CN111819405B - 用于冷却超导电流载体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

被指定成用于引导电流穿过的超导电流载体被容纳在低温恒温器中，在该低温恒温器中借助过冷却的低温冷却介质、例如液态氮对这些超导电流载体进行冷却。电流载体在其端部与两个正常传导的电流供应线路电连接。冷却介质从储存容器中被过冷却到低于其沸腾温度的温度，并且藉由冷却介质入口被供给至低温恒温器、与超导电流载体产生热学接触，并且随后藉由低温恒温器的冷却介质出口排出。根据本发明提出，来自低温恒温器的冷却介质被用于冷却这些正常传导的电流供应线路中的至少一个电流供应线路。

Description

用于冷却超导电流载体的方法和设备

本发明涉及一种用于冷却超导电流载体的方法，该超导电流载体被容纳在低温恒温器中、与两个正常传导的电流供应线路电连接，在该方法中将来自储存容器的冷却介质过冷却到低于其沸腾温度的温度，并且藉由冷却介质入口将该冷却介质供给至低温恒温器、使该冷却介质与超导电流载体产生热学接触，并且随后藉由低温恒温器的冷却介质出口排出该冷却介质。

在下文中应将被指定成用于输送电流的结构元件称为超导电流载体；在此，尤其涉及超导线缆或超导汇流排。如所有基于超导结构元件工作的装置一样，必须将此类超导电流载体冷却到操作温度，该操作温度低于所使用的超导体的超导转变温度(跃变温度)。超导体的跃变温度在宽范围内变化，并且从经典金属超导体的T_c<10K直至达到陶瓷高温超导体(例如Bi₂Sr₂Ca_nCu_n+iO_2n+6)的T_c>100K的值。为了进行冷却，根据现有技术，将过冷却的液化气体(例如深冷的液化氮，液态空气或液化稀有气体、尤其液态氦)用作热传递剂。在此，将在相应的压力下以低于沸腾温度的温度存在的气体理解为“过冷却的液化气体”。在此，与使用非过冷却的(即以对应的沸腾温度存在的)液化气体相反，热量的吸收首先仅促使液化气体的温度升高，而物态却没有发生变化。

在文献US 6 732 536 B1、WO 2007/005091 A1、EP 1 850 354 A1和US 2006/0150639 A1中描述了这样的冷却系统的示例。在所有这些系统中，液化气体被过冷却并且借助于泵被供给至目标物(超导电流载体)。在与该目标物进行热交换之后，借助于过冷却器重新对冷却介质进行冷却，以便使与目标物热接触时所吸收的热量散发，并且随后该冷却介质又再次可供使用来对目标物进行冷却。例如，将制冷机或者(例如在EP 1 850 354A1和US 6 732 536 B1的主题中的)热交换器用作过冷却器，在该热交换器中，冷却介质在散热的一侧上以低于要冷却的目标物的冷却温度的温度蒸发。例如，使得与制冷回路中相同的冷却介质以比制冷回路中的系统压力小的压力蒸发，并且与以更高的压力存在的冷却介质产生热接触。由此，对以更高的压力存在的冷却介质进行过冷却。通过使用真空泵甚至可以进一步降低蒸发压力并且因此进一步降低所使用的介质蒸发温度以用于过冷却。冷却介质的选择取决于要冷却的目标物的操作温度；在基于高温超导体工作的系统中，通常将液态氮用作冷却介质。

尤其在冷却段较长的情况下、尤其在冷却长的超导线缆或超导汇流排的情况下，已知的系统具有明显的缺点。因为冷却介质引导在回路中，因此根据现有技术，冷却介质要么以往返路径经过超导电流载体，冷却介质要么藉由与电流载体并行铺设的返回管线引导返回至冷却介质储罐或泵的吸入侧。在第一种情况中，设置两个流动路径使超导电流载体的结构复杂化，并且由于冷却路径的双倍长度而出现的压力损失而必须借助对应地高成本设计的泵系统和压力管线系统进行补偿。在第二种情况中，需要构造高成本的、隔热的返回管线。尤其在超导线缆或超导汇流排的情况下所产生额外问题是要冷却的目标物具有几百米直至几千米的长度，其中未来可期开发甚至明显更长的电流载体。为了将出现的损失保持得尽可能小，因此将电流载体划分成在流动技术上彼此分开的冷却节段，针对这些冷却节段各自使用自己的回路冷却系统。然而，这与设备技术方面的高成本相关联。

