專利名稱：用于冷卻超導旋轉電機的系統和方法
技術領域：
本發明大體上涉及用于超導旋轉電機的冷卻系統，更具體地涉及一種密封式熱虹吸管冷卻系統以及使用這種系統來冷卻超導轉子線圈的方法。
背景技術：
超導體是一種在冷卻到臨界溫度之下時可以無電阻地導電的元素、金屬間合金或化合物。許多種材料都具備超導性，包括諸如錫和鋁的元素、多種金屬合金、一些重度摻雜的半導體以及一些陶瓷化合物。在傳統的超導體中，超導性是在一些傳導電子之間因聲子交換而引起的強吸引力所造成的，這會導致傳導電子流呈現出由相關電子對構成的超流體相。
超導體用于許多種應用中，包括磁共振成像系統以及發電和送電系統，例如電動機和發電機。超導體中的電阻缺失可使這些設備以高得多的效率運轉。高溫超導線圈的勵磁繞組由易碎的且必須被冷卻到臨界溫度或更低溫度下以獲得并保持超導性的超導材料形成。
超導線圈可由低溫流體如氦、氖、氮、氫等來冷卻。然而，很難精確地控制超導線圈周圍的液體制冷劑的量。如果線圈周圍的液體制冷劑的量太少或處于不夠低的溫度，那么線圈的冷卻就不充分。如果線圈周圍的液體制冷劑的量太多或處于所需的溫度范圍以下，并且不均勻地分布在線圈的周圍，那么在電機中將產生旋轉不平衡。這可能在某些應用中在給定的高轉速和基本半徑的條件下導致高徑向振動，并且可能會損壞電機。而且，在現有的用于這種電機的低溫冷卻系統中，冷卻系統沒有充足的制冷劑儲備而能夠允許在不關閉電機操作的條件下檢修冷卻裝置，這會導致喪失超導性，以及隨后的復雜停機和起動過程。
因此，需要有一種可使液體制冷劑均勻地分布在超導線圈周圍的技術。另外，還希望有具備能夠對超導線圈提供有效冷卻的備用能力的冷卻系統。
發明內容
根據本技術的一個方面，提供了一種用于超導旋轉電機的冷卻系統。該系統包括多個設置在鄰近于超導線圈的轉子的周圍的平衡位置中的密封虹吸管。各密封虹吸管都包括管狀體，以及設于管狀體中并可在電機運轉期間發生相變以從超導線圈中抽取熱量的傳熱介質。虹吸管熱交換器與虹吸管形成熱偶合，用于在電機運轉期間從虹吸管中抽取熱量。
根據本技術的另一方面，提供了一種用于冷卻超導旋轉電機的方法。該方法包括將多個密封虹吸管設置在轉子超導線圈的周圍的平衡位置中，并通過設于密封虹吸管中的傳熱介質來從超導線圈中抽取熱量。在電機運轉期間，通過虹吸管熱交換器來從虹吸管中抽取熱量。
在參照附圖閱讀以下詳細描述時，可以更好地理解本發明的這些和其它的特征、方面和優點，在所有圖中相同的標號代表相同的部件，其中圖1是根據本技術的一個示例性實施例的用于超導旋轉電機的熱虹吸管冷卻系統的簡圖；圖2是根據圖1所述的用于超導線圈的熱虹吸管冷卻系統的簡圖；圖3是根據圖1所述的密封虹吸管的簡圖；圖4是根據本技術的另一示例性實施例的用于高溫超導轉子的閉環式蒸發冷卻系統的簡圖；和圖5是說明了在對超導旋轉電機進行冷卻中所涉及的示例性步驟的流程圖。
具體實施例方式
