冷卻超導機器的設備和方法技術

本發明專利技術涉及一種冷卻超導機器（2）的設備和方法，其中，至少兩個冷凝室（18、18′、18″）分別與冷頭（16、16′、16″）熱接觸，以及其中，所述至少兩個冷凝室（18、18′、18″）各有連接管道（20、20′、20″），所述至少兩個冷凝室（18、18′、18″）通過連接管道（20、20′、20″）與汽化室（12）流動連接。借助在所述至少兩個冷凝室（18、18′、18″）內的溫差和與之相關聯的壓差，液態冷卻流體K可以從至少一個冷凝室（18、18′、18″）運動到或泵入汽化室（12）內。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】本專利技術涉及，其中，至少兩個冷凝室分別與冷頭熱接觸，以及其中，所述至少兩個冷凝室各有連接管道，所述至少兩個冷凝室通過連接管道與汽化室流動連接。超導機器一般包括超導線圈，它們至少在電機工作期間必須可靠冷卻。自1987年起已知躍變溫度T。超過77K的金屬氧化物超導材料。這些材料也稱為高(High) Tc超導材料或HTS超導材料，以及原則上可以采用液氮(LN2)冷卻技術。因此包括HTS (高溫超導)材料線圈的電機可例如用液氮(LN2)或用液態氖(LNe )冷卻或工作。為了冷卻有HTS材料的繞組，優選地使用形式上為所謂低溫冷卻器的冷卻設備，它具有閉合的He(氦)壓縮氣體循環。這種低溫冷卻器尤其是Gifford-McMahon或Stirling(斯特林)型，或設計為所謂的脈沖管冷卻器。它們的優點是，其冷卻功率在一定程度上可以通過按一下按鈕便可供使用以及避免操縱低溫液體。在使用這種冷卻設備時，超導繞組例如通過向冷卻器冷頭導熱間接冷卻(例如參見“Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.(ICEC16)”，Kitakyushu, JP,20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science,1997,1109 至1129 頁)。例如在DE10321463A1中介紹的冷卻技術可用于冷卻電機轉子。轉子含有HTS導體組成的旋轉繞組，它處于設計為導熱的繞組骨架內。所述繞組骨架配備有沿軸向延伸的圓柱形中央空腔，側向從繞組骨架伸出的管狀管道與空腔連接。管道引入處于地理位置高位的冷卻組件冷凝室內，并與冷凝室和轉子中央空腔共同構成閉合的單管管道系統。冷卻劑或冷卻流體處于此管道系統中，它利用所謂熱虹吸效應循環。在這里，在冷凝室內冷凝的冷卻流體經由管狀管道流入中央空腔，在那里由于與繞組骨架并因而與HTS繞組熱耦合，所以吸收熱量并汽化。汽化的冷卻流體然后經由同一個管道回到冷凝室內，它在那里重新冷凝。為此需要的冷卻功率 由制冷機提供，制冷機的冷頭與冷凝室熱耦合。在這里，冷卻劑的回流通過在起汽化器作用的中央空腔內朝制冷機起冷凝器作用的部件方向輕度的過壓驅動。也就是說，這種通過在汽化器內形成氣體和在冷凝室內液化造成的壓差，導致期望的冷卻劑回流。由所謂的“Heat-Pipes (熱管)”原則上已知相應的冷卻劑流動。在已知借助相應的冷卻組件熱虹吸式冷卻的電機中，液態冷卻劑的輸送僅利用重力進行，所以不需要其他的泵送系統。為此需要將冷卻組件或冷凝室務必在地理位置上設置為高于電機或繞組骨架。與此相關聯的缺點尤其出現在電機和冷卻組件結構在空間上受到限制的情況下。例如在電機軸垂直設置的電機中，在電機上方設置由電機驅動的對象，例如電動機。電機以這樣的方式裝入其環境內，亦即在電機平面內不存在自由空間。驅動的對象占據地理上較高的位置，以及，在這種狀況下冷卻組件不可能配置在地理上較高的位置。在綜合使用時，例如在鐵路的機動車中使用時，還可能例如根據規范，基于上部管線和/或隧道高度，限制機動車的結構高度。所以當給定的電機尺寸處于高度規范的數量級內時，即使電機軸水平設置，也不可能將冷卻組件配置為在地理上高于電機。在船舶或海上設備上發生另一種情況，此時當單純重力驅動冷卻劑流動時出現問題。