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涉及超导俘获场磁体盒的装置、系统和方法

阅读：1013发布：2020-07-16

专利汇可以提供涉及超导俘获场磁体盒的装置、系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了低温恒温器盒。低温恒温器盒可以包括具有制冷剂入口、制冷剂出口的低温恒温器以及低温恒温器内部的超导体材料，该超导体材料配制为由通过制冷剂入口进入低温恒温器并且通过制冷剂出口退出低温恒温器的制冷剂来冷却。制冷剂入口配置与制冷剂源可拆离。低温恒温器盒可以被插入用于激活超导体材料的激活模块中并且还可以被插入超导体设备中。，下面是涉及超导俘获场磁体盒的装置、系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低温恒温器盒，包括：
低温恒温器，其具有制冷剂入口和制冷剂出口；以及
所述低温恒温器内部的超导体材料，其配置为由通过所述制冷剂入口进入所述低温恒温器并且通过所述制冷剂出口退出所述低温恒温器的制冷剂来冷却；
其中，所述制冷剂入口配置为能够与制冷剂源拆离，并且所述低温恒温器配置为插入超导体设备中。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，其配置为耦连到用于激活所述超导体材料的外部激活模块。
3.根据权利要求3所述的低温恒温器盒，其中，所述激活模块包括所述制冷剂源。
4.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，其中，所述超导体设备是电动机。
5.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，所述低温恒温器盒配置为将所述超导体材料的温度降低到所述超导体材料的临界温度处或低于所述临界温度的温度。
6.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，其中，所述超导体材料包括多个超导体盘或者超导体环面。
7.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，其中，所述低温恒温器盒包括热绝缘。
8.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，其中，所述超导体材料是高温超导体。
9.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，进一步包括耦连到所述低温恒温器的温度传感器。
10.根据权利要求1所述的低温恒温器盒，进一步包括耦连到所述低温恒温器的加热元件。
11.一种方法，包括：
将低温恒温器盒插入超导体设备中，其中，所述低温恒温器盒包括：
低温恒温器，其具有制冷剂入口和制冷剂出口；以及
所述低温恒温器内部的超导体材料，其配置为由通过所述制冷剂入口进入所述低温恒温器并且通过所述制冷剂出口退出所述低温恒温器的制冷剂来冷却；
其中，所述制冷剂入口配置为能够与制冷剂源拆离；
通过所述制冷剂入口将来自所述制冷剂源的所述制冷剂提供给所述低温恒温器盒。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述超导体设备是电动机。
13.一种发动机，包括：
转子和定子，其中，所述转子配置为相对于所述定子进行旋转；
容器，其耦连到所述转子或所述定子，其中，所述容器配置为接收低温恒温器盒，所述低温恒温器盒包括：
低温恒温器，其具有制冷剂入口和制冷剂出口；以及
所述低温恒温器内部的超导体材料，其配置为由通过所述制冷剂入口进入所述低温恒温器并且通过所述制冷剂出口退出所述低温恒温器的制冷剂来冷却；
其中，所述容器进一步配置为允许所述低温恒温器盒被插入并且从所述容器移除。
14.根据权利要求13所述的发动机，进一步包括制冷剂源，其可操作以通过所述制冷剂入口向所述低温恒温器盒提供所述制冷剂。
15.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述容器固定地耦连到所述转子。
16.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述容器固定地耦连到所述定子。
17.根据权利要求13所述的发动机，进一步包括围绕所述转子或定子的周界分布的多个容器。

说明书全文

涉及超导俘获场磁体盒的装置、系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2011年12月8日提交的、序列号为61/568,344的美国临时申请的优先权，其全文通过援引的方式合并入本文。

[0003] 利用在由美国海军研究局颁布的第N00014-10-2-0001号协定下的政府支持制定本发明。政府在本发明中具有某些权利。

背景技术

[0004] 1.技术领域

[0005] 本发明涉及超导体，并且更具体地，涉及包含超导体材料的可移除的低温恒温器盒(cryostat cartridge)的装置、系统和方法。

[0006] 2.相关领域描述

[0007] 超导性在低于特性温度，被称为临界温度的特定材料中发生。例如，固态汞在大约4.2开尔文(“K”)处变为超导体(“SC”)。高温超导体是在相对高的临界温度处变为超导的材料。