參見圖1，圖中顯示了用于通常為電動機或發電機的超導旋轉電機12的熱虹吸管冷卻系統10。另外，本技術可在運用了超導體的其它系統如醫療成像系統中使用。熱虹吸管冷卻系統10包括低溫制冷系統14、制冷劑輸入管16、制冷劑輸出管18、輸送接頭20、虹吸管熱交換器22和多個密封的虹吸管24。在所示實施例中，旋轉電機12是發電機。在這一實施例中，發電機12具有設置在轉子芯28上的超導轉子線圈26。超導轉子線圈26通過其從電源(未示出)中接收到的電力來產生磁場。如果超導轉子線圈26的溫度超出臨界電流，線圈26將失去其超導性，并且會在超導轉子線圈26中導致阻封狀態。熱虹吸管冷卻系統10用來冷卻超導轉子線圈26，并避免線圈26中的這種過高溫度。
低溫制冷系統14包括安裝在主容器32上的低溫冷凍機30，該主容器32用來保持由低溫冷凍機30所凝聚的低溫流體34的儲存體。如本領域中的技術人員所理解的那樣，低溫冷凍機30可包括Gifford-McMahan型、脈沖管型或任何其它合適的制冷系統，低溫流體可以是氮、氖、氫、氦或這些流體的組合，或者任何其它可從發電機12、尤其是從線圈26中抽取充足熱量的適當流體。在無法從低溫冷凍機30中獲得冷卻時，儲存在主容器32中的液體制冷劑34提供了用來吸收在發電機12處于故障狀態期間或在停電期間所增加的熱負荷的熱緩沖。帶有其自身的液體制冷劑34的獨立供應源的輔助容器36通過中間熱交換器38而與主容器32相連。
多個密封的虹吸管24設置在超導轉子線圈26周圍的平衡位置。在所示實施例中，兩個密封虹吸管24設置在超導轉子線圈26周圍的沿直徑相對的位置。雖然在所示實施例中顯示了兩個密封虹吸管24，但是可以構思出任意數量的虹吸管。在另一實施例中，虹吸管24包括熱管。傳熱介質40設置在虹吸管24中，并設置成可在發電機12的運轉期間發生相變，從而從超導線圈26中抽取熱量。在所示實施例中，傳熱介質40包括兩相低溫流體(即液相42和氣相44)。虹吸管24在其兩端處是密封的。虹吸管熱交換器22與虹吸管24形成熱偶合，用于在發電機12的運轉期間從虹吸管24中抽取熱量。下面將詳細說明虹吸管熱交換器22的操作。
制冷劑輸入管16和制冷劑輸出管18與輔助容器36相連。制冷劑輸入管16和制冷劑輸出管18通過輸送接頭20而與虹吸管熱交換器22相連。制冷劑輸入管16設置成可將液體制冷劑34從輔助容器36供應至虹吸管熱交換器22。結果，虹吸管熱交換器22被低溫流體34冷卻。制冷劑輸出管18設置成可形成制冷劑蒸氣46從虹吸管熱交換器22至輔助容器36的流動通道。在一個示例中，可將制冷劑輸入管16設置在制冷劑輸出管18內，以便最大限度地減小寄生熱增益。
輔助容器36中的制冷劑蒸氣46通過將熱量傳遞給儲存在主容器32中的低溫流體34而再冷凝。中間熱交換器38提供了輔助容器36中的制冷劑蒸氣46和主容器32中的低溫流體34之間的熱界面。主容器32中的液體制冷劑冷卻輔助容器36中的制冷劑蒸氣46并使之冷凝。輔助容器36中的制冷劑蒸氣46的這種冷凝便于制冷劑流體依靠重力而輸送到制冷劑輸入管16和輸出管18中，并且保持流體在制冷劑輸入管16和輸出管18中的恒定溫度。
在另一實施例中，低溫流體可以是單相流體如氦氣，并利用葉輪而被迫流經管16，18。在這種情況下，低溫流體的流率和低溫屬性足以將熱量從虹吸管熱交換器22傳遞到中間熱交換器38。
低溫制冷系統14、制冷劑輸入管16、制冷劑輸出管18、輸送接頭20、虹吸管熱交換器22、多個密封虹吸管24和發電機12都設置在真空外殼48中。真空外殼48設置成可為封裝在外殼48內的部件提供熱絕緣。為了便于構造，真空外殼48可由若干個獨立的真空管構成。
