用于低温冷却浸没在液体制冷剂中的高温超导装置的方法和设备与流程

本公开涉及用于低温冷却浸没在液体制冷剂中的高温超导(HTS)装置的方法和设备。

背景技术：

当常见材料冷却至低温温度时，材料的性质时常会发生变化，并且这些变化使低温设备的设计复杂化。这些变化在低于大约150开氏度时变得显著。因此，在本公开中，“低温”指的是低于150开氏度的温度。例如，“低温液体”是沸点低于150开氏度的液体。低温液体的示例包括液氦、液氢、液氖、液氮、液氟、液氩、液氧和液氪。

高温超导体(HTS)是具有高于三十开氏度(-243.2℃)的转变温度的超导体。转变温度是在低于该温度时超导体在没有磁场的情况下变得超导的温度。在磁场存在的情况下，超导体在低于转变温度的温度下变得超导。在低于转变温度的温度下，根据定义，在1μV/cm的电场下，超导体具有临界电流密度，当高于该临界电流密度时超导体表现出显著的电阻。因此，为了获得高的电流密度，时常需要在显著低于所述转变温度的温度下操作HTS磁体。

许多HTS在氮在大气压力下为液体的温度范围(63.15到77.35开氏度)中具有相对高的临界电流密度。这些HTS中的一些在商业化生产，例如Bi2223、YBa₂Cu₃O₇以及被称为REBCO或更粗略地称为2G HTS导体的YBa₂Cu₃O₇的稀土取代的变体。因此液氮是用于这些HTS的最方便和相对便宜的制冷剂或传热流体。

通常超导装置被操作成使得磁体电流显著地小于临界电流。否则，超导磁体可能会回到非超导状态，导致从磁体中流动的电流释放热量。这种失去超导状态的情况被称为失超(quench)。为了防止失超期间所释放的热量损坏超导磁体，超导磁体时常被浸没在液体制冷剂中，使得液体制冷剂可汽化而吸收热量。虽然失超通常是不期望的，但是超导故障电流限制器依赖于受控的失超，以限制显著超过正常的电流水平的故障电流。例如，参见Yazawa等人发表于2001年3月出版的第11卷第1期《IEEE应用超导汇刊》的2511-2514页的《6.6kV高转变温度的超导故障电流限制器的设计和测试结果》。

2G HTS导体具有大约90开氏度的临界温度，并且通过将操作温度降至远低于液氮的沸点77.35开氏度，能够显著地提高临界电流。对于2G导体的临界电流而言，例如，每降低1开氏度的温度通常会增加7％的临界电流。可通过对液氮泵吸而使液氮沸腾来降低温度。温度下限是氮的临界点，为压力12.5kPa下的63.15K。然而，泵吸需要液氮的连续供给，或者使压缩机和冷凝器复杂化以便再液化氮蒸气。低压也是不期望的，因为容器需要承受大气的外部压力，并且容器中的任何泄漏会使制冷剂被大气中的氧气和水蒸气污染。此外，制冷剂的沸腾所产生的气泡会不利地影响制冷剂的电击穿强度。参见Sauers等人发表于2011年6月出版的第21卷第3期《IEEE应用超导汇刊》的1892-1895页的《气泡对100-250kPa下的平面-平面电极形状中的液氮击穿的影响》。

鉴于上述考虑，诸如故障电流限制器这样的HTS装置已经被浸没在容纳于低温恒温容器中的液体制冷剂中并被冷却至远低于该液体制冷剂在大气压力下的沸点，并且低温恒温容器中的压力已经以不同的方式被保持在大气压力或高于大气压力。例如，上面所引用的Yazawa等人提出一种压力调节器，该压力调节器将低温恒温器的浴内的压力保持在大气压力，以保持电绝缘状态。另一示例见于Kang等人发表于2005年出版的第45卷《低温学》的65-69页的《采用GM制冷机的用于超导故障电流限制器的过冷氮低温冷却系统》，其提出了通过将不可冷凝的气体GHe注入到过冷氮冷却系统中来控制1个大气压的压力。另一示例见于Yuan等人授权于2005年2月15日的美国专利US 6,854,276，其中，过冷液体制冷剂浴由毗邻于加压的气体制冷剂区域的热梯度边界区域所覆盖。

技术实现要素：

根据一方面，本公开描述了一种高温超导设备。所述设备包括：热绝缘容器，所述热绝缘容器用于容纳液体制冷剂；和热绝缘屏障，所述热绝缘屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器内该屏障上方的上隔室和所述容器内该屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通过通道互连至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之间压力平衡。高温超导体安装在所述下隔室内，以便浸没在液体制冷剂中。低温制冷机具有冷头，所述冷头热联接至所述高温超导体，以将所述高温超导体保持在超导转变温度以下。所述设备还包括温度控制器，在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液体制冷剂的情况下，所述温度控制器用于将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点的温度。

根据本发明的另一方面，本公开描述了一种操作高温超导设备的方法。所述设备具有：热绝缘容器，所述热绝缘容器容纳液体制冷剂；和热绝缘屏障，所述热绝缘屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器内该屏障上方的上隔室和所述容器内该屏障下方的下隔室。所述上隔室通过通道互连至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之间压力平衡。液体制冷剂容纳于所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中。高温超导体安装在所述下隔室内，并且浸没在所述液体制冷剂中，并且低温制冷机具有冷头，所述冷头热联接至所述高温超导体，以将所述高温超导体保持在超导转变温度以下。所述方法包括将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点的温度。

