用于冷却负载的方法和设备以及包括对应的设备和负载的
系统
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于冷却负载的方法和设备以及包括根据相应独立
权利要求的前序部分的对应设备的系统。
背景技术
[0002] 高压和中压线缆和导电轨可以以高温超导体(HTS)的形式构造。这种线缆和导电轨可带有直流电和交流电，并且在下文中称为“HTS电源”。它们需要冷却到低于100K、优选低于80K的
温度。
[0003] 尽管下文主要参考HTS电源作为负载来描述本发明，其同样适用于冷却要求冷却功率达到相当的
冷却水平的其它负载、特别是超导体材料，但还有例如由诸如
铜和
铝之类的常规金属制成的线缆、
电流载体和其它结构。
[0004] 从
现有技术中已知用于冷却对应的负载得各种各样的方法和设备。总之，它们的功能例如根据以下原则：
[0005] ·通常，在
泵中置于高压下并且在
过冷器中冷却到所需冷却温度的液氮被输送到负载，在那里它被加热并最终返回到泵。
[0006] ·还已知其中再循环氮气在泵上游的过冷与在泵下游的过冷相结合的回路。为此，需要两个过冷器
热交换器，并将它们放置在过冷器中。
[0007] ·在其最简单的形式中，过冷器中的热交换器是盘管，其
定位在液氮浴中(“浴氮”)。较温暖的再循环氮气穿过盘管并且由在外部的较冷的浴氮冷却。浴氮在此过程中
蒸发。其它类型的热交换器也可以用作盘管热交换器的替代物。
[0008] ·由于浴氮的蒸发而在过冷器中发生的损失通常通过从储存罐补充新的液氮来弥补。
[0009] ·泵下游
冷却剂回路中的压
力选择成使得循环氮气始终保持液态且没有
蒸汽泡形成。从
热力学角度来看，这意味着回路中的压力必须始终高于过冷器浴中的压力，并且必须将再循环氮气加热到其沸点之上。
[0010] ·再循环氮气在过冷器的出口处达到其最低温度。该温度基本上由在过冷器中使用的浴氮的温度(以及过冷器中的热传递)确定。
[0011] ·为了降低温度，通过使用机械(通常油润滑的)
真空泵连续泵出来降低放置的浴氮所处在的压力。可以达到的温度下限约为63K，这对应于约0.13巴的蒸气压力。在更低的温度下，浴氮会冻结。
[0012] ·通过将一个或多个冷却单元(也称为低温冷却器)集成在过冷器中，也可以降低浴氮的温度。一个或多个冷却单元对在冷却期间蒸发的浴氮进行冷却和
液化/再冷凝，直到达到所需的冷却温度；在这种情况下，不需要
真空泵。通常将“布雷顿(Brayton)”或“斯特林(Stirling)”冷却单元用作低温冷却器。对应的冷却系统构造为闭式系统。
[0013] DE 10 2013 01 1 212 A1公开了一种所述类型的设备，其中主要方面在于如何处理再循环氮气的体积变化。建议的是在储存罐和氮气回路之间使用管线，其开口位于泵的上游。为了实现类似的目的，EP 1 355 1 14 A3建议将膨胀罐构建到回路中。膨胀罐也用于商用系统，但这些通常一体形成在过冷器中。
[0014] DE 197 55 484 A1描述了一种方法，其中使用主要由氮气和
氧气组成的液体混合物代替再循环氮气。
[0015] 在过冷器中使用机械真空泵以产生冷却是一种(从投资成本的角度来看)相对便宜的方案的实例，但是在
能量方面效率低。这特别是由于以下事实：抽吸出的经冷却的氮气蒸汽的有价值的冷量(因为它存在于非常低的温度下)没有被使用，而是被消除了。通常，冷却单元的使用在能量方面是有利的，但是合适的装置相对昂贵，因此它们的使用通常是不经济的。
[0016] 因此，本发明旨在解决以下问题：提供用于冷却对应负载的改进的方法和设备。
发明内容
[0017] 在本文中，本发明提出了一种用于冷却负载、特别是电源、优选地是HTS电源的方法和设备，以及有着具有