參見圖2，圖中顯示了熱虹吸管冷卻系統10的詳圖。如上所述，兩個密封的熱虹吸管24設置在超導轉子線圈26周圍的沿直徑相對的位置處。密封熱虹吸管24中的低溫流體經歷了蒸發和冷凝，以促進超導轉子線圈26的冷卻。
在超導轉子線圈26和密封熱虹吸管24之間設有傳熱板50。傳熱板50包括高導熱性材料。在所示實施例中，傳熱板50包括銅板。如本領域中的技術人員所理解的那樣，還可以構思出任何其它合適的傳熱板。傳熱板50最大限度地減小了轉子線圈26和密封熱虹吸管24之間的熱梯度。傳熱板50還促進了熱量從轉子線圈26到虹吸管24的分布，并且有助于熱量沿轉子線圈26的長度均勻傳播。在傳熱板50和虹吸管熱交換器22之間設有熱總線52。熱總線52設置成提供了傳熱板50和虹吸管熱交換器22之間的熱界面。
參見圖3，圖中顯示了密封的虹吸管24。如圖所示，兩相低溫流體40(即液相42和氣相44)設置在虹吸管24中。如上所述，各虹吸管24在其兩端處是密封的。虹吸管24的與制冷劑輸入管16和輸出管18相接觸的末端被虹吸管熱交換器22密封起來，該虹吸管熱交換器22設置成可將熱量從虹吸管24傳遞給制冷劑輸入管16中的低溫流體34。結果，虹吸管24中的低溫蒸氣44冷凝。轉子芯28的旋轉和這種旋轉所引起的離心力導致液體制冷劑42在虹吸管24中沿縱向和徑向方向流動。線圈26所產生的熱量使虹吸管24中的液體制冷劑蒸發，將流體轉換成氣相，由于其相對更低的密度，因此氣相流回到虹吸管熱交換器22中。沿虹吸管24的軸向溫度保持大致恒定，并與液體的蒸發溫度相等。這便促進了超導轉子線圈26的傳熱，并還保持了大致等溫的線圈溫度。
在上述實施例中，熱虹吸管冷卻系統10能夠為發電機的三種操作模式如線圈冷卻、停止操作和旋轉操作提供冷卻。在使發電機12的線圈26冷卻下來的期間，主容器32中的低溫液體用于冷卻輔助容器36和低溫輸出管18中的低溫蒸氣并使之冷凝。低溫輸入管16中的低溫液體與和傳熱板50相連的熱總線52熱接觸，導致線圈26的傳導冷卻。在停止操作模式的期間，線圈26的蒸發冷卻只發生在下方的虹吸管中。線圈的上部通過傳熱板50來冷卻。傳熱板50將熱量從線圈的上部傳遞到下方的虹吸管，以便冷卻線圈。在旋轉操作模式的期間，旋轉力在虹吸管中的低溫液體上產生徑向向外的作用力，使得低溫液體被迫流到虹吸管的外部。線圈所產生的熱量使虹吸管中的低溫液體蒸發。低溫蒸氣流向虹吸管熱交換器22。虹吸管中的低溫流體的蒸發和冷凝促進了線圈的有效冷卻。
上述熱虹吸管冷卻系統10提供了超導線圈26的被動冷卻。結果，液體制冷劑均勻地分布在線圈26的周圍，從而消除了電機中的旋轉不平衡。不需要用來監測和控制液體制冷劑流入發電機中的主動式控制系統。
參見圖4，圖中顯示了用于高溫超導轉子56的閉環式蒸發冷卻系統54。冷卻系統54包括低溫制冷系統58、制冷劑輸送管60、輸送接頭62和多個直接冷卻管64。冷卻系統54包括安裝在兩腔杜瓦瓶68上的低溫冷卻式再冷凝冷頭66，該杜瓦瓶68用來保持由冷頭66所凝聚的低溫流體70的儲存體。雖然在所示實施例中顯示了一個冷頭66，但是還可構思出多個冷頭。兩腔杜瓦瓶68包括第一腔72、第二腔74以及設于第一腔72和第二腔74之間的熱交換器76。在所示實施例中，熱交換器76包括設有多個翅片80的銅板78。
