用於低溫冷卻浸沒在液體製冷劑中的高溫超導裝置的方法和設備與流程

2023-05-28 12:37:31 2

本公開涉及用於低溫冷卻浸沒在液體製冷劑中的高溫超導(HTS)裝置的方法和設備。

背景技術：

當常見材料冷卻至低溫溫度時，材料的性質時常會發生變化，並且這些變化使低溫設備的設計複雜化。這些變化在低於大約150開氏度時變得顯著。因此，在本公開中，「低溫」指的是低於150開氏度的溫度。例如，「低溫液體」是沸點低於150開氏度的液體。低溫液體的示例包括液氦、液氫、液氖、液氮、液氟、液氬、液氧和液氪。

高溫超導體(HTS)是具有高於三十開氏度(-243.2℃)的轉變溫度的超導體。轉變溫度是在低於該溫度時超導體在沒有磁場的情況下變得超導的溫度。在磁場存在的情況下，超導體在低於轉變溫度的溫度下變得超導。在低於轉變溫度的溫度下，根據定義，在1μV/cm的電場下，超導體具有臨界電流密度，當高於該臨界電流密度時超導體表現出顯著的電阻。因此，為了獲得高的電流密度，時常需要在顯著低於所述轉變溫度的溫度下操作HTS磁體。

許多HTS在氮在大氣壓力下為液體的溫度範圍(63.15到77.35開氏度)中具有相對高的臨界電流密度。這些HTS中的一些在商業化生產，例如Bi2223、YBa2Cu3O7以及被稱為REBCO或更粗略地稱為2G HTS導體的YBa2Cu3O7的稀土取代的變體。因此液氮是用於這些HTS的最方便和相對便宜的製冷劑或傳熱流體。

通常超導裝置被操作成使得磁體電流顯著地小於臨界電流。否則，超導磁體可能會回到非超導狀態，導致從磁體中流動的電流釋放熱量。這種失去超導狀態的情況被稱為失超(quench)。為了防止失超期間所釋放的熱量損壞超導磁體，超導磁體時常被浸沒在液體製冷劑中，使得液體製冷劑可汽化而吸收熱量。雖然失超通常是不期望的，但是超導故障電流限制器依賴於受控的失超，以限制顯著超過正常的電流水平的故障電流。例如，參見Yazawa等人發表於2001年3月出版的第11卷第1期《IEEE應用超導彙刊》的2511-2514頁的《6.6kV高轉變溫度的超導故障電流限制器的設計和測試結果》。

2G HTS導體具有大約90開氏度的臨界溫度，並且通過將操作溫度降至遠低於液氮的沸點77.35開氏度，能夠顯著地提高臨界電流。對於2G導體的臨界電流而言，例如，每降低1開氏度的溫度通常會增加7％的臨界電流。可通過對液氮泵吸而使液氮沸騰來降低溫度。溫度下限是氮的臨界點，為壓力12.5kPa下的63.15K。然而，泵吸需要液氮的連續供給，或者使壓縮機和冷凝器複雜化以便再液化氮蒸氣。低壓也是不期望的，因為容器需要承受大氣的外部壓力，並且容器中的任何洩漏會使製冷劑被大氣中的氧氣和水蒸氣汙染。此外，製冷劑的沸騰所產生的氣泡會不利地影響製冷劑的電擊穿強度。參見Sauers等人發表於2011年6月出版的第21卷第3期《IEEE應用超導彙刊》的1892-1895頁的《氣泡對100-250kPa下的平面-平面電極形狀中的液氮擊穿的影響》。

鑑於上述考慮，諸如故障電流限制器這樣的HTS裝置已經被浸沒在容納於低溫恆溫容器中的液體製冷劑中並被冷卻至遠低於該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點，並且低溫恆溫容器中的壓力已經以不同的方式被保持在大氣壓力或高於大氣壓力。例如，上面所引用的Yazawa等人提出一種壓力調節器，該壓力調節器將低溫恆溫器的浴內的壓力保持在大氣壓力，以保持電絕緣狀態。另一示例見於Kang等人發表於2005年出版的第45卷《低溫學》的65-69頁的《採用GM制冷機的用於超導故障電流限制器的過冷氮低溫冷卻系統》，其提出了通過將不可冷凝的氣體GHe注入到過冷氮冷卻系統中來控制1個大氣壓的壓力。另一示例見於Yuan等人授權於2005年2月15日的美國專利US 6,854,276，其中，過冷液體製冷劑浴由毗鄰於加壓的氣體製冷劑區域的熱梯度邊界區域所覆蓋。

技術實現要素：

根據一方面，本公開描述了一種高溫超導設備。所述設備包括：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器用於容納液體製冷劑；和熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，並且限定所述容器內該屏障上方的上隔室和所述容器內該屏障下方的下隔室，並且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡。高溫超導體安裝在所述下隔室內，以便浸沒在液體製冷劑中。低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下。所述設備還包括溫度控制器，在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液體製冷劑的情況下，所述溫度控制器用於將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的溫度。

根據本發明的另一方面，本公開描述了一種操作高溫超導設備的方法。所述設備具有：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器容納液體製冷劑；和熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，並且限定所述容器內該屏障上方的上隔室和所述容器內該屏障下方的下隔室。所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡。液體製冷劑容納於所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中。高溫超導體安裝在所述下隔室內，並且浸沒在所述液體製冷劑中，並且低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下。所述方法包括將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的溫度。