独立权利要求的特征的对应设备和负载的系统。优选的变型是
从属权利要求和后续描述的客体。
[0018] 本发明基于的认识是，对冷却对应的负载特别有利的是使用一个开式冷却系统和一个闭式冷却系统的组合。在这样的布置中，该开式冷却系统基于如前所述的液氮蒸发，该闭式冷却系统使用一体形成的冷却单元工作。
[0019] 在闭式冷却系统和开式冷却系统布置在负载的不同
位置时，当在电源的不同端部冷却该电源时，获得了特别的优点。因此，根据本发明提供了这种方法。
[0020] 在这种情况下，如所解释的需要更大投资成本的闭式冷却系统被设计成使得其冷却功率等于总冷却系统、也就是说开式冷却系统和闭式冷却系统的组合的25％至75％的可用冷却功率。
[0021] 开式冷却系统设计成使得其可以在最小负载模式下运行，其中至少有循环氮气被循环。在最小负载模式下，通过泵出浴氮来将主动冷却降低到系统特定的最小值。
[0022] 两个冷却系统(开式冷却系统和闭式冷却系统)都在连续运行。在本文中，负载的冷却要求优选地由闭式系统的冷却功率提供。开式冷却系统以上述的最小负载模式运行。其冷却功率仅提供闭式冷却系统无法提供的冷却功率。
[0023] 利用根据本发明建议的措施可以获得许多优点。在本发明的范围内，冷却要求的一部分可以主要由有效的闭式冷却系统供应。这具有在冷却时提高能量效率的效果。需要峰值时可通过效率较低的开放系统来
覆盖。根据本发明建议的由一个开式冷却系统和一个闭式冷却系统组成的总系统基本上比完全闭式冷却系统更具成本效益，因为必须循环的氮气量少得多。通过在负载的不同位置使用不同的冷却系统，可以显著增加可以冷却的长度。例如，在HTSL电源的情况下，可以显著增加用于递送冷却功率的长度。
[0024] HTS电源通常以不同的负载模式运行。这些包括欠载、设计负载和过载，这导致不同的冷却要求。本发明的主要优点还在于，在HTSL电源过载期间出现的冷却功率要求的峰值可以通过开式冷却系统的功率增加来处理。
[0025] 总之，本发明提出了一种通过使用液氮来冷却负载的方法，该液氮在回路中输送，通过与经
冷却液氮的间接热交换来冷却，并与负载进行热交换。如之前所述的，已知通过与更冷的氮气进行间接热交换来冷却对应的“再循环氮气”。
[0026] 当前，在本发明的范围内提供的是，用于冷却回路中输送的液氮的冷却液氮的第一部分在开式冷却系统中通过减压和除去由于减压而形成的氮气蒸汽来冷却，并且其第二部分在封闭的冷却系统中使用一个或多个冷却单元来冷却。
[0027] 通常在本发明的范围内，“开式”冷却系统被理解为其中冷却剂蒸发并且由蒸发形成的冷却蒸汽从冷却系统中移除的冷却系统。因此，开式冷却系统的特征在于连续消耗冷却剂，该冷却剂例如从储存容器补充。
[0028] 相反，在本文中，“闭式”冷却系统被理解为其中冷却剂在回路中输送并在该过程中冷却的冷却系统。在闭式冷却系统中，通常没有不可避免的冷却剂消耗。
[0029] 在本发明的范围内，在闭式冷却系统中使用的一个或多个冷却单元特别包括由氖和/或氦驱动的一个或多个斯特林(Stirling)冷却单元和/或一个或多个布拉顿(Brayton)冷却单元。从现有技术中已知这种冷却单元。
[0030] 斯特林冷却单元是基于斯特林
发动机的工作原理的冷却单元。布雷顿冷却单元使用诸如氦气和/或氖气之类的惰性气体或惰性气体混合物作为工作气体。将其馈送到
压缩机在其中“变暖”且压缩。使用诸如水、空气或液氮之类的合适的冷却剂来耗散压缩热量。工作气体被降压以用于冷却，然后再次返回压缩机。在工作气体降压之前，它以逆流方式采用先前用于冷却的工作气体来冷却。
[0031] 如前所述，为了冷却开式冷却系统中的氮气，可以降低其暴露于的压力，这样，蒸发的氮气可以输送走。然而，在对应的开式冷却系统中，完全可以使用其它减压装置。