为了能够引导电流穿过超导电流载体，该超导电流载体在两个端部与正常传导的电流供应线路电连接，这些电流供应线路提供从发生器供应电流并且将电流传递到耗电器。因为在操作中例如高达200 000A的高电流被引导穿过这些电流供应线路和超导电流载体(这些电流在正常传导的电流供应线路中导致明显的热量生成，而同时超导电流载体在操作中必须始终被保持在低于其跃变温度的温度)，所以尤其在向超导电流载体的过渡区域内对电流供应线路进行冷却是绝对必要的。目前借助常规的冷却设备对电流供应线路进行冷却，然而这些冷却设备在技术上是高成本的并且其自身具有高的电流消耗。

因此，本发明的目的在于，给出一种用于冷却超导电流载体的方案，与根据现有技术已知的系统相比，该方案在性能类似的情况下以更少的设备技术上的成本实现。

这个目的通过具有专利权利要求1所述特征的方法并且通过具有专利权利要求9所述特征的设备来实现。有利的设计方案自从属权利要求的特征组合中得出。

因此，根据本发明，开篇所述类型和用途的方法的特征在于，该冷却介质在经过该低温恒温器之后与至少一个第一电流供应线路产生热接触。

因此，在根据本发明的方法中多次利用冷却介质的制冷量：一方面用于将超导电流载体保持到低于其跃变温度的值，并且另一方面用于冷却正常传导的电流供应线路。因为超导电流载体在操作中不产生热量，所以仅藉由低温恒温器的隔热引入极少的热量。因此，冷却介质在低温恒温器上游优选被过冷却到如下程度，使得当冷却介质离开低温恒温器并且被供给至正常传导的电流供应线路时，该冷却介质仍作为液化气体存在。

用作冷却介质的液化气体在其与目标热接触之前就被过冷却，因此达到低于其沸点的温度。为此，冷却介质管线配备有用于对被引导穿过冷却介质管线的冷却介质进行过冷却的装置。由此，确保冷却介质在与超导电流载体热接触之前始终作为过冷却的液化气体存在。为了对冷却介质进行过冷却，例如使用这样的设备，在该设备中液化的、以所给出的压力存在的低温冷却介质(例如液态氮)与同样处于液化状态下、然而以更低的压力存在的同一冷却介质产生热接触。因为沸腾温度随压力的减小而降低，所以以更高的压力存在的冷却介质在热接触中被冷却到低于其沸腾温度的温度。以这种方式可以将低温冷却介质冷却到例如5K至10K或甚至进一步低于其沸点的温度。然而替代性地也可以使用制冷机或热交换器，该热交换器与另外的、甚至更冷的介质建立热学接触。

如果被引导穿过低温恒温器的冷却介质的制冷量不足以冷却电流供应线路，那么本发明的一个设计方案提出，在该低温恒温器的下游从该储存容器或另外的储存容器对冷却介质供给额外的冷却介质，并且以之冷却该电流供应线路。

本发明的一个特别有利的设计方案提出，来自该储存容器的冷却介质被用来冷却该第二电流供应线路。第二电流供应线路也可以由来自该低温恒温器的冷却介质冷却，这尤其在电流载体组件较短的情况下是一个优选的设计方案。然而，尤其在电流载体较长的情况下有利的是，借助单独的冷却介质管线将第二电流供应线路连接到储存容器，以便限制设备技术方面的成本。

冷却介质的过冷却优选以如下方式进行：使来自该储存容器的冷却介质在容器中与以比该储存容器中的压力小的压力存在的冷却介质产生间接的热接触。从容器中蒸发的或借助于真空泵被移除的气体仍具有显著的制冷量，并且同样可以有利地被用来冷却一个电流供应线路或两个电流供应线路。

