒素の第1の分量を冷却するために、開いた冷却システム(10)が提供されており、該開いた冷却システム(10)が、液体窒素の前記第1の分量を、圧力減少と、形成された窒素蒸気の導出とによって冷却するように構成されており、
−前記循環路内に案内された液体窒素の冷却のために用いられる液体窒素の第2の分量を冷却するために、閉じた冷却システム(20)が提供されており、該閉じた冷却システム(20)が、1つまたは複数の冷凍機を含み、
−前記開いた冷却システム(10)と、前記閉じた冷却システム(20)とが、第1の端部と第2の端部とを備えた通電体(1)の冷却のために備えられており、前記開いた冷却システム(10)が、前記通電体(1)の前記第1の端部に配置され、前記閉じた冷却システム(20)が、前記通電体(1)の前記第2の端部に配置され、
−当該装置が、冷却能力を、第1の時間に、比較的小さな第1の全冷却能力で提供し、第2の時間に、比較的大きな第2の全冷却能力で提供するように構成されており、全冷却能力の第1の部分量が、前記開いた冷却システム(10)によって提供され、全冷却能力の第2の部分量が、前記閉じた冷却システム(20)によって提供され、前記第1の部分量が、前記第1の時間において、前記第2の時間における第1の部分量よりも小さな値に調節可能である、
ことを特徴とする、負荷を冷却する装置。 - 使用される前記1つまたは複数の冷凍機が、ネオンおよび/またはヘリウムの使用により運転されるスターリング型またはブレイトン型の冷凍機を含む、請求項6記載の装置。
- 冷却されるべき通電体(1)を備えたシステム(100)において、当該システム(100)が、請求項6または7記載の装置を有することを特徴とする、システム。
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