低溫壓縮機封裝裝置和方法
2023-11-08 05:48:32 2
專利名稱：低溫壓縮機封裝裝置和方法
技術領域：
本發明一般涉及低溫設備的封裝。本發明尤其涉及為用於維持超導變壓器的功能的壓縮機和管路提供密封的隔離殼體。
背景技術：
低溫生成冷卻機(低溫冷卻機)用於降低超導裝置的傳導部件的溫度至超導性出現的溫度範圍，在該溫度範圍，電阻幾乎降至零，並且相對小的橫截面積的導體可傳導非常大的電流。在傳統的應用中，用於幾千瓦工業的或居民電力分配的變壓器，例如，可能需要15噸或更多的銅以使所需的電流流過，並且通過將變壓器浸沒在具有類似汽車電動機油特性的數噸高精製石油餾分(礦物)油中實現溫度平衡，在一些情況下，用裝備了電風扇的外部冷卻器將熱量排到空氣中實現冷卻。相反，用於同樣功能的超導變壓器可能具有一噸重或更輕的導體，可以佔有一小部分物理空間，且可以不使用礦物油。
已知的超導材料可根據其特性分類。一些材料僅僅有臨界超導性，並且具有大電流量致使其超導性喪失的特性，其他的材料僅僅在絕對零度(0開氏度或-273.15攝氏度)的很小的範圍內有超導性，需要採取很大的努力以對抗外部的環境溫度而保持工作溫度。還有一些材料是極脆弱的，以致他們在相當輕微的壓力下就趨於破裂，當這樣的超導體用於大電流和可變載荷時，其可在超導部分之間產生電阻邊界，並可產生破壞性的熱點。由此，能夠在20開氏溫度下傳輸工業電流強度的超導體被看作是高溫超導體。在更高的溫度下傳輸更大的電流的高穩超導體在將來可實現商業上的成功。
典型的電超導裝置由隔熱容器環繞時可經濟地發揮作用，用於電能傳輸的冷卻介質和金屬導線可通過該隔熱容器，但是熱量通過該絕緣容器傳播效率相對低。使用至少部分抽空的熱邊界區域的容器一般地，並且在此處，被稱為真空瓶(Dewar)。
使用液態氮的低溫冷卻機的輸出能夠提供吸熱裝置，該吸熱裝置適於在真空瓶的外殼和內部之間產生有效的熱障，基於氣態氦的系統又可維持超導效用變壓器所需的溫度。對於這樣的系統，液態氮低溫冷卻機可能包括高溫、加壓的、在足以將其廢熱有效排出到另一個熱交換器的高溫下運轉的氣態分段；低溫、高壓的、將相變的氮輸送回到吸熱裝置的液體分段；低溫、低壓的、可從真空瓶接收氮氣化的熱量的氣態分段和載熱的氣態氮通過加壓而溫度上升的壓縮機分段。
用氦作為熱交換介質的低溫冷卻機在常溫的相當寬的一般範圍內放出其廢熱，諸如在200-400K附近的溫度下。例如，這樣的低溫冷卻機可成功地、安全地將其廢熱排出到周圍的空氣體積中。在完全的、世界範圍內的室外氣候中操作這樣的裝置可能要求螺旋壓縮機和其他低溫冷卻機技術元素的重要性能。
氦低溫冷卻機可以使用基本與如上所描述的氮低溫冷卻機一樣的熱循環，除了當前技術的典型氦低溫冷卻機在循環中不使用相變、允許過程的簡化以在較高地和較小地溫度的技術挑戰範圍運轉之外。在超導變壓器和低溫冷卻機的氦之間的熱耦合可能在真空瓶內的另外一個絕緣腔室中發生，其中氣態氦包圍變壓器以吸收來自超導體功率管理過程的廢熱。熱耦合也可能與氦低溫冷卻機發生，起著用於如上所述的氦低溫冷卻機的熱交換器的作用。
因此，在本技術領域，被充分封裝而全天候運轉的剛性的、經久耐用的氦壓縮機/熱交換器系統是需要的，該壓縮機/熱交換器可以直接服務於大規模、大功率的超導體，可以與氮系統配合，並且能夠將廢熱有效的排放到不受控制的環境中。
發明內容
在某種程度上，本發明滿足了前述的需要，其中在一個方面提供了一種裝置，該裝置在一些實施例中支持具有在環境控制的殼體中的多元氦冷卻裝置的超導變壓器的運轉。該殼體進一步提供了導向裝置、絕緣裝置和對從氦冷卻裝置到氦熱交換器進口穿過的冷卻液管線的保護。
