專利名稱：備用低溫制冷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫制冷系統(tǒng)。一方面，本發(fā)明涉及一種低溫制冷系統(tǒng)的備用或恢復(fù)系統(tǒng)，而在另一方面，本發(fā)明涉及用于高溫超導(dǎo)(HTS)電纜的低溫制冷系統(tǒng)的備用系統(tǒng)。在又一個(gè)方面，本發(fā)明還涉及一種為低溫制冷系統(tǒng)提供低溫制冷能力的方法。
(2)背景技術(shù)高溫超導(dǎo)體的低溫制冷系統(tǒng)眾所周知。在一種基本形式中，這些系統(tǒng)包括冷卻環(huán)、制冷單元和冷凍劑。冷卻環(huán)(例如管子或其它管道結(jié)構(gòu))被安置在一需要冷卻的裝置旁邊(例如HTS電纜)并且冷卻環(huán)與制冷單元流體連通。制冷單元是本行業(yè)中公知的機(jī)械制冷裝置。冷凍劑(例如液氮)從制冷單元流入冷卻環(huán)，在冷卻環(huán)中循環(huán)而將熱量從裝置處吸走，然后回到制冷單元將熱量移去，再循環(huán)回到冷卻環(huán)。
低溫制冷系統(tǒng)可以備有備用或恢復(fù)制冷單元以防主單元發(fā)生故障。為了防備制冷單元發(fā)生故障或常規(guī)檢修而設(shè)置這種冗余設(shè)備通常不能節(jié)省費(fèi)用并會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和尺寸。
包括兩個(gè)或多個(gè)冷卻環(huán)低溫制冷系統(tǒng)(例如那些與HTS電纜相關(guān)的)通常會(huì)要求每個(gè)冷卻環(huán)有一個(gè)備用制冷單元。雖然有效，但每個(gè)冷卻環(huán)配備一個(gè)備用制冷單元會(huì)增加整個(gè)制冷系統(tǒng)的投資成本費(fèi)用及其操作的復(fù)雜性。
HTS電力或傳輸電纜眾所周知。這些電纜需要低溫冷卻，并且有代表性的HTS電力或傳輸電纜在美國專利3946141、3950606、4020274、4020275、4176238以及最近的5858386、6342673和6512311中有所描述。一種典型的HTS電纜的制冷方式是通過在導(dǎo)體的中空的核心通液氮或在圍繞(一根或多根)導(dǎo)體外圍的通道中通液氮來將一根或多根HTS導(dǎo)體冷卻。HTS導(dǎo)體相對于相同尺寸的傳統(tǒng)導(dǎo)體的吸引人之處在于前者可以傳送相當(dāng)于后者數(shù)倍的電力而幾乎沒有電力損失。
冷卻HTS電纜的普通模式是設(shè)置一機(jī)械制冷單元(本行業(yè)中已知)來冷卻閉合環(huán)中的純過冷液氮?！斑^冷”液氮是被冷卻到沸點(diǎn)以下的氮?dú)?，這是依靠工作壓力來實(shí)現(xiàn)的。例如，在工作壓力為5bar的閉合環(huán)中，液氮的沸點(diǎn)是94K(絕對溫度)。在典型的制冷劑溫度70-75K下，液氮將被過冷19-24度。通常，單獨(dú)一個(gè)過冷液體環(huán)無法冷卻電纜的全長，因此，必須有可以控管的多重部分。在本發(fā)明的方案中，如果基于單獨(dú)的部分的話，總設(shè)有備用制冷能力。EP1355114A2中描述的HTS電纜和制冷系統(tǒng)就是一個(gè)例證。
EP‘114中的HTS電纜和低溫制冷系統(tǒng)包括圍繞HTS電纜的第一和第二冷卻通道(4、5)。液氮在這些通道中循環(huán)而將熱量從電纜處帶走，通過一低壓沸騰液氮浴(9)(例如一過冷器)，在這里，從液氮中帶走了熱量，然后液氮再循環(huán)回到通道。如果出于任何原因，液氮從系統(tǒng)中損失，則從儲(chǔ)存箱(1)處向系統(tǒng)加入補(bǔ)充液氮。儲(chǔ)存箱和它的連接硬件是設(shè)計(jì)用來進(jìn)行最初所要的液氮充注，以及在必要時(shí)再對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。儲(chǔ)存箱還通過液氮和氣氮冷卻系統(tǒng)提供電纜最初冷卻所需的冷卻劑。
