用于用超导电流载体传输电能的设备的制作方法

用于用超导电流载体传输电能的设备
1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于用超导电缆传输电能的设备
。
2.超导电流载体
、
特别是超导电缆或超导导电轨包括至少一个电导体元件，该至少一个电导体元件在足够低的温度
(
转变温度，
tc)
时转变为超导状态
。
超导体的转变温度的变化范围很大，从典型的金属超导体的情况下的
tc《10k
到陶瓷高温超导体的情况下的
tc值
》100k。
不排除在不久的将来会发现并工业开发出转变温度更高的超导体
。
3.为了维持超导状态，超导电缆必须用合适的冷却介质冷却
。
为了实现有效冷却，超导电流载体例如容纳在管状或矩形冷却通道
(
低温恒温器
)
中，冷却介质在操作期间经过该冷却通道
。
这种类型的超导电流载体是众所周知的，并且例如在
ep 2 328 156 a1、ep 2 608 223 a1
或
ep 2 793 240 b1
中有所描述
。
4.例如，过冷液化气体
(
比如，液氮
、
液氧
、
液氢
、
液化天然气
、
或液化稀有气体，特别是液氦
)
充当用于对超导电流载体进行冷却的冷却介质
。“过冷液化气体”在此应理解为意指在相应主导的压力下温度低于沸点温度的气体
。
与使用非过冷液化气体
(
即，在对应的沸点温度下的液化气体
)
相比，热量吸收最初仅导致液化气体的温度升高，而不会发生凝聚状态的改变
。
这样的冷却系统的示例在文件
us 6 732 536 b1、wo 2007/005091a1、ep 1 850 354 a1、us 2006/0150639 a1
或
ep 3 017 238 a1
中有所描述
。
在所有这些系统的情况下，液化气体都是被过冷后借助于泵供给到超导电流载体
。
在进行冷却后，冷却介质回流到过冷器，以便去除在此期间吸收的热量
。
在对超导电流载体进行冷却期间，热量输入主要通过供给泵和
/
或通过来自周围环境的热量输入发生，出于此原因，超导电流载体通常设置有良好的绝热体
(
例如，真空绝热体
)。
5.已知的系统的缺点特别是在冷却区段较长的情况下会显现出来
。
为了能够平衡抵消热量输入，随着电流载体的长度增加，经过管线的冷却介质必须更多
。
然而，使体积流量增大只能通过较大的流动截面和
/
或较大的流速来实现
。
在前一种情况下，布置成本增幅加快，达到商业上不再可接受的程度，在后一种情况下，高流速由于冷却介质在管道的内壁上的摩擦而也使耗散的热量输入增加，由此降低了冷却效率
。
6.出于这些原因，用于用超导电流载体传输电能的布置通常被划分成就流动而言彼此分开的冷却区段，这些冷却区段分别具有例如一千米的长度，并且针对这些冷却区段中的每一个，使用专用的循环冷却系统
。
然而，以这种方式建立长度相对较大的电能传输系统的设备支出是相当大的
。
7.wo 2014 026 873a1
披露了一种用于对物体
、
特别是超导电缆进行冷却的方法，其中，过冷低温冷却介质经过围绕超导电缆铺设的环形通道
。
借助于在电缆的两端处的两个储存容器进行冷却，冷却介质从这两个储存容器在交替方向上被导引穿过环形通道
。
因为冷却介质在交替方向上被导引，所以不需要独立的回流管线，附加的热量会通过独立的回流管线输入到系统中，但是需要两个储存容器导致设备支出较高
。
8.us 7 453 041 b1
描述了一种用于对超导电缆进行冷却的布置，其中，超导电缆同轴地容纳在第一
(
内部
)
管状通道中，该第一
(
内部
)
管状通道连接到用于冷却介质的供给
器
。
第一通道同轴地容纳在第二
(
外部
)
管状通道内，该第二
(
外部
)
管状通道在该布置的至少一个端面处与内部通道流体连接
、
并且配备有用于冷却介质的排放管线
。