附圖說明

圖1是包括浸沒在液體製冷劑中的高溫超導裝置的第一設備的示意圖；

圖2是用於圖1的設備中的溫度控制流程的流程圖；

圖3是示出了用於替代圖1中所示的蝶形閥或翻板的替代裝置的示意圖；

圖4是用於替代圖1和2中所示的電子控制器的機械溫度控制機構的示意圖；

圖5是包括使用一個或多個鐵磁芯的高溫超導裝置的第二設備的示意圖；和

圖6是三相超導電力變壓器的透視圖，該三相超導電力變壓器具有浸沒在液體製冷劑中高溫超導線圈，並且利用圖1到5中所介紹的至少一個特徵來保持液體製冷劑中至少大氣壓力的壓力。

雖然本發明允許各種變型和替代形式，但是本發明的具體實施例已經在附圖中示出並且將進行詳細地描述。然而，應當理解，這並不是要將本發明限制到所示出的具體形式，而是相反地，目的是要涵蓋落在由所附權利要求所限定的本發明範圍內的所有變型、等同和替代形式。

具體實施方式

參照圖1，其示出了高溫超導設備20，該高溫超導設備包括浸沒在液體製冷劑22中的高溫超導(HTS)裝置21，例如，液體製冷劑為液氮，裝置21的HTS包括Bi2223或REBCO HTS的繞組，並且裝置21為超導磁體、超導故障電流限制器或者超導儲能電感。

在圖1中，液體製冷劑22容納於用作為低溫恆溫器的熱絕緣容器23中。在此示例中，容器23是圓柱形的，並且具有：外壁24；內壁25，所述內壁在該容器的頂部處連接至所述外壁；和真空空間26，所述真空空間位於所述內壁和所述外壁之間。例如，內壁24和外壁25由不鏽鋼製成。

針對上述原因，需要將HTS裝置21冷卻至低於液體製冷劑在容器23內的壓力下的沸點的溫度。換句話說，需要使HTS裝置在容器23中液體製冷劑的浴內處於「過冷」。例如，當將液氮用作為液體製冷劑時，HTS裝置被過冷至低於七十開氏度的溫度。為了過冷HTS裝置，設備20包括低溫制冷機27，該低溫制冷機安裝至容器23，並且具有冷頭28，該冷頭熱聯接至HTS裝置21，以將高溫超導體保持在其超導轉變溫度以下。

例如，低溫制冷機27是Gifford-McMahon(GM)低溫制冷機或脈管制冷機(PTR)，並且冷頭28經由浸沒在液體製冷劑22中且布置於HTS裝置21上方的導熱板29熱聯接至HTS裝置21。導熱板29由諸如無氧銅這樣的導熱材料製成。在此示例中，HTS裝置21和容器23的內壁25之間具有間隙，以促進熱量從HTS裝置21經由圍繞高溫超導裝置的液體製冷劑22傳遞至導熱板29。所述間隙由處於HTS裝置21和內壁25之間的安裝環或間隔物31、32、33限定。例如，安裝環或間隔物31、32、33由諸如環氧樹脂-玻璃纖維這樣的玻璃增強塑料製成。

當將液氮用作為用於冷卻HTS裝置21的液體製冷劑時，液氮的最適溫度為64到65開氏度(degree Kelvin)，以避免可能因液氮冷凍在冷頭28上而導致的問題。通過在恆溫器的控制下循環開關低溫制冷機27，可將溫度保持在64到65開氏度。

在圖1的示例中，HTS裝置被從HTS裝置21延伸至容器23外環境的電流引線組件34聯接。例如，電流引線組件34包括包裹有熱絕緣體(例如，鍍鋁塑料膜)的電絕緣銅導體。然而，圖1的設備20也可用於冷卻不需要或不使用這樣的電流引線的HTS裝置(例如，在持久模式下操作的超導磁體，或者例如處於磁支承件中的起到磁屏蔽件或渦電流鏡作用的超導體)。

取決於HTS裝置21的電負載，電流引線可將顯著變化的熱流入引入到液體製冷劑中，因此當電流引線從熱絕緣體39穿過而進入液體製冷劑22時，它們應當是熱絕緣的。在不妨礙對上隔室中的液體製冷劑的溫度的控制的情況下，一些熱量可以釋放到上隔室42中的液體製冷劑中，但是通過使進入到上隔室42中的液體製冷劑中的熱通量的變化最小化，可以使此溫度的控制(因此容器25中壓力的控制)更加簡單。

在設備20中，需要保持容器23中的壓力為至少大氣壓力，以防止來自大氣的水蒸氣和可冷凝氣體在容器中冷凍或冷凝。例如，氣體壓力被保持在高於大氣壓力0至2kPa的範圍中。因此，設備20設置有蓋35，該蓋具有布置在容器23的頂部上的O型圈密封件36。0至2kPa範圍內的壓力下的操作簡化了這種密封件和用於穿透蓋35的其它部件的密封件的構造。此外，在略高於大氣壓力的該壓力範圍內(例如，高於大氣壓力1kPa)的操作將允許這些部件在設備的操作期間被更換，同時流出到大氣的製冷劑的損失最小以防止水蒸氣和其它大氣汙染物流入。

如圖1中所示，蓋35包括頂板37、下部的環38和裝配在容器23內部的熱絕緣的盤39。例如，頂板36和環37由諸如G-10環氧樹脂玻璃纖維這樣的玻璃增強塑料製成，並且盤38由諸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫這樣的泡沫塑料製成。設置通過頂板37而進入到容器23中的多個穿透部，並且所述多個穿透部具有接合所述頂板的密封件，使得所述穿透部和密封件被保持得遠高於液體製冷劑的表面，並且被保持在接近於環境溫度。