本發(fā)明旨在通過減少系統(tǒng)的整體尺寸和復(fù)雜性以及減少系統(tǒng)的投資成本和功率消耗來解決已有備用制冷系統(tǒng)的問題。
(3)發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，可為一種低溫制冷系統(tǒng)提供備用制冷能力，包括使用單個(gè)備用制冷箱的多重冷卻環(huán)。該備用制冷箱與冷卻環(huán)中的至少一個(gè)流體連通，并且冷卻環(huán)互相之間流體連通。每一個(gè)冷卻環(huán)依次又各與一個(gè)制冷單元流體連通。制冷單元的制冷源可以是機(jī)械式的(例如氦循環(huán)制冷系統(tǒng))或者是通過液化氣體的大量蒸發(fā)(例如液氮)的。在操作中，制冷劑(例如液氮)在構(gòu)造為通過或貼近需要冷卻的裝置(例如電纜)的冷卻環(huán)中循環(huán)，并循環(huán)到制冷單元，用以在回到冷卻環(huán)之前移去熱量或再冷凝。如果由于無論何種原因，制冷劑從一個(gè)或多個(gè)冷卻環(huán)中漏失，那么，就將冷卻劑從另一個(gè)相連的冷卻環(huán)中輸送到(直接或間接地)漏失冷卻劑的冷卻環(huán)中，并且從儲(chǔ)存箱將冷卻劑釋放到一個(gè)或多個(gè)與容器直接連接的冷卻環(huán)中。這種備用冷卻劑的添加是與低溫制冷系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行的。
在一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)制冷劑儲(chǔ)存在一個(gè)與普通的增壓盤管結(jié)成一體的單一容器中。也可以選擇的是，該容器也可與受控制以保持容器中所要求的上部壓力而不允許任何容器中的內(nèi)容物損失的再冷凝盤管結(jié)成一體。有了可選用的再冷凝盤管，備用液態(tài)冷卻劑可以保存無限長的時(shí)間而沒有損失，也不需要補(bǔ)充。
在另一個(gè)實(shí)施例中，備用液體冷卻劑容器(i)與過冷液體冷卻環(huán)連接；(ii)作為一般工作時(shí)冷卻環(huán)的緩沖容器；以及(iii)保持這些冷卻環(huán)處于較佳的壓力。單個(gè)的過冷部分冷卻環(huán)在一般操作中不在兩者之間傳送冷卻劑。而是每個(gè)冷卻環(huán)保持同樣的額定恒定壓力。然而，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)冷卻環(huán)部分由于任何的原因而漏失了冷卻劑時(shí)，就將補(bǔ)充冷卻劑從儲(chǔ)存容器輸送到冷卻部分，并且冷卻劑根據(jù)保持液態(tài)冷卻劑總量的需要，在各冷卻部分之間自然地傳送。
在又一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于高溫超導(dǎo)電纜的備用低溫制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括A.可選用地包括備用再冷凝盤管的備用制冷箱；B.包括與第一制冷單元存在冷卻關(guān)系的第一換熱器盤管的第一換熱器；C.與電纜的第一部分和第一換熱器都有冷卻關(guān)系的第一循環(huán)圈；D.包括與第二制冷單元存在冷卻關(guān)系的第二換熱器盤管的第二換熱器；E.與電纜的第二部分和第二換熱器都有冷卻關(guān)系的第二循環(huán)圈；以及F.連接第一和第二循環(huán)系統(tǒng)的管子；備用制冷箱與第一和第二循環(huán)圈中至少一個(gè)流體連通。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二制冷單元為機(jī)械制冷單元。如果可選用的備用再冷凝盤管出現(xiàn)在備用冷卻箱中，那么該系統(tǒng)還包括與備用再冷凝盤管有冷卻關(guān)系的備用制冷單元(典型的是機(jī)械制冷單元)。第一或第二制冷單元也可以作為備用制冷單元。