用于对该冷却介质进行过冷却的一个替代性的方案提出，将冷凝的冷却介质连续地或以定期的间隔供给至该储存容器，该冷凝的冷却介质的压力在即将填充该储存容器之前低于该储存容器的底部处的压力，该储存容器的底部处的压力由储罐压力并且由已经存在于储存容器中的冷却介质的流体静压来确定。由此，在储存容器的底部抽出的并且用于冷却电流供应线路所使用的冷却介质在储存容器的底部处的压力下在温度方面明显低于沸点。

用于对该冷却介质进行过冷却的又另一种方案的特征在于，将第一冷却介质用作冷却介质，并且为了对该第一冷却介质进行过冷却，使用与该第一冷却介质在热交换器处处于直接或间接的热接触的第二冷却介质，该第二冷却介质以更低的温度存在。例如将液态氧用作第一冷却介质，并且将液态氮用作第二冷却介质，液态氮由于其沸腾温度更低而对液态氧进行过冷却。

优选地，将液化气体用作冷却介质，例如液氮，液氧，LNG或液化稀有气体、尤其液态氩或液态氦。液氮尤其适用于冷却这样的设备，这些设备基于高温超导体、尤其基于超导电流载体或超导电流载体的节段来工作。在使用液氧的情况下，液氧可以在冷却电流载体之后用作其他用途，例如用作燃烧过程中的氧化剂。

在根据本发明的方法的一个同样有利的设计方案中，取决于所需的制冷能力来调节被供给至这些电流供应线路的制冷介质的量。

一种适用于执行根据本发明的方法的、用于冷却超导电流载体的设备包括专利权利要求9的特征。根据本发明的设备包括超导电流载体，该超导电流载体在其端部各与一个正常传导的电流供应线路电连接，并且被容纳在具有冷却介质入口和冷却介质出口的低温恒温器中，其中该冷却介质入口藉由送入管线与用于低温冷却介质的储存容器处于流动连接，该送入管线被指配有用于过冷却的装置。用于对冷却介质进行过冷却的装置例如被布置在送入管线中。根据本发明，该设备的特征在于，这些电流供应线路至少在其邻接于该超导电流载体的区段被引导穿过热交换器，这些热交换器各自具有冷却介质入口和冷却介质出口，并且这些热交换器中的至少一个热交换器的冷却介质入口与该低温恒温器的冷却介质出口处于流动连接。

因此，在根据本发明的设备中首先对低温冷却介质进行过冷却，并且该低温冷却介质被用来冷却低温恒温器中的超导电流载体，并且随后在热交换器中被用来冷却这些电流供应线路中的至少一个电流供应线路。通过这种结构，避免了用于冷却电流供应线路的高成本的电驱动的冷却设备或者可以至少以功率较低的方式实施。此外，代替可能仍然需要的电驱动的冷却设备，也可以使用低温冷却介质，除了被引导穿过低温恒温器的冷却介质之外，该低温冷却介质也被用来冷却电流供应线路。为此，送入管线通入将低温恒温器的冷却介质出口与电流供应线路的热交换器的冷却介质入口相连接的管线，从该送入管线可以混合来自储存容器的和/或另外的储存容器的冷却介质。此外，还可以在这个送入管线中设置过冷却器，并且冷却介质可以作为过冷却的液化气体与从低温恒温器中排出的混合。

此外，过冷却器可以作为独立的装置被布置在储存容器与电流载体之间。然而，为避免将热量引入到过冷却器中，还可以将送入管线的具有过冷却器的区段布置在储存容器内。储存容器本身同样可以用作过冷却器，其方式为通过与更冷的介质的热接触而将储存在储存容器中的液态气体置于过冷却的状态中。