[0008] 超导磁体典型地是具有由超导材料制成的线圈的电磁体。相比利用不是超导体的导体制成的常规电磁体，超导磁体可以创建更大的磁场。

[0009] 超导体在电动机中可能是有用的。例如，超导磁体或者具有俘获磁场的超导体可以替换电动机中的常规电磁体或者永久场磁体(permanent ﬁeld magnet)。

发明内容

[0010] 公开了低温恒温器盒。在一些实施例中，低温恒温器盒可以包括具有制冷剂入口和制冷剂出口的低温恒温器。此外，低温恒温器盒可以包括低温恒温器内部的超导体材料，其配置为由通过制冷剂入口进入低温恒温器并且通过制冷剂出口退出低温恒温器的制冷剂来冷却。在一些实施例中，制冷剂入口配置为与制冷剂源可拆离。在一些实施例中，低温恒温器可以配置为插入超导体设备中。

[0011] 在一些实施例中，低温恒温器盒可以配置为耦连到用于激活超导体材料的外部激活模块。激活模块可以包括例如制冷剂源。

[0012] 在一些实施例中，超导体设备可以是电动机或发电机。此外，在一些实施例中，低温恒温器盒可以配置为将超导体材料的温度降低到超导体材料的临界温度处或低于该临界温度的温度。在一些实施例中，例如，超导体材料可以包括多个超导体块体(bulk)材料，诸如超导体盘或者超导体环面(toroid)。在一些实施例中，超导体材料可以是高温超导体。

[0013] 在一些实施例中，低温恒温器盒可以包括热绝缘。该热绝缘可以是真空绝缘。

[0014] 在一些实施例中，低温恒温器盒还可以包括耦连到低温恒温器的温度传感器。此外，低温恒温器盒可以包括耦连到低温恒温器的加热元件。

[0015] 还公开了方法。在一些实施例中，方法包括将低温恒温器盒插入激活模块中的步骤。此外，方法可以包括将磁场施加到超导体材料。此外，在一些实施例中，方法可以包括通过制冷剂入口将来自制冷剂源的制冷剂提供给低温恒温器盒。方法还可以包括从激活模块移除低温恒温器盒。

[0016] 在一些实施例中，方法可以包括将低温恒温器盒插入诸如电动机的超导体设备中的容器(receptacle)中。在一些实施例中，方法可以包括将低温恒温器盒插入超导体设备中。

[0017] 还公开了发动机。在一些实施例中，发动机可以包括转子和定子。转子可以配置为相对于定子进行旋转。在一些实施例中，容器可以耦连到转子或者定子。此外，在一些实施例中，容器可以配置为允许低温恒温器盒被插入并且从容器移除。

[0018] 在一些实施例中，超导体设备不具有当超导体盒被插入容器中时激活该超导体盒的能力。

[0019] 在一些实施例中，容器可以固定地耦连到转子。在一些实施例中，容器可以固定地耦连到定子。此外，在一些实施例中，发动机可以包括围绕转子或定子的周界分布的多个容器。

[0020] 术语“耦连”被定义为连接，但是不一定直接地并且不一定机械地。

[0021] 术语“固定地耦连”被定义为机械地耦连以便最小化被耦连在一起的件之间的相对运动。

[0022] 除非本公开另外明确地要求，否则术语“一”和“一个”被定义为一个或多个。

[0023] 如本领域的普通技术人员所理解的，术语“大致地”和其变体被定义为大部分地但不一定全部地为所指定内容。在本文的设备和方法的任何实施例中，术语“大致地”和术语“大约”可以利用所指定内容的“[百分比]内”来替换，其中，百分比包括0.1％、1％、5％和/或10％。