附图说明

图1是包括浸没在液体制冷剂中的高温超导装置的第一设备的示意图；

图2是用于图1的设备中的温度控制流程的流程图；

图3是示出了用于替代图1中所示的蝶形阀或翻板的替代装置的示意图；

图4是用于替代图1和2中所示的电子控制器的机械温度控制机构的示意图；

图5是包括使用一个或多个铁磁芯的高温超导装置的第二设备的示意图；和

图6是三相超导电力变压器的透视图，该三相超导电力变压器具有浸没在液体制冷剂中高温超导线圈，并且利用图1到5中所介绍的至少一个特征来保持液体制冷剂中至少大气压力的压力。

虽然本发明允许各种变型和替代形式，但是本发明的具体实施例已经在附图中示出并且将进行详细地描述。然而，应当理解，这并不是要将本发明限制到所示出的具体形式，而是相反地，目的是要涵盖落在由所附权利要求所限定的本发明范围内的所有变型、等同和替代形式。

具体实施方式

参照图1，其示出了高温超导设备20，该高温超导设备包括浸没在液体制冷剂22中的高温超导(HTS)装置21，例如，液体制冷剂为液氮，装置21的HTS包括Bi2223或REBCO HTS的绕组，并且装置21为超导磁体、超导故障电流限制器或者超导储能电感。

在图1中，液体制冷剂22容纳于用作为低温恒温器的热绝缘容器23中。在此示例中，容器23是圆柱形的，并且具有：外壁24；内壁25，所述内壁在该容器的顶部处连接至所述外壁；和真空空间26，所述真空空间位于所述内壁和所述外壁之间。例如，内壁24和外壁25由不锈钢制成。

针对上述原因，需要将HTS装置21冷却至低于液体制冷剂在容器23内的压力下的沸点的温度。换句话说，需要使HTS装置在容器23中液体制冷剂的浴内处于“过冷”。例如，当将液氮用作为液体制冷剂时，HTS装置被过冷至低于七十开氏度的温度。为了过冷HTS装置，设备20包括低温制冷机27，该低温制冷机安装至容器23，并且具有冷头28，该冷头热联接至HTS装置21，以将高温超导体保持在其超导转变温度以下。

例如，低温制冷机27是Gifford-McMahon(GM)低温制冷机或脉管制冷机(PTR)，并且冷头28经由浸没在液体制冷剂22中且布置于HTS装置21上方的导热板29热联接至HTS装置21。导热板29由诸如无氧铜这样的导热材料制成。在此示例中，HTS装置21和容器23的内壁25之间具有间隙，以促进热量从HTS装置21经由围绕高温超导装置的液体制冷剂22传递至导热板29。所述间隙由处于HTS装置21和内壁25之间的安装环或间隔物31、32、33限定。例如，安装环或间隔物31、32、33由诸如环氧树脂-玻璃纤维这样的玻璃增强塑料制成。

当将液氮用作为用于冷却HTS装置21的液体制冷剂时，液氮的最适温度为64到65开氏度(degree Kelvin)，以避免可能因液氮冷冻在冷头28上而导致的问题。通过在恒温器的控制下循环开关低温制冷机27，可将温度保持在64到65开氏度。

在图1的示例中，HTS装置被从HTS装置21延伸至容器23外环境的电流引线组件34联接。例如，电流引线组件34包括包裹有热绝缘体(例如，镀铝塑料膜)的电绝缘铜导体。然而，图1的设备20也可用于冷却不需要或不使用这样的电流引线的HTS装置(例如，在持久模式下操作的超导磁体，或者例如处于磁支承件中的起到磁屏蔽件或涡电流镜作用的超导体)。

取决于HTS装置21的电负载，电流引线可将显著变化的热流入引入到液体制冷剂中，因此当电流引线从热绝缘体39穿过而进入液体制冷剂22时，它们应当是热绝缘的。在不妨碍对上隔室中的液体制冷剂的温度的控制的情况下，一些热量可以释放到上隔室42中的液体制冷剂中，但是通过使进入到上隔室42中的液体制冷剂中的热通量的变化最小化，可以使此温度的控制(因此容器25中压力的控制)更加简单。

在设备20中，需要保持容器23中的压力为至少大气压力，以防止来自大气的水蒸气和可冷凝气体在容器中冷冻或冷凝。例如，气体压力被保持在高于大气压力0至2kPa的范围中。因此，设备20设置有盖35，该盖具有布置在容器23的顶部上的O型圈密封件36。0至2kPa范围内的压力下的操作简化了这种密封件和用于穿透盖35的其它部件的密封件的构造。此外，在略高于大气压力的该压力范围内(例如，高于大气压力1kPa)的操作将允许这些部件在设备的操作期间被更换，同时流出到大气的制冷剂的损失最小以防止水蒸气和其它大气污染物流入。

如图1中所示，盖35包括顶板37、下部的环38和装配在容器23内部的热绝缘的盘39。例如，顶板36和环37由诸如G-10环氧树脂玻璃纤维这样的玻璃增强塑料制成，并且盘38由诸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫这样的泡沫塑料制成。设置通过顶板37而进入到容器23中的多个穿透部，并且所述多个穿透部具有接合所述顶板的密封件，使得所述穿透部和密封件被保持得远高于液体制冷剂的表面，并且被保持在接近于环境温度。