下面应借助于附图更详细地解释本发明的实施例。唯一的附图(图1)示意性地示出了用于执行根据本发明的方法的设备。

在图1中示出的用于冷却超导电流载体2的设备1包括用于储存低温冷却介质的储存容器3，例如配备有隔热良好的壁的立式储罐。冷却介质例如涉及液化氮、液化氧或者涉及液化稀有气体。超导电流载体2涉及由超导材料、在本实施例中由高温超导材料制成的导体。在此，尤其涉及超导线缆或超导汇流排。为了使超导电流载体2在其使用期间保持在低于其材料的超导跃变温度的温度，电流载体2在其整个长度上被容纳在低温恒温器4中，在该低温恒温器中超导电流载体2与来自储存容器3的冷却介质产生接触。超导电流载体2与正常传导的电流供应线路5、6电连接，例如与由传导良好的材料(例如铜)制成的电流载体或实心的供应线路电连接。

冷却介质管线8用于将冷却介质从储存容器3输送至低温恒温器4，该冷却介质管线与低温恒温器4的冷却介质入口9处于流动连接。在冷却介质管线8中设置用于对被引导穿过冷却介质管线8的液化气体进行过冷却的装置10。借助于截止阀11可以使液化气体引导穿过冷却介质管线8中断或开通。

装置10尤其涉及过冷却器，该过冷却器按照以下原理工作：从冷却介质管线8分支出送出管线12，通过该送出管线将冷却介质从储存容器3中排出，并且使冷却介质在安装于装置10中的容器13中与被引导穿过冷却介质管线8的介质产生热学接触。借助于截止阀14可以将容器13中的介质在流动技术上与被引导穿过冷却介质管线8的冷却介质分开。在容器中充入冷却介质直至液位15的高度。从液位15上方的气相分支出用于气态冷却介质的送出管线17，该送出管线要么与周围环境大气相连接，要么与(在此未示出的)真空泵相连接。由于在进入到热交换器10中时藉由冷却介质管线8所引入的冷却介质与容器13中的冷却介质相比以更高的压力并且因此以更高的温度存在，所以被引导穿过冷却介质管线8的介质通过热交换达到、即被过冷却到低于其沸点的温度。例如将随后被供给至冷却介质入口9的冷却介质冷却到5K至10K或远低于其沸点的温度。此外，为了能够在宽范围内调节冷却介质的温度，有利的是，将(在此未示出的)真空泵连接到送出管线17，借助于该真空泵可以进一步降低送出管线17中的冷却介质的压力并且因此可以进一步降低冷却介质在容器13中的温度。

在设备1操作时，超导电流载体2可以被冷却到低于其超导跃变温度的温度。随后，(在此未示出的)电流发生器的电流、优选具有电流强度为例如200000A的直流电流，藉由电流供应线路5进入超导电流载体2被传导至电流供应线路6，并且随后被供应至(在此同样未示出的)耗电器。

由于在正常传导的电流供应线路5、6中的高电流导致大量的热量生成，因此这些电流供应线路各自配备有用于与冷却介质热学接触的热交换器18、19。在设备1中，将来自储存容器3的冷却介质用作冷却介质。在用于热交换器18的冷却介质藉由送入管线21直接从储存容器3被引导到热交换器中并且在那里在(在此未示出的)热交换器面上与电流供应线路5产生热学接触的同时，来自低温恒温器4的、在冷却介质出口22处溢出的、并且藉由管线23被引导至热交换器19的冷却介质对热交换器19进行冷却。由于低温恒温器4中的冷却介质在超导电流载体2操作时仅吸收很少的热量(主要是由于经由低温恒温器4的隔热壁引入的热量)，因此冷却介质在管线23中还是仍处于液态。由于与电流供应线路5、6的热接触，因此低温制冷介质至少部分地蒸发，并且在经过热交换器之后被释放到周围环境大气中或用于其他用途。

此外，也可以使用来自送出管线17的冷气体来代替或对经由管线21、23引入的冷却介质进行补充，以在热交换器18、19中的一个热交换器中进行冷却。此外，在不太长的超导电流载体2的情况下，可以使用来自低温恒温器4的、在冷却介质出口处溢出的冷却介质来冷却这两个电流供应线路5、6。此外，管线23还可以配备有送入管线24，藉由该送入管线可以在需要时供给来自储存容器3或另外的储存容器的额外的冷却介质，并且该额外的冷却介质可以被用来在热交换器19中冷却电流供应线路6。

