專利名稱：用于高溫超導(dǎo)體裝置的低溫冷卻的方法和設(shè)備的制作方法
優(yōu)先權(quán)要求本申請要求此前2003年6月19日在美國提交的國際申請第10/465,089號的優(yōu)先權(quán)。
背景本發(fā)明一般地涉及用于高溫超導(dǎo)體(HTS)設(shè)備的低溫冷卻系統(tǒng)，更具體地涉及用于具有高電壓電力用途的HTS裝置的低溫冷卻系統(tǒng)。
有一種使用液氮的性質(zhì)進行低溫冷卻的HTS冷卻系統(tǒng)。通常液氮的使用壓力為1個大氣壓(0.1兆帕)，在此壓力下，其工作溫度(沸點)為77K。然而。由于HTS材料的臨界電流密度在低于77K的溫度下會顯著提高，已經(jīng)開發(fā)出了方法，通過控制液氮的操作環(huán)境來降低其溫度。

圖1是典型物質(zhì)的p(壓力)-T(溫度)圖，圖中顯示了該物質(zhì)p，T的關(guān)系和三相(固相、液相和蒸氣/氣相)。對于氮，“三相點”約為12.53千帕、63.15K。這說明降低液氮的壓力，其沸點可降低至大約63K，低于該溫度時會形成固態(tài)氮。在美國專利第5,477,693中提供了一個使用液氮的這種性質(zhì)達到更低操作溫度的例子。該專利描述了一種方法，在此方法中用真空泵對包含液態(tài)氮和氣態(tài)氮的制冷密封容器(低溫恒溫器)中的氣態(tài)氮區(qū)域進行抽氣。抽氣減小了液氮浴的壓力，從而將其溫度(沸點)降至77K以下。這樣，超導(dǎo)體的性能，即其臨界電流電平獲得了明顯提高。
盡管現(xiàn)有技術(shù)通過降低液氮的壓力降低了其沸點，從而提高了HTS材料的性能，但是其代價是顯著降低了液氮的介電強度，從而使這種冷卻系統(tǒng)不適合用于高電壓HTS用途。通常，用于高電壓HTS裝置的液體制冷劑基的冷卻系統(tǒng)很大程度地依賴于作為主要電絕緣介質(zhì)的液氮的介電性質(zhì)。有兩個影響液氮介電性質(zhì)的主要因素。一是液氮的固有介電強度，該固有介電強度是由壓力決定的。圖2顯示了液氮的介電強度與壓力的關(guān)系。當壓力低于1個大氣壓(0.1兆帕)時，介電強度急劇減小，最佳值位于0.3兆帕-0.5兆帕。另一個主要因素是液氮中產(chǎn)生的氣泡。氣泡，特別是大尺寸的氣泡會降低液氮的介電強度。當浸入液氮中的物體被加熱至高于液氮沸點的溫度時，會產(chǎn)生氣泡。液氮沸點的降低會使得氣泡更容易產(chǎn)生。因此，通過減小液氮壓力來降低液氮溫度的方法在決定液氮介電強度的這兩個因素中都會造成負面影響。因此基于這種方法和類似方法的冷卻系統(tǒng)都不適合用于高電壓HTS用途。
簡述簡而言之，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于HTS裝置的液體制冷劑基低溫冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法，該方法的特征為液體制冷劑具有較低的操作溫度，從而提高了HTS材料的臨界電流密度，同時該方法很大提高了液體制冷劑的介電強度，使得該低溫冷卻系統(tǒng)適用于高電壓用途。這種方法包括以下步驟將加壓的制冷劑保存在制冷劑密封容器中，該密封容器中包含這種制冷劑的液態(tài)區(qū)域和氣態(tài)區(qū)域。它還包括以下步驟使用低溫冷卻裝置將部分或所有液體制冷劑保持在等于或低于其沸點的溫度，該溫度位于其過冷溫度范圍以內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在實施該方法時，提供了一種低溫冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有內(nèi)部容器、至少一個HTS器件和外部容器。將外部和內(nèi)部容器之間的空間保持在真空之下，并用多層絕緣(MLI)材料圍繞內(nèi)部容器，使其對輻射熱負荷絕緣。內(nèi)部容器裝在外部容器之內(nèi)，內(nèi)部容器中裝有液體制冷劑。在液體制冷劑上方是制冷劑的氣態(tài)區(qū)，將其加壓至高于一個絕對大氣壓。其中有液體加熱裝置和排氣裝置在原位(be in place)控制并保持內(nèi)部容器中的壓力。