[0032] 如前所指示的，根据本发明的方法包括将开式冷却系统和闭式冷却系统布置在负载上的不同位置。以这种方式，待冷却的负载可以比仅在一个位置处的布置具有更大的尺寸，因为这能使在冷却区段上发生的冷量损失得到更好的补偿。在这种情况下，主冷却功率可以施加在第一位置，然后在第二位置处仅需要补偿冷量损失。
[0033] 根据本发明的方法用于冷却具有第一端和第二端的电源，其中开式冷却系统布置在电源的第一端处，并且闭式冷却系统布置在电源的第二端处。以这种方式，例如可以产生相当地更长的线长度，这可以采用根据现有技术的方法而实现。
[0034] 如前所述的，特别是HTS电源可以在各种负载模式下运行。然而，在本发明范围内，同样的应用在原则上也适用于可以冷却的其它负载。为了满足不同的冷却需求，因此提供的是用于供应冷却功率的方法：在第一时间段中以总冷却功率的第一、较小的量，并且在第二时间段中以总冷却功率的第二、较大的量来使用。以这种方式，所供应的冷却功率可以快速且灵活地适应冷却需求。
[0035] 如之前总体上讨论的，在本文中，特别有利的是，总冷却功率的量的第一部分由开式冷却系统供应，而总冷却功率的量的第二部分由闭式冷却系统供应，其中，第一部分在第一时间段中的值被调整到比在第二时间段中的值更低。因此，根据本发明还提供了这种方法。换言之，能量效率较低的开式冷却系统因此有利地用于服务需求峰值，而更能量高效的闭式冷却系统满足主要的冷却需求。为了实现这样的设定，例如可以提供合适的控制或调节系统，其例如评估HTSL电源中的作为输入变量的电流强度。因此，在根据本发明的方法中，第二部分有利地设定为在第一时间段中与在第二时间段中的值相同。
[0036] 特别地，在每个开式冷却系统和闭式冷却系统中，在根据本发明建议的方法中，回路中输送的液氮可以从70K至78K、例如74K的温度水平冷却到65K至70K、例如约67K的温度水平。通过冷却负载，回路中带有的液氮被加热到例如约74K。在开式冷却系统中，可以使用含有液氮的过冷器，该液氮通过借助于真空泵来泵出而达到例如约0.2巴的压力，并因此达到例如约65K的温度。填充有液氮的低温容器有利地借助于真空泵保持在略微的真空。回路中输送的液氮有利地在开式冷却系统和闭式冷却系统中以5巴至20巴的压力水平冷却，为此提供对应的(循环)泵。
[0037] 本发明还涉及一种使用液氮以用于冷却负载的设备，该设备设计成在回路中输送液氮，通过与经冷却液氮的间接热交换来冷却液氮，并将其暴露于相对负载进行的热交换。
[0038] 该设备的特征在于，为了冷却被提供以用于冷却回路中输送的液氮的液氮的第一部分，设置有一种开式冷却系统，其设计成通过降低压力并将由此形成的氮气蒸汽输送走来冷却液氮的第一部分，从而冷却被设置成用于冷却回路中输送的液氮的液氮的第二部分，设置有一种包括一个或多个冷却单元的闭式冷却系统，其特别包括使用氖和/或氦来运行的一个或多个斯特林冷却单元和/或一个或多个布雷顿冷却单元，开式冷却系统和闭式冷却系统设计成用于冷却具有第一端和第二端的电源，其中，开式冷却系统布置在电源的第一端，且闭式冷却系统布置在电源的第二端，并且该设备设计成在第一时间段中以总冷却功率的第一、较小的量，并且在第二时间段中以总冷却功率的第二、较大的量来供应冷却功率，其中，总冷却功率的量的第一部分由开式冷却系统供应，而总冷却功率的量的第二部分由闭式冷却系统供应，并且该第一部分在第一时间段中的值被设定为低于在第二时间段中的值。
[0039] 关于根据本发明建议的设备的特征和优点，明确参考与根据本发明的方法有关的前述说明。
[0040] 对应的解释也适用于也是根据本发明所提出的系统，该系统包括待冷却的负载，并且根据本发明包括刚刚解释的那种设备。
[0041] 在下文中，将参考