[0024] 术语“包括(comprise)”(以及任何形式的包括，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)(以及任何形式的具有，诸如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括(include)(以及任何形式的包括，诸如“包括(includes)”和“包括(including)”)以及“包含(contain)”(以及任何形式的包含，诸如“包含(contains)”和“包含(containing)”)是开放式连系动词。结果，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”或“包含(contains)”一个或多个步骤或元件的方法或装置具备那些一个或多个步骤或元件，但不限于仅具备那些一个或多个元件。同样地，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”或“包含(contains)”一个或多个特征的方法的步骤或装置的元件具备那些一个或多个特征，但不限于仅具备那些一个或多个特征。此外，以某个方式配置的装置或结构以至少该方式来配置，但是也可以以未列出的方式来配置。

[0025] 任何本文的低温恒温器盒以及用于使用它们的方法的任何实施例可以包括(consist of)或者基本上包括(consist essentially of)-而不是包括(comprise)/包括(include)/包含(contain)/具有(have)-任何所描述的元件和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“包括(consist of)”或者“基本上包括(consist essentially of)”可以替换上文所记载的任何开放式连系动词，以改变给定权利权利要求的范围，与否则使用开放式连系动词时不同。

[0026] 联系附图参考下面的具体实施例的详细描述，其它特征和相关联的优势将变得显而易见。

附图说明

[0027] 下面的附图以示例而非限制的方式示出。出于简洁和清晰的缘故，给定结构的每个特征并不总是在该结构出现的每个附图中标示。同样的参考标号不一定指示同样的结构。更确切地说，相同的参考标号可以用来指示类似的特征或者具有类似功能性的特征，不同的参考标号也是如此。

[0028] 图1示出了低温恒温器盒。

[0029] 图2示出了激活模块中的低温恒温器盒。

[0030] 图3示出了两个低温恒温器盒被插入转子上的两个容器中的超导体发动机。

[0031] 图4是示出激活低温恒温器盒并且随后将该盒插入超导体设备中的方法的流程图。

[0032] 图5是示出用于使用低温恒温器盒的方法的流程图。

具体实施方式

[0033] 参考在附图中示出并且在下面的描述中详述的非限制性实施例更充分地解释了各种特征和有利的细节。省略众所周知的原始材料、处理技术、部件和设备的描述以免在细节上不必要地混淆本发明。然而，应该理解，虽然指示本发明的实施例，但是详细描述和具体示例仅以例示的方式而不以限制的方式给出。潜在的发明概念的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或重新排列将根据本公开对本领域的技术人员变得显而易见。

[0034] 图1示出了低温恒温器盒100的一个实施例。低温恒温器盒100包括低温恒温器102，其可以配置为帮助将低温恒温器102内部的温度维持在特定温度处。低温恒温器壁
110例如可以包括热绝缘。热绝缘可以是绝缘材料，诸如发泡，或者热绝缘可以包括真空绝缘。

[0035] 低温恒温器102包括制冷剂入口104和制冷剂出口108。制冷剂入口配置为允许制冷剂进入低温恒温器102。制冷剂可以降低低温恒温器102内部的温度以及低温恒温器102中的任何内容。制冷剂可以例如是液态氮或者液态氦或者气态氦。虽然未在图1中示出，但是制冷剂可以通过制冷剂入口104进入并且可以通过冷却系统循环，到SC可以沉浸于制冷剂浴中的程度。在未示出的一些实施例中，低温恒温器102可以包含帮助确保制冷剂均匀地通过低温恒温器循环的隔板。

[0036] 低温恒温器102内部是超导体材料106。可以以各种不同的形状来配置超导体材料106。例如，如图1中所示，超导体材料106可以包括多个分开的单独结构，每个由超导体材料106制成。例如，超导体材料106可以是圆盘或者环面的形状。例如，超导体106可以包括高温超导体，并且可以由各种复合物(composition)中的一个或多个制成，所述复合物诸如YBaCuO或BSCCO。超导体材料106可以配置或者定位为由传递通过制冷剂入口104的制冷剂来冷却。例如，超导体材料106可以物理地耦连到包含制冷剂的冷却线圈(cooling coil)(未示出)。低温恒温器102还可以具有配置为允许制冷剂退出低温恒温器102的制冷剂出口108。