為解決該低溫冷卻系統(tǒng)的高電壓絕緣問題，用介電材料制成的桶形或類似的結(jié)構(gòu)圍繞在HTS周圍遍及整個低溫恒溫器，以確保足夠的高電壓絕緣性。另外，在整個液體制冷劑區(qū)域設(shè)置具有小篩目尺寸的網(wǎng)，用來破碎在設(shè)備操作過程中產(chǎn)生的大尺寸氣泡。該低溫冷卻系統(tǒng)的另一特點是在內(nèi)部容器內(nèi)的四周安裝的傳熱板，該傳熱板將液體制冷劑分為兩個區(qū)域。板以下的區(qū)域過冷至能夠改進HTS性能的溫度。板以上的區(qū)域為緩沖區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，在液態(tài)區(qū)和氣態(tài)區(qū)之間的界面與緩沖區(qū)和過冷液體區(qū)之間的界面之間產(chǎn)生溫度過渡。熱轉(zhuǎn)移板還將來自溫度過渡緩沖區(qū)和過冷區(qū)的熱量傳遞給低溫制冷器(低溫冷卻器)之類的冷卻裝置。用低溫冷卻器將板以下區(qū)域的溫度保持在過冷液體溫度的范圍，即在此壓力下的沸點溫度至所述液體制冷劑的三相點溫度。
附圖參照附圖閱讀以下詳述，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，在這些附圖中，相同的數(shù)字表示相同的部件。其中圖1是顯示物質(zhì)在不同壓力和溫度條件下相變的典型的p-T圖。
圖2是液氮的介電強度與液氮所處絕對壓力的關(guān)系圖。
圖3顯示本發(fā)明低溫冷卻系統(tǒng)的一個實施方式。
圖4是本發(fā)明低溫冷卻系統(tǒng)的一個實施方式中所用制冷劑狀態(tài)的示意圖。
圖5是顯示不同熱量輸入負荷下液氮溫度梯度層(TGL)厚度的圖，其中液氮大部分處于靜止狀態(tài)。
圖6是顯示液氮TGL厚度與蒸氣區(qū)和TGL區(qū)域中的各種熱負荷關(guān)系的圖，其中液氮大部分處于靜止狀態(tài)。
詳述本發(fā)明一般地涉及用于具有高電壓用途的HTS裝置的低溫冷卻系統(tǒng)，但是該低溫冷卻系統(tǒng)也可用于具有其它一般目的的HTS裝置。提供這種低溫冷卻系統(tǒng)的方法包括將包括液體區(qū)域和氣體區(qū)域的加壓制冷劑區(qū)域保持在高于一個絕對大氣壓的壓力。該方法還包括使用低溫制冷器(低溫冷卻器)之類的冷卻裝置，將部分或全部的液體制冷劑區(qū)域保持在低于其沸點的溫度(過冷)。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于HTS裝置的液體制冷劑基低溫冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法，該方法的特征為液體制冷劑具有較低的操作溫度，從而提高HTS材料的臨界電流密度，同時該方法能顯著提高液體制冷劑的介電強度，使得該低溫冷卻系統(tǒng)適合用于高電壓應(yīng)用。這種方法包括以下步驟將加壓的制冷劑保存在制冷劑密封容器中，該密封容器中包含這種制冷劑的液態(tài)區(qū)域和氣態(tài)區(qū)域。它還包括以下步驟使用低溫冷卻裝置將部分或所有液體制冷劑保持在等于或低于其沸點的溫度，該溫度位于其過冷溫度范圍以內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，在實施該方法時，提供了一種低溫冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有內(nèi)部容器、至少一個HTS器件和外部容器。將外部和內(nèi)部容器之間的空間保持在真空之下，并用多層絕緣(MLI)材料圍繞內(nèi)部容器，使其對輻射熱負荷絕緣。內(nèi)部容器封裝在外部容器之內(nèi)，內(nèi)部容器中裝有液體制冷劑。在液體制冷劑上方是制冷劑的氣態(tài)區(qū)，將其加壓至高于一個絕對大氣壓。其中有液體加熱裝置和排氣裝置在原位控制和保持內(nèi)部容器中的壓力。通過加熱使液體制冷劑沸騰并蒸發(fā)至氣相空間，從而增大壓力。通過排氣將氣態(tài)的制冷劑釋放到外部大氣中，從而減小容器中的壓力。可以用自動化的監(jiān)控和反饋系統(tǒng)來控制這些加熱和排氣過程。如上所述，氣泡，特別是大尺寸的氣泡會降低液氮的介電強度。