專利名稱：構(gòu)件冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及冷卻系統(tǒng)，更具體地，涉及用于高溫超導(dǎo)體(“HTS”)裝置、特別是HTS 故障電流限制器(“FCL”)的低溫冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)體可用于構(gòu)造控制或限制電力分配系統(tǒng)中的故障電流的超導(dǎo)FCL。低溫 冷卻系統(tǒng)(例如，傳導(dǎo)冷卻系統(tǒng)、飽和氮冷卻系統(tǒng)、以及氦氣過(guò)冷氮冷卻系統(tǒng))通常用于將 FCL中的HTS線圈保持在即使是在系統(tǒng)中的故障電流所產(chǎn)生的以及故障電流限制器所經(jīng)受 的脈沖加熱期間HTS仍以超導(dǎo)狀態(tài)工作所需的低溫溫度。不幸的是，雖然傳導(dǎo)冷卻系統(tǒng)具有靈活的工作溫度，但它們的恢復(fù)時(shí)間較慢。此 外，雖然飽和氮冷卻系統(tǒng)具有較快的恢復(fù)時(shí)間，但它們的工作溫度是固定的。另外，雖然 (氦氣)過(guò)冷氮冷卻系統(tǒng)具有較快的恢復(fù)時(shí)間和靈活的工作溫度，但液氮典型地在故障時(shí) 排出。

發(fā)明內(nèi)容
在第一實(shí)施例(implementation)中，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置的 構(gòu)件箱。該構(gòu)件箱至少部分地填充有在第一壓力和第一溫度下的過(guò)冷液體。低溫系統(tǒng)將構(gòu) 件箱保持在基本為第一溫度。低溫系統(tǒng)包括與構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合的熱交換系統(tǒng)。 該熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有在第二壓力和基本為第一溫度下的第二飽和液。低溫恒溫 箱與熱交換系統(tǒng)流體地接合，并允許第二飽和液在熱交換系統(tǒng)與低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位 移?？砂ㄏ率鎏卣髦械囊粋€(gè)或多個(gè)。緩沖箱可構(gòu)造成至少部分地填充有在第二溫度 下的第一飽和液。緩沖箱可與構(gòu)件箱流體地接合，以允許構(gòu)件箱與緩沖箱之間的無(wú)泵液體 位移。加熱系統(tǒng)可構(gòu)造成加熱緩沖箱內(nèi)的第一飽和液，以保持構(gòu)件箱內(nèi)的第一壓力。第 一飽和液及第二飽和液可以是飽和液氮。熱交換系統(tǒng)可包括設(shè)置在構(gòu)件箱內(nèi)的熱交換器裝置。該熱交換器裝置可包括一個(gè) 或多個(gè)管道組件，第二飽和液通過(guò)該管道組件。該熱交換器裝置可包括導(dǎo)熱塊，該一個(gè)或多 個(gè)管道組件通過(guò)該導(dǎo)熱塊。熱交換系統(tǒng)可包括設(shè)置在構(gòu)件箱外的熱交換器裝置。該熱交換器裝置可以是封裝 構(gòu)件箱的至少一部分的冷卻箱。低溫系統(tǒng)包括設(shè)置在低溫恒溫箱內(nèi)并構(gòu)造成將第二飽和液保持在基本為第一溫度的低溫恒溫器。發(fā)熱裝置可以是故障電流限制器裝置。過(guò)冷液體可以是過(guò)冷液氮。第二 溫度可以比第一溫度高。第二壓力可以比第一壓力小。在另一實(shí)施例中，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)包括構(gòu)造成容納故障電流限制器裝置的構(gòu)件箱。 構(gòu)件箱構(gòu)造成至少部分地填充有在第一壓力和第一溫度下的過(guò)冷液體。緩沖箱構(gòu)造成至少 部分地填充有在第二溫度下的第一飽和液。緩沖箱與構(gòu)件箱流體地接合，以允許構(gòu)件箱與 緩沖箱之間的無(wú)泵液體位移。低溫系統(tǒng)將構(gòu)件箱保持在基本為第一溫度。低溫系統(tǒng)包括與 構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合的熱交換系統(tǒng)。熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有在第二壓力和基 本為第一溫度下的第二飽和液。低溫恒溫箱與熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許第二飽和液 在熱交換系統(tǒng)與低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移。加熱系統(tǒng)構(gòu)造成加熱緩沖箱內(nèi)的第一飽和 液，以保持構(gòu)件箱內(nèi)的第一壓力。可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。熱交換系統(tǒng)可以是設(shè)置在構(gòu)件箱內(nèi)的熱交換器 裝置。熱交換系統(tǒng)可以是封裝構(gòu)件箱的至少一部分的熱交換器裝置。低溫系統(tǒng)可包括設(shè)置 在低溫恒溫箱內(nèi)并構(gòu)造成將第二飽和液保持在基本為第一溫度的低溫恒溫器。過(guò)冷液體、 第一飽和液、以及第二飽和液可以是液氮。在另一個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置的構(gòu)件箱。構(gòu)件箱構(gòu) 造成至少部分地填充有在第一壓力和第一溫度下的過(guò)冷液體。緩沖箱構(gòu)造成至少部分地填 充有在第二溫度下的第一飽和液。緩沖箱與構(gòu)件箱流體地接合，以允許構(gòu)件箱與緩沖箱之 間的無(wú)泵液體位移。