專利名稱：具有冷卻和正常操作模式的低溫冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制冷領(lǐng)域，具體地涉及一種用于冷卻超導(dǎo)電機的具有冷卻和穩(wěn)態(tài)或正常操作模式的低溫冷卻系統(tǒng)。在這里，用語“低溫”定義為說明溫度通常低于150開爾文。
某些超導(dǎo)磁鐵通過安裝在磁鐵上的低溫冷卻機的冷卻頭(coldhead)(例如傳統(tǒng)的Gifford-McMahon低溫冷卻機的冷卻頭)進行傳導(dǎo)冷卻。然而，將低溫冷卻機的冷卻頭安裝到磁鐵上產(chǎn)生了許多困難，包括雜散磁場對冷卻頭電機的不利影響，從冷卻頭傳給磁鐵的振動，以及沿冷卻頭和磁鐵間熱傳遞處的溫度梯度。這種傳導(dǎo)冷卻通常不適合冷卻旋轉(zhuǎn)磁鐵，例如可組成超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁鐵。
其它的超導(dǎo)磁鐵通過直接與磁鐵接觸的液態(tài)氦來冷卻，在磁鐵冷卻過程中液態(tài)氦氣化成氣態(tài)氦，氣態(tài)氦通常從磁鐵選出到大氣中。在磁鐵的真空罩中設(shè)置液態(tài)氦的容器會增加超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)的尺寸，這在許多應(yīng)用中是不希望發(fā)生的。
所需要的是改進用于冷卻超導(dǎo)裝置的低溫冷卻系統(tǒng)。這種冷卻系統(tǒng)的位置必須遠離磁鐵。另外，冷卻系統(tǒng)應(yīng)能冷卻旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁鐵，例如發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁鐵。
在Ackermann等的美國專利No.5513498中公開了一種為此需要而進行的創(chuàng)新，此專利已轉(zhuǎn)讓給本受讓人。此創(chuàng)新采用了一單獨的壓縮機和旋轉(zhuǎn)閥，用于使液態(tài)致冷劑如氦在致冷劑回路中以相反的方向交替地循環(huán)，從而冷卻超導(dǎo)裝置。雖然Ackermann等的專利中所公開的創(chuàng)新基本上克服了上述問題，但仍然需要一種能實現(xiàn)下述目的的創(chuàng)新，即提供一種低溫冷卻系統(tǒng)，可將超導(dǎo)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子冷卻到工作溫度并將轉(zhuǎn)子保持在此工作溫度以進行正常操作。
在本發(fā)明的一個實施例中，用于超導(dǎo)電機的低溫冷卻系統(tǒng)包括形成第一回路的裝置，第一回路可使致冷劑流流入和流出超導(dǎo)電機，并可在冷卻模式下操作以將致冷劑及超導(dǎo)電機冷卻到正常操作溫度；形成第二回路的裝置，第二回路可使致冷劑流流入和流出超導(dǎo)電機，并可在正常模式下操作，將致冷劑及超導(dǎo)電機保持在正常操作溫度。
低溫冷卻系統(tǒng)10包括用于容納元件組14和18中的某些元件的低溫箱22。第一組元件14包括冷卻壓縮機24，一對位于低溫箱22外的流量控制閥26，28，封閉循環(huán)的冷卻低溫致冷器30，冷卻熱交換器32，以及位于低溫箱22內(nèi)部的排熱熱交換器34。第一組元件14還包括分別在冷卻壓縮機24和超導(dǎo)電機12之間延伸的第一對致冷劑輸送管36和回流管38。流量控制閥26，28分別與進、出冷卻壓縮機24的輸送管36和回流管38相連。冷卻低溫致冷器30分別與出、進冷卻壓縮機24的輸送管36和回流管38相連，并且與流量控制閥26，28并聯(lián)。冷卻熱交換器32在流量控制閥26，28和超導(dǎo)電機12之間與輸送管36和回流管38相連。排熱熱交換器34以熱交換的關(guān)系與冷卻低溫致冷器30相連，并與冷卻熱交換器32和超導(dǎo)電機12之間的輸送管36相連。
第二組元件18包括位于低溫箱22之外的主壓縮機40，封閉循環(huán)的主低溫致冷器42，以及位于低溫箱22內(nèi)的排熱熱交換器44。第二組元件18還包括分別從主壓縮機40處延伸出的第二對致冷劑輸送管46和回流管48。主低溫致冷器42分別與出、進主壓縮機40的輸送管46和回流管48相連。排熱熱交換器44以熱交換的關(guān)系與主低溫致冷器42相連，并分別與進、出超導(dǎo)電機12輸送管36和回流管38相連，并且與第一組元件14并聯(lián)。
在操作中，冷卻壓縮機24提供高壓低溫氣體如氦，從而操作冷卻低溫致冷器30，使氣體流通過冷卻熱交換器32和排熱熱交換器34流進和流出超導(dǎo)電機12，以冷卻超導(dǎo)電機。冷卻系統(tǒng)10的兩種操作模式為冷卻模式和穩(wěn)態(tài)或正常操作模式。
在冷卻模式中，從冷卻壓縮機24中排出的氦氣被冷卻熱交換器32和冷卻低溫致冷器30冷卻，并用來將電機12從室溫冷卻到其操作低溫。
在正常操作模式中，通過選擇性地操作流量控制閥26，28，可以關(guān)閉冷卻致冷器30和從冷卻壓縮機24中排出的氣體，然后只由主低溫致冷器42和主壓縮機40進行冷卻。在此操作模式中，由于電機12的轉(zhuǎn)子(未示出)的旋轉(zhuǎn)，氦氣在排熱熱交換器44和電機12之間的冷卻回路中循環(huán)。
雖然在上文中只說明和介紹了本發(fā)明的一些優(yōu)選特征，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以對其進行許多修改和變化。因此，可以理解，所附權(quán)利要求覆蓋了包含在本發(fā)明的實質(zhì)精神內(nèi)的所有這些修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于超導(dǎo)電機(12)的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，包括排列成第一回路(16)的第一組元件(14)，其可使致冷劑流流入和流出所述超導(dǎo)電機(12)，并可在冷卻模式下進行操作，以將所述致冷劑及超導(dǎo)電機(12)冷卻到正常操作溫度；和排列成第二回路(20)的第二組元件(18)，其可使致冷劑流流入和流出所述超導(dǎo)電機(12)，并可在正常模式下進行操作，以將所述致冷劑及超導(dǎo)電機(12)保持在正常操作溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)包括冷卻壓縮機(24)，以及位于所述冷卻壓縮