在還有一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種為高溫超導(dǎo)電纜提供備用低溫制冷的方法，該方法包括提供含有液體低溫冷卻劑的液體低溫備用箱；備用箱與多部分冷卻系統(tǒng)中的至少一個(gè)部分流體連通；液體低溫冷卻劑在單個(gè)的部分中循環(huán)，并且冷卻系統(tǒng)中的單個(gè)部分與其它部分互相流體連通；備用箱與多部分冷卻系統(tǒng)中的至少一個(gè)部分流體連通，從而當(dāng)任意一個(gè)相連的部分有冷卻劑損失時(shí)，冷卻劑就從備用箱傳送到損失冷卻劑的部分。
在再有一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例中，低溫制冷系統(tǒng)可以為多重部分HTS電纜提供主要的(與備用系統(tǒng)相對)冷卻。在此實(shí)施例中，每一部分的制冷單元為一過冷器，并且當(dāng)冷卻劑從單元中漏失(并因而從電纜部分漏失)時(shí)，損失的冷卻劑由來自液體儲(chǔ)存箱的冷卻劑來替代。
(4)


圖1A是用于多重冷卻環(huán)的基本備用低溫制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1B是圖1A所示結(jié)構(gòu)的變型，其中每一個(gè)制冷單元支持一個(gè)以上冷卻環(huán)；圖2A是一個(gè)實(shí)施例中、用于多段HTS電纜的備用低溫制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B示出圖2A所示結(jié)構(gòu)的變型，其中一個(gè)熱虹吸器和冷卻回路用兩個(gè)機(jī)械制冷單元來制冷。
圖3是一逆流換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是冷卻源為大量液氮的換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
(5)具體實(shí)施方式
將結(jié)合附圖描述本發(fā)明不同的實(shí)施例，在附圖中相似的標(biāo)號(hào)用于標(biāo)示相似的零部件。省略了各種不同的裝置部件(例如配合件、固定件、傳感器、閥門等等)以使說明簡化。然而，這些傳統(tǒng)裝備及其使用是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，并且這些裝備可以根據(jù)需要來使用。另外，雖然以下本發(fā)明的描述是就冷卻多段HTS電纜來進(jìn)行的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道本發(fā)明也可應(yīng)用于其它需要過冷液氮冷卻系統(tǒng)的備用低溫制冷能力的裝置上。
圖1A是本發(fā)明包括其最基本元件的結(jié)構(gòu)示意圖。備用冷卻劑儲(chǔ)存箱10(也稱作備用冷卻箱)與依次和冷卻環(huán)22流體連通的冷卻環(huán)21流體連通。冷卻環(huán)21和22與制冷單元23和24分別流體連通，并且每個(gè)冷卻環(huán)與另一個(gè)冷卻環(huán)通過管子25流體連通。
在工作中，每個(gè)冷卻環(huán)環(huán)繞、圍繞、通過、或在另一構(gòu)造中貼近一裝置(未示出，例如一HTS電纜段)并通過使冷卻劑(例如液氮之類的揮發(fā)性液體)循環(huán)而向裝置傳遞冷量。來自每個(gè)環(huán)的冷卻劑循環(huán)通過一任意類型的制冷單元(例如機(jī)械式電冰箱、過冷卻器等)、在該制冷單元中被冷卻或再冷凝并回到冷卻環(huán)中。通常，每一個(gè)冷卻環(huán)在相同的平均壓力下工作，并且由于這樣，冷卻劑不會(huì)從一個(gè)冷卻環(huán)通過管子25流到另一個(gè)內(nèi)。然而，如果在兩個(gè)冷卻環(huán)中的任意一個(gè)中發(fā)生泄漏或其它冷卻劑損失，那么，所造成的壓力損失會(huì)觸發(fā)釋放備用冷卻劑，使之從液體冷卻劑儲(chǔ)存箱10釋放到系統(tǒng)中。