依照本發明的一個特徵，用於容納所封裝的超導變壓器的至少一個冷卻壓縮機/冷卻器的罩體，包括連接到超導變壓器的絕緣真空瓶備上的機櫃；附加在所述機柜上的空氣調節器；支撐至少一個壓縮機的機架；和設置於所述機櫃內部的多個冷卻液管線。
依照本發明的另一個特徵，用於容納支持所封裝的低溫設備的至少一個冷卻壓縮機/冷卻器的罩體，包括機械地支撐鄰近於封裝裝置側面的冷卻壓縮機/冷卻器的裝置；密封圍繞所述支撐裝置的熱隔離室的密封裝置；除去從所述密封裝置產生的熱量的裝置；控制所述密封裝置內溼氣濃度的裝置。
依照本發明的又一個特徵，向由所封裝的低溫設備支撐的至少一個冷卻壓縮機/冷卻器提供控制環境的方法，包括以下步驟支撐在所封裝設備的側面附近的至少一個冷卻壓縮機/冷卻器；密封包含冷卻壓縮機/冷卻器的熱隔離室；除去由密封室產生的熱量；控制密封室內的溼氣濃度；和密封和引導隔離室內的至少部分地導向低溫頭的冷卻液管線。
由此，本發明的實例已被概要地闡述，更廣泛的，是為了使在此描述的詳細內容更容易理解，並且為了更好地認識到對本領域的貢獻。當然，本發明的其他實施例將在以下進行說明，並且將會在權利要求中提出。
在這方面，在對本發明的至少一個實施例進行詳細說明之前，便可以知道本發明並不僅限於運用其具體結構和運用如下所述的說明和附圖中所闡述的設置。本發明可以具有除所述內容之外的實施例，並且能夠以多種方式被實施。另外，在此使用的詞語和術語以及簡語是為了闡述的目的，而不應該被認為是限定。
同樣的，本領域技術人員應該認識到，該公開所基於的技術思想可以容易地作為其他結構設計的基礎、執行本發明的某些目的的方法和系統的基礎而被利用。重要的是，因此，本發明的權利要求應該被認為包括了沒有超出本發明技術思想和範圍的同等的結構。
圖1為根據本發明的具有氣態氦冷卻裝置的超導變壓器的立體圖；圖2為冷卻液管線外殼的立體圖；圖3為冷卻裝置外殼的立體圖。
具體實施例方式
結合附圖對本發明進行說明，其中，同樣的部件採用相同的附圖標記。本發明提供一種裝置和方法，在一些具體實施例中可以實現對於冷卻器的均勻環境控制以及對通向超導變壓器的冷卻液管線的保護，從而確保低溫流體自由地流過冷卻液管線。
現有的用於有效功率分配的超導變壓器的設計方案期望用於它們的繞組傳導帶上，超導薄膜沉積於繞組傳導帶上，該方法及提供了結構上的強度又提供了可選擇的通路，儘管在如測試、施加功力、事故關閉的工作中以減少的操作進行維護。在傳導性為完好的區域，超導帶具有對於電流可忽略的電阻，儘管現有技術限制了超導段的有效長度，留下了一個非超導範圍，操作中，熱量在該範圍散去。超導變壓器繞組圍繞在可以與傳統的變壓器鐵心相比的鐵心周圍，其中同樣的，在操作中與熱量一樣，電能被消耗。一些現有的系統工具將熱發生器分割成三部分，基本上相互隔離，並且分別地被在三個最內部的熱交換系統中的氣態氦冷卻。
所屬的在典型系統中的熱交換器包括氦氣型和氮氣型，分別承擔超導變壓器的冷卻過程的一部分。氦熱交換器既直接冷卻超導變壓器的繞組，又驅使熱量通過真空瓶的圍壁，該熱量首先被氦熱交換器吸收，然後被連接到氦氣，上述氦氣從真空瓶被排除並且隨後其熱量被排出到大氣中。