在設備20中，還需要在不使液體製冷劑22沸騰且不引入不可冷凝的氣體(例如，氦氣)的情況下，保持容器23中的壓力為至少大氣壓力。這將避免補充或回收製冷劑的需要，或避免調節不可冷凝氣體壓力的需要。在設備20中，通過將熱絕緣屏障41布置在容器中以限定容器內該屏障上方的上隔室42和容器內該屏障下方的下隔室43、以及具有將所述上隔室互連至所述下隔室以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡的通道、以及在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液體製冷劑的情況下將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的溫度，來在容器23中保持至少大氣壓力的壓力。

在設備20中，熱絕緣屏障41為盤，該盤具有略小於容器23的內壁25的內徑的直徑，以便提供通道以使上隔室和下隔室之間壓力平衡，並且使該熱絕緣屏障能夠容易地組裝到容器中。屏障邊緣處的間隙可達幾個毫米寬。熱絕緣屏障41也不需要與通過該屏障的穿透部非常緊密地配合，所述穿透部例如為用於低溫制冷機27的冷頭28的穿透部和用於電流引線組件34的穿透部。間隙寬度與間隙深度之比可以是小的，使得間隙中的液體製冷劑相對地不會受到下隔室43中液體製冷劑循環的幹擾，並且趨於穩定分層。在這些條件下的液氮的熱導率為大約0.15kW/m.K。根據需要，可通過配裝朝下延伸到下隔室43中的唇部或裙部來增加這些間隙內的製冷劑的分層柱的有效深度。

熱絕緣屏障41通過多根杆或管44、45附接至蓋35，並且從該蓋懸掛。例如，熱絕緣屏障41由諸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫這樣的硬質塑料泡沫製成，並且杆或管44、45由諸如環氧樹脂玻璃纖維這樣的玻璃增強塑料製成。例如，熱絕緣體39的底部與熱絕緣屏障41的頂部之間的間隔介於5mm到100mm之間，例如為20mm。上隔室42部分地充注有液體製冷劑22，使得液體製冷劑具有位於上隔室中的表面層46，並且在上隔室中該表面層46的上方還具有製冷劑氣體的層47。例如，表面層47位於熱絕緣體39的底部與熱絕緣屏障41的頂部之間的中途。可通過添加或移除製冷劑來使表面層47從中間水平升高或降低，以使熱時間增加或減小至等於更適合於調節製冷劑壓力的值。

在一個示例中，熱絕緣屏障41是被夾在用於增加強度的G-10環氧樹脂玻璃纖維薄片之間的厚度介於5mm到10mm之間的聚氨酯或聚苯乙烯泡沫片材。這些材料將具有良好的電介質強度，以在高電壓的電流引線和連接件以及HTS繞組附近使用。

設備20具有溫度控制器50，該溫度控制器用於將上隔室42中的液體製冷劑保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的溫度。在此示例中，溫度控制器50是電子系統，其包括：用於感測容器23中氣體壓力的氣體壓力傳感器51、用於感測上隔室中液體製冷劑溫度的溫度傳感器52、電連接至所述氣體壓力傳感器51和所述溫度傳感器的控制處理器53、用於調節從上隔室42至下隔室43熱量流動的熱流調節器54、和機械地聯接至熱流調節器54且電連接至控制處理器53的致動器55，由此，響應於所感測到的容器中的壓力或所感測到的上隔室42中液體製冷劑的溫度，使得所述控制處理器可以調節從上隔室42至下隔室的熱量流動。

例如，壓力傳感器51是差壓傳感器，其感測容器23中的壓力與大氣壓力之間的差異。溫度傳感器52是浸沒在上隔室42中的液體製冷劑22中的矽二極體，並且感測液體製冷劑的絕對溫度。控制處理器53是微控制器或通用目的數字計算機，其被編程以從壓力傳感器51讀取氣體壓力差和從溫度傳感器53讀取絕對溫度並調節致動器55來將氣體壓力差保持在氣體壓力設定點或將絕對溫度保持在溫度設定點。這種編程的具體示例參考圖2在下文中描述。

在圖1中，熱流調節器54提供處於熱絕緣屏障中的可調節開口56，並且該開口的面積增加以增加從上隔室42至下隔室43的熱量流動，並且該開口的面積減少以減少從上隔室42至下隔室43的熱量流動。在此具體示例中，熱流調節器54是蝶形閥或翻板，其由致動器55打開和關閉，並且所述致動器是線性致動器，其安裝在蓋35的頂部上並且具有下降至所述蝶形閥或翻板的豎向軸57。可調節開口56可以由其它類型的閥或通流口提供，例如滑動翼片或將通過豎向軸的轉動而打開或關閉的翼片。

通過這樣的閥或通流口的熱量傳遞是通過來自下隔室43的液體製冷劑與上隔室42中的液體製冷劑的自由混合而實現的。熱量傳遞率將取決於下隔室43中的製冷劑循環的速度、開口的尺寸、開口的豎向長度和水平長度之比、以及閥或通流口的特徵(例如引導液體製冷劑流動以產生湍流和混合的葉片)。參考圖5如圖所示和下文進一步所描述的那樣，可通過相對於熱源(例如，電流引線和通過低溫恆溫容器壁的熱量洩漏)對冷頭換熱器進行定位和定向來增強下隔室中液體製冷劑的循環。如圖3中所示和下文進一步所描述的那樣，也可通過泵或攪拌器來增強液體製冷劑的循環和混合。

