本发明涉及一种高温超导系统冷却技术，更具体一点说，涉及一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的装置及方法。
背景技术：
减少线损，节约能量，提高电力传输的效率，是电力部门设计运行工作的主要内容之一，现有的解决方法一般采用提高电压的方法来减少电能损耗，高温超导技术可使电力几近零损失传输，对于节能减排具有积极意义；随着高温超导技术日渐成熟，未来电力传输将进入高温超导时代，高温超导研究水平的高低对国家而言在战略层面上具有重大意义；高温超导研究需要将整个高温超导系统置于73k以下深冷环境，这对低温维持系统提出了较高要求。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术问题，本发明提供一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用常压过冷液氮冷却高温超导元件的装置，包括分别连接有液氮柜的液氮过冷罐和超导部件冷却罐，各个罐体与罐内液面之间留有距离以形成压力空间，还包括连接各个压力空间的真空控制机构；所述液氮过冷罐与超导部件冷却罐错落设置以使液氮过冷罐的液面高于超导部件冷却罐的液面，液氮过冷罐、超导部件冷却罐底部连通以形成虹吸通道；所述液氮过冷罐连接有循坏氖气制冷机构，所述液氮过冷罐的压力空间内的气压为负压。
优选的，所述循坏氖气制冷机构为一条灌注有氖气的封闭回路，所述封闭回路一部分穿出液氮过冷罐设置，另一部分设置于液氮过冷罐内；穿出液氮过冷罐部分的封闭回路依次连接设置有氖气压缩机、主换热器、氖气膨胀机；所述液氮过冷罐的液面以下浸没设置有换热毛细管。
优选的，所述氖气压缩机包括依次串联的一级氖气子压缩机、二级氖气子压缩机；所述氖气膨胀机包括与换热器并联连接的一级氖气子膨胀机、二级氖气子膨胀机。
优选的，所述每个压力空间均连接有至少一个真空抽口，所述真空抽口另一侧管路上依次连接有真空电阻规、真空度维持电磁阀，各真空度维持电磁阀延伸出的管路共同连接有真空泵；所述液氮过冷罐和液氮柜均连通有液氮补充罐。
优选的，所述一级氖气子压缩机通过一级电机连接一级氖气子膨胀机、二级氖气子压缩机通过二级电机连接二级氖气子膨胀机；所述一级电机、二级电机内置参数调节机构。
优选的，所述dcs组态基础控制系统通过rs485现场通讯连接子控制系统。
一种利用常压过冷液氮冷却高温超导元件的方法，包括如下步骤：
步骤一、排查设备、设备间管道异常；
步骤二、对包括真空控制机构在内的系统进行自检；
步骤三、氮气吹扫管道，置换空气并抽真空以达到预设真空度；
步骤四、循环步骤三3至5次；
步骤五、启动循环氖气对液氮过冷罐中液氮进行制冷；
步骤六、液氮自虹吸通道从液氮过冷罐进入超导部件冷却罐对超导部件进行冷却；
步骤七、启动真空控制系统对步骤五、步骤六以及液氮柜中罐体压力空间中的真空度进行控制调整；
步骤八、均衡液氮补充罐和液氮过冷罐，氮补充罐和液氮柜中液氮；
步骤九、循环步骤七、步骤八以使得超导部件冷却罐温度维持在65k直至超导部件完成冷却。
优选的，所述循环氖气对液氮过冷罐中液氮进行制冷通过以下方法实现：系统启动前常温氖气依次经过一级氖气子压缩机、二级氖气子压缩机二次压缩，经主换热器换热后的氖气分为两股分别进入一级氖气子膨胀机、二级氖气子膨胀机，根据电机设定的参数获得不同低温序列的氖气，所述不同低温序列氖气与浸没在液氮过冷罐中的液氮通过换热毛细管换热；
换热后氖气循环上述压缩、换热、膨胀步骤。
有益效果：本发明一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的方法及装置，利用循环氖气压缩膨胀制冷，通过液氮过冷罐冷却原料液氮，通过循环氖气压缩膨胀参数的调节，可以得到不同低温序列的液氮；利用液氮过冷罐与超导部件冷却罐之间重力势差异和两者液氮密度差异产生虹吸现象，将过冷液氮输送入超导部件冷却罐冷却超导部件等关键设备；本发明设置了真空维持和系统超压保护，以维持液氮过冷和蒸发过程的压力稳定；本发明利用过冷液氮高效冷却超导部件，对我国高温超导试验装置的开发具有积极意义。
附图说明
图1为本发明构成示意图。
图2为本发明循环氖冷媒系统结构示意图。
图3为本发明虹吸原理输送过冷液氮示意。
图4为本发明电气部分结构框图。
图5为本发明液氮冷却超导部件装置工作流程图。
图中标记如下：
1-液氮过冷罐、2-补充柱、3-液氮过冷罐液氮补充控制阀、4-真空电阻规、5-氖气膨胀机、6-主换热器、7-氖气压缩机、8-真空度维持电磁阀、10-液氮过冷罐和超导部件冷却罐连通阀、11-液氮补充罐、12-超导部件冷却罐顶部氮气排空单向阀、13-超导部件冷却罐顶部氮气截止阀；14-超导部件冷却罐、15-真空泵、16-真空度控制阀、17-常压氮气钢瓶、18-常压氮气输送阀、19-超导部件冷却罐液氮排空阀、20-液氮柜、21-液氮柜液氮补充阀、23-dcs组态基础控制系统、24-连通柱、27-换热毛细管、28-一级电机、29-二级氖气子膨胀机、30-二级氖气子压缩机、31-一级氖气子膨胀机、32-二级电机、34-一级氖气子压缩机