低溫系統(tǒng)將構(gòu)件箱保持在基本為第一溫度。低溫系統(tǒng)包括與構(gòu)件箱的 至少一部分熱耦合的熱交換系統(tǒng)。熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有在第二壓力和基本為第一 溫度的第二飽和液。低溫恒溫箱與熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許第二飽和液在熱交換系 統(tǒng)與低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移。低溫恒溫器設(shè)置在低溫恒溫箱內(nèi)，并構(gòu)造成將第二飽和 液保持在基本為第一溫度。一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)在附圖和下面的說(shuō)明中闡述。從說(shuō)明書、附圖、及權(quán)利要 求書中，其他特征和優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見(jiàn)。


圖1是構(gòu)件冷卻系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)的可替換實(shí)施例的示意圖；以及圖3是圖1的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)的另一個(gè)可替換實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，圖1示出了用于吸收由發(fā)熱裝置12產(chǎn)生的熱能的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10。 發(fā)熱裝置12的實(shí)例可包括但不限于HTS故障電流限制器、電阻性電氣裝置(resistive electrical device)、以及發(fā)熱機(jī)械裝置。故障電流限制器是減小電氣系統(tǒng)中的沖擊電流 的幅度的裝置，這種沖擊電流可能由于例如電網(wǎng)的各部分的通電/斷電、電網(wǎng)中的電氣/機(jī) 械故障、閃電襲擊、以及風(fēng)暴破壞而產(chǎn)生。故障電流限制器可以使用超導(dǎo)體帶或超導(dǎo)體線來(lái)構(gòu)造。在設(shè)計(jì)故障電流限制器 時(shí)，超導(dǎo)體線圈(諸如由高溫或低溫超導(dǎo)體材料制成的那些超導(dǎo)體線圈)可構(gòu)造成使得當(dāng) 受到正常的電流負(fù)載時(shí)能夠忽略故障電流限制器的阻抗。然而，當(dāng)暴露于故障電流負(fù)載時(shí)，超導(dǎo)線圈的阻抗會(huì)顯著地增加，因?yàn)槌瑢?dǎo)體帶由超導(dǎo)狀態(tài)過(guò)渡到非超導(dǎo)狀態(tài)或“正常”狀 態(tài)。當(dāng)這種過(guò)渡發(fā)生時(shí)，帶的電阻由零達(dá)到顯著水平的電阻，因此限制了故障電流。當(dāng)然， 當(dāng)這種過(guò)渡發(fā)生時(shí)，其導(dǎo)致故障電流限制器吸收故障電流的相當(dāng)一部分能量。故障電流限 制器的這種吸收能量會(huì)導(dǎo)致故障電流限制器產(chǎn)生大量的熱能，這些熱能可被構(gòu)件冷卻系統(tǒng) 10吸收。熱能必須在液氮沒(méi)有形成氣泡的情況下被吸收，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的電擊穿。低溫超導(dǎo)材料的實(shí)例包括鈮鋯、鈮鈦、以及鈮錫。高溫超導(dǎo)材料的實(shí)例包括鉈 鋇鈣銅氧化物、鉍鍶鈣銅氧化物、汞鋇鈣銅氧化物、釔鋇銅氧化物、或任何MgB2 二硼化鎂化 合物。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置12的構(gòu)件箱14。構(gòu)件箱14可構(gòu)造 成至少部分地填充有過(guò)冷液體16。過(guò)冷液體16的實(shí)例可包括但不限于過(guò)冷液氮。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括緩沖箱18，該緩沖箱可構(gòu)造成至少部分地填充有飽和液 20。飽和液20的實(shí)例可包括但不限于飽和液氮。緩沖箱18可與構(gòu)件箱14流體地接合，因 而允許在發(fā)生故障或恢復(fù)時(shí)間期間液體(例如，過(guò)冷液體16和飽和液20)在箱14、18之間 的無(wú)泵位移(pumpless displacement)。例如，一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管/管道組件(例如，導(dǎo)管/ 管道組件22)可以接合構(gòu)件箱14與緩沖箱18。如在本公開(kāi)中所使用的，液體的無(wú)泵位移可 定義為在不使用任何機(jī)械泵組件的情況下液體的位移。由于超導(dǎo)材料只有在低溫下(例如，對(duì)于YBCO超導(dǎo)體，< 90開(kāi)氏度)工作時(shí)才 實(shí)現(xiàn)其超導(dǎo)特性，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括用于將構(gòu)件箱(且因此，構(gòu)件箱14中的液體16) 的溫度保持在期望的溫度(T1)的低溫系統(tǒng)24，該期望的溫度可基于箱14中的液體的類型 和狀態(tài)而改變。例如并且如上面所討論的，構(gòu)件箱14可構(gòu)造成至少部分地填充有過(guò)冷液體 16。當(dāng)過(guò)冷液體16是過(guò)冷液氮時(shí)，溫度T1可在65-75開(kāi)氏度的范圍內(nèi)，優(yōu)選地是67開(kāi)氏 度。