在设备20中，还需要在不使液体制冷剂22沸腾且不引入不可冷凝的气体(例如，氦气)的情况下，保持容器23中的压力为至少大气压力。这将避免补充或回收制冷剂的需要，或避免调节不可冷凝气体压力的需要。在设备20中，通过将热绝缘屏障41布置在容器中以限定容器内该屏障上方的上隔室42和容器内该屏障下方的下隔室43、以及具有将所述上隔室互连至所述下隔室以使所述上隔室和所述下隔室之间压力平衡的通道、以及在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液体制冷剂的情况下将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点的温度，来在容器23中保持至少大气压力的压力。

在设备20中，热绝缘屏障41为盘，该盘具有略小于容器23的内壁25的内径的直径，以便提供通道以使上隔室和下隔室之间压力平衡，并且使该热绝缘屏障能够容易地组装到容器中。屏障边缘处的间隙可达几个毫米宽。热绝缘屏障41也不需要与通过该屏障的穿透部非常紧密地配合，所述穿透部例如为用于低温制冷机27的冷头28的穿透部和用于电流引线组件34的穿透部。间隙宽度与间隙深度之比可以是小的，使得间隙中的液体制冷剂相对地不会受到下隔室43中液体制冷剂循环的干扰，并且趋于稳定分层。在这些条件下的液氮的热导率为大约0.15kW/m.K。根据需要，可通过配装朝下延伸到下隔室43中的唇部或裙部来增加这些间隙内的制冷剂的分层柱的有效深度。

热绝缘屏障41通过多根杆或管44、45附接至盖35，并且从该盖悬挂。例如，热绝缘屏障41由诸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫这样的硬质塑料泡沫制成，并且杆或管44、45由诸如环氧树脂玻璃纤维这样的玻璃增强塑料制成。例如，热绝缘体39的底部与热绝缘屏障41的顶部之间的间隔介于5mm到100mm之间，例如为20mm。上隔室42部分地充注有液体制冷剂22，使得液体制冷剂具有位于上隔室中的表面层46，并且在上隔室中该表面层46的上方还具有制冷剂气体的层47。例如，表面层47位于热绝缘体39的底部与热绝缘屏障41的顶部之间的中途。可通过添加或移除制冷剂来使表面层47从中间水平升高或降低，以使热时间增加或减小至等于更适合于调节制冷剂压力的值。

在一个示例中，热绝缘屏障41是被夹在用于增加强度的G-10环氧树脂玻璃纤维薄片之间的厚度介于5mm到10mm之间的聚氨酯或聚苯乙烯泡沫片材。这些材料将具有良好的电介质强度，以在高电压的电流引线和连接件以及HTS绕组附近使用。

设备20具有温度控制器50，该温度控制器用于将上隔室42中的液体制冷剂保持在至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点的温度。在此示例中，温度控制器50是电子系统，其包括：用于感测容器23中气体压力的气体压力传感器51、用于感测上隔室中液体制冷剂温度的温度传感器52、电连接至所述气体压力传感器51和所述温度传感器的控制处理器53、用于调节从上隔室42至下隔室43热量流动的热流调节器54、和机械地联接至热流调节器54且电连接至控制处理器53的致动器55，由此，响应于所感测到的容器中的压力或所感测到的上隔室42中液体制冷剂的温度，使得所述控制处理器可以调节从上隔室42至下隔室的热量流动。

例如，压力传感器51是差压传感器，其感测容器23中的压力与大气压力之间的差异。温度传感器52是浸没在上隔室42中的液体制冷剂22中的硅二极管，并且感测液体制冷剂的绝对温度。控制处理器53是微控制器或通用目的数字计算机，其被编程以从压力传感器51读取气体压力差和从温度传感器53读取绝对温度并调节致动器55来将气体压力差保持在气体压力设定点或将绝对温度保持在温度设定点。这种编程的具体示例参考图2在下文中描述。

在图1中，热流调节器54提供处于热绝缘屏障中的可调节开口56，并且该开口的面积增加以增加从上隔室42至下隔室43的热量流动，并且该开口的面积减少以减少从上隔室42至下隔室43的热量流动。在此具体示例中，热流调节器54是蝶形阀或翻板，其由致动器55打开和关闭，并且所述致动器是线性致动器，其安装在盖35的顶部上并且具有下降至所述蝶形阀或翻板的竖向轴57。可调节开口56可以由其它类型的阀或通流口提供，例如滑动翼片或将通过竖向轴的转动而打开或关闭的翼片。

通过这样的阀或通流口的热量传递是通过来自下隔室43的液体制冷剂与上隔室42中的液体制冷剂的自由混合而实现的。热量传递率将取决于下隔室43中的制冷剂循环的速度、开口的尺寸、开口的竖向长度和水平长度之比、以及阀或通流口的特征(例如引导液体制冷剂流动以产生湍流和混合的叶片)。参考图5如图所示和下文进一步所描述的那样，可通过相对于热源(例如，电流引线和通过低温恒温容器壁的热量泄漏)对冷头换热器进行定位和定向来增强下隔室中液体制冷剂的循环。如图3中所示和下文进一步所描述的那样，也可通过泵或搅拌器来增强液体制冷剂的循环和混合。