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
根据图1至图5所示的一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的装置，包括分别连接有液氮柜20的液氮过冷罐1和超导部件冷却罐14，各个罐体与罐内液面之间留有距离以形成压力空间，压力空间用于控制氮气与液氮之间的压强平衡，控制压力空间压强可使液氮按一定方向输送，各个压力空间还连接有控制真空度的真空控制机构；
所述液氮过冷罐1与超导部件冷却罐14错落设置以使液氮过冷罐1的液面高于超导部件冷却罐14的液面，液氮过冷罐、超导部件冷却罐底部连通以形成虹吸通道，液氮过冷罐底部1与超导部件冷却罐14底部联通，通过两者之间的重力势和密度差异产生虹吸效应，将常压过冷液氮输送入超导部件冷却罐14；
所述液氮过冷罐1连接有循坏氖气制冷机构，所述液氮过冷罐1的压力空间内的气压为负压。
本发明液氮过冷罐1通过形成的虹吸通道将过冷后的低温液氮输入到超导部件冷却罐14，氖气循环制冷机构为一条灌注有氖气的封闭回路，封闭回路包括氖气压缩机7、主换热器6、氖气膨胀机5、换热毛细管27；氖气压缩机7、主换热器6、氖气膨胀机5在液氮过冷罐1液面上，通过浸没在液氮过冷罐1中的换热毛细管27与液氮过冷罐1中连通换热。
作为进一步优化，氖气压缩机7包括依次串联的一级氖气子压缩机34、二级氖气子压缩机30；氖气膨胀机5包括与换热器并联连接的一级氖气子膨胀机31、二级氖气子膨胀机29；常温氖气依次通过一级氖气子压缩机34、二级氖气子压缩机30压缩后，通过主换热器换热，将换热后的氖气分配到一级氖气子膨胀机31、二级氖气子膨胀机29，通过一级电机28、二级电机32设定的不同参数，一级氖气子压缩机34、二级氖气子压缩机30得到不同低温序列的氖气。
作为进一步优化，每个压力空间均连接有至少一个真空抽口，真空抽口另一侧管路上依次连接有真空电阻规4、真空度维持电磁阀8，各真空度维持电磁阀8延伸出的管路共同连接有真空泵15；所述液氮过冷罐1和液氮柜20均连通有液氮补充罐11；本发明的液氮过冷罐1、超导部件冷却罐14、液氮柜20顶部存在一个压力空间，压力空间内的压强通过真空电阻规4、真空度维持电磁阀8、真空泵15共同调节压力空间内的真空度；
图1中系统压力稳定依靠超导部件冷却罐氮气截止阀13、超导部件冷却罐氮气排空单向阀12、通液柱24、常压氮气输送阀18、超导部件冷却罐液氮排空阀实现19；当液氮过冷罐1顶部压力超压时，通过补充柱2将液氮过冷罐液氮输送回液氮补充罐11；同理，当超导部件冷却罐14顶部超压时，通过通液柱24和超导部件冷却罐液氮排空阀19将液氮输送回液氮柜20。
参见图4，本发明通过dcs组态基础控制系统控制氖气压缩机7、氖气膨胀机5、真空电阻规4、真空泵15启停、真空度维持电磁阀8。真空电阻规4反馈液氮过冷罐1、超导部件冷却罐14真空度，dcs组态基础控制系统根据反馈的液氮过冷罐1、超导部件冷却罐14真空度，控制真空电磁阀8动作。
一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的方法，其步骤为：
步骤一、排查设备、设备间管道异常；
步骤二、对包括真空控制机构在内的系统进行自检；
步骤三、系统自检无异常后，氮气吹扫管道，置换空气并抽真空以达到预设真空度；
步骤四、循环步骤三3至5次；
步骤五、系统启动准备工作完成后，向循环氖气系统充入氖气，然后开启氖气压缩机5，等压缩机出口压力达标后开启氖气膨胀机7膨胀制冷；循环氖气制冷启动后开启原料液氮泵，向液氮过冷罐1中输送原料液氮；同时真空度维持电磁阀8开始工作，通过真空电阻规4控制真空度维持电磁阀8的启停，以维持液氮过冷罐1顶部压力。
步骤六、液氮自虹吸通道从液氮过冷罐进入超导部件冷却罐对超导部件进行冷却；
步骤七、常压过冷液氮冷却超导部件。通过真空电阻规4测量超导部件冷却罐14顶部压力，并控制真空度维持电磁阀8启闭；
步骤八、系统运行过程中设置超压保护，当液氮过冷罐1、超导部件冷却罐14顶部氮气超压，可通过补充柱2、通液柱24将液氮输送回原料液氮供应罐，以维持过冷罐顶部压力稳定；
步骤九、循环步骤七、步骤八以使得超导部件冷却罐温度维持在65k直至超导部件完成冷却。
本发明一种利用常压过冷液氮冷却高温超导系统的装置及方法，利用循环氖气压缩膨胀制冷，通过液氮过冷罐冷却原料液氮，通过循环氖气压缩膨胀参数的调节，可以得到不同低温序列的液氮。利用液氮过冷罐1与超导部件冷却罐14之间重力势差异和两者液氮密度差异产生虹吸现象，将过冷液氮输送入超导部件冷却罐冷却超导部件等关键设备；本发明设置了真空维持和系统超压保护，以维持液氮过冷和蒸发过程的压力稳定；本发明利用过冷液氮高效冷却超导部件，对我国高温超导试验装置的开发具有积极意义。
最后，需要注意的是，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。