超導轉子56包括設置在轉子芯84周圍的超導轉子線圈82。多個直接冷卻管64設置在超導轉子線圈82周圍的平衡位置中。在所示實施例中，兩個直接冷卻管64設置在超導轉子線圈82周圍的沿直徑相對的位置處。傳熱介質86設置在直接冷卻管64中，并設置成可在發電機的運轉期間發生相變以從超導線圈82中抽取熱量。在所示實施例中，傳熱介質86包括兩相低溫流體。銅箔88設于直接冷卻管64和超導線圈82之間，并設置成可最大限度地減小轉子線圈82和直接冷卻管64之間的熱梯度，以促進轉子線圈82的冷卻。
制冷劑輸送管60與杜瓦瓶的第二腔74相連。制冷劑輸送管60經輸送接頭62與直接冷卻管64相連。制冷劑輸送管60設置成可將液體制冷劑70從杜瓦瓶的第二腔74供應到直接冷卻管64中。制冷劑輸送管60還設置成形成了制冷劑蒸氣90從直接冷卻管64至杜瓦瓶的第二腔74的流動通道。
杜瓦瓶的第二腔74中的制冷劑蒸氣90通過將熱量傳遞給儲存在杜瓦瓶的第一腔72中的低溫流體70而再冷凝。熱交換器76提供了杜瓦瓶的第二腔74中的制冷劑蒸氣90和杜瓦瓶的第一腔72中的低溫流體70之間的熱界面。杜瓦瓶的第一腔72中的液體制冷劑70冷卻杜瓦瓶的第二腔74中的制冷劑蒸氣90并使之冷凝。在所示實施例中，杜瓦瓶的第二腔74中的壓力大于杜瓦瓶的第一腔72中的壓力。
杜瓦瓶的第一腔72提供了由冷頭66維持的液體制冷劑的較大存儲量。這允許冷頭在不要求電機停機的條件下進行檢修。
圖5是說明了在對超導旋轉電機進行冷卻中所涉及的示例性步驟的流程圖。總冷卻過程由標號92表示。在步驟94中，將多個密封虹吸管設置在處于轉子芯周圍的超導轉子線圈周圍的平衡位置中。一般來說，將兩個密封虹吸管設置在線圈周圍的沿直徑相對的位置處。在步驟96中，低溫流體的儲存體通過低溫制冷系統的低溫冷凍機而保持在主容器中。低溫流體的這種備用能力可在熱瞬變狀態或停電期間或者在冷卻系統停機時保持冷卻效果，從而保持轉子線圈26的超導性。
在步驟98中，存儲在低溫制冷系統的輔助容器中的液體制冷劑通過輸送管而輸送到與密封虹吸管相連的虹吸管熱交換器中。在電機的運轉期間，電流流過超導線圈并產生磁場。線圈因其環境和操作而被加熱。通過設置在虹吸管中的傳熱介質來抽取這種熱量，如標號100所示。如所示，傳熱介質是低溫液體。在從線圈中抽取熱量的期間，低溫液體發生相變。虹吸管熱交換器用作密封虹吸管中的蒸氣和輸送管中的低溫液體之間的熱界面。蒸氣在密封虹吸管中通過將熱量傳遞給輸送管中的低溫液體而冷凝。在步驟102中，通過低溫輸送管將所產生的低溫蒸氣從虹吸管熱交換器輸送到輔助容器中。在步驟104中，液體制冷劑冷卻輔助容器中的低溫蒸氣并使之冷凝。中間熱交換器用作主容器中的液體制冷劑和輔助容器中的低溫蒸氣之間的熱界面。這可實現依靠重力將低溫液體從輔助容器經低溫輸送管輸送到虹吸管熱交換器中。
雖然本文只是顯示并描述了本發明的某些特征，但是本領域中的技術人員可想到許多改型和更改。因此應當理解，所附權利要求將包括屬于本發明的真實精神范圍之內的所有這些改型和更改。
權利要求