根据本发明的设备1尤其适用于冷却较长的超导电流载体2，在这些较长的超导电流载体中，冷却介质的回路引导装置由于装置方面的高成本和/或经由低温恒温器4的隔热壁而无法避免的热量引入可能是不经济的。

附图标记清单

1. 设备

2. 超导电流载体

3. 储存容器

4. 低温恒温器

5. 电流供应线路

6. 电流供应线路

7. -

8. 冷却介质管线

9. 冷却介质入口

10. 用于过冷却的装置

11. 截止阀

12. 送出管线

13. 容器

14. 截止阀

15. 液位

16. -

17. 送出管线

18. 热交换器

19. 热交换器

20. -

21. 送入管线

22. 冷却介质出口

23. 管线

24.送入管线。

Claims (9)

1.一种用于冷却超导电流载体(2)的方法，该超导电流载体被容纳在低温恒温器(4)中、与两个正常传导的电流供应线路(5，6)电连接，其中将来自储存容器(3)的冷却介质过冷却到低于其沸腾温度的温度，并且藉由冷却介质入口(9)将该冷却介质供给至该低温恒温器(4)、使该冷却介质与该超导电流载体(2)产生热学接触，并且随后藉由该低温恒温器(4)的冷却介质出口(22)排出该冷却介质，

其特征在于，

该冷却介质在经过该低温恒温器(4)之后与至少一个第一电流供应线路(5，6)产生热接触，其中所述冷却介质在该低温恒温器的上游被过冷却到如下程度，使得当所述冷却介质离开所述低温恒温器并且被供给至正常传导的电流供应线路时，该冷却介质仍作为液化气体存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该低温恒温器(4)的下游用来自该储存容器(3)或另外的储存容器的冷却介质对供给至该电流供应线路(5，6)的冷却介质进行补充。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用来自该储存容器(3)的冷却介质来冷却第二电流供应线路(6，4)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了对该冷却介质进行过冷却，使来自该储存容器(3)的冷却介质在容器(13)中与以比该储存容器(3)的压力小的压力存在的冷却介质产生间接的热接触，并且从该容器(13)中蒸发的冷却介质被用来冷却电流供应线路(5，6)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了对该冷却介质进行过冷却，将冷凝的冷却介质连续地或以定期的间隔供给至该储存容器(3)，该冷凝的冷却介质的压力在即将填充该储存容器(3)之前低于该储存容器(3)的底部处的压力。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将第一冷却介质用作冷却介质，并且为了对该第一冷却介质进行过冷却，使用与该第一冷却介质产生热接触的第二冷却介质，该第二冷却介质以更低的温度存在。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将液化气体用作第一冷却介质和/或第二冷却介质。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，取决于所需的制冷能力来调节被供给至这些电流供应线路(5，6)的冷却介质的量。

9.一种用于执行根据前述权利要求之一所述的方法的设备，该设备具有超导电流载体(2)，该超导电流载体在其端部各与一个正常传导的电流供应线路(5，6)电连接，并且被容纳在具有冷却介质入口(9)和冷却介质出口(22)的低温恒温器(4)中，其中该冷却介质入口(9)藉由送入管线(8)与用于低温冷却介质的储存容器(3)处于流动连接，该送入管线(8)被指配有用于对该冷却介质进行过冷却的装置(10)，

其特征在于，

这些电流供应线路(5，6)至少在其邻接于该超导电流载体(2)的区段被引导穿过热交换器(18，19)，这些热交换器各自具有冷却介质入口和冷却介质出口，并且这些热交换器(18，19)中的至少一个热交换器的冷却介质入口与该低温恒温器的冷却介质出口(22)处于流动连接，并且所述进行过冷却的装置被设计为使得所述冷却介质在该低温恒温器的上游被过冷却到如下程度，使得当所述冷却介质离开所述低温恒温器并且被供给至正常传导的电流供应线路时，该冷却介质仍作为液化气体存在。

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