設備20還具有用於向容器23充注液體製冷劑(例如液氮(LN2))的一些部件。首先，真空泵61啟動且閥62開啟，以通過清除線路63從上隔室42清除容器23的空氣和水蒸氣。然後，低溫制冷機27啟動，以冷卻導熱板29至液體製冷劑的沸點以下。然後，閥64開啟，以允許液體製冷劑通過充注線路65進入到上隔室42中，直到下隔室43完全充滿液體製冷劑且上隔室42至少部分地填充有液體製冷劑為止。然後，閥64關閉、清除閥62關閉並且真空泵61停止。然後，溫度控制器50啟動。一旦容器23中的壓力已經穩定到至少大氣壓力的值，則電流通過電流引線組件34施加到HTS裝置21。

除非壓力調節是不起作用的或存在洩漏或存在不受控制的HTS裝置失超，製冷劑汽化排放不應當發生。如果容器23中的壓力達到安全限制，那麼壓力釋放閥66則自動打開。崩破盤也可用於壓力釋放。如果壓力釋放閥66失效且壓力將進一步上升並克服將蓋35保持在容器23上的力，那麼該蓋將從容器脫離以釋放壓力。

取決於HTS裝置21的性質，可將另外的部件添加至圖1的設備20。這些另外的部件可被添加以適應高電壓操作，或適應因失超(例如，在HTS裝置21是故障電流限制器的情況下因故障電流而導致的受控失超)而造成的氣泡。電絕緣介質屏障可被包含以使沸騰液氮的氣泡流遠離HTS裝置21的具有介質擊穿的高潛在可能的區域，或促進液相和氣相的收集和混合以使氣泡冷凝。電接地的結構(例如，水下電網)可被包含以使高電壓部件與低溫制冷機27以及與導熱板29電隔離。

圖2示出了用於控制處理器(圖1中的附圖標記53所示)的基本溫度控制流程的具體示例。該基本控制流程適用於向低溫制冷機提供相對恆定的熱負荷的HTS裝置和電流引線組件。用於處理變化的熱負荷的技術將參照圖3-5在下文進一步描述。

圖2中的控制流程使用來自壓力傳感器(圖1中的附圖標記51指示)的壓力讀數或來自溫度傳感器(圖1中的附圖標記52指示)的溫度讀數，以控制上隔室(圖1中的附圖標記42指示)中的液體製冷劑的溫度，使得該溫度為至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點。在上隔室與大氣壓力下的外部環境的密封中沒有洩漏的情況下，對於上隔室中的液體製冷劑的溫度與液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的比較而言，壓力讀數比溫度讀數更敏感。因此，除非壓力讀數超出正常範圍而表示顯著的洩漏可能或壓力傳感器的故障，將壓力讀數用於溫度的控制。如果壓力讀數超出正常範圍，則將溫度讀數用於溫度的控制。

在第一方框101中，控制處理器讀取來自壓力傳感器(圖1中的附圖標記51指示)的氣體壓力並且讀取來自溫度傳感器(圖1中的附圖標記52指示)的溫度。在方框102中，如果氣體壓力讀數處於正常範圍內，則執行繼續到方框103。例如，溫度控制器具有高於大氣壓力1.1kPa的壓力設定點，以及從高於大氣壓力0.2kPa至高於大氣壓力2.0kPa的正常壓力範圍，使得高於大氣壓力的壓力小於0.2kPa表示洩漏。

在方框103中，如果壓力讀數小於壓力設定點(SETPOINT1)減去噪聲容限(DELTA1)，則執行繼續到方框104，以使致動器朝向關閉熱絕緣屏障中的開口步進。例如，噪聲容限(DELTA1)為0.05kPa。在方框104之後，執行繼續到方框105，以等待下一個更新時間。例如，方框105中具有大約一秒鐘左右的延遲。通常，延遲被選擇成使得調節開口從完全打開的狀態到完全關閉的狀態的時間遠大於壓力傳感器響應於開口變化的時間。

在方框103中，如果壓力讀數不小於壓力設定點(SETPOINT1)減去噪聲容限(DELTA1)，則執行分支到方框106。在方框106中，如果壓力讀數大於壓力設定點(SETPOINT1)加上噪聲容限(DELTA1)，則執行繼續到方框107，以使致動器朝向完全打開熱絕緣屏障中的開口步進。執行從方框107繼續到方框105。如果壓力讀數不大於壓力設定點(SETPOINT1)加上噪聲容限(DELTA1)，則執行還從方框106繼續到方框105。

在方框102中，如果壓力讀數超出範圍，則執行分支到方框108。在方框108中，如果溫度讀數小於溫度設定點(SETPOINT2)減去噪聲容限(DELTA2)，則執行繼續到步驟109，以使致動器朝向關閉熱絕緣屏障中的開口步進。溫度設定點對應於根據液體製冷劑的溫度-壓力特性的壓力設定點，並且噪聲容限(DELTA2)是溫度傳感器的噪聲水平。在方框109之後，執行繼續到方框105，以等待下一個更新時間。

在方框108中，如果溫度讀數不小於溫度設定點(SETPOINT2)減去噪聲容限(DELTA2)，則執行分支到方框110。在方框110中，如果溫度大於溫度設定點(SETPOINT2)加上噪聲容限(DELTA2)，則執行繼續到方框111，以使致動器朝向完全打開熱絕緣屏障中的開口步進。執行從方框111繼續到方框105。如果溫度不大於溫度設定點(SETPOINT2)加上噪聲容限(DELTA2)，則執行還從方框110繼續到方框105。