[0037] 低温恒温器盒100还可以包括耦连到低温恒温器102的温度传感器112。温度传感器可以是监视低温恒温器102内部的温度以确保超导体材料106在特定温度处或低于特定温度的系统的一部分。此外，低温恒温器盒100可以包括加热元件114，其可以配置为使低温恒温器102内部的温度升高。

[0038] 图2示出了被插入激活模块202的低温恒温器盒100的实施例。激活模块配置为安置低温恒温器盒。虽然在该实施例中低温恒温器盒100完全被激活模块102所包封，但是，在一些实施例中，低温恒温器盒100可以仅与激活模块202进行接触。

[0039] 激活模块202可以包括制冷剂源204。制冷剂源204配置为在入口接口212处耦连到制冷剂入口104并且向低温恒温器盒100提供制冷剂。制冷剂源204还配置为诸如当低温恒温器盒100从激活模块202被移除时与制冷剂入口104解耦。虽然制冷剂源104在图2中被示出为单个结构，但是，在一些实施例中，该源可以空间地从与低温恒温器入口进行物理接触的阀或连接器移除。例如，低温恒温器源204可以包括液态氮的箱(tank)以及具有将该箱连接到低温恒温器入口104的连接器的软管。

[0040] 该激活模块202的实施例还包括配置为在出口接口210处耦连到制冷剂出口106的制冷剂槽(sink)206(或回路(return))。在一些实施例中，制冷器出口106可以配置为使制冷剂耗散而不将制冷剂传递到制冷剂槽206。

[0041] 激活模块202的一个功能可以是激活低温恒温器盒100内部的超导体材料106。如本文所使用的，激活超导体材料106意味着俘获超导体材料106中的磁场。例如，如本领域的普通技术人员将认识到的，磁场源208可以配置为将磁场(H)施加到超导体材料106。在施加磁场的同时，制冷剂源204可以使制冷剂通过制冷剂入口104进入低温恒温器盒202。制冷剂可以将超导体材料106的温度从高于超导体材料106的临界温度的温度降低到临界温度处或者低于临界温度的温度。一旦超导体材料在其临界温度处或低于其临界温度，就可以移除来自磁场源208的磁场(H)，但是可以在超导体材料106中俘获磁场。作为另一示例，超导体材料106可以被冷却到低于临界温度的温度，并且随后可以将可以是磁脉冲的外部磁场施加到超导体材料106。磁脉冲的形状、大小和持续时间可影响超导体材料106中所俘获的磁场的量。随后可以从激活模块202移除低温恒温器盒100。

[0042] 图3示出了超导体设备300的实施例。在该实施例中，超导体设备300是具有定子306和转子308的发动机，其中，转子308能够围绕轴304相对于定子306进行旋转。在该实施例中，存在耦连到转子308的两个容器302。在一些实施例中，取代或者补充耦连到转子308，一个或多个容器可以耦连到定子306。如图3中所示，容器302可以围绕转子308的周界来分布。容器302各自配置为接收低温恒温器盒100。低温恒温器盒100可以被插入并且从容器302移除。虽然未示出，但是低温恒温器盒100可以在它们被插入转子308中之前在一个或多个激活模块202(如图2中所示)中被激活。在图2中，单个低温恒温器盒100被插入单个激活模块202中。类似地，在图3中，单个低温恒温器盒100被插入单个容器302中。然而，在一些实施例中，单个激活模块可以配置为接收并且激活两个或更多个低温恒温器盒100。此外，单个容器302可以配置为接收两个或更多个低温恒温器盒。通过将多于一个的低温恒温器盒100放置在单个激活模块中，可以并行完成激活过程，从而减少激活低温恒温器盒所要求的时间(或设备)。此外，通过将多于一个的低温恒温器盒放置在单个激活模块202中，可以使用单个磁源来激活两个或更多个低温恒温器盒，其可以帮助确保所俘获的磁场在两个或更多个低温恒温器盒中是相同或者类似的。通过将两个或更多个低温恒温器盒100放置在每个容器302中，对超导体设备300可用的陷阱电荷的量可以比如果在每个容器302中仅使用单个低温恒温器盒100更大。在一些实施例中，将容器302配置为接收两个或更多个低温恒温器盒100可以允许容纳较小、较轻的低温恒温器盒100的设计。