這可以自然地發(fā)生，或通過可監(jiān)控系統(tǒng)壓力或冷卻劑總量的控制系統(tǒng)和閥門設(shè)置的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。如果在冷卻環(huán)21中發(fā)生損失，那么，備用冷卻劑就從儲(chǔ)存箱10流入冷卻環(huán)21。如果在冷卻環(huán)22中發(fā)生損失，那么，冷卻劑從冷卻環(huán)21流入冷卻環(huán)22，同時(shí)冷卻劑從儲(chǔ)存箱10流入冷卻環(huán)21。冷卻劑根據(jù)要求從一個(gè)冷卻環(huán)流入另一個(gè)以平衡兩個(gè)冷卻環(huán)的壓力。如圖1B所示，在一個(gè)系列中連接有兩個(gè)以上冷卻環(huán)時(shí)，此類冷卻劑輸送機(jī)構(gòu)以同樣的方式運(yùn)作，并且每個(gè)制冷單元可以為一個(gè)以上的冷卻環(huán)提供服務(wù)。
圖2A是圖1的詳圖。圖2A示出了一個(gè)用于HTS電纜的多部分、過冷液體冷卻環(huán)。雖然圖2A只示出了兩部分，這只是為了簡化。如上所說，本發(fā)明可以用于包括任意多個(gè)部分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)。另外，雖然所示的這幾個(gè)部分長度大致相等，但這幾個(gè)部分也可以長度不等，或由此，還在任何其它方面(例如管子尺寸、結(jié)構(gòu)等)不相同。此外，不同的部分可以包括不同類型的裝置，例如電纜或其它HTS裝置。
在圖2A中，備用制冷箱10包括可選用的、位于頂部空間12的備用再冷凝盤管11并存有液氮13。壓力調(diào)節(jié)器18以標(biāo)準(zhǔn)方式工作以使液氮經(jīng)管路15和16流入蒸發(fā)盤管20，使加壓氮?dú)庋h(huán)回到頂部空間以幫助在容器10中維持所要求的上部壓力。再冷凝盤管11與備用機(jī)械制冷單元14有冷卻關(guān)系，即機(jī)械制冷單元14將再冷凝盤管11充分冷卻從而再冷凝盤管11冷凝從液氮13蒸發(fā)而來的氮?dú)獠⑺厮偷揭旱?3?；蛘?，再冷凝盤管11可以與一單獨(dú)的機(jī)械制冷器(未示出)有冷卻關(guān)系。
除了上述與電纜部分或循環(huán)圈21存在流體連通的備用制冷箱組件以外，電纜部分21和22實(shí)質(zhì)上互成鏡像對稱。未示出HTS電纜本身。電纜部分21和22的過冷組件分別包括換熱器(或在此處更具體的為再冷凝盤管)23和24。每個(gè)熱虹吸器包括里面分別伸進(jìn)再冷凝盤管23和24的頂端空間23a和24a，它們之間存在與上述備用再冷凝盤管和備用制冷單元之間相類似的冷卻關(guān)系。在圖2A的實(shí)施例中，再冷凝盤管23b伸進(jìn)備用制冷單元14。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)制冷單元操作兩個(gè)再冷凝盤管從而節(jié)省了投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。在未示出的又一個(gè)實(shí)施例中，再冷凝盤管11和23b分別由單獨(dú)的制冷單元來提供服務(wù)。在還有一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)或更多機(jī)械制冷單元可操作一個(gè)熱虹吸器。未示出用于給再冷凝盤管24b提供服務(wù)的制冷單元。液氮23c和24c分別存在容器23和24中。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，冷凝盤管11、23b和24b可以位于它們各自的壓力容器外部，但要與這些壓力容器流體連通。此外，所顯示的盤管可以由用于機(jī)械制冷單元的循環(huán)制冷液體(如氦)來冷卻，或只是通過機(jī)械制冷單元的動(dòng)作保持降低了的溫度的冷表面(“冷頭”)。