圖3示出了替代的裝置，所述替代的裝置可以被添加到圖1中的設備20，以便更加積極地控制上隔室42中的溫度。電阻電加熱器71可用來快速地加熱上隔室42中的液體製冷劑。泵或攪拌器72(例如渦輪機)可以通過將更冷的液體製冷劑從下隔室43泵送或攪拌到上隔室中使得所述更冷的液體製冷劑變得與上隔室中的液體製冷劑混合而快速地冷卻上隔室42中的液體製冷劑。在圖3的示例中，泵或攪拌器73由馬達73驅動，該馬達安裝在上板37上並且具有固定至所述泵或攪拌器72的軸74。對於大型設備而言，另一低溫制冷機75可以安裝至上板37，並且專門用來冷卻上隔室中的液體製冷劑。例如，低溫制冷機75具有位於上隔室中的冷頭76和固定至該冷頭的導熱網77，以便從上隔室42中的液體製冷劑收集熱量。

在另一示例中，可使用柱塞來替代攪拌器而作為混合器，其通過使來自下隔室的液體製冷劑與上隔室中的液體製冷劑混合來控制上隔室42中的液體製冷劑的溫度。例如，柱塞(類似於圖4中所示的閥構件82)可由線性致動器(類似於圖4中所示的線性致動器83)選擇性地驅動向上和向下，以便快速冷卻上隔室42中的液體製冷劑。

替代的裝置71、72和75能夠以受控的可變速率向上隔室42中的液體製冷劑輸送熱量或者從所述上隔室中的液體製冷劑移除熱量。因此，這些裝置非常適合於通過採用常規的比例-積分-微分(PID)控制器來響應於壓力讀數或溫度讀數對上隔室42中的液體製冷劑的溫度進行控制。通過預測將由電流變化而產生的熱負荷變化並且通過調節熱控制機構以產生將抗衡來自電流引線組件的熱量變化的加熱或冷卻的變化，這種PID控制器也可以對通過電流引線組件34的電流的變化進行響應。

電阻加熱器71具有的優點在於：它相對便宜和緊湊，使得實用的是將多個電阻加熱器均勻地分散在第一隔室內，或將它們聚集在第一隔室的較冷區域處。

低溫制冷機75具有的缺點在於：與電阻加熱器71或熱絕緣屏障41中受控的開口相比，它是相對昂貴的。還有，常規的GM或脈管低溫制冷機應當大於一定的尺寸，以具有高的冷卻效率。因此，低溫制冷機75將最適合於大型設備，在大型設備中，具有高冷卻效率的常規低溫制冷機的冷卻能力可適應來自第一隔室(需要將該第一隔室的壓力或溫度保持在壓力設定點或溫度設定點)的熱流變化。在此實例中，低溫制冷機75具有的優點是提供了具有高能量效率的溫度控制。

圖4示出了響應於容器中的壓力對上隔室42中的溫度進行控制的另一機構80。在此實例中，機構80完全是機械的，使得它可在失去電力的情況下進行操作。在此示例中，當通過由容器中的氣體壓力所驅動的風箱式部件或膜致動器83使閥構件82從熱絕緣屏障上升時，則產生熱絕緣屏障41中的開口81。這種風箱式部件或膜致動器83也可用來操作如圖1中所示的蝶形閥或翻板54。

對HTS變壓器繞組的過冷麵臨來自變壓器芯中磁滯損耗的熱負荷的進一步挑戰。變壓器芯由承載連接HTS繞組的磁通的矽鋼疊層構成。變壓器芯本身不被冷卻至低溫溫度，但是來自變壓器芯的熱量會導致作用在低溫部件上的顯著熱負荷，這是因為由低溫制冷機移除從變壓器芯傳導的熱量所消耗的功率與因變壓器芯中磁滯損耗而造成的功率損失之間存在權衡。可通過增加變壓器芯和繞組之間熱絕緣體的厚度來減少從變壓器芯到HTS繞組的熱傳導，但是還將需要增加變壓器芯的尺寸以適應熱絕緣體增加的厚度，並且這種尺寸的增加將增加變壓器芯中的磁滯損耗。因此，圍繞變壓器芯的熱絕緣體的厚度小於用於低溫恆溫容器外周處的熱絕緣體的厚度。

變壓器(transformer)設計上的進一步的約束在於：低溫空間內的導電部件必須設計成最小化由雜散磁場所感應出的渦電流。這意味著，例如，熱交換器的高純度的銅或鋁的部件應當被布置在磁場低的位置，並且在適當情況下被細分，以限制橫向於局部場的尺寸。銅母線工件和端子應當設計成最小化渦電流。

除了繞組以外的環繞變壓器芯的任何導電部件需要被電絕緣部分中斷或者由諸如玻璃纖維複合材料這樣的絕緣材料替代。

圖5示出了處於低溫恆溫容器93中的HTS變壓器芯91和該變壓器的單個HTS繞組92的示意圖。為了說明與使HTS繞組過冷相關聯的挑戰，部件的各部分已經被扭曲了，沒有這種扭曲的實際示例在圖6中示出並將在下文進一步描述。容器93包括處於容器93中的位於變壓器芯91和液體製冷劑95之間的熱絕緣套筒94，使得變壓器芯91處於大氣壓力下並且接近於容器93外部的環境溫度。