设备20还具有用于向容器23充注液体制冷剂(例如液氮(LN₂))的一些部件。首先，真空泵61启动且阀62开启，以通过清除线路63从上隔室42清除容器23的空气和水蒸气。然后，低温制冷机27启动，以冷却导热板29至液体制冷剂的沸点以下。然后，阀64开启，以允许液体制冷剂通过充注线路65进入到上隔室42中，直到下隔室43完全充满液体制冷剂且上隔室42至少部分地填充有液体制冷剂为止。然后，阀64关闭、清除阀62关闭并且真空泵61停止。然后，温度控制器50启动。一旦容器23中的压力已经稳定到至少大气压力的值，则电流通过电流引线组件34施加到HTS装置21。

除非压力调节是不起作用的或存在泄漏或存在不受控制的HTS装置失超，制冷剂汽化排放不应当发生。如果容器23中的压力达到安全限制，那么压力释放阀66则自动打开。崩破盘也可用于压力释放。如果压力释放阀66失效且压力将进一步上升并克服将盖35保持在容器23上的力，那么该盖将从容器脱离以释放压力。

取决于HTS装置21的性质，可将另外的部件添加至图1的设备20。这些另外的部件可被添加以适应高电压操作，或适应因失超(例如，在HTS装置21是故障电流限制器的情况下因故障电流而导致的受控失超)而造成的气泡。电绝缘介质屏障可被包含以使沸腾液氮的气泡流远离HTS装置21的具有介质击穿的高潜在可能的区域，或促进液相和气相的收集和混合以使气泡冷凝。电接地的结构(例如，水下电网)可被包含以使高电压部件与低温制冷机27以及与导热板29电隔离。

图2示出了用于控制处理器(图1中的附图标记53所示)的基本温度控制流程的具体示例。该基本控制流程适用于向低温制冷机提供相对恒定的热负荷的HTS装置和电流引线组件。用于处理变化的热负荷的技术将参照图3-5在下文进一步描述。

图2中的控制流程使用来自压力传感器(图1中的附图标记51指示)的压力读数或来自温度传感器(图1中的附图标记52指示)的温度读数，以控制上隔室(图1中的附图标记42指示)中的液体制冷剂的温度，使得该温度为至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点。在上隔室与大气压力下的外部环境的密封中没有泄漏的情况下，对于上隔室中的液体制冷剂的温度与液体制冷剂在大气压力下的沸点的比较而言，压力读数比温度读数更敏感。因此，除非压力读数超出正常范围而表示显著的泄漏可能或压力传感器的故障，将压力读数用于温度的控制。如果压力读数超出正常范围，则将温度读数用于温度的控制。

在第一方框101中，控制处理器读取来自压力传感器(图1中的附图标记51指示)的气体压力并且读取来自温度传感器(图1中的附图标记52指示)的温度。在方框102中，如果气体压力读数处于正常范围内，则执行继续到方框103。例如，温度控制器具有高于大气压力1.1kPa的压力设定点，以及从高于大气压力0.2kPa至高于大气压力2.0kPa的正常压力范围，使得高于大气压力的压力小于0.2kPa表示泄漏。

在方框103中，如果压力读数小于压力设定点(SETPOINT1)减去噪声容限(DELTA1)，则执行继续到方框104，以使致动器朝向关闭热绝缘屏障中的开口步进。例如，噪声容限(DELTA1)为0.05kPa。在方框104之后，执行继续到方框105，以等待下一个更新时间。例如，方框105中具有大约一秒钟左右的延迟。通常，延迟被选择成使得调节开口从完全打开的状态到完全关闭的状态的时间远大于压力传感器响应于开口变化的时间。

在方框103中，如果压力读数不小于压力设定点(SETPOINT1)减去噪声容限(DELTA1)，则执行分支到方框106。在方框106中，如果压力读数大于压力设定点(SETPOINT1)加上噪声容限(DELTA1)，则执行继续到方框107，以使致动器朝向完全打开热绝缘屏障中的开口步进。执行从方框107继续到方框105。如果压力读数不大于压力设定点(SETPOINT1)加上噪声容限(DELTA1)，则执行还从方框106继续到方框105。

在方框102中，如果压力读数超出范围，则执行分支到方框108。在方框108中，如果温度读数小于温度设定点(SETPOINT2)减去噪声容限(DELTA2)，则执行继续到步骤109，以使致动器朝向关闭热绝缘屏障中的开口步进。温度设定点对应于根据液体制冷剂的温度-压力特性的压力设定点，并且噪声容限(DELTA2)是温度传感器的噪声水平。在方框109之后，执行继续到方框105，以等待下一个更新时间。

在方框108中，如果温度读数不小于温度设定点(SETPOINT2)减去噪声容限(DELTA2)，则执行分支到方框110。在方框110中，如果温度大于温度设定点(SETPOINT2)加上噪声容限(DELTA2)，则执行继续到方框111，以使致动器朝向完全打开热绝缘屏障中的开口步进。执行从方框111继续到方框105。如果温度不大于温度设定点(SETPOINT2)加上噪声容限(DELTA2)，则执行还从方框110继续到方框105。