液氮分別通過管子23d-e和24d-e分別在電纜部分21和22中循環(huán)。管子23d-e和24d-e分別由泵23f和24f連接。管子23e和24e由互連管25連接。管子16和23e形成開口接頭26，備用箱10通過它與電纜部分21流體連通。接頭26是備用箱10保持循環(huán)圈中壓力之處，并且通過將容器10用作為膨脹箱，接頭26還作為液體承受膨脹和收縮的點(diǎn)。
在電纜部分21和22的過冷環(huán)的一般操作中，過冷液氮分別通過泵23f和24f在管子23d-e和24d-e中循環(huán)。在液氮分別離開熱虹吸器時(shí)，其溫度最低，并且在分別回到熱虹吸器時(shí)，它的溫度最高。當(dāng)液氮通過各電纜部分的整個(gè)長度時(shí)，它從各自的電纜部分吸收熱量并被加熱，從而在回到熱虹吸器時(shí)需要釋放熱量。這是通過將加熱后的液體通入熱虹吸器內(nèi)的蒸發(fā)盤管23m和24m來完成的。熱液體由換熱器用冷卻液23c和24c來冷卻，這將隨后使液體23c和24e的一部分沸騰。由于蒸發(fā)盤管23m和24m的作用，液氮持續(xù)蒸發(fā)進(jìn)入熱虹吸器各自的頂部空間。這一蒸發(fā)將導(dǎo)致熱虹吸器中壓力上升，該壓力上升可分別通過再冷凝盤管23b和24b的作用來防止。再冷凝盤管23b和24b由機(jī)械制冷單元(例如用于再冷凝盤管23b的機(jī)械制冷單元)提供正好足夠?qū)⒄舭l(fā)的液體冷凝并保持熱虹吸器所要求的溫度和壓力的制冷量。來自機(jī)械制冷單元的制冷量被控制在保持熱虹吸器壓力或者冷卻環(huán)溫度的速率和總量上。這一控制動(dòng)作是通過公知的開/關(guān)或比例-積分-微分(PID)型控制邏輯來完成的。由于在這種模式的工作下氮?dú)饧炔粡臒岷缥飨?3和24漏失、也不從中得到增加，在熱虹吸器中的液氮水平保持恒定。在一般的、穩(wěn)定的運(yùn)作中，由于在兩個(gè)冷卻環(huán)中保持恒定的額定壓力(排除由于循環(huán)液引起的壓力降低)，液氮不會(huì)通過互連管25流入管子23e和24e或從它們流出。在一般操作中，為對可能引起冷卻環(huán)21和22中的液氮膨脹或收縮的工作溫度或情況的變化作出回應(yīng)，會(huì)有額定量的液氮沿多個(gè)方向流過管子25。
當(dāng)負(fù)責(zé)保持一個(gè)熱虹吸器中的液氮的一個(gè)制冷單元發(fā)生故障時(shí)，一組閥門對(即23h/j或24h/j)將動(dòng)作，取決于哪一個(gè)冷卻環(huán)喪失了冷卻源而實(shí)際致動(dòng)該對閥門。為了說明，如果是負(fù)責(zé)保持熱虹吸器24中的液氮的制冷單元的故障，那么，在熱虹吸器24中通過沸騰和再冷凝平衡而保持恒定的額定壓力的閉合液氮浴中的壓力將升高。隨著與熱虹吸器24關(guān)聯(lián)的制冷單元發(fā)生故障，上升的壓力將使閥門24j打開并使泵24k產(chǎn)生真空從而開始運(yùn)作。閥門24j的打開以及泵24k的運(yùn)作將被控制在將上升的壓力恢復(fù)到要求的壓力的速率和總量上。這一控制動(dòng)作是通過眾所周知的開/關(guān)或PID型控制邏輯來完成的。使用泵24k就要求將熱虹吸器24的壓力保持在大氣壓力之下的要求。如果要保持的壓力為一般的大氣壓力或之上，那么真空泵24k可以省略。如圖所示，真空泵23k和24k必須在冷態(tài)條件下運(yùn)作。如果通過管子23i和24i的出口液流被加熱，它們可以在較溫暖的條件下運(yùn)行。閥門24j和真空泵24k的聯(lián)合作用將保持液氮浴的壓力，但液體水平面將下降并最終喪失冷卻用于電纜部分22的過冷液體環(huán)的能力。