因此，對(duì)于過(guò)冷液氮系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)24可構(gòu)造成將構(gòu)件箱14的溫度保持在基本為67 開(kāi)氏度。低溫系統(tǒng)24可包括熱交換系統(tǒng)(例如，冷卻箱26)，該熱交換系統(tǒng)可構(gòu)造成至少部 分地填充有飽和液28。飽和液28的實(shí)例可包括但不限于飽和液氮。當(dāng)上述熱交換系統(tǒng)構(gòu) 造為冷卻箱26時(shí)，則冷卻箱26可封裝構(gòu)件箱14的至少一部分。低溫系統(tǒng)24可進(jìn)一步包括與冷卻箱26流體地接合的低溫恒溫箱30，因此允許飽 和液28在重力作用下在低溫恒溫箱30與冷卻箱26之間無(wú)泵位移。如上面所討論的，液體 的無(wú)泵位移可定義為在不使用任何機(jī)械泵組件的情況下液體的位移。例如，一個(gè)或多個(gè)導(dǎo) 管/管道組件(例如，導(dǎo)管/管道組件32、34)可接合低溫恒溫箱30與冷卻箱26。由于液 體28是飽和液，如果將熱能添加至飽和液28，則一部分飽和液28會(huì)轉(zhuǎn)變(即，改變狀態(tài)) 成蒸汽36。低溫系統(tǒng)24可進(jìn)一步包括設(shè)置在低溫恒溫箱30內(nèi)的低溫恒溫器38。低溫恒 溫器38可構(gòu)造成將飽和液28保持在基本為溫度T1 (例如，67開(kāi)氏度)及其對(duì)應(yīng)的飽和壓 力(P2)。低溫恒溫器38可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控低溫恒溫箱30和/或冷卻 箱26的溫度和/或壓力，并用于當(dāng)?shù)蜏睾銣叵?0和/或冷卻箱26的溫度高于期望的溫度 (T1)以及/或低溫恒溫箱30和/或冷卻箱26的壓力高于期望的壓力(P2)時(shí)冷卻(S卩，從 此去除熱能)低溫恒溫箱30和/或冷卻箱26。對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)24可構(gòu)造成 將冷卻箱26和低溫恒溫箱30的溫度保持在基本為67開(kāi)氏度的溫度(T1)以及大約為0. 24 巴的壓力(P2)。
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構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括構(gòu)造成將飽和液20 (緩沖箱18內(nèi)的)加熱至期望的溫度 (T2)并保持期望的壓力(P1)的加熱系統(tǒng)40。因此，對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)40可構(gòu)造 成將緩沖箱18的溫度(T2)保持在基本為105開(kāi)氏度。由于構(gòu)件箱14與緩沖箱18流體地接 合，兩個(gè)箱14、18中的壓力(P1)可以基本上是相同的。對(duì)于使用飽和過(guò)冷液氮的系統(tǒng)，加熱 系統(tǒng)40可構(gòu)造為將緩沖箱18 (且因此，構(gòu)件箱14)的壓力(P1)保持在基本為10巴。加熱 系統(tǒng)40可包括設(shè)置成向緩沖箱18提供熱能的電阻加熱元件(electricresistive heating element)(未示出)。此外，加熱系統(tǒng)40可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱18 的溫度和/或壓力，并用于當(dāng)緩沖箱18的溫度低于期望的溫度(T2)和/或緩沖箱18的壓 力低于期望的壓力(P1)時(shí)向緩沖箱18提供熱能。此外，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括構(gòu)造成將飽和液20 (緩沖箱18內(nèi))冷卻至期望的 溫度(T2)并保持期望的壓力(P1)的第二低溫恒溫器42 (用虛線示出)。第二低溫恒溫器 42可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱18的溫度和/或壓力，并用于當(dāng)緩沖箱 18的溫度高于期望的溫度(T2)和/或緩沖箱18的壓力高于期望的壓力(P1)時(shí)冷卻(即， 從此去除熱能)緩沖箱18。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10可包括用于封裝冷卻系統(tǒng)10的各個(gè)構(gòu)件的真空箱44。例如，真 空箱44可封裝冷卻箱26 (且因此，構(gòu)件箱14)、緩沖箱18、以及低溫恒溫箱30。由于真空 箱46內(nèi)是真空，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10的各個(gè)構(gòu)件(例如，冷卻箱26、緩沖箱18、以及低溫恒溫 箱30)可以不暴露于真空箱44周圍的環(huán)境空氣46中所包含的熱能。如上面所討論的，發(fā)熱裝置12可以是故障電流限制器。因此，當(dāng)暴露于故障電流 時(shí)(例如，通過(guò)導(dǎo)體48、50)，發(fā)熱裝置12會(huì)變熱，加熱最接近發(fā)熱裝置12的過(guò)冷液體16， 并且為過(guò)冷液體16添加足夠的熱能，從而一部分過(guò)冷液體16由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，因此產(chǎn)生 了氣泡52 (用虛線示出)。由于氣泡52在體積上大于改變狀態(tài)而形成氣泡52的過(guò)冷液體 的量，一部分過(guò)冷液體16可(通過(guò)導(dǎo)管/管道組件22)轉(zhuǎn)移到緩沖箱18內(nèi)。