图3示出了替代的装置，所述替代的装置可以被添加到图1中的设备20，以便更加积极地控制上隔室42中的温度。电阻电加热器71可用来快速地加热上隔室42中的液体制冷剂。泵或搅拌器72(例如涡轮机)可以通过将更冷的液体制冷剂从下隔室43泵送或搅拌到上隔室中使得所述更冷的液体制冷剂变得与上隔室中的液体制冷剂混合而快速地冷却上隔室42中的液体制冷剂。在图3的示例中，泵或搅拌器73由马达73驱动，该马达安装在上板37上并且具有固定至所述泵或搅拌器72的轴74。对于大型设备而言，另一低温制冷机75可以安装至上板37，并且专门用来冷却上隔室中的液体制冷剂。例如，低温制冷机75具有位于上隔室中的冷头76和固定至该冷头的导热网77，以便从上隔室42中的液体制冷剂收集热量。

在另一示例中，可使用柱塞来替代搅拌器而作为混合器，其通过使来自下隔室的液体制冷剂与上隔室中的液体制冷剂混合来控制上隔室42中的液体制冷剂的温度。例如，柱塞(类似于图4中所示的阀构件82)可由线性致动器(类似于图4中所示的线性致动器83)选择性地驱动向上和向下，以便快速冷却上隔室42中的液体制冷剂。

替代的装置71、72和75能够以受控的可变速率向上隔室42中的液体制冷剂输送热量或者从所述上隔室中的液体制冷剂移除热量。因此，这些装置非常适合于通过采用常规的比例-积分-微分(PID)控制器来响应于压力读数或温度读数对上隔室42中的液体制冷剂的温度进行控制。通过预测将由电流变化而产生的热负荷变化并且通过调节热控制机构以产生将抗衡来自电流引线组件的热量变化的加热或冷却的变化，这种PID控制器也可以对通过电流引线组件34的电流的变化进行响应。

电阻加热器71具有的优点在于：它相对便宜和紧凑，使得实用的是将多个电阻加热器均匀地分散在第一隔室内，或将它们聚集在第一隔室的较冷区域处。

低温制冷机75具有的缺点在于：与电阻加热器71或热绝缘屏障41中受控的开口相比，它是相对昂贵的。还有，常规的GM或脉管低温制冷机应当大于一定的尺寸，以具有高的冷却效率。因此，低温制冷机75将最适合于大型设备，在大型设备中，具有高冷却效率的常规低温制冷机的冷却能力可适应来自第一隔室(需要将该第一隔室的压力或温度保持在压力设定点或温度设定点)的热流变化。在此实例中，低温制冷机75具有的优点是提供了具有高能量效率的温度控制。

图4示出了响应于容器中的压力对上隔室42中的温度进行控制的另一机构80。在此实例中，机构80完全是机械的，使得它可在失去电力的情况下进行操作。在此示例中，当通过由容器中的气体压力所驱动的风箱式部件或膜致动器83使阀构件82从热绝缘屏障上升时，则产生热绝缘屏障41中的开口81。这种风箱式部件或膜致动器83也可用来操作如图1中所示的蝶形阀或翻板54。

对HTS变压器绕组的过冷面临来自变压器芯中磁滞损耗的热负荷的进一步挑战。变压器芯由承载连接HTS绕组的磁通的硅钢叠层构成。变压器芯本身不被冷却至低温温度，但是来自变压器芯的热量会导致作用在低温部件上的显著热负荷，这是因为由低温制冷机移除从变压器芯传导的热量所消耗的功率与因变压器芯中磁滞损耗而造成的功率损失之间存在权衡。可通过增加变压器芯和绕组之间热绝缘体的厚度来减少从变压器芯到HTS绕组的热传导，但是还将需要增加变压器芯的尺寸以适应热绝缘体增加的厚度，并且这种尺寸的增加将增加变压器芯中的磁滞损耗。因此，围绕变压器芯的热绝缘体的厚度小于用于低温恒温容器外周处的热绝缘体的厚度。

变压器(transformer)设计上的进一步的约束在于：低温空间内的导电部件必须设计成最小化由杂散磁场所感应出的涡电流。这意味着，例如，热交换器的高纯度的铜或铝的部件应当被布置在磁场低的位置，并且在适当情况下被细分，以限制横向于局部场的尺寸。铜母线工件和端子应当设计成最小化涡电流。

除了绕组以外的环绕变压器芯的任何导电部件需要被电绝缘部分中断或者由诸如玻璃纤维复合材料这样的绝缘材料替代。

图5示出了处于低温恒温容器93中的HTS变压器芯91和该变压器的单个HTS绕组92的示意图。为了说明与使HTS绕组过冷相关联的挑战，部件的各部分已经被扭曲了，没有这种扭曲的实际示例在图6中示出并将在下文进一步描述。容器93包括处于容器93中的位于变压器芯91和液体制冷剂95之间的热绝缘套筒94，使得变压器芯91处于大气压力下并且接近于容器93外部的环境温度。

低温制冷机96具有冷头97和翅片式热沉98，所述翅片式热沉固定至所述冷头，以便从液体制冷剂95吸收热量。热量通过液体制冷剂95的对流而从变压器芯91和从电流引线组件100传导，并且液体制冷剂95使HTS绕组92过冷至远低于液体制冷剂的沸点。热绝缘屏障99将容器93的内部分为上隔室101和下隔室102。下隔室102充注有液体制冷剂95，并且HTS绕组92和热沉98浸没在下隔室中的液体制冷剂中。上隔室101部分地充注有液体制冷剂95，并且上隔室101中的液体制冷剂的温度由热绝缘屏障99中的可调节开口103调节，以保持容器中的压力为至少大气压力。在此示例中，当可调节开口103调节成允许液体制冷剂从上隔室101流动到下隔室102时，液体制冷剂95的对流提供了用于使来自下隔室102的更冷的制冷剂与上隔室101中更热的制冷剂混合的动力。