在该布置的操作期间，温度低于超导电缆材料的转变温度的冷却介质
(
例如过冷液氮
)
被导引通过内部通道而使超导电缆冷却
。
随后通过外部通道回流的冷却介质充当隔热件，该隔热件保护内部通道免受来自周围环境的热量输入
。
以这种方式，可以减少电缆在总长度上的热量输入，因此可以使该布置在较大长度上延伸
。
9.然而，在这种设置下，问题在于，为了维持循环功能和冷却效率，两个通道中的氮气必须始终保持处于液态，这需要相当大的设备支出，而且减小了配备有冷却系统的电缆区段的有效长度
。
10.因此，本发明所基于的目的是提供一种用于用超导电流载体传输电能的设备，该设备即使在相对较长的管线区段上也允许有效冷却，而且设备支出相对较低
。
11.此目的是通过一种具有权利要求1的特征的设备来实现的
。
在从属权利要求中详细说明了本发明的有利配置
。
12.一种用于用超导电流载体
、
即特别是电缆或导电轨传输电能的设备，其中，待冷却的电流载体容纳在第一冷却通道中，该第一冷却通道通过冷却剂供给管线连接到用于第一冷却介质的供应装置并且配备有隔热件，该隔热件包围第一冷却通道并切热连接到至少一个第二冷却通道，该至少一个第二冷却通道旨在用于将第二冷却介质导引通过，其中，过冷液化气体用作第一冷却介质，因此，根据本发明，该设备的特征在于，液化气体用作第二冷却介质，并且至少一个第二冷却通道配备有至少一个气相分离器
。
13.因此，根据本发明的设备包括第一
(
内部
)
冷却通道和隔热件，待冷却的超导电流载体布置在该第一
(
内部
)
冷却通道中，该隔热件包围第一冷却通道并且热连接到第二冷却介质所流经的第二冷却通道
。
例如，隔热件是围绕第一冷却通道同轴地或以某种其他方式布置的第二冷却通道本身，或者是由导热性良好的材料制成的构造
(
例如，管状构造
)
，该构造包围第一冷却通道并且热连接到第二冷却介质所流经的一个或多个通道
。
用于对超导电流载体进行冷却的是过冷液化气体
(
比如，过冷液氮
、
过冷液氧
、
过冷液氢
、
过冷液化天然气
、
或过冷液化稀有气体
)
，该过冷液化气体的温度调节方式使得，在内部冷却通道中，该过冷液化气体始终保持处于液态并且温度低于超导电缆材料的转变温度
。
14.第一冷却介质在供给点处被引入到第一冷却通道中，该供给点例如在根据本发明的设备的头端处
、
或在根据本发明的设备的两个头端之间的中间的区域中
。
在这种情况下，第一冷却介质也可以是循环的，并且可以在每次进入第一冷却通道时使之经历过冷
。
15.同样，液化气体用于一个或多个第二冷却通道中使用的冷却介质，并且可以是与第一冷却通道中使用的气体相同或不同的气体
。
然而，第二冷却通道中的冷却介质的温度高于第一冷却通道中的冷却介质的温度，并且可以由于来自周围环境的热量输入而至少部分地蒸发；因此，与根据现有技术的设备的不同之处在于，无需使第二冷却通道中的冷却介质自始至终保持处于液态
(
例如，通过冷却到对应的温度
、
或通过施加对应的压力
)
，其结果是，可以在相当大的程度上节省冷却介质
。
而是，由于第二冷却通道中的冷却介质的蒸发而产生的气相在一个或多个气相分离器中与仍为液体的第二冷却介质分离并通过排气管线从第二冷却通道中去除
。
气相随后通过排气管线释放到周围大气中，或者继续用于某种其他用途
。
排气管线还可以至少在某些区段上延伸穿过第三冷却通道，该第三冷却通道围绕
第二冷却通道同轴地延伸
、
并且在这种情况下表示附加的隔热件
。
16.分离出的液相保留在第二冷却通道中
、
或再次回流到第二冷却介质的流中
。
在经过第二冷却通道之后，液相被再次用于在第一冷却通道中对超导电缆进行冷却
(
但替换了所去除的气相成分，而且重新进行了过冷
)
，或者继续用于某种其他用途，例如用于对连接到超导电缆的电源引线进行冷却
。
17.在第一冷却通道与隔热件之间和
/