當浸入液氮中的物體被加熱至高于液氮沸點的溫度時，會產(chǎn)生氣泡。通過加壓能升高液氮的沸點。沸點升高會使氣泡更難以產(chǎn)生，從而改進了液體制冷劑的介質(zhì)性質(zhì)。為進一步解決該低溫冷卻系統(tǒng)的高電壓絕緣問題，用介電材料制成的桶形或類似結(jié)構(gòu)圍繞在HTS周圍遍及整個低溫恒溫器，以確保足夠的高電壓絕緣性。另外，可以在整個液體制冷劑區(qū)域設(shè)置具有小篩目尺寸的網(wǎng)，如果在設(shè)備操作過程中產(chǎn)生大尺寸氣泡，它們會被網(wǎng)破碎。該低溫冷卻系統(tǒng)的另一特點是在內(nèi)部容器內(nèi)的四周安裝的傳熱板，該傳熱板將液體制冷劑分為兩個區(qū)域。板以下的區(qū)域過冷至能夠改進HTS性能的溫度。板以上的區(qū)域為緩沖區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，在液態(tài)區(qū)和氣態(tài)區(qū)之間的界面與緩沖區(qū)和過冷區(qū)之間的界面之間產(chǎn)生溫度過渡。熱轉(zhuǎn)移板還將來自溫度過渡緩沖區(qū)和過冷區(qū)的熱量傳遞給低溫制冷器(低溫冷卻器)之類的冷卻裝置。用低溫冷卻器將板以下區(qū)域的溫度保持在過冷液體溫度的范圍，即在此壓力下的沸點溫度至所述液體制冷劑的三相點溫度。如果液體制冷劑過冷到低于其三相點的溫度，會開始形成固態(tài)的制冷劑，這可能是所需的結(jié)果，也可能不是。在使用低溫冷卻器達到過冷的情況下，這種做法是不希望有的，這是由于在等于或低于三相點的溫度，固態(tài)制冷劑開始在圍繞低溫冷卻器的界面形成，顯著降低低溫冷卻器的冷卻性能。
圖3顯示了本發(fā)明設(shè)備的一個實施方式。本發(fā)明的低溫冷卻系統(tǒng)10包括外密封容器12、安裝在外密封容器12之內(nèi)的內(nèi)密封容器18、與內(nèi)部容器氣體連接的排氣孔30、與內(nèi)部容器電連接和機械連接的高電壓套管14以及與內(nèi)部容器熱連接和機械連接的低溫冷卻器20。高電壓套管14可用來為HTS24供應(yīng)電流，該套管14與供電網(wǎng)(grid)之類的外部高壓電源相連。HTS24與HTS支架32相連，HTS支架32又與傳熱介質(zhì)26相連。在內(nèi)部容器的四周安裝銅環(huán)36，該銅環(huán)牢固地固定在傳熱介質(zhì)26上。將內(nèi)部容器支架34連接在內(nèi)部容器18上。HTS 24可以是美國專利申請第2003/0021074A1號所述的矩陣故障限流器(MFCL)HTS組合件，這個專利轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，該專利引入本文作為參考。
將外部容器12和內(nèi)部容器18之間的空間保持在真空下，并用多層絕緣(MLI)材料22圍繞內(nèi)部容器18，使其對輻射熱負荷具有絕熱性。
內(nèi)部容器排氣孔30能為內(nèi)部容器18排出氣體，從而降低內(nèi)部容器18中的氣體壓力。另外，可使用輔助氣體蒸發(fā)加熱器52加熱液體制冷劑使其沸騰，從而提高內(nèi)部容器18中的壓力。低溫恒溫器的這兩個方面構(gòu)成了本發(fā)明用來在內(nèi)部容器18中達到最佳壓力的壓力控制的基礎(chǔ)，將在本文中對其進行進一步描述。
可以確定內(nèi)部容器18的尺寸，從而提供足夠的冷卻能力以滿足HTS24的冷卻要求。
內(nèi)部容器18裝有制冷劑，內(nèi)部容器具有液態(tài)區(qū)域和氣態(tài)區(qū)域。在一示例性的實施方式中，制冷劑為氮，并將其加壓至0.3兆帕，從而使其達到如圖2所示的最佳介電強度。液氮中的氣泡，尤其是大尺寸的氣泡會降低其介電強度。當HTS 24中產(chǎn)生的熱量使其溫度高于其浸入的液氮的沸點時，會產(chǎn)生氣泡。增大低溫恒溫器中的壓力也會提高液氮的沸點溫度。當?shù)獨鈮毫Ρ３衷?.3兆帕時，液氮的沸點從0.1兆帕時的77K上升至88K。這使得氣泡難以產(chǎn)生，從而改進了液氮的電絕緣性質(zhì)。另外，為了防止在HTS24和內(nèi)部容器18之間發(fā)生電擊穿，用介電介質(zhì)38作為電絕緣屏障環(huán)繞HTS24。