图6是三相超导电力变压器110的透视图。例如，变压器110的额定功率为40MVA，并且具有大约二米的高度。变压器110具有HTS绕组111、112、113，所述绕组浸没在过冷的液体制冷剂中，并且利用图1到5中所介绍的至少一个特征来保持液体制冷剂中高于大气压力的压力。变压器110具有容器114，所述容器由玻璃纤维复合材料或类似的电绝缘材料制成，或可以由金属制成，该金属具有适当的绝缘部分以避免环绕变压器芯的电路的。容器114在底部和侧部上衬有塑料泡沫绝缘体115，并且容器在顶部上具有盖116，该盖衬有塑料泡沫绝缘体117。与真空构造相比，在可以适用足够厚度的泡沫的情况下，诸如聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫这样的塑料泡沫绝缘体在适度的花费下提供了容器114的壁的充分的热绝缘。

变压器110具有铁磁芯130，所述铁磁芯具有分别穿过三个HTS线圈111、112、113中的每一个并穿过容器114的顶部和底部的芯体穿透部。例如，铁磁芯130由叠层的硅钢片制成。芯体穿透部通过从容器114的底部向上延伸的真空绝缘套筒131、132与制冷剂热绝缘。

与图1-5的示例相反，图6示出了从HTS绕组111、112、113的顶部至塑料泡沫绝缘体117的底部的最小“头部空间”。在实践中，需要最小化该头部空间，以减小铁磁芯130的高度，从而减少铁磁芯损耗并且减小铁磁芯130的重量。

高压电流通过高压套管118、119、120施加至HTS绕组111、112、113。HTS绕组111、112、113和抽头变换器126被三个低温制冷机121、122和113过冷。低温制冷机111、112、113由安装至容器114的后部的风扇冷却气体压缩机组124驱动。为了减小头部空间和避免过度的涡电流损耗，在HTS绕组上方不使用导热板来热联接低温制冷机121、122、123的冷头，而是通过液体制冷剂从安装到冷头的导热翅片式热沉133、134的对流来提供热联接。热沉133、134优选地由高纯度铜或铝制成，以最小化因每个低温制冷机的大约500瓦的热通量所导致的温度差。

虽然低温制冷机121、122、123示出为安装到容器114的顶部，但是它们可以安装到该容器的侧壁。低温制冷机也可以安装在分开的容器(其为真空或泡沫绝缘的)上，并且可以通过在闭合的回路内循环制冷剂或通过热管来实现从冷头热交换器的热量传递。

热绝缘屏障125将容器114的内部分为上隔室127和下隔室128。下隔室128充注有液体制冷剂，并且上隔室129至少部分地充注有液体制冷剂。利用参照图1-5的上述一种或多种技术，通过调节上隔室116中液体制冷剂的温度来保持容器114中至少大气压力的压力。

针对高电压HTS变压器的情形，不清楚在显著高于大气压力的压力下操作的优点是否胜过了缺点。低温恒温器在高于环境压力不超过几个kPa下操作的优点在于：它不需要设计并构造成承受高压。另一方面，一定的极小的正压确保了低温恒温器在发生泄漏的情况下不会被周围的空气污染。还可以在不关闭装置或将其暴露于空气的情况下，利用适当的手套箱类型的腔室和流程来进行诸如更换冷头或传感器这样的维护流程。

许多研究已经说明了气泡的存在会减小液氮中的击穿电压。例如，上面所引用的Sauers等人指出：在1巴的压力下过冷到73K的液氮中，在受热所产生的气泡高于临界流量的情况下，击穿强度从大约25kV rms/mm降至该值的大约一半。

在升高的压力下减小的击穿电压的假定优点实际上非常有限。这是因为设备(例如，故障电流限制器和变压器)必须制造成承受短路而不会损坏。无论操作压力如何，在短路期间仅有有限的避免制冷剂沸腾的选项。

装置的临界电流可超过短路电流——根据定义，这不是用于电阻式故障电流限制器的选项，并且在可预见的导体价格下这对于变压器而言太过于昂贵。

替代地，装置可以在导体温度达到沸腾形核的温度之前从高压电源断开。这是困难的。在典型的短路中，商业上可获得的具有0.04毫米厚的铜稳定部的0.1mm厚的2G导体将在0.2s以内从液氮温度加热至室温。将温升降低至其大约1/10将需要导体具有大约20倍的热质量(thermal mass)，并且仍然需要使装置非常快地断开。由于保护系统应当在不中断对母线上的其它负载的电力供应的情况下隔离变压器下游的母线上的故障，这样的自动断开在大多数变压器应用中是不可接受的。因此，在通常情况下，在故障期间避免绕组中的沸腾是不实际的。这意味着设计者不应该依赖于无气泡液氮中的更高的击穿电压，相反地，设计者应该对沸腾的液体制冷剂中的安全操作进行设计。