1.一種用于冷卻超導旋轉電機(12)的系統(10)，包括多個設置在鄰近超導線圈(26)的轉子(28)的周圍的平衡位置中的密封虹吸管(24)，各所述密封虹吸管(24)均包括管狀體，以及設于所述管狀體中并在電機(12)的運轉期間會發生相變以從所述超導線圈(26)中抽取熱量的傳熱介質(40)；和與所述虹吸管(24)熱偶合的虹吸管熱交換器(22)，用于在所述電機(12)的運轉期間從所述虹吸管(24)中抽取熱量。
2.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統包括兩個設置在所述超導轉子線圈(26)周圍的沿直徑相對的位置處的密封虹吸管(24)。
3.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述虹吸管熱交換器(22)由低溫流體(34)來冷卻。
4.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統還包括用于使低溫流體(34)保持液態的低溫制冷系統(14)，其中所述低溫制冷系統(14)包括設置成可保持低溫液體(34)的儲存體的主容器(32)，以及用于冷卻所述虹吸管熱交換器(22)的輔助容器(36)，所述輔助容器(36)中的蒸氣(46)通過傳熱給所述低溫流體(34)的儲存體而被再冷凝。
5.根據權利要求4所述的系統(10)，其特征在于，所述系統還包括制冷劑輸入管(16)，其設置成將液體制冷劑(34)從所述輔助容器(36)供應至所述虹吸管熱交換器(22)中。
6.根據權利要求5所述的系統(10)，其特征在于，所述系統還包括制冷劑輸出管(18)，其設置成形成了蒸氣(46)從所述虹吸管熱交換器(22)至所述輔助容器(36)的流動通道。
7.一種用于冷卻超導旋轉電機(12)的方法(92)，包括將多個密封虹吸管設置在轉子超導線圈的周圍的平衡位置中(94)；通過設于所述密封虹吸管中的傳熱介質來從所述超導線圈中抽取熱量(100)；和在所述電機的運轉期間通過虹吸管熱交換器來從所述虹吸管中抽取熱量。
8.根據權利要求7所述的方法(92)，其特征在于，所述方法還包括利用低溫流體(34)來冷卻所述虹吸管熱交換器(22)。
9.根據權利要求7所述的方法(92)，其特征在于，所述方法還包括在低溫制冷系統的主容器(96)中保持低溫流體的儲存體。
10.根據權利要求9所述的方法(92)，其特征在于，所述方法還包括通過將熱量傳遞給低溫流體的儲存體而使所述低溫制冷系統的輔助容器中的蒸氣再冷凝(104)。
全文摘要
一種用于冷卻超導旋轉電機(12)的系統(10)，包括多個設置在鄰近超導線圈(26)的轉子(28)周圍的平衡位置上的密封虹吸管(24)。各密封虹吸管(24)都包括管狀體和設置在管狀體中的傳熱介質(40)，其可在電機(12)的運轉期間發生相變以從超導線圈(26)中抽取熱量。虹吸管熱交換器(22)與虹吸管(24)熱偶合，用于在電機(12)的運轉期間從虹吸管(24)中抽取熱量。
文檔編號H02K9/19GK1787341SQ20051011630
公開日2006年6月14日 申請日期2005年10月10日 優先權日2004年12月10日
發明者R·A·阿克曼恩, E·T·拉斯卡里斯, X·黃, J·W·布雷 申請人:通用電氣公司