[0043] 在一些实施例中，超导体设备300可能不具有在低温恒温器盒被插入超导体设备300中的同时激活低温恒温器盒100的能力。因为可以在外部激活模块202中激活低温恒温器盒100，所以超导体设备不需要具有制冷剂源204或磁场源。如此，超导体设备300可以具有例如比具有激活超导体设备中所使用的超导体材料的能力的超导体设备更少的部分、更低的复杂性和更低的重量。

[0044] 除了如上文联系图3所描述的发动机之外，超导体设备300可以是用来将机械能转换为电能的发电机。

[0045] 下面的示意性流程图被概括阐述为逻辑流程图。如此，所描绘的次序和标示的步骤指示本文方法的一个实施例。可以构想在功能、逻辑或效果方面等价于所示出方法的一个或多个步骤或其部分的其它步骤和方法。此外，所采用的格式和符号被提供以解释方法的逻辑步骤并且理解为不对方法的范围进行限制。虽然可以在流程图中采用各种箭头类型和线类型，但是它们理解为不对相对应的方法的范围进行限制。实际上，一些箭头或者其它连接符可以用来仅指示方法的逻辑流。此外，特定方法发生的次序可以或者可以不严格地遵循所示出的相对应步骤的次序。

[0046] 图4示出了用于使用低温恒温器盒100的方法400的一个实施例的流程图。方法400开始于步骤402，其是将低温恒温器盒100插入如图2中所示的激活模块202中。在步骤404处激活低温恒温器盒100内部的超导体材料106。如上文所描述，当低温恒温器盒
100被插入激活模块202中时，制冷剂可以通过制冷剂入口104从制冷剂源204被插入低温恒温器盒100中。当超导体材料106的温度从高于超导体材料的临界温度的温度降低到临界温度处或低于临界温度的温度时，磁场(H)可以由磁场源208施加到超导体材料106中。结果，磁场可以在超导体材料106中被俘获。在步骤406处，从激活模块移除低温恒温器盒。

[0047] 在步骤408处，低温恒温器盒100被插入超导体设备中。超导体设备是利用超导体的设备，诸如图3中所示的电动机。

[0048] 图5示出了用于使用低温恒温器盒100的方法500的一个实施例的流程图。方法500开始于步骤502，其中，低温恒温器盒100被插入超导体设备300中。如上文所描述，超导体设备300可以是例如电动机或者发电机。在步骤504处，超导体材料被激活。在该实施例中，超导体材料106在被插入超导体设备300中之后被激活。如此，当超导体材料106具有少许或者不具有俘获磁场时，低温恒温器盒可以被插入超导体设备中。

[0049] 应该理解，本文的装置、系统和方法不旨在限于所公开的特定形式。更确切地说，它们将覆盖落在权利要求的范围内的所有修改、等同物和替换。可以对所公开的装置做出修改，并且部件可以在将达到相同或者类似结果的情况下被消除或者替换上文所描述的部件。例如，存在可以与所公开的实施例一起使用而不脱离本公开的精神的许多不同的超导体复合物。此外，低温恒温器盒可以以各种尺寸和配置来制造而不脱离本公开的精神。

[0050] 权利要求不旨在包括并且不应解释为包括装置加功能或者步骤加功能的限制，除非这样的限制分别使用“用于……的装置”或“用于……的步骤”明确地被记载在给定的权利要求中。

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涉及超导俘获场磁体盒的装置、系统和方法

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