低溫制冷機96具有冷頭97和翅片式熱沉98，所述翅片式熱沉固定至所述冷頭，以便從液體製冷劑95吸收熱量。熱量通過液體製冷劑95的對流而從變壓器芯91和從電流引線組件100傳導，並且液體製冷劑95使HTS繞組92過冷至遠低於液體製冷劑的沸點。熱絕緣屏障99將容器93的內部分為上隔室101和下隔室102。下隔室102充注有液體製冷劑95，並且HTS繞組92和熱沉98浸沒在下隔室中的液體製冷劑中。上隔室101部分地充注有液體製冷劑95，並且上隔室101中的液體製冷劑的溫度由熱絕緣屏障99中的可調節開口103調節，以保持容器中的壓力為至少大氣壓力。在此示例中，當可調節開口103調節成允許液體製冷劑從上隔室101流動到下隔室102時，液體製冷劑95的對流提供了用於使來自下隔室102的更冷的製冷劑與上隔室101中更熱的製冷劑混合的動力。

圖6是三相超導電力變壓器110的透視圖。例如，變壓器110的額定功率為40MVA，並且具有大約二米的高度。變壓器110具有HTS繞組111、112、113，所述繞組浸沒在過冷的液體製冷劑中，並且利用圖1到5中所介紹的至少一個特徵來保持液體製冷劑中高於大氣壓力的壓力。變壓器110具有容器114，所述容器由玻璃纖維複合材料或類似的電絕緣材料製成，或可以由金屬製成，該金屬具有適當的絕緣部分以避免環繞變壓器芯的電路的。容器114在底部和側部上襯有塑料泡沫絕緣體115，並且容器在頂部上具有蓋116，該蓋襯有塑料泡沫絕緣體117。與真空構造相比，在可以適用足夠厚度的泡沫的情況下，諸如聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫這樣的塑料泡沫絕緣體在適度的花費下提供了容器114的壁的充分的熱絕緣。

變壓器110具有鐵磁芯130，所述鐵磁芯具有分別穿過三個HTS線圈111、112、113中的每一個並穿過容器114的頂部和底部的芯體穿透部。例如，鐵磁芯130由疊層的矽鋼片製成。芯體穿透部通過從容器114的底部向上延伸的真空絕緣套筒131、132與製冷劑熱絕緣。

與圖1-5的示例相反，圖6示出了從HTS繞組111、112、113的頂部至塑料泡沫絕緣體117的底部的最小「頭部空間」。在實踐中，需要最小化該頭部空間，以減小鐵磁芯130的高度，從而減少鐵磁芯損耗並且減小鐵磁芯130的重量。

高壓電流通過高壓套管118、119、120施加至HTS繞組111、112、113。HTS繞組111、112、113和抽頭變換器126被三個低溫制冷機121、122和113過冷。低溫制冷機111、112、113由安裝至容器114的後部的風扇冷卻氣體壓縮機組124驅動。為了減小頭部空間和避免過度的渦電流損耗，在HTS繞組上方不使用導熱板來熱聯接低溫制冷機121、122、123的冷頭，而是通過液體製冷劑從安裝到冷頭的導熱翅片式熱沉133、134的對流來提供熱聯接。熱沉133、134優選地由高純度銅或鋁製成，以最小化因每個低溫制冷機的大約500瓦的熱通量所導致的溫度差。

雖然低溫制冷機121、122、123示出為安裝到容器114的頂部，但是它們可以安裝到該容器的側壁。低溫制冷機也可以安裝在分開的容器(其為真空或泡沫絕緣的)上，並且可以通過在閉合的迴路內循環製冷劑或通過熱管來實現從冷頭熱交換器的熱量傳遞。

熱絕緣屏障125將容器114的內部分為上隔室127和下隔室128。下隔室128充注有液體製冷劑，並且上隔室129至少部分地充注有液體製冷劑。利用參照圖1-5的上述一種或多種技術，通過調節上隔室116中液體製冷劑的溫度來保持容器114中至少大氣壓力的壓力。

針對高電壓HTS變壓器的情形，不清楚在顯著高於大氣壓力的壓力下操作的優點是否勝過了缺點。低溫恆溫器在高於環境壓力不超過幾個kPa下操作的優點在於：它不需要設計並構造成承受高壓。另一方面，一定的極小的正壓確保了低溫恆溫器在發生洩漏的情況下不會被周圍的空氣汙染。還可以在不關閉裝置或將其暴露於空氣的情況下，利用適當的手套箱類型的腔室和流程來進行諸如更換冷頭或傳感器這樣的維護流程。

許多研究已經說明了氣泡的存在會減小液氮中的擊穿電壓。例如，上面所引用的Sauers等人指出：在1巴的壓力下過冷到73K的液氮中，在受熱所產生的氣泡高於臨界流量的情況下，擊穿強度從大約25kV rms/mm降至該值的大約一半。

在升高的壓力下減小的擊穿電壓的假定優點實際上非常有限。這是因為設備(例如，故障電流限制器和變壓器)必須製造成承受短路而不會損壞。無論操作壓力如何，在短路期間僅有有限的避免製冷劑沸騰的選項。

裝置的臨界電流可超過短路電流——根據定義，這不是用於電阻式故障電流限制器的選項，並且在可預見的導體價格下這對於變壓器而言太過於昂貴。

替代地，裝置可以在導體溫度達到沸騰形核的溫度之前從高壓電源斷開。這是困難的。在典型的短路中，商業上可獲得的具有0.04毫米厚的銅穩定部的0.1mm厚的2G導體將在0.2s以內從液氮溫度加熱至室溫。將溫升降低至其大約1/10將需要導體具有大約20倍的熱質量(thermal mass)，並且仍然需要使裝置非常快地斷開。由於保護系統應當在不中斷對母線上的其它負載的電力供應的情況下隔離變壓器下遊的母線上的故障，這樣的自動斷開在大多數變壓器應用中是不可接受的。因此，在通常情況下，在故障期間避免繞組中的沸騰是不實際的。這意味著設計者不應該依賴於無氣泡液氮中的更高的擊穿電壓，相反地，設計者應該對沸騰的液體製冷劑中的安全操作進行設計。