其它改進低溫冷卻系統(tǒng)的高電壓絕緣性能的方法包括將由介電材料制成的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的桶(bucket)、管、箱、網(wǎng)或類似的物體布置在其中，如果在設(shè)備操作過程中產(chǎn)生氣泡，便用這些裝置能使氣泡破碎。選擇足夠小的這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)眼大小，使得穿過這些網(wǎng)的氣泡都變得足夠小，從而基本不會降低液氮的介電強度，不會使HTS24與其周圍環(huán)境之間產(chǎn)生任何電壓絕緣擊穿。在一個示例性實施方式中，網(wǎng)眼直徑最高可達5毫米。
在0.3兆帕壓力下，在液態(tài)氮和氣態(tài)氮界面42的表面溫度為沸騰液氮的沸騰溫度(飽和溫度)88K。液氮區(qū)又進一步被傳熱介質(zhì)26分為兩個區(qū)域。板26之下的液態(tài)區(qū)域為過冷區(qū)48，板26之上的區(qū)域為熱緩沖區(qū)46。用低溫冷卻器20將過冷區(qū)48的溫度保持在大約65K。將HTS24浸沒在過冷液體冷卻劑區(qū)域中。由于降低了的操作溫度(65K)，HTS24的性能，即臨界電流密度值會獲得顯著的改進。所述低溫冷卻器可以為封閉循環(huán)低溫冷卻器，它選自Gifford-McMahon制冷設(shè)備或脈沖管制冷設(shè)備或這兩種的組合。
叢88K的液/氣表面42至65K的傳熱板26之間具有溫度過渡。在液/氣界面42同時發(fā)生液體蒸發(fā)和氣體凝聚，如果HTS在其穩(wěn)態(tài)下進行操作，進入低溫恒溫器的熱量和低溫冷卻器的冷卻達到平衡，在此液/氣界面上會最終達到平衡狀態(tài)。根據(jù)在區(qū)域46中的熱負載和模式情況，該區(qū)域中的液氮可主要處于靜止狀態(tài)或處于湍流狀態(tài)。熱緩沖區(qū)46因而將過冷區(qū)48與區(qū)域46中的活動(event)隔開。
在此例子中，傳熱介質(zhì)26由導(dǎo)熱性極好的銅制成，其表面上具有一些孔(未顯示)，以便于兩個液氮區(qū)域之間的傳熱，以及這兩個區(qū)域向低溫冷卻器20的傳熱。盡管本發(fā)明的低溫冷卻系統(tǒng)中并不需要傳熱板26，傳熱板26的存在仍然可以顯著改進這種系統(tǒng)的傳熱性能。傳熱介質(zhì)26可以為板、環(huán)、桿或類似的結(jié)構(gòu)，這種傳熱介質(zhì)由銅或類似的金屬制成，用來促進從制冷劑區(qū)域向低溫冷卻裝置的傳熱。
總之，本發(fā)明具有幾個更適于高電壓應(yīng)用、同時能夠改進HTS材料性能的特征。對制冷劑的加壓可以使制冷劑具有其最佳的介電強度，同時使HTS所處的液體制冷劑區(qū)域過冷，從而增大HTS材料的臨界電流密度。
接下來描述本發(fā)明低溫冷卻系統(tǒng)的熱緩沖區(qū)或溫度梯度層(level)(TGL)46區(qū)域中的液體制冷劑大部分處于靜止狀態(tài)的情況。如果向TGL的總熱漏失較低，并且在此區(qū)域內(nèi)幾乎沒有或沒有對流傳熱，便會存在這種情況。此示例性實施方式假定液氮為冷卻介質(zhì)，將其加壓至0.3兆帕絕對壓力(在此壓力下液氮的沸點約為88K)，過冷液氮區(qū)域的溫度約為65K。再來看圖3的示例性系統(tǒng)的構(gòu)成。下文將描述液體表面42向傳熱介質(zhì)26的傳熱機制。任何流入氣體區(qū)域44的熱量、如未立刻傳出氣態(tài)區(qū)域，會提高氣體的溫度。在氣/液界面42，氣體會在制冷劑的表面凝結(jié)。然后凝結(jié)熱量會通過TGL46的傳熱傳遞到被低溫冷卻器20所保持的過冷液氮區(qū)48。由于有效設(shè)定了較高溫度(88K)和較低溫度(65K)，TGL46的厚度以及其被銅環(huán)36限定的表面積決定了可通過該層傳遞的熱量的量。如果熱量輸入大于某種TGL46厚度所設(shè)定的熱傳導(dǎo)值，多余的熱量會蒸發(fā)制冷劑，減小TGL厚度，從而增加傳熱速率，直至達到新的平衡。如果熱量輸入小于通過TGL46的熱傳導(dǎo)值，會有凈的凝結(jié)，從而增大TGL厚度。