或在第一冷却通道与第二冷却通道之间设置了传热系数较低的层，该层仅允许尽可能低的
、
从第二冷却通道到第一冷却通道的传热
。
绝热体
(
例如真空绝热体
)
围封隔热件和一个或多个第二冷却通道，或者如果第二冷却通道充当相对于第一冷却通道同轴布置的隔热件，则绝热体围封第二冷却通道
。
18.气相分离器优选地包括容器，在该容器中，液相和气相由于重力而发生分离，因此气相收集在容器的在大地测量学上的上部分中并通过排气管线从那里去除
。
然而，可以有利地在一个或多个气相分离器中使用其他用于相分离的机构，例如温度或压力受控的配件
、
或液密但透气的膜
。
根据本发明，还可以设想到，多个气相分离器被布置成在第二冷却通道的纵向方向上彼此相距一定距离
。
19.气相分离器应当布置在根据本发明的设备的
、
包围第二冷却通道和可能地第三冷却通道的外部绝热体内，或者气相分离器具有其自身的高效绝热体
(
例如真空室内的布置
)。
20.本发明的有利配置的特征在于，过冷的第二冷却介质用作第一冷却介质
。
21.在这种配置的情况下，第一冷却介质和第二冷却介质由相同的物质
(
例如液氮
)
组成，并且也可以取自同一储存容器
。
然而，冷却介质是在被引入到第一冷却通道中之前被过冷的
(
或者是不断循环并在每次重新进入第一冷却通道之前被过冷的
)
，而且，冷却介质在第一冷却通道内始终处于过冷液态
。
从第一冷却通道引入到第二冷却通道中的冷却介质由于来自周围环境的热量输入而升温，温差为例如
2k
至
10k。
在这种情况下，冷却介质也可能达到其沸点温度而部分地蒸发
。
在第二冷却通道中，冷却介质充当第一冷却通道中的冷却介质的隔热件，就此意义而言，冷却介质吸收较少量的热量
。
22.在这种情况下，来自第二冷却通道的仍为液体的冷却介质可以继续特别是用于某种其他冷却任务，例如用于对电源引线进行冷却
。
然而，本发明的特别优选的配置设想在第一冷却通道与第二冷却通道之间设置至少一个流动连接部，该至少一个流动连接部用于将冷却介质从第一冷却通道引入到第二冷却通道中
。
在这种情况下，经过第一冷却通道的冷却介质因此与经过第二冷却通道的冷却介质是相同的
。
因此，冷却介质在其被供给到第一冷却通道时处于过冷状态，在第一冷却通道中，冷却介质承担对超导电流载体进行冷却，然后冷却介质通过流动连接部或通过多个流动连接部进入第二冷却通道中，在第二冷却通道中，冷却介质充当第一冷却通道的隔热件
、
或对热连接到一个或多个第二冷却通道的隔热件进行冷却
。
在第二冷却通道中，冷却介质的至少一部分可以由于来自周围环境的热量输入而蒸发
。
蒸发的冷却介质与液相分离并被去除
。
保持处于液态的冷却介质经过第二冷却通道，并且随后可以再次使用，例如，该冷却介质与新鲜的冷却介质
(
替换所去除的气相
)
一起在过冷器中达到对超导电流载体进行冷却所需的操作温度
、
然后再次被供给到第一冷却通道中
。
23.根据本发明的设备具有两个头部部分，这两个头部部分界定用于超导电流载体的
冷却装置
。
在本发明的优选配置中，第一冷却通道与第二冷却通道之间的流动连接部
(
在设备的操作期间，来自第一冷却通道的冷却介质通过该流动连接部进入第二冷却通道
)
在这种情况下至少设置在头部部分的区域中
。
通过在流动连接部的端部处的这种布置，确保了第一冷却介质沿着超导电流载体到达其头部部分，因此对整个电流载体进行了充分冷却
。
在这种情况下，用于引入第一冷却介质的冷却介质供给管线可以布置在相反的头部部分处
、
或例如两个头部部分之间的中间的某个其他点处
。
在本发明的范围内还可以特别地设想到一种布置，其中，冷却剂供给管线例如在两个头部部分之间的中间通向第一冷却通道，并且在两个头端中的每一个处存在冷却通道之间的流动连接部
。
然而，流动连接部或至少一个流动连接部也可以设置在设备的头端之间的任何其他期望位置处
。