如上面所討 論的，對(duì)于過(guò)冷飽和液氮系統(tǒng)，過(guò)冷液體16可保持在67開(kāi)氏度的溫度(T1)，飽和液20可保 持在105開(kāi)氏度的溫度(T2),兩者都處于10巴的壓力。氣泡52的熱能可被過(guò)冷液體16吸收，導(dǎo)致氣泡52回到液態(tài)。在典型的故障電流 期間，過(guò)冷液體16的溫度(T1)可從67開(kāi)氏度上升到70開(kāi)氏度。如上面所討論的，一部分 這種70開(kāi)氏度的過(guò)冷液體16可移動(dòng)到緩沖箱18 (該緩沖箱至少部分地填充有105開(kāi)氏度 的飽和液20)內(nèi)。因此，飽和液20的溫度可降至94開(kāi)氏度和/或飽和液20的壓力可降 至5巴。因此，加熱器系統(tǒng)40可啟動(dòng)，以將飽和液20 (緩沖箱18內(nèi)的)加熱至期望的溫度 T2(例如，105開(kāi)氏度)和/或至期望的壓力P^例如，10巴)。此外，當(dāng)構(gòu)件箱14中的過(guò)冷液體16被加熱到70開(kāi)氏度時(shí)(在故障情況期間)，來(lái) 自構(gòu)件箱14的熱能傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移至冷卻箱26內(nèi)的飽和液28。感覺(jué)到這種溫度的上升之后，低 溫恒溫器38可被啟動(dòng)，以將飽和液28 (其存在于冷卻箱26和低溫恒溫箱30兩者中)的溫 度從例如70開(kāi)氏度降低到期望的溫度 \(例如，67開(kāi)氏度)。根據(jù)低溫恒溫器38的額外 可用冷卻功率，該恢復(fù)過(guò)程可能需要幾個(gè)小時(shí)。還參照?qǐng)D2，示出了用于吸收由發(fā)熱裝置12產(chǎn)生的熱能的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’的可 替換實(shí)施例。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置12的構(gòu)件箱100。構(gòu)件箱100可構(gòu)造成至少部分地填充有過(guò)冷液體102。過(guò)冷液體102的實(shí)例可包括但不限于過(guò)冷液氮。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括緩沖箱104，該緩沖箱可至少部分地填充有飽和液106。 飽和液106的實(shí)例可包括但不限于飽和液氮。緩沖箱104可與構(gòu)件箱100流體地接合，從而 允許液體(例如，過(guò)冷液體102和飽和液106)在箱100、104之間的無(wú)泵位移。例如，一個(gè) 或多個(gè)導(dǎo)管/管道組件(例如，導(dǎo)管/管道組件108)可接合構(gòu)件箱100與緩沖箱104。如 上面所討論的，液體的無(wú)泵位移可定義為在不使用任何機(jī)械泵組件的情況下液體的位移。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括低溫系統(tǒng)110，以用于將構(gòu)件箱100 (且因此，構(gòu)件箱中 的液體102)的溫度保持在期望的溫度(T1)，該期望的溫度可基于箱100中的液體的類型和 狀態(tài)而改變。例如并且如上面所討論的，構(gòu)件箱100可構(gòu)造成至少部分地填充有過(guò)冷液體 102。當(dāng)過(guò)冷液體102是過(guò)冷液氮時(shí)，溫度T1可以是67開(kāi)氏度。因此，對(duì)于過(guò)冷液氮系統(tǒng)， 低溫系統(tǒng)110可構(gòu)造成將構(gòu)件箱100的溫度保持在基本為67開(kāi)氏度。低溫系統(tǒng)110可包括冷卻箱112 (即熱交換系統(tǒng))，該冷卻箱可至少部分地填充有 飽和液114。冷卻箱112可封裝構(gòu)件箱100的至少一部分。飽和液114的實(shí)例包括但不限 于飽和液氮。低溫系統(tǒng)110可進(jìn)一步包括設(shè)置在冷卻箱112內(nèi)的低溫恒溫器116。低溫恒溫器 116可構(gòu)造成將飽和液114保持在基本為溫度 \(例如，67開(kāi)氏度)和期望的壓力(P2)。低 溫恒溫器116可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控冷卻箱112的溫度和/或壓力，并用 于當(dāng)冷卻箱112的溫度高于期望的溫度(T1)和/或冷卻箱112的壓力高于期望的壓力(P2) 時(shí)，冷卻(S卩，從此去除熱能)冷卻箱112。對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)110可構(gòu)造成將冷 卻箱112的溫度保持在基本為67開(kāi)氏度的溫度(T1)以及約為0. 24巴的壓力(P2)。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括構(gòu)造成將飽和液106 (緩沖箱114內(nèi)的)加熱至期望的 溫度(T2)并保持期望的壓力(P1)的加熱系統(tǒng)118。因此，對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)118 可構(gòu)造成將緩沖箱104的溫度(T2)保持在基本為105開(kāi)氏度。由于構(gòu)件箱100與緩沖箱 104流體地接合，兩個(gè)箱100、104中的壓力(P1)基本上是相同的。對(duì)于使用飽和過(guò)冷液氮 的系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)118可構(gòu)造成將緩沖箱104 (且因此，構(gòu)件箱100)的壓力(P1)保持在基本 為10巴。