以下是用于采用65开氏度过冷液氮的低温恒温器的热绝缘屏障的设计示例。假定设计的操作压力为超过大气压力大约1％并被控制在大气压力的大约±0.5％(即，表压为+1.0±0.5kPa)。这意味着表面制冷剂的温度超过液氮在大气压力下沸点仅仅ΔT～+0.08±0.04K。为了保持该温度，通过盖绝缘体的热通量应当平衡通过热绝缘屏障而至下方过冷隔室的热通量。在大型低温恒温器中，通过表面隔室侧的热通量和通过盖绝缘体与屏障绝缘体中的间隙的热通量将是总热通量的小部分。假定盖绝缘体为具有0.03W/m.K的热导率的厚度100mm的聚氨酯泡沫，跨过从295K的环境到77K的表面制冷剂空间的218K温度跨度的热通量为65W/m²。假设泡沫的热导率不随温度变化，为了保持跨过热绝缘屏障的12K温度差，其仅仅需要12/218＝5.5％的盖绝缘体的厚度。事实上，聚氨酯泡沫在液氮温度下的热导率可以小到1/3的室温值，即，大约0.01W/m.K，因此热绝缘屏障所需的泡沫厚度可以为仅仅几个毫米。为了对比，分层的液氮在大约77K下的热导率为0.15W/m.K，并且在处于1个大气压下的分层的氮气中热导率与温度成比例，热导率在100K下为大约0.01W/m.K，与聚氨酯泡沫差别不大。

如果通过盖的热通量为65W/m²，则表面制冷剂区域内的竖向热梯度将为大约0.4K/mm。对于热绝缘屏障区域上方的10mm的制冷剂深度而言，其具有过冷制冷剂和表面制冷剂之间所需温度差的三分之一，那么屏障绝缘体的厚度可以相应地减小。在实践中，盖绝缘体、表面制冷剂的深度和屏障绝缘体的平衡将需要针对具体的应用而定制。在变压器应用中，例如，就增加的低温恒温器和铁芯高度而言，向低温恒温器增加顶部空间的花费在某些时候将超过由于增加的绝缘体厚度而导致的降低的低温恒温器损耗。

为了将过冷区域中的温度保持在HTS装置的所需操作范围内，低温制冷机将需要被循环开启和关闭，以匹配来自装置和低温恒温器的平均热负荷。在多个低温制冷机的情况下，热负荷将在制冷机之间共享，以最小化单个制冷机的开-关循环的次数。需要将低温恒温器的尺寸设计成相对于设备的额定负荷或等效制冷功率具有大质量的制冷剂。1kg/W的制冷剂质量与制冷功率之比是合理的比例。液氮的比热为2040J/kg.K，使得在1kg/W的比例下，系统的热惯性使得在完全是热负荷且低温制冷机关闭的情况下，将花费2040秒(或34分钟)来使过冷体积升高1K。由于典型的HTS导体的性能随着温度的升高而快速下降，因此需要合理地严格控制过冷却区域中的最大温度。

如果操作温度设定在65±1K，则跨过热绝缘屏障的温降变化将小于±10％。考虑到液氮的热导率比聚氨酯泡沫的热导率高大约10倍，打开仅仅百分之几的屏障面积来通过液相进行热传导将获得调节表面区域温度所需的总热传导的变化。过冷制冷剂和表面制冷剂的混合将进一步增加热量传递。此外，即使在不调节上隔室和下隔室之间的热传递的情况下，表面隔室中的液氮的热时间常数也将抑制过冷液氮的温度的波动。

鉴于上述内容，提供了一种热绝缘容器，其包含热绝缘屏障，所述热绝缘屏障限定所述容器中该屏障上方的上隔室和所述容器中该屏障下方的下隔室。所述隔室通过通道相互连接，以使压力平衡。高温超导体安装在所述下隔室内，以便浸没在液体制冷剂中。低温制冷机具有冷头，所述冷头热联接至所述高温超导体，以将所述高温超导体保持在超导转变温度以下。在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液体制冷剂的情况下，温度控制器将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下沸点的温度。例如，液体制冷剂是处于下隔室中的64到65开氏度的液氮，并且上隔室中的液氮的温度被调节以获得高于大气压力0至2kPa的范围内的压力。在较低温度下操作高温超导体是有利的，因为这显著地提高了高温超导体的性能。在至少大气压力的压力下的操作消除了在正常操作期间液体制冷剂在高温超导体处的沸腾，并且避免了在泄漏的情况下液体制冷剂的污染。

下文提供了多个示例，以增强对本公开的理解。所提供的具体的示例组如下。

在第一示例中，公开了一种高温超导设备，其包括：热绝缘容器，所述热绝缘容器用于容纳液体制冷剂；热绝缘屏障，所述热绝缘屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器内该屏障上方的上隔室和所述容器内该屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通过通道互连至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之间压力平衡；高温超导体，所述高温超导体安装在所述下隔室内，以便浸没在液体制冷剂中；低温制冷机，所述低温制冷机具有冷头，所述冷头热联接至所述高温超导体，以将所述高温超导体保持在超导转变温度以下；和温度控制器，在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液体制冷剂的情况下，所述温度控制器用于将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下沸点的温度。