附图更详细地解释本发明，附图中示出了本发明的
实施例。
附图说明
[0042] 图1a和图1b以简化的示意图示出了根据现有技术的系统。
[0043] 图2以简化的示意图示出了根据本发明的实施例的系统。
[0044] 在附图中，相同或功能相同的元件用相同的附图标记表示。为了清楚起见，不再重复对这些元件的解释。
具体实施方式
[0045] 图1a示出了根据现有技术的系统的简化示意图，其整体上以200表示。
[0046] 系统200包括负载1，其特别可以是(HTS)线缆系统。这使用液氮来冷却，该液氮在循环流2中输送。在负载1冷却之后，在例如约73K的温度水平和例如约10巴的压力水平下的循环流2中的液氮被馈送到液氮泵或
循环泵3，其可以由压力调节系统4来调节。
[0047] 循环流2中的氮气温度由此升高到例如约为74K。然后循环流2中的氮气前进以便在整体用10表示的开式冷却系统的过冷器11中过冷却，在该处其在过冷却热交换器15中冷却到例如约67K的温度水平。在过冷器11的下游，循环流2中的氮气处于该温度水平并且处于例如约15巴的压力水平，并且再次用于冷却负载1。
[0048] 开式冷却系统10包括机械真空泵12，其从过冷器11或从其蒸发室中提取氮气蒸汽，并且由此将过冷器11或其蒸发室中的压力水平降低到例如约0.2巴的值。在过冷器11或其蒸发室中的液氮(“浴氮”)的温度水平由此降低至例如约65K的值。
[0049] 为了补偿对应的蒸发损失，提供液氮储存器13，其可以例如使用空气分离设备和/或通过外部再填充来填充。在所示的示例中，液氮储存器13包括用于压力积累蒸发的装置14。
[0050] 如前所述，从能量的观点来看，对应的开式冷却系统10的运行在某种程度上是不利的，因为在此利用真空泵12抽出的氮气通常排放到大气(amb)。
[0051] 替代地，而非附加于对应的开式冷却系统10，相关(背景)技术因此也可以使用具有过冷器11和过冷却热交换器17的闭式冷却系统20，如在此部分示出的。
[0052] 在系统中，氮气在过冷器11中使用合适的冷却单元冷却，该过冷器11可以有与开式冷却系统的过冷器11大致相当的设计，如所解释的，该冷却单元可以特别地包括使用氖和/或氦来驱动的一个或多个斯特林冷却器(Stirling coolers)和/或一个或多个布雷顿冷却器(Brayton coolers)。
[0053] 图1b示出了根据现有技术的系统的简化示意图，其整体上以300表示。系统300与图1a的系统200类似地构造，但在泵3上游的开式冷却系统10(或在闭式冷却系统20中的附加过冷式热交换器18)中配备有附加的过冷却热交换器16。。
[0054] 图2示出了根据本发明的系统的简化示意图，其整体上以100表示。
[0055] 系统100基本上包括参考图1a和图1b以及在其中示出的系统200和系统300所解释的部件。然而，开式冷却系统10和闭式冷却系统20二者都设置在系统100中。
[0056] 在系统200中，在开式冷却系统10的过冷器11或其过冷却热交换器15中进行过冷却之后，循环流2的液氮用于冷却负载1，但之后它不会返回到泵3，而是首先其在闭式冷却系统20的过冷器11中再次冷却。
[0057] 先前参考图1的系统200所讨论的开式冷却系统10的过冷器11的入口和出口处的温度和压力水平也存在于系统100中。在用于冷却负载2之后并且在进入闭式冷却系统20的过冷器11之前，循环流2的液氮具有例如约73K的温度水平。
[0058] 在闭式冷却系统20的过冷器11中，循环流2的液氮被冷却到例如约67K的温度水平，并且在该温度水平下，它再次用于冷却负载1。循环流2的氮气以例如约10巴的压力水平和例如约73K的温度水平返回到泵3，并且在此之前，在开式冷却系统10的过冷器11或其过冷却热交换器11中再次冷却。