加熱系統(tǒng)118可包括設(shè)置成向緩沖箱104提供熱能的電阻加熱元件(未示出)。 此外，加熱系統(tǒng)118可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱104的溫度和/或壓力， 并用于當(dāng)緩沖箱104的溫度低于期望的溫度(T2)和/或緩沖箱104的壓力低于期望的壓 力(P1)時(shí)向緩沖箱104提供熱能。此外，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括構(gòu)造成將飽和液106 (緩沖箱104內(nèi)的)冷卻至期 望的溫度(T2)并保持期望的壓力(P1)的第二低溫恒溫器120 (用虛線示出)。第二低溫恒 溫器120可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱104的溫度和/或壓力，并用于當(dāng) 緩沖箱104的溫度高于期望的溫度(T2)和/或緩沖箱104的壓力高于期望的壓力(P1)時(shí) 冷卻(即，從此去除熱能)緩沖箱104。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’可包括用于封裝構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’的各個(gè)構(gòu)件的真空箱122。例 如，真空箱122可封裝冷卻箱112 (且因此，構(gòu)件箱100)、以及緩沖箱104。由于真空箱112 內(nèi)是真空，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10’的各個(gè)構(gòu)件(例如，冷卻箱112、以及緩沖箱104)可以不暴露 于真空箱122周圍的環(huán)境空氣124中所包含的熱能。當(dāng)暴露于故障電流時(shí)(例如，通過(guò)導(dǎo)體124、126)，發(fā)熱裝置12會(huì)變熱，加熱最接近發(fā)熱裝置12的過(guò)冷液體102，并且為過(guò)冷液體102添加足夠的熱能，使得一部分過(guò)冷液 體102由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，因此產(chǎn)生了氣泡128 (用虛線示出)。由于氣泡128在體積上大 于改變狀態(tài)而形成氣泡128的過(guò)冷液體的量，一部分過(guò)冷液體102可(通過(guò)導(dǎo)管/管道組 件108)移動(dòng)到緩沖箱104內(nèi)。如上面所討論的，對(duì)于過(guò)冷飽和液氮系統(tǒng)，過(guò)冷液體102可 保持在67開(kāi)氏度的溫度(T1)，飽和液106可保持在105開(kāi)氏度的溫度(T2)，兩者都處于10 巴的壓力。氣泡128的熱能可被過(guò)冷液體102吸收，導(dǎo)致氣泡128回到液態(tài)。在典型的故障 電流期間，過(guò)冷液體102的溫度(T1)可從67開(kāi)氏度上升到70開(kāi)氏度。如上面所討論的，一 部分這種70開(kāi)氏度的過(guò)冷液體102可移動(dòng)到緩沖箱104(該緩沖箱至少部分地填充有105 開(kāi)氏度的飽和液20)內(nèi)。因此，飽和液106的溫度可降至94開(kāi)氏度和/或飽和液106的壓 力可降至5巴。因此，加熱器系統(tǒng)118可啟動(dòng)，以將飽和液106 (緩沖箱104內(nèi)的)加熱到 期望的溫度T2 (例如，105開(kāi)氏度)和/或到期望的壓力P1 (例如，10巴)。進(jìn)一步地，由于構(gòu)件箱100中的過(guò)冷液體102可被加熱到70開(kāi)氏度(在故障情況 期間)，來(lái)自構(gòu)件箱100的熱能可傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移至冷卻箱112內(nèi)的飽和液114。感覺(jué)到這種溫度 的上升之后，低溫恒溫器116可啟動(dòng)，以將飽和液114的溫度從例如70開(kāi)氏度降低到期望 的溫度T1 (例如，67開(kāi)氏度)。如上面所討論的，根據(jù)低溫恒溫器38的額外可用冷卻功率， 該恢復(fù)過(guò)程可能需要幾個(gè)小時(shí)。還參照?qǐng)D3，示出了用于吸收由發(fā)熱裝置12產(chǎn)生的熱能的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”的另 一個(gè)可替換實(shí)施例。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置12的構(gòu)件箱150。構(gòu)件箱150可構(gòu) 造成至少部分地填充有過(guò)冷液體152。過(guò)冷液體152的實(shí)例可包括但不限于過(guò)冷液氮。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括緩沖箱154，該緩沖箱可至少部分地填充有飽和液156。 飽和液156的實(shí)例可包括但不限于飽和液氮。緩沖箱154可與構(gòu)件箱150流體地接合，從 而允許液體(例如，過(guò)冷液體152和飽和液156)在箱150、154之間的無(wú)泵位移。例如，一 個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管/管道組件(例如，導(dǎo)管/管道組件158)可接合構(gòu)件箱150與緩沖箱154。 如上面所討論的，液體的無(wú)泵位移可定義為不使用任何機(jī)械泵組件的情況下液體的位移。