在第二示例中，公开了根据前述第一示例的高温超导设备，其中，所述温度控制器包括用于控制从所述上隔室至所述下隔室的热量流动的热流控制装置。

在第三示例中，公开了根据前述第二示例的高温超导设备，其中，所述热流控制装置包括处于所述屏障中的至少一个可调节开口。

在第四示例中，公开了根据前述第三示例的高温超导设备，其中，所述可调节开口能够使来自所述下隔室的液体制冷剂与所述上隔室中的液体制冷剂混合。

在第五示例中，公开了根据前述第三示例或第四示例的高温超导设备，其中，所述容器被密封以将该容器内的气体压力保持在至少大气压力的压力，并且所述温度控制器包括机械致动器，所述机械致动器联接至所述可调节开口，并且响应于气体压力的增加由所述容器内的气体压力致动以增大所述屏障中的所述可调节开口。

在第六示例中，公开了根据任何的前述第一至第五示例的高温超导设备，其中，所述热流控制装置包括用于使液体制冷剂在所述下隔室和所述上隔室之间循环的泵。

在第七示例中，公开了根据任何的前述第一至第六示例的高温超导设备，其中，所述热流控制装置包括用于使来自所述下隔室的液体制冷剂与所述上隔室中的液体制冷剂混合的混合器。

在第八示例中，公开了根据任何的前述第一至第七示例的高温超导设备，其中，所述容器被密封以将该容器内的气体压力保持在至少大气压力的压力，并且所述温度控制器包括用于感测所述容器内气体压力的压力传感器，并且所述温度控制器响应于感测到的气体压力来控制所述上隔室中的液体制冷剂的温度，以将由所述压力传感器感测到的气体压力保持在设定点压力。

在第九示例中，公开了根据任何的前述第一至第八示例的高温超导设备，其中，所述温度控制器包括用于感测所述上隔室中液体制冷剂的温度的温度传感器，并且所述温度控制器响应于由所述温度传感器感测到的温度来控制所述上隔室中液体制冷剂的温度，以将由所述温度传感器感测到的温度保持在设定点温度。

在第十示例中，公开了如任何的前述第一至第九示例中所述的高温超导设备，其中，所述温度控制器包括用于选择性地向所述上隔室中的液体制冷剂供给热量的电加热器。

在第十一示例中，公开了如任何的前述第一至第十示例中所述的高温超导设备，其中，表面温度控制器包括另一低温制冷机，所述另一低温制冷机具有用于选择性地从所述上隔室中的液体制冷剂移除热量的冷头。

在第十二实例中，公开了一种操作高温超导设备的方法，所述设备具有：热绝缘容器，所述热绝缘容器容纳液体制冷剂；热绝缘屏障，所述热绝缘屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器内该屏障上方的上隔室和所述容器内该屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通过通道互连至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之间压力平衡；液体制冷剂，所述液体制冷剂容纳于所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中；高温超导体，所述高温超导体安装在所述下隔室内，并且浸没在所述液体制冷剂中；和低温制冷机，所述低温制冷机具有冷头，所述冷头热联接至所述高温超导体，以将所述高温超导体保持在超导转变温度以下，所述方法包括将所述上隔室中的液体制冷剂的温度保持在至少该液体制冷剂在大气压力下的沸点的温度。

在第十三示例中，公开了根据前述第十二示例的方法，其中，所述液体制冷剂是液氮。

在第十四示例中，公开了根据前述第十二或第十三示例的方法，所述方法包括将所述下隔室保持在低于七十开氏度的温度。

在第十五示例中，公开了根据任何的前述第十二至第十四示例的方法，其中，所述容器被密封以将该容器内的气体压力保持在至少大气压力的压力，并且表面温度被控制以将气体压力保持在高于大气压力0至2kPa的范围内。

在第十六示例中，公开了根据任何的前述第十二至第十五示例的方法，所述方法包括通过控制从所述上隔室至所述下隔室的热量流动来保持所述上隔室中的液体制冷剂的温度。

在第十七示例中，公开了根据任何的前述第十二至第十六示例的方法，所述方法包括通过调节所述屏障中的开口来控制从所述上隔室至所述下隔室的热量流动。

在第十八示例中，公开了根据任何的前述第十七示例的方法，其中，对所述屏障中的开口的调节控制来自所述下隔室的液体制冷剂与所述上隔室中的液体制冷剂的混合。

在第十九示例中，公开了根据前述第十七或第十八示例的方法，其中，所述容器被密封以将该容器内的气体压力保持在至少大气压力的压力，并且响应于气体压力的增加，所述开口被所述容器内的气体压力机械地致动以增大所述开口。

在第二十示例中，公开了根据任何的前述第十六至第十九示例的方法，所述方法包括通过控制泵使液体制冷剂在所述下隔室和所述上隔室之间循环来保持所述上隔室中的液体制冷剂的温度。

在第二十一示例中，公开了根据任何的前述第十六至第二十示例的方法，所述方法包括通过控制混合器使来自所述下隔室的液体制冷剂与所述上隔室中的液体制冷剂混合来保持所述上隔室中的液体制冷剂的温度。

在第二十二示例中，公开了根据任何的前述第十二至第二十一示例的方法，其中，所述容器被密封以将该容器内的气体压力保持在至少大气压力的压力，并且所述方法包括感测所述容器内的气体压力并响应于感测到的气体压力来控制所述上隔室中的液体制冷剂的温度，以将感测到的气体压力保持在压力设定点。

在第二十三示例中，公开了根据任何的前述第十二至第二十二示例的方法，所述方法包括感测所述上隔室中的液体制冷剂的温度，并且响应于感测到的温度来控制所述上隔室中的液体制冷剂的温度，以将感测到的温度保持在温度设定点。