24.作为上述配置的替代或补充，多个流动连接部设置在第一冷却通道与第二冷却通道之间，该多个流动连接部被布置成在冷却通道的纵向方向上彼此相距一定距离
。
25.因此，在这种情况下，多个流动连接部设置在设备的长度上
、
在设备的纵向范围上彼此相距一定距离，在各自情况下，流经第一冷却通道的冷却介质的一小部分流通过该多个流动连接部流入第二冷却通道中
。
在这种情况下，第一冷却介质连续不断地被替换为来自冷却介质供给管线的新鲜的过冷液化气体
。
因此，维持超导所需的低温在内部冷却通道中保持
。
同时，随着距新鲜的冷却介质的供给点的距离增大，在第一通道中流动的冷却介质的流速降低，由此，由于冷却介质在管线的壁上的摩擦而导致的热量输入减少
。
在这种情况下，作为第一冷却通道与第二冷却通道之间的流动连接部而设置的贯通开口或管线的数量和直径特别是基于设备的长度确定的，并且应当被选择成使得即使在离供给点最远的点处也能确保对超导电流载体进行充分冷却
。
26.在本发明的又一有利配置中，第一冷却通道与至少一个第二冷却通道之间的流动连接部配备有用于控制冷却介质的通流量的配件
。
以这种方式，冷却介质的供应可以精确地适于对例如来自周围环境的热量输入
、
环境温度等的相应要求
。
27.在设备的头部部分之外，要么是超导电流载体连接到电气元件
(
例如正常导电的电源引线或负载，例如磁体或机器
)
，要么是在那里存在另一根据本发明的设备，借助于该另一设备对超导电流载体的另一区段进行冷却
。
28.在本发明的又一有利配置中，多个根据本发明的设备被组合而形成用于传输电能的较大布置，类似于
us 7 453 041 b2
中所描述的布置
。
出于此目的，该设备彼此前后串联布置，并且用于对具有对应长度的超导电流载体进行冷却
。
以这种方式，还可以设想到长度为
10km
至
100km
或更长的非常长的超导电流载体的操作
。
29.将基于附图更具体地解释本发明的示例性实施例，在附图中示意性地：
30.图1：以纵向截面示出了第一实施例中的根据本发明的设备的细节，
31.图2：以纵向截面示出了另一实施例中的根据本发明的设备的细节，
32.图3：示出了图2中的设备的沿着图1中的截面线
iii-iii
截取的截面，
33.图4：示出了另一实施例中的根据本发明的设备的截面
。
34.图1所示的设备1包括超导电流载体，在此所示的示例性实施例中，该超导电流载体是超导电缆
2、
或至少一段超导电流载体2，该超导电缆或该至少一段超导电流载体容纳在用于对超导体2进行冷却的冷却布置3中
。
冷却布置3具有管状或箱形壳体4，该壳体的长度为例如几百米到几千米，并且该壳体的两端终止于头部部分
5、6
处
。
35.超导电缆2基本上沿着壳体3的轴线布置
。
第一管状或箱形冷却通道7例如相对于超导电缆2同轴地延伸而包围该超导电缆，并且第二管状或箱形冷却通道8例如相对于该第一管状或箱形冷却通道同轴地延伸而包围该第一管状或箱形冷却通道，这些冷却通道通过由绝热性良好的材料制成的外壳9彼此分开
。
在头部部分
5、6
的区域中，冷却通道
7、8
在导通部
11a、11b
；
12a、12b
处就流动而言彼此连接；除此以外，在图1所示的示例性实施例中，冷却通道
7、8
之间没有流动连接部
。
36.气体排放通道
13
布置在第二冷却通道8的径向外侧，该气体排放通道进而被绝热体
(
例如真空绝热体
14)
围封
。
除了下文更具体地描述的在气相分离器
15
的区域中的流动连接部之外，第二冷却通道8与气体排放通道
13
之间没有流动连接部
。
气体排放通道
13
流体连接到排气管线
16
，在示例性实施例中，该排气管线设置在头部部分
(
在此是头部部分
5)
的区域中
。
37.设备1还具有冷却剂供给管线
17
，该冷却剂供给管线建立冷却装置
18
与第一冷却通道7之间的流动连接部
。
冷却装置
18
例如是用于使液化低温介质
(
例如液氮
)
过冷的过冷器
。
冷却装置
18
还通过回流管线
19
流体连接到第二冷却通道
8。
此外，冷却装置
18
连接到储存容器
20
，在设备1的操作期间，如有需要，可以从该储存容器供应新鲜的冷却介质
。
38.气相分离器
15
布置在壳体3的上部
(
从大地测量学上看
)
并且包括容器
21
，该容器通过供给管线
22
和回流管线
23
流体连接到第二冷却通道
8。
此外，通向气体排放通道
13
的气体管线
23
从容器
21
的上部分开口通入
。
39.设备1是用于传输电能的整体布置的一部分
。
在此所示的示例性实施例中，头部部分6与
(
在此仅指示的
)
相同的设备
25
邻接，超导电缆2被引导穿过两个设备
1、25
的端部处的端接壁
26、27。
然而，代替设备
25
，其他电气元件也可以邻接头部部分
5、6
，如在此以举例方式所示出的，在头部部分5的区域中
。
在那里，超导电缆2被引导穿过端接端壁
28
并连接到电气元件
29
，该电气元件可以是例如电力负载
、
或电源引线
、
或同样是根据本发明的设备
。
40.在设备1的操作期间，超导电缆2用过冷液化气体
(
例如，过冷氮气
、
过冷
lng、
过冷液氧
、
或过冷液化稀有气体
)
冷却
。
出于此目的，冷却介质从储存容器
20
被取出，在冷却装置
18
中达到低于其沸点的温度
(
即，被过冷
)
，并借助于在此未示出的供给装置
(
例如泵
)
通过冷却剂供给管线
17
供给到第一冷却通道7中
。
冷却介质在超导电缆2的超导导体元件处于超导状态的温度下在两个方向上经过冷却通道7直到头部部分
5、6。
在头部部分
5、6
的区域中，冷却介质流入第二冷却通道8中，从两个头部部分
5、6
经过该第二冷却通道并流入回流管线
19
中，在此所示的示例性实施例中，冷却介质通过该回流管线被供给到冷却装置
18
，在那里被冷却并再次被供给到第一冷却通道7中
。
如果冷却剂供给管线
17
在头部部分
5、6
的区域中，那么冷却介质仅在另一个头部部分
6、5
的方向上流经第一冷却通道
7。
41.第二冷却通道8中的冷却介质充当隔热件而防止热量从周围环境渗透
。
热量输入会导致冷却通道8中的冷却介质的温度升高至其沸点温度，最终部分地蒸发
。
因此，在第二冷却通道8中，冷却介质采取由液态成分和气态成分组成的相混合物的形式
。
冷却介质中所含有的气相在气相分离器
15
中与液相分离
。
当液相回流到冷却装置
18
时，分离出的气相经过气体排放通道
13
并最终通过排气管线
16
逸出
。
在替代配置中，没有气体排放通道
13
，并且气相从气相分离器
15
中直接导引出到周围大气中
。
使气态冷却介质经过气体排放通道
13
的作用是，进一步改进对来自外部的热量输入的屏蔽
。
气态冷却介质最终被释放到周围大气
中，或者继续用于某种其他用途
。
相应地，通过冷却通道
7、8
和冷却装置
18
循环的冷却介质部分地损失，并且必须用来自储存罐
20
的新鲜的冷却介质来替换
。
42.代替第一冷却通道7和第二冷却通道8的在此所示的同轴布置，可以以其他方式提供由导热性良好的材料制成的构造作为隔热件，该构造围绕第一冷却通道7布置，例如呈围绕第一冷却通道7布置的管壳的形式
。
在这种情况下，第二冷却通道被配置为在真空绝热体
14
内平行于第一冷却通道延伸的管线，并且热连接到所提及的构造；在这种情况下，也可以在真空绝热体
14
内使用多个热连接到该构造的第二冷却通道
。
43.图2和图3所示的设备
101
同样具有壳体
103
，该壳体具有第一冷却通道
107
和第二冷却通道
108
，该第一冷却通道同轴地围封超导电流载体
、
例如超导电缆
102
，该第二冷却通道围绕内部冷却通道
107
同轴地布置，这些冷却通道通过由绝热性良好的材料制成的外壳