以下是用於採用65開氏度過冷液氮的低溫恆溫器的熱絕緣屏障的設計示例。假定設計的操作壓力為超過大氣壓力大約1％並被控制在大氣壓力的大約±0.5％(即，表壓為+1.0±0.5kPa)。這意味著表面製冷劑的溫度超過液氮在大氣壓力下沸點僅僅ΔT～+0.08±0.04K。為了保持該溫度，通過蓋絕緣體的熱通量應當平衡通過熱絕緣屏障而至下方過冷隔室的熱通量。在大型低溫恆溫器中，通過表面隔室側的熱通量和通過蓋絕緣體與屏障絕緣體中的間隙的熱通量將是總熱通量的小部分。假定蓋絕緣體為具有0.03W/m.K的熱導率的厚度100mm的聚氨酯泡沫，跨過從295K的環境到77K的表面製冷劑空間的218K溫度跨度的熱通量為65W/m2。假設泡沫的熱導率不隨溫度變化，為了保持跨過熱絕緣屏障的12K溫度差，其僅僅需要12/218＝5.5％的蓋絕緣體的厚度。事實上，聚氨酯泡沫在液氮溫度下的熱導率可以小到1/3的室溫值，即，大約0.01W/m.K，因此熱絕緣屏障所需的泡沫厚度可以為僅僅幾個毫米。為了對比，分層的液氮在大約77K下的熱導率為0.15W/m.K，並且在處於1個大氣壓下的分層的氮氣中熱導率與溫度成比例，熱導率在100K下為大約0.01W/m.K，與聚氨酯泡沫差別不大。

如果通過蓋的熱通量為65W/m2，則表面製冷劑區域內的豎向熱梯度將為大約0.4K/mm。對於熱絕緣屏障區域上方的10mm的製冷劑深度而言，其具有過冷製冷劑和表面製冷劑之間所需溫度差的三分之一，那麼屏障絕緣體的厚度可以相應地減小。在實踐中，蓋絕緣體、表面製冷劑的深度和屏障絕緣體的平衡將需要針對具體的應用而定製。在變壓器應用中，例如，就增加的低溫恆溫器和鐵芯高度而言，向低溫恆溫器增加頂部空間的花費在某些時候將超過由於增加的絕緣體厚度而導致的降低的低溫恆溫器損耗。

為了將過冷區域中的溫度保持在HTS裝置的所需操作範圍內，低溫制冷機將需要被循環開啟和關閉，以匹配來自裝置和低溫恆溫器的平均熱負荷。在多個低溫制冷機的情況下，熱負荷將在制冷機之間共享，以最小化單個制冷機的開-關循環的次數。需要將低溫恆溫器的尺寸設計成相對於設備的額定負荷或等效製冷功率具有大質量的製冷劑。1kg/W的製冷劑質量與製冷功率之比是合理的比例。液氮的比熱為2040J/kg.K，使得在1kg/W的比例下，系統的熱慣性使得在完全是熱負荷且低溫制冷機關閉的情況下，將花費2040秒(或34分鐘)來使過冷體積升高1K。由於典型的HTS導體的性能隨著溫度的升高而快速下降，因此需要合理地嚴格控制過冷卻區域中的最大溫度。

如果操作溫度設定在65±1K，則跨過熱絕緣屏障的溫降變化將小於±10％。考慮到液氮的熱導率比聚氨酯泡沫的熱導率高大約10倍，打開僅僅百分之幾的屏障面積來通過液相進行熱傳導將獲得調節表面區域溫度所需的總熱傳導的變化。過冷製冷劑和表面製冷劑的混合將進一步增加熱量傳遞。此外，即使在不調節上隔室和下隔室之間的熱傳遞的情況下，表面隔室中的液氮的熱時間常數也將抑制過冷液氮的溫度的波動。

鑑於上述內容，提供了一種熱絕緣容器，其包含熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障限定所述容器中該屏障上方的上隔室和所述容器中該屏障下方的下隔室。所述隔室通過通道相互連接，以使壓力平衡。高溫超導體安裝在所述下隔室內，以便浸沒在液體製冷劑中。低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下。在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液體製冷劑的情況下，溫度控制器將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下沸點的溫度。例如，液體製冷劑是處於下隔室中的64到65開氏度的液氮，並且上隔室中的液氮的溫度被調節以獲得高於大氣壓力0至2kPa的範圍內的壓力。在較低溫度下操作高溫超導體是有利的，因為這顯著地提高了高溫超導體的性能。在至少大氣壓力的壓力下的操作消除了在正常操作期間液體製冷劑在高溫超導體處的沸騰，並且避免了在洩漏的情況下液體製冷劑的汙染。

下文提供了多個示例，以增強對本公開的理解。所提供的具體的示例組如下。

在第一示例中，公開了一種高溫超導設備，其包括：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器用於容納液體製冷劑；熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，並且限定所述容器內該屏障上方的上隔室和所述容器內該屏障下方的下隔室，並且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡；高溫超導體，所述高溫超導體安裝在所述下隔室內，以便浸沒在液體製冷劑中；低溫制冷機，所述低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下；和溫度控制器，在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液體製冷劑的情況下，所述溫度控制器用於將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下沸點的溫度。