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括低溫系統(tǒng)160，以用于將構(gòu)件箱150 (且因此，構(gòu)件箱中 的液體152)的溫度保持在期望的溫度(T1)，該期望的溫度可基于箱150中的液體的類型和 狀態(tài)而改變。例如并且如上面所討論的，構(gòu)件箱150可構(gòu)造成至少部分地填充有過(guò)冷液體 152。當(dāng)過(guò)冷液體152是過(guò)冷液氮時(shí)，溫度T1可以是67開(kāi)氏度。因此，對(duì)于過(guò)冷液氮系統(tǒng)， 低溫系統(tǒng)160可構(gòu)造成將構(gòu)件箱150的溫度保持在基本為67開(kāi)氏度。低溫系統(tǒng)160可包括熱交換系統(tǒng)162 (例如，熱交換器裝置)，該熱交換系統(tǒng)可至少 部分地填充有飽和液164。熱交換系統(tǒng)162可包括一個(gè)或多個(gè)管道部分(例如，管道部分 166)，飽和液164可通過(guò)該管道部分。熱交換系統(tǒng)162可進(jìn)一步包括導(dǎo)熱塊168，該導(dǎo)熱塊 構(gòu)造成允許熱能(未示出)在過(guò)冷液體152 (容納在構(gòu)件箱150內(nèi))與飽和液164 (通過(guò)管 道部分166)之間通過(guò)。低溫系統(tǒng)160可進(jìn)一步包括與熱交換系統(tǒng)162流體地接合的低溫恒溫箱170，因此 允許飽和液164在重力的作用下在低溫恒溫箱170與熱交換系統(tǒng)162之間無(wú)泵位移。如上 面所討論的，液體的無(wú)泵位移可定義為不使用任何機(jī)械泵組件的情況下液體的位移。例如，一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管/管道組件(例如，導(dǎo)管/子組件172、174)可接合低溫恒溫箱170與熱交 換系統(tǒng)162。由于液體164是飽和液，如果將熱能添加至飽和液164，一部分飽和液164會(huì) 轉(zhuǎn)變(即，改變狀態(tài))成蒸汽176。低溫系統(tǒng)160可進(jìn)一步包括設(shè)置在低溫恒溫箱170內(nèi) 的低溫恒溫器178。低溫恒溫器178可構(gòu)造成將飽和液164保持在基本為溫度T1 (例如，67 開(kāi)氏度)及其對(duì)應(yīng)的飽和壓力(P2)。低溫恒溫器178可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān) 控低溫恒溫箱170和/或熱交換系統(tǒng)162的溫度和/或壓力，并用于當(dāng)?shù)蜏睾銣叵?70和 /或熱交換系統(tǒng)162的溫度高于期望的溫度(T1)以及/或低溫恒溫箱170和/或熱交換系 統(tǒng)162的壓力高于期望的壓力(P2)時(shí)冷卻(即，從此去除熱能)低溫恒溫箱170和/或熱 交換系統(tǒng)162。對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)160可構(gòu)造成將熱交換系統(tǒng)162和低溫恒溫箱 170的溫度保持在基本為67開(kāi)氏度的溫度(T1)以及約為0. 24巴的壓力(P2)。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括構(gòu)造成將飽和液156 (緩沖箱114內(nèi)的)加熱到期望的 溫度(T2)并保持期望的壓力(P1)的加熱系統(tǒng)180。因此，對(duì)于飽和液氮系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)180 可構(gòu)造成將緩沖箱154的溫度(T2)保持在基本為105開(kāi)氏度。由于構(gòu)件箱150和緩沖箱 154流體地接合，兩個(gè)箱150、154中的壓力可基本上是相同的。對(duì)于使用飽和過(guò)冷液氮的系 統(tǒng)，加熱系統(tǒng)180可構(gòu)造成將緩沖箱154(且因此，構(gòu)件箱150)的壓力(P1)保持在基本為 10巴。加熱系統(tǒng)180可包括設(shè)置成向緩沖箱154提供熱能的電阻加熱元件(未示出)。此 外，加熱系統(tǒng)180可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱154的溫度和/或壓力，并 用于當(dāng)緩沖箱154的溫度低于期望的溫度(T2)和/或緩沖箱154的壓力低于期望的壓力 (P1)時(shí)向緩沖箱154提供熱能。此外，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括構(gòu)造成將飽和液156 (緩沖箱154內(nèi)的)冷卻至期 望的溫度(T2)以及保持期望的壓力(P1)的第二低溫恒溫器182 (用虛線示出)。第二低溫 恒溫器182可包括控制電路(未示出)，以用于監(jiān)控緩沖箱154的溫度和/或壓力，并用于 當(dāng)緩沖箱154的溫度高于期望的溫度(T2)以及/或緩沖箱154的壓力高于期望的壓力(P1) 時(shí)冷卻(即，從此去除熱能)緩沖箱154。構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”可包括用于封裝冷卻系統(tǒng)10”的各個(gè)構(gòu)件的真空箱184。例如， 真空箱184可封裝構(gòu)件箱150 (且因此，熱交換系統(tǒng)162)、緩沖箱154、以及低溫恒溫箱170。 由于真空箱184內(nèi)是真空，構(gòu)件冷卻系統(tǒng)10”的各個(gè)構(gòu)件(例如，冷卻箱150、緩沖箱154、 以及低溫恒溫箱170)可以不暴露于真空箱184周圍的環(huán)境空氣184中所包含的熱能。如上面所討論的，發(fā)熱裝置12可以是故障電流限制器。