液氮24c在熱虹吸器24中的水平高度通過打開閥門24h來保持，閥門24允許更高壓力的液氮從冷卻環(huán)22流入液氮浴中。閥門24h的開度將被控制在將下降的液氮24c的水平高度恢復(fù)到要求的水平高度的速率和總量上。這一控制動(dòng)作是通過眾所周知的開/關(guān)或PID型控制邏輯來完成的。過程中的熱能和流量確保補(bǔ)充液體(即液氮)的質(zhì)量流量將大大低于循環(huán)過冷液氮的流量?？偭康谋３謱?dǎo)致相同量的液體從電纜部分22的過冷環(huán)中被抽出，這些量又將在隨后通過連接管25從電纜部分21的過冷環(huán)中得到補(bǔ)充。隨后，這些液氮從備用制冷箱10通過管子15、16和接頭26中被抽出。整個(gè)過程的發(fā)生并不額外需要控制邏輯，并且對特征為過冷液體環(huán)的電纜冷卻很少或沒有影響。如果需要，經(jīng)過冷卻循環(huán)21和22循環(huán)的液體量可以在對由本過程引起的流量微小變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)暮髠溥\(yùn)作過程中用泵23f和24f來調(diào)整。僅有的明顯影響是將導(dǎo)致普通增壓盤管20在更寬的范圍內(nèi)運(yùn)作的備用液體損失。還存在在某一時(shí)刻補(bǔ)充備用容器10中液體總量的要求，該時(shí)刻取決于被抽出的液體量和容器的尺寸。
圖2B示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中每一個(gè)熱虹吸器和冷卻回路用兩個(gè)(或更多)機(jī)械制冷單元冷卻。在圖2B中，熱虹吸器23具有從機(jī)械制冷單元14a和14b伸入頂部空間23a的再冷凝盤管23b和23b’。在這一布置中，一個(gè)制冷單元的故障或維修通常只會(huì)要求備用制冷系統(tǒng)來替代停止運(yùn)行的機(jī)械制冷單元的制冷容量。在這種情況下，備用制冷單元和還在運(yùn)行的制冷單元將一同運(yùn)行。在還有一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)需求增加(例如在接近峰值的情況下)機(jī)械制冷單元和為冷卻環(huán)服務(wù)的單元都可以與備用制冷系統(tǒng)協(xié)同工作，以提供增加的制冷能力。
上述過冷液氮環(huán)由混合換熱器(即熱虹吸器)冷卻。其它換熱器也可在本發(fā)明的實(shí)施過程中使用。雖然這些換熱器不能提供熱虹吸器的雙冷卻模式的適應(yīng)性，但它們卻是對于每一種冷卻模式都可行的換熱器。既然人們都關(guān)注它們每一個(gè)自身所特有的冷源，所以，它們可作為所建議的雙模式運(yùn)作的熱虹吸器的例證。
圖3是用于機(jī)械冷卻源的簡單的和常用的逆流換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。該機(jī)械冷卻源的特征對本發(fā)明的內(nèi)容來說并不重要，并且鑒于本發(fā)明的目的，冷卻劑(例如氦氣)可以預(yù)定的溫度和流量進(jìn)入換熱器。在完成它在換熱器中的冷卻任務(wù)以后，冷卻劑以比進(jìn)入換熱器時(shí)要高的溫度離開換熱器，確切的出口溫度取決于諸如冷卻劑特性、流量和冷卻負(fù)荷(典型地以瓦特來計(jì)量)等變量。在實(shí)施本發(fā)明的過程中，取決于機(jī)械制冷單元的特性，也可使用其它類型的換熱器。例如，當(dāng)機(jī)械冷卻源使用“冷頭”時(shí)，那么，換熱器可以簡化為環(huán)繞冷頭的一管圈。
圖4示出冷卻源是大量液氮的最簡單的換熱器。這種形式的傳統(tǒng)過冷器在本行業(yè)中是公知的。在本發(fā)明的實(shí)施中，液氮浴在不尋常地低的壓力下工作(在液氮浴溫度低于77K時(shí)低于大氣壓力)。液體供應(yīng)(可以在大于液氮浴壓力的任意供應(yīng)壓力)下只是用來保持規(guī)定的液氮浴水平高度。液氮浴通常在飽和狀態(tài)下運(yùn)作。即液體將處于只由液氮浴壓力決定的其沸點(diǎn)之下。
在盡可能最簡單的過冷器中，液氮浴暴露于外部環(huán)境中且任何的排放或蒸汽都通過一開口逸出。在這種情況下，壓力為大氣壓力，而沸點(diǎn)為約77K。為要在更低的壓力下(這意味著更低的液氮浴溫度)工作，真空泵/風(fēng)機(jī)減速以保持規(guī)定的液氮浴壓力。與圖3中的單個(gè)換熱器相反，熱力學(xué)過程更復(fù)雜。由于液氮浴處于沸點(diǎn)(這通常比要冷卻的進(jìn)口液體更冷)，就存在與所要的冷卻量成比例的蒸發(fā)。當(dāng)通過泵/風(fēng)機(jī)的逸出流量為兩股流量之和時(shí)，復(fù)雜程度適中。第一股是來自發(fā)生在換熱器盤管中的液氮浴的蒸發(fā)，第二股是來自為保持液氮浴充滿而補(bǔ)充的液氮。根據(jù)補(bǔ)充液氮的溫度和壓力，由于進(jìn)入液氮浴的較低壓力環(huán)境而發(fā)生壓力下降，液氮會(huì)“閃蒸”。熱力學(xué)上，其術(shù)語是等焓(焓恒定)膨脹。一些“閃蒸”氣體還會(huì)在液氮管中形成上升流。從補(bǔ)充管進(jìn)入液氮浴的最終液體和蒸汽是飽和的并有同液氮浴溫度相等的溫度。