若人們打算將上面說明的電機設備使用在船舶或海上設備上，則必須考慮到沿縱向經常有穩態偏斜，所謂“縱傾(Trim)”，例如達±5°，和/或有動態的偏斜，例如達±7.5°。因此，為了獲得船舶使用的船級社批準，在海船甲板上這種電機設備的冷卻系統即使在這些條件下也必須保證可靠冷卻。若人們希望準許所述的電機偏斜，則存在危險，導致在中央轉子空腔與冷卻組件之間的管狀管道區域，在地理位置上低于該中央轉子空腔。其后果是，冷卻劑在重力影響下不能到達要冷卻的轉子空腔。因此不再確保電機冷卻并因而其運行。為了保證在電機偏斜時仍能可靠冷卻，可以將電機相對于水平線傾斜設置，使得在假定最大縱傾角或擺動幅度時，在虹吸式管道系統中仍始終存在朝轉子空腔方向的落差。相應的傾斜布置，恰恰在船舶建造中，尤其在電機長度較大時，由于此時需要大的空間，因此這是不希望的。作為替代，取代冷卻劑循環在冷凝室與汽化室之間的單管管道系統，其中液態和氣態冷卻劑從冷凝室流出和流向冷凝室通過相同的管道，可以使用雙管管道系統。在這里利用例如在W000/13296A中說明的熱虹吸效應。然而，在轉子空心軸的區域內，必須設附加的用于氣態冷卻劑的管道。冷凝室在地理位置上必須設置為比汽化室足夠高，以保證借助重力使冷卻流體可靠地從冷凝室流入汽化室。這樣做需要例如在船舶內僅能有限地提供使用的結構空間。另一種替代方式是使用機械泵和/或機械閥。冷卻劑可通過泵強迫循環。但為此需要巨大的設備性投資，尤其在冷卻劑例如有溫度為25至30K時。這種循環系統引起大的損失，因而幾乎不可能滿足船舶建造的壽命要求及其長的維修間隔時間。因此本專利技術的目的是，提供一種，即使在機器偏斜時它們也能使超導機器可靠地冷卻。在這里應取消機械運動部件，例如機械泵和閥，因為在低溫工作的機械泵和閥復雜、成本高和易發生故障。本專利技術另一個目的是，提供一種，其中，冷卻流體也可以逆重力方向或克服重力的作用運動，無需機械運動部件，例如機械泵和閥。所述有關冷卻超導機器設備的目的通過具有權利要求1特征的設備達到，以及有關冷卻超導機器方法的目的 通過具有權利要求7特征和具有權利要求8特征的方法達到。由各自相關的從屬權利要求，可知按本專利技術有利的設計。在這里，并列權利要求的特征彼此以及與從屬權利要求的特征可以組合，以及從屬權利要求的特征彼此可以組合。按本專利技術冷卻超導機器的設備有至少兩個冷凝室，它們分別與冷頭熱接觸。其中，所述至少兩個冷凝室各有連接管道，至少兩個冷凝室通過連接管道與汽化室流動連接。至少兩個冷凝室設計為，使冷卻流體在液態時也能通過第一冷凝室內的第一壓力與第二冷凝室內的第二壓力之間的壓差，克服重力從至少一個冷凝室運動到汽化室。上述這些壓力由冷凝室內的溫度決定(冷卻劑的沸點曲線)。通過使用兩個冷凝室，它們分別有與汽化室的連接管道，冷凝室內的溫度可借助分別與冷凝室熱耦合的冷頭不同地調整。由此可以在冷凝室之間或在它們充填液態和/或氣態冷卻流體的內腔容積之間形成壓差。在一個其中溫度升高的冷凝室內，液體汽化和/或氣態冷卻流體膨脹和壓力增大。在一個其中溫度降低或減小的冷凝室內壓力降低，因為氣態冷卻劑冷凝。通過冷凝室內的溫度借助冷頭不同地改變，在冷凝室之間形成壓差。所述壓差促使液態冷卻流體從至少一個連接管道運動到汽化室內。在這種情況下，通過在一個冷凝室內與汽化室相比較大的壓力，這一壓力可通過在一個冷凝室內與另一個冷凝室相比較大的壓力形成，在所述一個冷凝室的連接管道內的冷卻流體，當壓差足夠大時也能克服重力運動到汽化室內。因此根本不需要運動部件，如閥或機械泵。也可以使用至少三個各有一個冷頭的冷凝室，其中，尤其在所述至少三個冷凝室內，可通過各自配屬的冷頭彼此獨立調整或能有控制地調節溫度。此時有利地在兩個冷凝室內同時降低溫度以及在一個冷凝室內升高溫度。在這種情況下，可以在冷凝室之間，在時間上依次交換進行在其中升高和降低溫度，但總是在一個冷凝室內提高溫度而在其他冷凝室內降低溫度。從而導致總是從本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：M·弗蘭克，P·范哈塞爾特，
申請(專利權)人：西門子公司，
類型：
國別省市：