其結(jié)果是，對于從表面42至傳熱介質(zhì)26的特定熱負荷，會達到最佳的平衡TGL厚度(Lopt)。層厚“L”增加的時間關(guān)系表示為凝結(jié)造成的TGL增加減去熱負荷“Q”引起的蒸發(fā)造成的TGL減少，其數(shù)學表示為dL/dt＝k×(S/L)×ΔT×1/(Sα)-Q/(Sα)，其中k＝液體制冷劑的熱導(dǎo)率(對于液氮，k＝1.5毫瓦/厘米/K)；其中S＝TGL的表面積(當表面42的直徑為100厘米時，表面積為π/4×1002平方厘米)；其中ΔT＝TGL的上界面和下界面之間的溫差(88K-65K＝23K)；其中，α＝氣態(tài)/液態(tài)制冷劑的氣化熱或冷凝熱。
當dL/dt＝0時，TGL具有最佳厚度，求出Lopt為Lopt＝k×S×(ΔT)/Q。
圖5中的圖顯示了計算的結(jié)果，該圖顯示了TGL達到平衡厚度所需的時間與各種熱負荷之間的關(guān)系。圖5顯示了三種不同熱負荷的時間變化圖60，Lopt表示蒸發(fā)和冷凝兩條曲線的趨同。圖6顯示了Lopt與″Q″的曲線圖62，其中Lopt是TGL的最佳厚度，″Q″為熱負荷。注意在這些計算中，不包括另外的蒸發(fā)加熱器。
所得的過程是趨同的自反饋系統(tǒng)。然而，對于預(yù)期的操作條件，其隨時間變化的關(guān)系非常慢，從而得到慢響應(yīng)系統(tǒng)。這表明隨著時間進行，溫度、壓力和制冷劑液面之類的控制參數(shù)對變化并不非常敏感。該分析的一個重要的結(jié)果是，對于100瓦的情況，最佳的TGL厚度僅為幾厘米。由TGL厚度隨熱負荷增加而減小的趨勢可以得出結(jié)論，當增加熱負荷時，TGL變得對操作參數(shù)的變化更加敏感，使體系變?yōu)檩^不穩(wěn)定的操作狀態(tài)。
前述的本發(fā)明實施方式具有許多特征，包括加壓的制冷劑氣態(tài)區(qū)域和過冷液體區(qū)域、用來保持壓力的加熱和排氣裝置、氣泡尺寸抑制裝置、以及用于將制冷劑保持在等于或低于其沸點的過冷溫度范圍內(nèi)的冷卻裝置。所有這些特征的性質(zhì)和效果都使得本發(fā)明的低溫冷卻系統(tǒng)能更有益地用于高電壓HTS用途。
盡管本文僅描述并說明了本發(fā)明的一些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對其進行許多修改和變化。因此，應(yīng)理解所附的權(quán)利要求書包括符合本發(fā)明真正精神的所有這些修改和變化。另外，在描述本發(fā)明時，以液態(tài)和氣態(tài)的氮作為制冷介質(zhì)。也應(yīng)當理解在本發(fā)明的低溫冷卻系統(tǒng)中，可以用其它制冷劑代替氮。
權(quán)利要求
1.一種用于使低溫冷卻系統(tǒng)(10)達到并保持低溫冷卻的方法，所述低溫冷卻系統(tǒng)(10)具有制冷劑密封容器(18)，該容器中裝有處于液態(tài)的制冷劑(46、48)和氣態(tài)的制冷劑(44)，并具有至少一個超導(dǎo)體(24)，該方法包括以下步驟在制冷劑密封容器(18)中保持加壓制冷劑區(qū)域(44)；以及用過冷裝置(20)將一部分液體制冷劑(48)的溫度保持在等于或低于其沸點的溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，所述方法還包括以下步驟將制冷劑的壓力保持在高于一個絕對大氣壓，從而提高制冷劑的介電強度。
3.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，所述方法還包括以下步驟對液體制冷劑進行加熱和沸騰，從而提高氣態(tài)制冷劑區(qū)域(44)的壓力。
4.如權(quán)利要求3所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述對液體制冷劑進行加熱和沸騰的步驟還包括對液體制冷劑區(qū)域(46)中的液體制冷劑進行加熱的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，所述方法還包括以下步驟對氣態(tài)制冷劑進行排氣，以降低氣態(tài)制冷劑區(qū)域(44)的壓力。