氮氣熱交換器充分緊湊，以使得在真空瓶的外殼內完全封裝操作，通過流動釋放其廢棄熱量並與一個氦氣熱交換器連接。氦氣熱交換器自身可以具有基本的工作體積，在真空瓶的外面設置有在之前的原型系統中的裝置的相似單元。在此所述的典型系統中的氦氣-空氣熱交換器位於大真空瓶中的一部分。該大真空瓶包括用於變壓器的外殼，其中一部分是真空瓶的上表面，一部分是外側部。這樣物理布局，對於超導變壓器的論證以及生產維護，在轉變上帶來了機械學上的挑戰。
在組裝中，冷卻液管線通路從冷卻壓縮機/冷卻機向至少一個的在變壓器箱的封蓋組件上安裝的低溫冷卻機低溫頭(cryocoolercryohead)延伸，所述變壓器箱的封蓋組件將超導變壓器內部組件封裝，其中術語低溫頭在現有技術中已被了解，其意味著一種將低溫致冷利導管與低溫的殼體相連的接口裝置，上述低溫的殼體，典型的為頂部殼體，但不是必須的；並且術語變壓器箱指的是封裝變壓器的外殼，其中這樣的箱體可以允許密封、抽氣，或者相反地操控環境，並且變壓器在該環境中運行。
本發明的封裝(enclosure)的實施例如圖1所示。在圖1中，殼體10封裝了多個冷卻單元12，並且提供用於作為超導變壓器20的附屬裝置的冷卻液管線16的導向殼體14，所述冷卻液管線16從冷卻單元12導向到與其相對應的低溫頭18。冷卻液管線導向殼體14優選為絕緣的金屬罩。在外殼的殼體10處附加有空氣調節器22，該空氣調節器22基本上與那些用於在移動式居所和其他暴露於外部環境的外殼中進行環境控制的設備相似。殼體10具有可易於檢查和維護的入口門24，順序地殼體10被附加在容納變壓器低溫元件的真空瓶26的一側。
在典型的實施例中冷卻液管線導向殼體14的外部結構可以製成總體上符合冷卻液管線16設置的路徑。固定於殼體10的匹配的開口並將冷卻液管線16的一部分包住的冷卻液管線導向殼體14提供了穩定性和免於外部環境物體破壞的防護。所示冷卻液管線導向殼體14的延長部分可以設置成包住冷卻液管線16直至其與低溫頭18聯接點，作為可選擇的構造，可以將低溫頭18整體包住。例如，可以設置來自主殼體10的管道氣體通道以確保低溫頭18附近的封閉空間不會過熱。這樣的管道氣體通道可能需要附加的冷卻能力。
圖2另一個視點的冷卻液管線導向殼體14。底部凸緣30提供了結構穩定性和與主殼體10的密封。頂面32密封冷卻液管線導向殼體14，如果提供加壓的輸入，則允許已在主外殼內部建立起來的熱的控制被延伸至冷卻液管線導向殼體14的未端。冷卻液管線導向殼體14作為任何適合於冷卻液管線16周圍的隔熱體的附件被隔離。在冷卻液管線導向殼體14的內部，當由於冷卻液管線16隨溫度變化膨脹或縮短而使容納位置移動時，管狀支架34可以保持分離和抵制振動。由於大部分材料在這樣的溫度時會只顯示有限的強度，所以通過輸入管線和輸出管線的流動的氣體的極度的低溫可以在管線上引起機械應力。
圖3所示的是殼體10的另一個視圖。空氣調節裝置36可以製成成調節溫度的結構，通過其來運行基於氣態氦的冷卻裝置。大量的從變壓器26消除的熱量可以結合於氦系統並直接消除；通過真空瓶本身外面的熱量洩漏可以被氦系統捕獲並結合於氦系統並同樣消除。但是，冷卻系統內部的氦在變壓器的分界處需要保持在20K以下，並且不能直接結合於氦系統的變壓器熱量的主要部分可能需要通過位於真空瓶外面的氣態氦壓縮機來消除。這可以利用獨立的渦旋式壓縮機和輔助的熱傳導裝置實現。