雖然本發(fā)明通過前面的實(shí)施例進(jìn)行了相當(dāng)詳細(xì)的描述，但這些細(xì)節(jié)只是用來作說明?？梢宰龀鲈S多的變型和修改而不超出所附權(quán)利要求書的精神實(shí)質(zhì)和范圍。所有以上引用的美國專利和受理的美國專利申請都引用于此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種用于高溫超導(dǎo)電纜的備用低溫制冷系統(tǒng)，包括A.備用制冷箱；B.包括與第一制冷單元存在冷卻關(guān)系的第一換熱器盤管的第一換熱器；C.與電纜的第一部分和第一換熱器都有冷卻關(guān)系的第一循環(huán)圈；D.包括與第二制冷單元存在冷卻關(guān)系的第二換熱器盤管的第二換熱器；E.與電纜的第二部分和第二換熱器都有冷卻關(guān)系的第二循環(huán)圈；和F.連接第一和第二循環(huán)系統(tǒng)的管子；備用制冷箱與第一和第二循環(huán)圈中至少一個(gè)流體連通。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二制冷單元為機(jī)械制冷單元。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，備用制冷箱還包括備用再冷凝盤管。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，備用再冷凝盤管與備用制冷單元有冷卻關(guān)系。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，備用制冷單元為第一或第二制冷單元。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，備用制冷箱還包括增壓盤管。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)換熱器是熱虹吸器。
8.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)換熱器是(i)循環(huán)圈和機(jī)械制冷單元之間的直接換熱手段和(ii)與循環(huán)圈有換熱關(guān)系的揮發(fā)性冷卻劑液體的液體浴的組合。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包含低溫冷卻劑。
10.一種使用如權(quán)利要求1到9中任意一個(gè)所述的系統(tǒng)為高溫超導(dǎo)電纜提供備用低溫制冷的方法。
全文摘要
使用單一備用冷卻劑儲(chǔ)存箱為包括多重冷卻環(huán)的低溫制冷系統(tǒng)提供備用制冷。備用冷卻劑儲(chǔ)存箱與冷卻環(huán)中至少一個(gè)流體連通，并且冷卻環(huán)互相之間也流體連通。每一個(gè)冷卻環(huán)按順序各與一個(gè)制冷單元流體連通。當(dāng)制冷劑從一個(gè)冷卻環(huán)中漏失，冷卻劑(例如液氮)將從其它冷卻環(huán)中輸送到漏失冷卻劑的冷卻環(huán)中，并且將冷卻劑從備用冷卻劑儲(chǔ)存箱釋放到系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H01B12/16GK1773632SQ200510108980
公開日2006年5月17日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者R·C·李 申請人:波克股份有限公司