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方案

本发明专利技术涉及一种用于使用回路中输送的液氮来冷却负载的方法，该负载通过与经冷却液氮的间接热交换来冷却，并且与负载进行热交换。根据本发明专利技术，用于冷却循环中输送的液氮的经冷却液氮的第一比例在开式冷却系统(10)中通过减压和排出所形成的氮气蒸汽来冷却，并且第二比例在封闭的冷却系统(20)中使用一个或多个冷却单元来冷却，这些冷却单元特别包括使用氖和/或氦来运行的一个或多个斯特林冷却单元和/或一个或多个布拉顿冷却单元，开式冷却系统(10)和闭式冷却系统(20)用于冷却具有第一端和第二端的电源(1)，其中，开式冷却系统(10)布置在电源(1)的第一端，且闭式冷却系统(20)布置在电源(1)的第二端，并且冷却功率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，其中，总冷却功率的量的第一比例借助于开式冷却系统(10)提供，而总冷却功率的量的第二比例由闭式冷却系统(20)供应，并且第一比例在第一时间段中的值被设定为低于在第二时间段中的值。本发明专利技术还涉及对应的设备以及涉及包括这种设备和对应负载的系统(100)。

Methods and equipment for cooling loads and systems including corresponding equipment and loads

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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
本专利技术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。
技术介绍
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。尽管下文主要参考HTS电源作为负载来描述本专利技术，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。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：·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。·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。·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。·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。·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。·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。·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。·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。DE102013011212A1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，EP1355114A3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。DE19755484A1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。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。因此，本专利技术旨在解决以下问题：提供用于冷却对应负载的改进的方法和设备。
技术实现思路
在本文中，本专利技术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。本专利技术基于的认识是，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。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，根据本专利技术提供了这种方法。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。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。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。利用根据本专利技术建议的措施可以获得许多优点。在本专利技术的范围内，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。根据本专利技术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。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。本专利技术的主要优点还在于，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。总之，本专利技术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”。当前，在本专利技术的范围内提供的是，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。通常在本专利技术的范围内，“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。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。在本专利技术的范围内，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。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。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。如前所指示的，根据本专利技术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，主冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过使用回路中输送的液氮来冷却负载的方法，所述液氮通过与经冷却液氮的间接热交换来冷却，并且暴露于相对所述负载进行的热交换，所述方法的特征在于：‑用于冷却所述回路中输送的液氮的所述液氮的第一部分在开式冷却系统(10)中通过减压和除去形成的氮气蒸汽来冷却，并且用于冷却所述回路中输送的液氮的所述液氮的第二部分在封闭的冷却系统(20)中使用一个或多个冷却单元来冷却，‑所述开式冷却系统(10)和所述闭式冷却系统(20)用于冷却具有第一端和第二端的电源(1)，其中，所述开式冷却系统(10)布置在所述电源(1)的第一端，且所述闭式冷却系统(20)布置在所述电源(1)的第二端，并且‑冷却功率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所述总冷却功率的第二、较大的量来供应，其中，所述总冷却功率的量的第一部分由所述开式冷却系统(10)供应，而总冷却功率的量的第二部分由所述闭式冷却系统(20)供应，并且所述第一部分在所述第一时间段中的值被设定为低于在所述第二时间段中的值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.08 EP 17020047.11.一种通过使用回路中输送的液氮来冷却负载的方法，所述液氮通过与经冷却液氮的间接热交换来冷却，并且暴露于相对所述负载进行的热交换，所述方法的特征在于：-用于冷却所述回路中输送的液氮的所述液氮的第一部分在开式冷却系统(10)中通过减压和除去形成的氮气蒸汽来冷却，并且用于冷却所述回路中输送的液氮的所述液氮的第二部分在封闭的冷却系统(20)中使用一个或多个冷却单元来冷却，-所述开式冷却系统(10)和所述闭式冷却系统(20)用于冷却具有第一端和第二端的电源(1)，其中，所述开式冷却系统(10)布置在所述电源(1)的第一端，且所述闭式冷却系统(20)布置在所述电源(1)的第二端，并且-冷却功率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所述总冷却功率的第二、较大的量来供应，其中，所述总冷却功率的量的第一部分由所述开式冷却系统(10)供应，而总冷却功率的量的第二部分由所述闭式冷却系统(20)供应，并且所述第一部分在所述第一时间段中的值被设定为低于在所述第二时间段中的值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分设定为在所述第一时间段中的值与在所述第二时间段中的值相同。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述开式冷却系统(10)和所述闭式冷却系统(20)中，所述回路中输送的液氮从70K至78K的温度水平冷却到65K至70K的温度水平。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述开式冷却系统(10)和所述闭式冷却系统(20)中，将所述回路中输送的液氮冷却到5巴...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿列克谢夫，
申请(专利权)人：林德股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE