专利名称：具有备份冷藏装置的低温冷却系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于冷却超导装置的低温致冷系统，所述超导装置例如其转子具有高温超导部件的同步电机。
背景技术：
低温致冷器通常用来冷却热负荷，例如同步发电机(HTSG)中转子的高温超导磁场绕组。通过外部的低温致冷器使磁场绕组冷却到低温温度，所述外部的低温致冷器通过流体线路将冷氦气循环至转子中的磁场绕组低温冷却对于超导发电机来说是必需的。当转子磁场绕组被加热高于低温温度时，该转子磁场绕组会丧失其超导能力。为了确保发电机的连续运行，应该恒定地将低温冷却流体提供给超导磁场绕组。如果致冷器失效了，冷却流体的温度会升高，并且磁场绕组会足够的热以至于结束和停止具有超导能力。典型地使用备份致冷系统为磁场绕组提供恒定的冷却流体源，尤其是当主冷却系统失效或是需要维护的情况下。
传统的低温致冷系统包括Gifford-McMahon、脉冲管、斯特灵和反布雷顿致冷系统。图4和5示意地示出了由代表性的低温冷却器致冷系统冷却的HTS发电机转子线圈绕组102。图4示出了低温冷却器系统100，该低温冷却器系统100使用Gifford-McMahon(GM)、脉冲管(PT)、或斯特灵系统的冷头(coldhead)114，以便冷却冷却流体(典型的是处于绝对温度20°的氦气)，所述冷却流体在高温超导(HTS)转子线圈102中循环。致冷系统100包括循环压缩机104，所述循环压缩机104使致冷流体移动通过系统100中的以及系统和转子102之间的管线106。该致冷系统包括循环热交换器108、旁路阀110、用于Gifford-McMahon或脉冲管系统的多个冷头压缩机112和冷头114、以及冷头热交换器116。
图5示出了可替换的低温冷却器系统120，该低温冷却器系统120使用反布雷顿型致冷器120来冷却在转子中循环的流体。低温冷却流体冷却HTS转子102中的超导线圈。冷却流体流过线路106，该线路106具有至转子和来自转子的供给和返回线路。致冷器120包括压缩机和除油装置122，所述压缩机和除油装置122过滤并压缩例如氦气的冷却流体，并且将压缩后的流体传送至冷箱125中循环热交换器124。涡轮膨胀机126在流体被提供到转子102之前使其冷却。
在两种传统的低温冷却系统100和120中，存在多个由于其不工作就可以单独地导致致冷系统失效的部件。这些部件需要冗余度以及专用系统和程序，以便它们可以被临时移除而不会增加致冷系统的热负荷。
在高温超导发电机(HTSG)中，主低温冷却系统往往是昂贵的部件。具有冗余部件或冗余冷却系统的传统冷却系统进一步增加了所述低温冷却系统的成本。传统冷却系统中的冗余部件可以包括压缩机和冷头。可替代地，冗余主冷却系统可以提供给传统冷却系统。另外，传统的冷却系统往往会在发电机保持在线时，使用精确的装置以便于移除例如冷头的冗余冷却部件以用于整修。即使如此，还是存在一些惯例地通过使冷却系统和发电机停机而维修的冷却部件，例如过滤器和涡轮，它们不利地影响发电机的有效性和可靠性。
长时间以来需要简单、便宜和可靠的低温冷却系统，所述系统使主致冷系统100、120中的所有部件(或大部分部件)能够在不中断发电机工作的情况下进行维修。此外，存在对这样一种系统的需要，所述系统减少主致冷系统中部件的冗余度，以及允许在发电机在线的情况下用相对简单的装置移除致冷部件以用于整修。此外，需要在发电机启动过程期间能够使转子线圈快速冷却下来的致冷系统。
发明内容
本发明被实现为用于提供低温冷却流体给热负荷的冷却系统，所述系统包括主低温致冷系统；低温冷却流体供给线，具有耦合到热负荷的供给线出口和耦合到低温致冷系统的供给线入口；低温冷却流体返回线，具有耦合到热负荷的返回线入口和耦合到低温致冷系统的返回线出口；进一步包括隔离阀、旁路线、旁路阀和冷却装置的旁路冷却系统，所述隔离阀连接到供给线和返回线上，其中所述阀的每一个都具有一个闭合位置和一个打开位置，所述旁路线在供给线和返回线之间延伸，所述冷却装置连接到所述供给线和返回线中的一个。旁路冷却系统可以进一步包括容纳有旁路线和冷却装置的冷箱，所述冷却装置例如是耦合到致冷剂存储罐的打开或闭合的热交换器。
本发明还可以被实现为适于定位在主低温冷却系统和热负荷之间的低温备份冷却系统，该备份冷却系统包括在冷却流体供给线内的第一隔离阀，其中所述供给线具有可连接到主低温冷却系统的冷却流体供给线入口和可连接到热负荷的出口；在冷却流体返回线中的第二隔离阀，所述返回线具有可连接到热负荷的返回线入口和可连接到主低温冷却系统的返回线的出口；旁路线，所述旁路线可连接到第一隔离阀和热负荷之间的供给线，并且可连接到第二隔离阀和热负荷之间的返回线，以及冷却装置，所述冷却装置连接到旁路线和热负荷之间的返回线和供给线其中之一。
本发明可以进一步的被实现为提供低温冷却流体给热负荷的方法，所述方法包括冷却在主低温致冷器中的流体；将被冷却的流体通过供给线从主低温致冷器传送至热负荷；用冷却的流体来冷却热负荷，并且通过返回线将流体返回至主低温致冷器；阻塞流体来回于主低温致冷器的流动；使流体形成从供给线通过旁路线并且回到供给线中的再循环，同时阻塞主低温致冷器，并且在热交换器中冷却再循环的流体。
图1是具有备份冷却器用于将冷却流体提供给热负荷的低温致冷系统的示意2是具有第二备份冷却器的致冷系统的示意3是具有第三备份冷却器的另一个致冷系统的示意4是代表Gifford-McMahon、脉冲管、斯特灵类型系统的传统低温致冷系统的示意5是代表反布雷顿型系统的传统低温致冷系统的示意图具体实施方式
图1是用于冷却热负荷12的主低温致冷系统10的示意图。例如热负荷12可以是同步HTS发电机的转子中的超导磁场绕组线圈13。虽然以下公开的示例性实施例是使用例如氦的可压缩气体作为冷却流体的低温致冷系统，但是也可以使用例如液体的其他冷却流体。
例如，主致冷系统10包括热交换器14和诸如再循环压缩机风扇或泵的再循环装置16。例如，主致冷系统10可以是图4和5中所示的致冷系统100，120中的一个。再循环装置16压缩例如300°K的暖和温度的气体并将其从热负荷12提供给热交换器14。再循环装置可以包括冷却流体的存储容器18。热交换器14将从再循环装置16接收的气体冷却至低温温度。被冷却的气体流动通过气体线路20中的流体供给线19，所述气体线路20通过主冷却器10和负荷12，并且介于主冷却器10和负荷12之间。气体线路20也包括用于加热的气体从热负荷12流向主冷却器10的流体返回线21。
备份冷却系统30补充用于例如HTS发电机的热负荷12的主冷却系统10。该备份冷却系统可以介于主冷却器10和热负荷12之间，并且包括供给线和返回线19、21的一部分。备份系统30包括设置在主致冷系统10和热负荷12之间的冷箱(由虚线定义)。冷箱可以是良好绝热的室，用于将箱中的低温温度维持有限的时间周期，例如几个小时。备份系统冷箱包括用以冷却流向转子的供给线19中的流体的热交换器32、旁路阀34、返回线21中的隔离阀36以及供给线19中的第二隔离阀38。隔离阀可以在冷箱中并且朝向主冷却器10。隔离阀从冷箱的外部来看可以是打开的也可以是关闭的。
在主冷却系统10的正常工作过程中，旁路阀34是闭合的并且隔离阀36、38是打开的。冷却流体流过主冷却系统和热负荷之间的供给线和返回线19、21。热交换器23不会与冷却流体之间交换大量的热量。在正常工作过程中，备份系统相对来说是不工作的。
当由于主致冷部件失效或维护工作导致主致冷系统10不工作时，备份系统30可用来提供低温冷却流体至转子12的绕组13。备份系统30通过关闭隔离阀36、38以隔离主冷却系统而被激活。旁路阀34被打开以提供用以冷却通过备份系统(而不是主冷却器10)和转子12循环的流体的冷却流体回路。热交换器32移除来自流向转子的冷却流体的热量。由热交换器从冷却流体提取的热量最终被冷箱释放或是被热交换器吸收。
备份系统30取决于来自转子的离心力的固有抽吸动作，所述抽吸动作作用于冷却流体以及转子中冷却流体的膨胀，以使冷却流体通过转子12和备份系统30循环。因为当转子静止时通常不需要冷却流体，所以在备份系统中通常不需要单独的冷却流体泵。当转子不旋转时，对于转子的缓慢升温通常是可以接受的。如果需要低温冷却静止转子磁场绕组线圈，转子可以周期性地在全速空载(FSNL)情况下旋转，以通过转子线圈抽取冷却流体，从而周期性地冷却线圈13。另外，备份系统泵可以包括在供给线或返回线中。
热交换器32可以是多种不同类型热交换器中的一种。例如，热交换器可以是包括具有高比热值的大量固体物质(比如铅或焊料)的热电容器。来自主冷却器的流体在正常的冷却操作中冷却热交换器物质32。在备份操作(当隔离阀和旁路阀关闭主冷却器时)期间，被冷却的热物质32可用来冷却冷却流体(转子冷却剂)一段受所述物质的升温速率限制的时间。
图2是具有闭路的热交换器37的备份冷却系统30的示意图。在该闭路热交换器中，例如液氦的致冷剂从存储罐40流动通过流动控制阀42，并通过热交换器36，在此处所述致冷剂冷却转子冷却剂。在冷却转子冷却剂中，热交换器36可以将来自所述罐的致冷剂从液体转变为气体，所述气体最终通过排气阀44排放到大气中。
图3示出了具有开路热交换器46的备份冷却系统30。冷的致冷剂从存储罐40流入热交换器46的室48中。冷的致冷剂直接围绕在热交换器管50的表面上，所述热交换器管50传递通过供给线19流向转子的转子冷却剂。热交换器46也可以包含大量的例如固体或多孔块的热物质，其也担当了热电容器的作用。
在正常的冷却操作过程中，主冷却器10冷却冷却流体，隔离阀36、38是打开的，并且旁路阀34是关闭的。在正常的冷却操作过程中，可以用外部致冷剂冷却图2和3中所示的热交换器，用以补充对于转子的冷却量以用于更快速的冷却操作。
虽然本发明是结合当前被认为是最实用和优选的实施例而描述的，应该理解的是本发明不局限于被公开的实施例，而是相反，应该涵盖包含在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等效设置。
部件列表10 低温致冷系统12 热负荷13 线圈绕组14 热交换器
16 再循环装置18 存储容器19 流体供给线20 气体线路21 流体返回线30 备份冷却系统32 闭路热交换器34 旁路阀36 隔离阀38 隔离阀37 闭路热交换器40 存储罐42 流动控制阀44 排气阀46 开路热交换器48 室50 热交换器管100 低温冷却器102 超导发电机(HTSG)转子线圈104 循环压缩机106 管道系统108 循环热交换器110 旁路阀112 压缩机114 冷头116 热交换器120 反布雷顿致冷器122 压缩机/除油124 循环热交换器125 冷箱126 涡轮交换器
权利要求
1.用于提供低温冷却流体给热负荷(12)的冷却系统，所述系统包括主低温致冷系统(10)；低温冷却流体供给线(19)，所述供给线具有耦合到热负荷的供给线出口和耦合到低温致冷系统的供给线入口；低温冷却流体返回线(21)，所述返回线具有耦合到热负荷的返回线入口和耦合到低温致冷系统的返回线出口；以及第二冷却系统(30)，所述第二冷却系统进一步包括隔离阀(36、38)、旁路线、旁路阀(34)和冷却装置(32、37、46)，所述隔离阀连接到供给线和返回线，其中每一个所述阀都具有闭合位置和打开位置，所述旁路线在供给线和返回线之间延伸，所述冷却装置连接到所述供给线和返回线中的一个。
2.如权利要求1的冷却系统，其中第二冷却系统(30)进一步包括容纳有旁路线和冷却装置的冷箱。
3.如权利要求1的冷却系统，其中冷却装置是热交换器(32、37、46)。
4.如权利要求1的冷却系统，其中冷却装置是打开的热交换器(32)。
5.如权利要求1的冷却系统，其中冷却装置是闭合的热交换器(37)。
6.如权利要求3的冷却系统，进一步包括耦合到热交换器的致冷剂存储罐(40)。
7.如权利要求3的冷却系统，进一步包括耦合到热交换器(46)的致冷剂存储罐(40)，其中所述热交换器是开路交换器。
8.如权利要求3的冷却系统，进一步包括耦合到热交换器(37)的致冷剂存储罐(40)，其中所述热交换器是闭路交换器。
9.如权利要求1的冷却系统，其中热负荷(12)是发电机中转子的超导绕组(13)。
10.如权利要求1的冷却系统，其中冷却装置(32、37、46)耦合到供给线(19)。
全文摘要
用于提供低温冷却流体给热负荷(12)的冷却系统，所述系统包括主低温致冷系统(10)；具有耦合到热负荷的供给线出口和耦合到低温致冷系统的供给线入口的低温冷却流体供给线(19)；具有耦合到热负荷的返回线入口和耦合到低温致冷系统的返回线出口的低温冷却流体返回线(21)；进一步包括隔离阀(36、38)、旁路线、旁路阀(34)和冷却装置(32、37、46)的旁路冷却系统(30)，所述隔离阀连接到供给线和返回线上，其中每一个所述阀都具有闭合位置和打开位置，所述旁路线在供给线和返回线之间延伸，所述冷却装置连接到所述供给线和返回线中的一个。旁路冷却系统可以进一步包括容纳有旁路线和冷却装置的冷箱。
文档编号H02K55/00GK1789862SQ20051013176
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者A·E·斯坦巴克 申请人:通用电气公司