因此，當(dāng)暴露于故障電流 時(shí)(例如，通過(guò)導(dǎo)體188、190)，發(fā)熱裝置12會(huì)變熱，加熱最接近發(fā)熱裝置12的過(guò)冷液體 152，并且為過(guò)冷液體152添加足夠的熱能，使得一部分過(guò)冷液體152由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，因 此產(chǎn)生了氣泡192 (用虛線示出)。由于氣泡192在體積上大于改變狀態(tài)而形成氣泡192的 過(guò)冷液體的量，一部分過(guò)冷液體152可(通過(guò)導(dǎo)管/管道組件158)轉(zhuǎn)移到緩沖箱154內(nèi)。 如上面所討論的，對(duì)于過(guò)冷飽和液氮系統(tǒng)，過(guò)冷液體152可保持在67開(kāi)氏度的溫度(T1)，飽 和液156可保持在105開(kāi)氏度的溫度(T2)，兩者都處于10巴的壓力。氣泡192的熱能可被過(guò)冷液體152吸收，導(dǎo)致氣泡192回到液態(tài)。在典型的故障 電流期間，過(guò)冷液體152的溫度(T1)可從67開(kāi)氏度上升到70開(kāi)氏度。如上面所討論的， 一部分這種70開(kāi)氏度的過(guò)冷液體152可移動(dòng)到緩沖箱154 (其至少部分地填充有105開(kāi)氏 度的飽和液152)中。因此，飽和液156的溫度可降至94開(kāi)氏度和/或飽和液156的壓力可降至5巴。因此，加熱器系統(tǒng)180可啟動(dòng)，以將飽和液156(緩沖箱154內(nèi)的)加熱到期 望的溫度T2 (例如，105開(kāi)氏度)和/或加熱至期望的壓力P1 (例如，10巴)。此外，當(dāng)構(gòu)件箱150中的過(guò)冷液體152被加熱到70開(kāi)氏度時(shí)(在故障情況期間)， 來(lái)自構(gòu)件箱150的熱能通過(guò)熱交換系統(tǒng)和導(dǎo)管/管道組件172、174傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移至飽和液164。 感覺(jué)到這種溫度的上升之后，低溫恒溫器178可啟動(dòng)，以將飽和液164(其存在于熱交換系 統(tǒng)162和低溫恒溫箱170兩者中)的溫度從例如70開(kāi)氏度降低到期望的溫度T1 (例如，67 開(kāi)氏度)。根據(jù)低溫恒溫器38的額外可用冷卻功率，該恢復(fù)過(guò)程可能需要幾個(gè)小時(shí)。雖然上面描述的系統(tǒng)10、10’、10”采用過(guò)冷液氮和飽和液氮，但其他構(gòu)造是可行的 并被認(rèn)為是落在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。例如，可使用過(guò)冷飽和液氦。已對(duì)大量的實(shí)施例進(jìn)行了描述。然而，將理解的是，可做出各種修改。因此，其他 實(shí)施例落在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，包括構(gòu)件箱，構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置，所述構(gòu)件箱構(gòu)造成至少部分地填充有在第一壓力和第一溫度下的過(guò)冷液體；以及低溫系統(tǒng)，用于將所述構(gòu)件箱保持在基本為所述第一溫度，所述低溫系統(tǒng)包括熱交換系統(tǒng)，與所述構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合，所述熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有在第二壓力和基本為所述第一溫度下的第二飽和液，以及低溫恒溫箱，所述低溫恒溫箱與所述熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許所述第二飽和液在所述熱交換系統(tǒng)與所述低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括緩沖箱，構(gòu)造成至少部分地填充有在第二溫度下的第一飽和液，所述緩沖箱與所述構(gòu) 件箱流體地接合，以允許所述構(gòu)件箱與所述緩沖箱之間的無(wú)泵液體位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括加熱系統(tǒng)，構(gòu)造成加熱所述緩沖箱內(nèi)的所述第一飽和液，以保持所述構(gòu)件箱內(nèi)的所述第一壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述第一飽和液和所述第二飽和液是 飽和液氮。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換系統(tǒng)包括設(shè)置于所述構(gòu)件 箱內(nèi)的熱交換器裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換器裝置包括一個(gè)或多個(gè)管 道組件，所述第二飽和液通過(guò)所述管道組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換器裝置包括導(dǎo)熱塊，所述一 個(gè)或多個(gè)管道組件通過(guò)所述導(dǎo)熱塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換系統(tǒng)包括設(shè)置于所述構(gòu)件 箱外部的熱交換器裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換器裝置是封裝所述構(gòu)件箱 的至少一部分的冷卻箱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述低溫系統(tǒng)包括低溫恒溫器，設(shè)置于所述低溫恒溫箱內(nèi)并構(gòu)造成將所述第二飽和液保持在基本為所述 第一溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述發(fā)熱裝置是故障電流限制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述過(guò)冷液體是過(guò)冷液氮。