由於基於渦旋式壓縮機的冷卻單元12以優選的功率運行並能在大約10-20攝氏度(大約華氏50-70度)的狹窄和低溫範圍內抽進冷空氣，所以在實驗室環境和在惡劣環境的室外使用的適於保持在這個溫度範圍內的氣體體積的空氣調節裝置36是合乎要求的。在建立可靠的溫度調節中，商業的可利用的形成因素的尺寸和空氣調節裝置36的性能的廣泛的範圍可以優選，並因此確保超導變壓器穩定地運行。在一些例子中，空氣調節裝置36可以優選熱力泵，如果超導變壓器設置於相對於環境的熱損失率足以將冷卻單元12冷卻到其優選溫度範圍之下的位置，儘管冷卻單元12的作用是消除超導變壓器的熱量，例如，在冬天時的冷重啟動，熱力泵能在殼體10的內升高溫度。需要的空氣調節裝置36的冷卻性能可以基於隔熱材料加上自然發生環境的範圍內和由氣候所定的周圍的空氣溫度計算。
空氣調節也可包括在封閉空間內的溼度調節。對於本典型的機械實施，對所要求的溼度沒有實行較優低的限制，所以空氣調節裝置可以製成消除可能通過洩漏和在工作過程中的氣體交換而引入封閉空間的溼氣的結構。在一些環境中，過低的溼度可能是不利的，例如，增加了靜電放電損壞電子裝置的危險，在該環境中這類的危險是重要的，向封閉氣體空間故意地增加溼度是合理的。
圖3進一步表示了隔熱門38，其可限制在提供預備的服務時熱量穿透殼體10接近冷卻單元12和冷卻液管線16。多元安裝架42可以為冷卻單元12提供穩定的支撐，並潛在地可以被安裝以在一定程度上削弱作用於冷卻液管線16上的機械應力的運動。
可以理解，如這裡所描述的冷卻運行系統的附加特徵是在傳輸的過程中保持系統完整性的性能。這樣，還有恰當的結構完整性的系統作為一個單一、密封的、整體的結構可以阻止長途運行，因此控制安裝和調試時間以及汙染和損壞的危險。
雖然使用電動的空氣調節裝置36的外殼的例子已經示出，但是其他類型的具有為超導變壓器提供所要求的熱量消除能力的氣體冷卻裝置也可以使用，例如壓縮空氣渦旋熱交換機和冷水熱交換機。而且，雖然外殼用助於在典型超導變壓器周圍提供熱量勻速輸送，但其也可以用於確保在其它裝置中的熱量傳輸，如研究堆、回旋加速器和其他低溫學科裝置。
雖然所述系統這樣遠距離結合現有技術中公知的氦到氣體的熱交換機，但是無論是在如氨或碳氟化合物的封閉系統，或是在如蒸發或排水的開放空間，可以理解多重熱交換過程中固有的低效率可以通過直接從氦系統結合熱量到具有更高傳輸效率能力的液體而減少。
本發明的許多特徵和優點依據詳細的說明是顯而易見的，因此，可以預想落入本發明的範圍和實質精神的由附加權利要求所覆蓋所有的本發明的特徵和優點。而且，由於對於本領域的技術人員將易於發生很多的修改和改變，所以不希望將本發明限制在圖示和所述的精確的結構和運行，相應地，所有的合適的修改和等價物都落入本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種用於封裝的低溫設備的用於容納至少一個冷卻壓縮機/冷卻器的罩體，包括機櫃，聯接到設備的外殼上；空氣調節器，固定在所述機柜上；和多個冷卻液管線，位於所述機櫃內。
2.如權利要求1所述的罩體，其中，進一步包括至少一個管道支撐結構，所述冷卻液管線安裝在其上。
3.如權利要求1所述的罩體，其中，所述冷卻液管線進一步包括至少一個管線分配器。
4.如權利要求3所述的罩體，其中，所述管線分配器允許所述冷卻液管線的動作，同時防止所述冷卻液管線超出所述機櫃被所述空氣調節器抑制的溫度範圍相互接觸。
5.如權利要求1所述的罩體，其中，進一步包括至少部分地包圍冷卻液管線路徑的冷卻液導管罩，該冷卻液管線路徑為從冷卻壓縮機/冷卻器到部分嵌入低溫設備外殼的低溫設備的至少一個組件。
6.如權利要求5所述的罩體，其中，最接近封裝的低溫設備的所述冷卻液導管罩的表面與低溫設備外殼的最接近表面的輪廓相符合。
7.如權利要求5所述的罩體，其中，所述冷卻液導管罩被隔離。