在第二示例中，公開了根據前述第一示例的高溫超導設備，其中，所述溫度控制器包括用於控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動的熱流控制裝置。

在第三示例中，公開了根據前述第二示例的高溫超導設備，其中，所述熱流控制裝置包括處於所述屏障中的至少一個可調節開口。

在第四示例中，公開了根據前述第三示例的高溫超導設備，其中，所述可調節開口能夠使來自所述下隔室的液體製冷劑與所述上隔室中的液體製冷劑混合。

在第五示例中，公開了根據前述第三示例或第四示例的高溫超導設備，其中，所述容器被密封以將該容器內的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，並且所述溫度控制器包括機械致動器，所述機械致動器聯接至所述可調節開口，並且響應於氣體壓力的增加由所述容器內的氣體壓力致動以增大所述屏障中的所述可調節開口。

在第六示例中，公開了根據任何的前述第一至第五示例的高溫超導設備，其中，所述熱流控制裝置包括用於使液體製冷劑在所述下隔室和所述上隔室之間循環的泵。

在第七示例中，公開了根據任何的前述第一至第六示例的高溫超導設備，其中，所述熱流控制裝置包括用於使來自所述下隔室的液體製冷劑與所述上隔室中的液體製冷劑混合的混合器。

在第八示例中，公開了根據任何的前述第一至第七示例的高溫超導設備，其中，所述容器被密封以將該容器內的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，並且所述溫度控制器包括用於感測所述容器內氣體壓力的壓力傳感器，並且所述溫度控制器響應於感測到的氣體壓力來控制所述上隔室中的液體製冷劑的溫度，以將由所述壓力傳感器感測到的氣體壓力保持在設定點壓力。

在第九示例中，公開了根據任何的前述第一至第八示例的高溫超導設備，其中，所述溫度控制器包括用於感測所述上隔室中液體製冷劑的溫度的溫度傳感器，並且所述溫度控制器響應於由所述溫度傳感器感測到的溫度來控制所述上隔室中液體製冷劑的溫度，以將由所述溫度傳感器感測到的溫度保持在設定點溫度。

在第十示例中，公開了如任何的前述第一至第九示例中所述的高溫超導設備，其中，所述溫度控制器包括用於選擇性地向所述上隔室中的液體製冷劑供給熱量的電加熱器。

在第十一示例中，公開了如任何的前述第一至第十示例中所述的高溫超導設備，其中，表面溫度控制器包括另一低溫制冷機，所述另一低溫制冷機具有用於選擇性地從所述上隔室中的液體製冷劑移除熱量的冷頭。

在第十二實例中，公開了一種操作高溫超導設備的方法，所述設備具有：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器容納液體製冷劑；熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，並且限定所述容器內該屏障上方的上隔室和所述容器內該屏障下方的下隔室，並且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡；液體製冷劑，所述液體製冷劑容納於所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中；高溫超導體，所述高溫超導體安裝在所述下隔室內，並且浸沒在所述液體製冷劑中；和低溫制冷機，所述低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下，所述方法包括將所述上隔室中的液體製冷劑的溫度保持在至少該液體製冷劑在大氣壓力下的沸點的溫度。

在第十三示例中，公開了根據前述第十二示例的方法，其中，所述液體製冷劑是液氮。

在第十四示例中，公開了根據前述第十二或第十三示例的方法，所述方法包括將所述下隔室保持在低於七十開氏度的溫度。

在第十五示例中，公開了根據任何的前述第十二至第十四示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，並且表面溫度被控制以將氣體壓力保持在高於大氣壓力0至2kPa的範圍內。

在第十六示例中，公開了根據任何的前述第十二至第十五示例的方法，所述方法包括通過控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動來保持所述上隔室中的液體製冷劑的溫度。

在第十七示例中，公開了根據任何的前述第十二至第十六示例的方法，所述方法包括通過調節所述屏障中的開口來控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動。

在第十八示例中，公開了根據任何的前述第十七示例的方法，其中，對所述屏障中的開口的調節控制來自所述下隔室的液體製冷劑與所述上隔室中的液體製冷劑的混合。

在第十九示例中，公開了根據前述第十七或第十八示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，並且響應於氣體壓力的增加，所述開口被所述容器內的氣體壓力機械地致動以增大所述開口。

在第二十示例中，公開了根據任何的前述第十六至第十九示例的方法，所述方法包括通過控制泵使液體製冷劑在所述下隔室和所述上隔室之間循環來保持所述上隔室中的液體製冷劑的溫度。

在第二十一示例中，公開了根據任何的前述第十六至第二十示例的方法，所述方法包括通過控制混合器使來自所述下隔室的液體製冷劑與所述上隔室中的液體製冷劑混合來保持所述上隔室中的液體製冷劑的溫度。

在第二十二示例中，公開了根據任何的前述第十二至第二十一示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，並且所述方法包括感測所述容器內的氣體壓力並響應於感測到的氣體壓力來控制所述上隔室中的液體製冷劑的溫度，以將感測到的氣體壓力保持在壓力設定點。

在第二十三示例中，公開了根據任何的前述第十二至第二十二示例的方法，所述方法包括感測所述上隔室中的液體製冷劑的溫度，並且響應於感測到的溫度來控制所述上隔室中的液體製冷劑的溫度，以將感測到的溫度保持在溫度設定點。