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述第二溫度比所述第一溫度高。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述第二壓力比所述第一壓力低。
15.一種構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，包括構(gòu)件箱，構(gòu)造成容納故障電流限制器裝置，所述構(gòu)件箱構(gòu)造成至少部分地填充有在第 一壓力和第一溫度下的過(guò)冷液體；緩沖箱，構(gòu)造成至少部分地填充有在第二溫度下的第一飽和液，所述緩沖箱與所述構(gòu) 件箱流體地接合，以允許所述構(gòu)件箱與所述緩沖箱之間的無(wú)泵液體位移；低溫系統(tǒng)，用于將所述構(gòu)件箱保持在基本為所述第一溫度，所述低溫系統(tǒng)包括熱交換系統(tǒng)，與所述構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合，所述熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有 在第二壓力和基本為所述第一溫度下的第二飽和液，以及低溫恒溫箱，所述低溫恒溫箱與所述熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許所述第二飽和液 在所述熱交換系統(tǒng)與所述低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移；以及加熱系統(tǒng)，構(gòu)造成加熱所述緩沖箱內(nèi)的所述第一飽和液，以保持所述構(gòu)件箱內(nèi)的所述 第一壓力。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換系統(tǒng)是設(shè)置在所述構(gòu)件 箱內(nèi)的熱交換器裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述熱交換系統(tǒng)是封裝所述構(gòu)件箱 的至少一部分的熱交換器裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述低溫系統(tǒng)包括低溫恒溫器，設(shè)置在所述構(gòu)件箱內(nèi)，并構(gòu)造成將所述第二飽和液保持在基本為所述第 一溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，其中，所述過(guò)冷液體、所述第一飽和液、以 及所述第二飽和液是液氮。
20.一種構(gòu)件冷卻系統(tǒng)，包括構(gòu)件箱，構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置，所述構(gòu)件箱構(gòu)造成至少部分地填充有在第一壓力和第 一溫度下的過(guò)冷液體；緩沖箱，構(gòu)造成至少部分地填充有在第二溫度下的第一飽和液，所述緩沖箱與所述構(gòu) 件箱流體地接合，以允許所述構(gòu)件箱與所述緩沖箱之間的無(wú)泵液體位移；以及低溫系統(tǒng)，用于將所述構(gòu)件箱保持在基本為所述第一溫度，所述低溫系統(tǒng)包括 熱交換系統(tǒng)，與所述構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合，所述熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有 在第二壓力和基本為所述第一溫度下的第二飽和液，以及低溫恒溫箱，所述低溫恒溫箱與所述熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許所述第二飽和液 在所述熱交換系統(tǒng)與所述低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移；以及低溫恒溫器，設(shè)置于所述低溫恒溫箱內(nèi)，并構(gòu)造成將所述第二飽和液保持在基本為所 述第一溫度。
全文摘要
一種構(gòu)件冷卻系統(tǒng)(10)，包括構(gòu)造成容納發(fā)熱裝置(12)的構(gòu)件箱(14)。構(gòu)件箱至少部分地填充有在第一壓力(P1)和第一溫度(T1)下的過(guò)冷液體(16)。低溫系統(tǒng)(24)將構(gòu)件箱保持在基本為第一溫度。低溫系統(tǒng)包括與構(gòu)件箱的至少一部分熱耦合的熱交換系統(tǒng)(26)。熱交換系統(tǒng)至少部分地填充有在第二壓力(P2)和基本為第一溫度下的第二飽和液(28)。低溫恒溫箱(30)與熱交換系統(tǒng)流體地接合，以允許第二飽和液在熱交換系統(tǒng)與低溫恒溫箱之間的無(wú)泵位移。
文檔編號(hào)F25D19/00GK101981390SQ200980110802
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者袁杰, 詹姆斯·馬圭爾 申請(qǐng)人:美國(guó)超導(dǎo)體公司