6.如權(quán)利要求5所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述對氣態(tài)制冷劑進行排氣的步驟還包括在制冷劑密封容器(18)上使用排氣孔(30)。
7.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述制冷劑密封容器(18)裝在外部容器(12)中，外部容器(12)適合用來保持真空。
8.如權(quán)利要求7所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述外部容器(12)包含飽和的液體制冷劑為內(nèi)部容器(18)中所含的液體制冷劑提供過冷裝置(20)。
9.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述低溫冷卻裝置(20)為封閉循環(huán)低溫冷卻器。
10.如權(quán)利要求9所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述封閉循環(huán)低溫冷卻器是Gifford-McMahon制冷裝置。
11.如權(quán)利要求9所述的低溫冷卻方法，其特征在于，所述封閉低溫冷卻器是脈沖管制冷裝置。
12.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述過冷裝置(20)是含有飽和液體制冷劑的外部容器(12)，以對內(nèi)部容器(18)中的液體制冷劑進行過冷卻。
13.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，所述方法還包括以下步驟保持制冷劑的壓力，以升高制冷劑的沸點，從而提高制冷劑產(chǎn)生氣泡的溫度。
14.如權(quán)利要求1所述的低溫冷卻方法，所述方法還包括以下步驟在靜止液體制冷劑的情況下，使溫度梯度層(TGL)(46)保持最佳厚度，其中，該TGL(46)的最佳厚度由公式k×S×(ΔT)/Q表示，式中S”是TGL(46)的表面積，式中“ΔT”是TGL區(qū)域(46)兩面的溫差，式中“k”是TGL(46)中制冷劑的熱導(dǎo)率，式中“Q”是通過TGL(46)與氣態(tài)區(qū)域(44)之間界面向TGL(46)輸入的熱量。
15.一種低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)具有內(nèi)部容器(18)、至少一個高溫超導(dǎo)體(24)和外部容器(12)，內(nèi)部容器(18)適合于裝在外部容器(12)中，并適合于儲存液態(tài)的加壓的制冷劑(46、48)和氣態(tài)的加壓的制冷劑(44)，該冷卻系統(tǒng)包括用來沸騰液態(tài)制冷劑，從而提高氣態(tài)區(qū)域(44)內(nèi)壓力的液體加熱裝置(52)；用來排放氣體，從而降低氣態(tài)區(qū)域(44)內(nèi)壓力的排氣裝置(30)；以及用來將一部分的液體制冷劑(48)保持在等于和低于其沸點的過冷溫度范圍的低溫冷卻裝置(20)。
16.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述外部容器(12)是真空容器。
17.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述外部容器(12)中裝有飽和的液體制冷劑，該液體制冷劑為內(nèi)部壓力容器(18)中所含的液體制冷劑浴提供過冷裝置。
18.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述冷卻裝置(20)為封閉循環(huán)低溫冷卻器。
19.如權(quán)利要求18所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述封閉循環(huán)低溫冷卻器選自Gifford-McMahon制冷裝置和脈沖管制冷裝置。
20.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述封閉循環(huán)低溫冷卻器包括封閉循環(huán)制冷裝置和置于外部容器(12)內(nèi)的過冷液體制冷劑(48)。