8.如權利要求5所述的罩體，其中，所述冷卻液導管罩向所述冷卻液管線提供支撐並相對於所述冷卻液導管罩的內部結構分離所述冷卻液管線。
9.如權利要求5所述的罩體，其中，所述冷卻液導管罩通過帶凸緣的通孔與所述機櫃配合。
10.如權利要求5所述的罩體，其中，所述帶凸緣的通孔允許所述冷卻液管線進入所述冷卻液導管罩，並且對於所述機櫃密封。
11.如權利要求5所述的罩體，其中，從所述冷卻液導管罩的機櫃遠端引出的冷卻液管線包括多個獨立的密配合孔，各向單條冷卻液管線提供穩定的、低洩漏通道。
12.如權利要求5所述的罩體，其中，所述冷卻液導管罩完全圍繞所述冷卻液管線直到封裝的低溫設備的接口處。
13.如權利要求5所述的罩體，其中，所述冷卻液導管罩完全圍繞所述冷卻液管線和任何不位於封裝的低溫設備內的所述封裝的低溫設備的組件。
14.如權利要求1所述的罩體，進一步包括輔助通風系統，將被調節的空氣送到所述冷卻液導管罩遠離所述機櫃的區域。
15.如權利要求1所述的罩體，進一步包括至少一個隔離門，當其關閉時對所述機櫃提供充分的封閉。
16.如權利要求1所述的罩體，進一步包括支架，用於支撐在所述機櫃內的冷卻壓縮機/冷卻器。
17.如權利要求1所述的罩體，其中，所述空氣調節器從所述機櫃內的空氣體中除去熱量。
18.如權利要求1所述的罩體，其中，所述空氣調節器從所述機櫃內的空氣體中除去水蒸汽。
19.如權利要求1所述的罩體，其中，所述空氣調節器向所述機櫃內的空氣體添加熱量。
20.如權利要求1所述的罩體，其中，所述空氣調節器向所述機櫃內的空氣體添加水蒸汽。
21.一種支持封裝的低溫設備的用於容納至少一個冷卻壓縮機/冷卻器的罩體，包括機械地支撐至少一個冷卻壓縮機/冷卻器靠近封裝設備的側面的裝置；封閉圍繞所述支撐裝置的熱隔離空間的裝置；和用於從所述封閉裝置除去熱量的裝置。
22.如權利要求21所述的罩體，進一步包括用於控制所述封閉裝置內溼氣濃度的裝置。
23.如權利要求21所述的罩體，進一步包括用於封閉和引導隔離空間內的冷卻液管線至少部分地通向封裝的低溫設備的裝置，和定位冷卻液管線與所述封閉裝置內的冷卻壓縮機/冷卻器分離的裝置，以防止冷卻液管線相互接觸和與除包括所述定位裝置之外的部分的其他表面接觸。
24.一種為支持封裝的低溫設備的至少一個冷卻壓縮機/冷卻器提供控制環境的方法，包括以下步驟支撐該冷卻壓縮機/冷卻器靠近封裝設備的側面；封閉包括冷卻壓縮機/冷卻器的熱隔離空間；由該封閉空間除去熱量。
25.如權利要求24所述的環境控制方法，進一步包括控制封閉空間內的溼氣濃度。
26.如權利要求24所述的環境控制方法，進一步包括封閉和引導隔離空間內的冷卻液管線至少部分地通向封裝的低溫設備；和定位冷卻液管線與所述封閉空間內的冷卻壓縮機/冷卻器分離，以防止冷卻液管線相互接觸和與其他表面接觸。
全文摘要
一種用於低溫壓縮機裝置的低洩漏罩體，包括環境控制裝置和直接將超冷冷卻液管線連接到超導效用電力變壓器的引導裝置。自包含系統維持所需的多個高性能冷卻壓縮機/冷卻器在狹窄的溫度範圍內，以確保在無保護的外部環境中的可靠運轉。該罩體推動超導電力系統的技術更接近適用的狀態。
文檔編號H05K7/20GK1871672SQ200480030857
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月20日 優先權日2003年10月20日
發明者愛德華·F·普萊瓦 申請人:沃克沙電力設備有限公司