109
彼此分开并被真空绝热体
114
包围
。
在图2所示的示例性实施例中，多个气相分离器就流动而言设置在冷却通道
108
与气体排放通道
116
之间，该多个气相分离器被布置成沿着冷却通道
108
彼此相距一定距离，然而，在此仅示出了其中一个气相分离器
115。
气相分离器
115
配备有用于去除在气相分离器
115
中分离出的气相的排气管线
。
44.然而，与设备1的不同之处在于，在壳体
103
的头部部分的区域中，冷却通道
7、8
之间没有流动连接部，而是，这两个冷却通道通过外壳
109
中的导通部
116a、116b、116c
流体连接，这些导通部被布置成在壳体
103
的纵向方向上彼此相距一定距离
(
例如，相距
100m
至
1000m
的距离
)
；除此之外，设备
101
的构造与设备1相同
。
45.在设备
101
的操作期间，冷却介质在箭头方向上通过冷却通道
107
流出冷却剂供给器
(
在此未示出
)
，并且冷却超导电缆
102。
在这种情况下，冷却介质的一小部分流分别通过导通部
116a、116b、116c
流出到冷却通道
108
中
。
因此，流经冷却通道
107
的冷却介质的质量流量随着距冷却剂供给器的距离增大而减小，并且流速以及由外壳9的内壁上的摩擦引起的热量输入减小
。
46.冷却介质在冷却剂排放管线
(
在此未示出
)
的方向上流经第二冷却通道
108。
此时，冷却介质从周围环境吸收热量而部分地蒸发，即，在第二冷却通道
108
内，冷却介质因此采取由液态成分和气态成分构成的相混合物的形式
。
冷却介质中所含有的气相在多个气相分离器
115
中以上述方式与仍为液体的冷却介质分离，这些气相分离器以规则的间隔布置在冷却通道
108
上，并且与液相分离的气相通过排气管线
113
被导引到周围大气中
。
仍为液体的冷却介质例如以上述方式在冷却装置中被冷却并再次被供给到冷却通道
107
中，但是也可以以一些其他方式使用仍为液体的冷却介质，例如用于对连接到超导电缆
102
的非超导电源引线
(
在此未示出
)
进行冷却
。
47.图4所示的示例性实施例与图3所示的示例性实施例的不同之处仅在于，冷却通道
107、108
之间的流动连接部不是通过简单的导通部
116a、116b、116c
实现的，而是用管线
117
代替导通部
116a、116b、116c
，该管线可以借助于配件
118
基于规定的程序或根据测量到的参数
(
例如，环境温度
、
或冷却介质在冷却通道
117、118
中的一个冷却通道中的温度
)
进行控制
。
48.附图标记清单
[0049]1设备
23
回流管线
[0050]2超导电缆
24
气体管线
[0051]3冷却布置
25
设备
[0052]4壳体
26
端接壁
[0053]5头部部分
27
端接壁
[0054]6头部部分
28
端接壁
[0055]7第一冷却通道
29
电气元件
[0056]8第二冷却通道
101
设备
[0057]9外壳
102
超导电缆
[0058]
10
–
103
壳体
[0059]
11a、11b
导通部
104-[0060]
12a、12b
导通部
105-[0061]
13
气体排放通道
106-[0062]
14
真空绝热体
107
第一冷却通道
[0063]
15
气相分离器
108
第二冷却通道
[0064]
16
排气管线
109
外壳
[0065]
17
冷却剂供给管线
110-[0066]
18
冷却装置
111-[0067]
19
回流管线
112-[0068]
20
储存容器
113
排气管线
[0069]
21
容器
114
真空绝热体
[0070]
22
供给管线
115
气相分离器
[0071]
116a、116b、116c
导通部
[0072]
117
管线
[0073]
118
配件
。