21.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括板形、環(huán)形或桿形的傳熱介質(zhì)(36)，這種傳熱介質(zhì)由銅和銅合金制成，以促進熱量從制冷劑區(qū)域傳遞給低溫冷卻區(qū)域(20)。
22.如權(quán)利要求15所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括介電介質(zhì)，該介電介質(zhì)將高溫超導(dǎo)體(24)包封起來。
23.如權(quán)利要求22所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述介電介質(zhì)為金屬絲網(wǎng)(38)，其中網(wǎng)(38)的網(wǎng)眼尺寸不超過5毫米，以促進液體制冷劑區(qū)域(46、48)中氣泡尺寸的減小。
24.一種低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)具有內(nèi)部容器(18)、至少一個高溫超導(dǎo)體(24)和外部容器(12)，內(nèi)部容器(18)適于包含在外部容器(12)內(nèi)，并適于儲存液態(tài)的加壓的制冷劑(46、48)和氣態(tài)的加壓的制冷劑(44)。
25.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括置于內(nèi)部容器(18)之內(nèi)，用來在液體制冷劑區(qū)域(46、48)內(nèi)傳遞熱量的傳熱板(26)。
26.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括用來將一部分液體制冷劑(46、48)保持在低于其沸點的低溫冷卻裝置(20)。
27.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括置于液體制冷劑區(qū)域(46)內(nèi)的內(nèi)部容器(18)中的氣體蒸發(fā)加熱器(52)。
28.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述介電材料桶是金屬絲網(wǎng)(38)，其中金屬絲網(wǎng)(38)的網(wǎng)眼尺寸不大于5毫米，以促進液體制冷劑區(qū)域(46、48)中氣泡尺寸的減小。
29.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括包圍著內(nèi)部容器(18)，用來減少向內(nèi)部容器(18)中的輻射熱漏失的多層絕緣物(22)。
30.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括連接于傳熱板(26)上，用來促進向低溫冷卻裝置(20)傳熱的雙金屬界面。
31.如權(quán)利要求24所述的低溫冷卻系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)還包括真空空間和用來保持真空空間的相應(yīng)裝置、用于內(nèi)部容器(18)和獨立于外部容器(12)的真空空間的低溫冷卻裝置(20)之間的界面、以及用來保持真空空間的相應(yīng)裝置。
全文摘要
一種用于為HTS裝置(24)、特別是用于高電壓電力用途的HTS裝置提供低溫冷卻的方法和設(shè)備。該方法包括將液體制冷劑(46、48)加壓至高于一個大氣壓，從而改進其介電強度，同時將液體制冷劑過冷卻至低于其飽和溫度，從而改進裝置HTS元件(24)的性能。使用這種冷卻方法的設(shè)備(10)由以下各部分組成包括加壓氣態(tài)制冷劑區(qū)(44)和過冷液態(tài)制冷劑浴的容器；與氣態(tài)制冷劑排氣裝置(30)連結(jié)的液體制冷劑加熱裝置(52)，這些連結(jié)的裝置用來將制冷劑的壓力保持在使液體制冷劑具有最佳介電強度的范圍；并用來將液體制冷劑(46、48)的溫度保持在其沸點以下，以便改進裝置(10)中所用的HTS材料(24)的性能。
文檔編號F25D23/12GK1806153SQ200480016769
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者袁興, 進三根 申請人:美國超能公司