機(24)和所述超導(dǎo)電機(12)之間的致冷劑流的輸送和回流管(36，38)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括分別與出、進所述冷卻壓縮機(24)的所述輸送和回流管(36，38)相連的流量控制閥(26，28)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括與出、進所述冷卻壓縮機(24)的所述輸送和回流管(36，38)相連且與所述流量控制閥(26，28)并聯(lián)的冷卻低溫致冷器(30)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括位于所述流量控制閥(26，28)和所述超導(dǎo)電機(12)之間與所述輸送和回流管(36，38)相連的冷卻熱交換器(32)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括以熱交換的關(guān)系與所述冷卻低溫致冷器(30)相連，并與所述冷卻熱交換器(32)和所述超導(dǎo)電機(12)之間的所述輸送管(36)相連的排熱熱交換器(34)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述系統(tǒng)(10)還包括低溫箱(22)，所述冷卻低溫致冷器(30)、排熱熱交換器(34)和冷卻熱交換器(32)設(shè)于所述低溫箱(22)內(nèi)，所述冷卻壓縮機(24)和所述流量控制閥(26，28)設(shè)于所述低溫箱(22)外。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)包括主壓縮機(40)以及位于所述主壓縮機(40)與超導(dǎo)電機(12)之間的一對致冷劑流輸送和回流管(46，48)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)還包括與出、進所述主壓縮機(40)的所述輸送和回流管(46，48)相連的主低溫致冷器(42)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)還包括與進、出所述超導(dǎo)電機(12)的第二對所述致冷劑流輸送和回流管(36，38)相連的排熱熱交換器(44)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述系統(tǒng)(10)還包括低溫箱(22)，所述主低溫致冷器(42)和排熱熱交換器(44)設(shè)于所述低溫箱(22)內(nèi)，所述主壓縮機(40)設(shè)于所述低溫箱(22)外。
12.一種應(yīng)用于超導(dǎo)電機(12)的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，包括組成第一回路(16)的第一組元件(14)，其可使致冷劑流沿所述第一回路(16)流入和流出所述超導(dǎo)電機(12)，并可在冷卻模式下進行操作，以將所述致冷劑及超導(dǎo)電機(12)冷卻到正常操作溫度；組成第二回路(20)的第二組元件(18)，其可使致冷劑流沿所述第二回路(20)流入和流出所述超導(dǎo)電機(12)，并可在正常模式下進行操作，以將所述致冷劑及超導(dǎo)電機(12)保持在正常操作溫度；和包含有所述第一和第二組元件(14，18)的一部分所述元件的低溫箱(22)，所述第一和第二組元件(14，18)的其余所述元件設(shè)于所述低溫箱(22)外。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)包括冷卻壓縮機(24)，以及位于所述冷卻壓縮機(24)和所述超導(dǎo)電機(12)之間的致冷劑流輸送和回流管(36，38)。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括分別與出、進所述冷卻壓縮機(24)的所述輸送和回流管(36，38)相連的流量控制閥(26，28)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括與出、進所述冷卻壓縮機(24)的所述輸送和回流管(36，38)相連且與所述流量控制閥(26，28)并聯(lián)的冷卻低溫致冷器(30)。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括位于所述流量控制閥(26，28)和所述超導(dǎo)電機(12)之間與所述輸送和回流管(36，38)相連的冷卻熱交換器(32)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第一回路(16)還包括以熱交換的關(guān)系與所述冷卻低溫致冷器(30)相連，并與所述冷卻熱交換器(32)和所述超導(dǎo)電機(12)之間的所述輸送管(36)相連的排熱熱交換器(34)。
18.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)包括主壓縮機(40)以及位于所述主壓縮機(40)與超導(dǎo)電機(12)之間的一對致冷劑流輸送和回流管(46，48)。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)還包括與出、進所述主壓縮機(40)的所述輸送和回流管(46，48)相連的主低溫致冷器(42)。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述第二回路(20)還包括與進、出所述超導(dǎo)電機(12)的第二對所述致冷劑流輸送和回流管(36，38)相連的排熱熱交換器(44)。
全文摘要
一種應(yīng)用于超導(dǎo)電機(12)的低溫冷卻系統(tǒng)(10),包括:組成第一回路(16)的第一組元件(14),其可使致冷劑流沿第一回路(16)流入和流出超導(dǎo)電機(12),并可在冷卻模式下進行操作,以將致冷劑及超導(dǎo)電機(12)冷卻到正常操作溫度;組成第二回路(20)的第二組元件(18),其可使致冷劑流沿第二回路(20)流入和流出所述超導(dǎo)電機(12),并可在正常模式下進行操作,以將致冷劑及超導(dǎo)電機(12)保持在正常操作溫度。
文檔編號F25B9/00GK1375881SQ0210736
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月16日
發(fā)明者R·A·阿克曼, E·T·拉斯卡里斯, Y·王, B·E·B·戈特 申請人:通用電氣公司