高温超导的多级制冷制造技术

一种用来冷却高温超导装置的方法，包括：（Ａ）提供一个高温超导装置，所述装置在２０到８０Ｋ的高温超导温度范围内的温度下工作；（Ｂ）将第一热传递介质冷却到第一温度，所述第一温度高于饱和液氮的温度，通过阻止环境热量传递到高温超导装置来加热冷却的所述第一热传递介质；和（Ｃ）将第二热传递介质冷却到高温超导温度范围内的第二温度，通过所述第二热传递介质与高温超导装置的热交换来加热冷却的第二热传递介质，从而将高温超导装置的温度维持在高温超导温度范围内。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制冷领域，特别是高温超导应用中的制冷。
技术介绍
超导是这样一种现象某些特定的金属、合金以及混合物失去电阻从而具有无穷大的电导率。直到最近，超导仅在稍高于绝对零度的极度低温下才被观测到。将超导体保持在如此低的温度是非常昂贵的，通常需要用到液氦，因此这就限制了这项技术的商业应用。最近，发现有一些材料在更高的温度下具有超导特性，例如在15至75K的温度范围内。虽然这些材料能够利用液氦或者非常冷的氦蒸汽保持它们的超导温度，但这种冷却方案是非常昂贵的。而且不幸的是，液氮虽然是一个相对廉价的提供低温冷却的方式，但它却不能为大多数高温超导体有效地降到超导温度而提供冷却。一根由高温超导材料制成的电导线，对于几乎无损失的大量电传输是极有益处的。高温超导材料在30K到50K温度范围内的性能，与通过使用液氮得到的大约80K温度下的性能相比，一般能提高大约一个数量级。超导系统例如电缆、变压器、故障电流控制器/限制器以及其它的应用，部分依赖于经济廉价的制冷系统的发展。超导系统需要维持在4到80K的温度范围内。然而，系统在环境温度降到超导系统工作温度时需要防止热渗透。低于液氮温度的冷却极其昂贵，因为与液氮级制冷相比，温度需要降的更低。液氮制冷相对廉价，但是它无法为多数高温超导应用提供足够的冷却。因此，本专利技术的目的之一是提供一种冷却高温超导装置的方法，通过该方法，可使高温超导装置比现有系统消耗能量更少，费用也更低廉。
技术实现思路
上述和其它本领域技术人员通过阅读本专利技术易于得出的目的，可以通过如下所述的本专利技术来实现一种用来冷却高温超导装置的方法，包括(A)提供一个高温超导装置，所述装置在20到80K的高温超导温度范围内工作；(B)将第一热传递介质冷却到第一温度，所述第一温度高于饱和液氮的温度，并且通过阻止环境热量传递到高温超导装置来加热冷却的第一热传递介质；和(C)将第二热传递介质冷却到第二温度，所述第二温度在高温超导温度范围内，并且通过所述第二热传递介质与高温超导装置的热交换来加热冷却的所述第二热传递介质，从而将高温超导装置的温度维持在高温超导温度范围内。这里所用的短语“高温超导装置”是指一个电装置如电缆、变压器、故障电流控制器/限制器或磁体，它们维持在超导温度时传输电流的电阻基本上被降为零。附图说明图1是本专利技术一个优选实施方案的示意图。其中，通过一种再循环的多组分制冷剂流体产生制冷，高温超导装置是电缆，用于冷却超导装置的介质是在多个分离循环中流动的流体。图2是本专利技术另一个优选实施方案的示意图。其中，通过一种再循环的多组分制冷剂流体产生制冷，高温超导装置是电缆，用于冷却超导装置的介质是在一个由一个泵驱动的整体循环中流动的传热流体。具体实施例方式本专利技术可通过在多级而不是仅仅在所需温度上移走热量，而减少将高温超导装置维持在所需温度时所需要的能量，并且，进一步地，当最热级的温度超过大气压下饱和液氮的温度(77K)时，可很大程度减少所需的能量。本专利技术将参考附图进行详细描述。任何有效的制冷系统都可用在本专利技术中为高温超导装置的运行提供冷却。在图1所示的本专利技术实施方案中，制冷系统是一个使用多组分混合制冷剂流体的单一回路循环系统。多组分制冷剂系统也可以具有内部循环回路，以避免较重的制冷剂组分冻结，或者，也可以具有多于一个的回路。多组分制冷剂流体是包括两种或更多的组分并且可以用来制冷的流体。可用于本专利技术实施中的多组分制冷剂流体优选地包括下面一组中的至少两种氟烃(fluorocarbons)、氢氟烃(hydrofluorocarbons)、氢氯氟烃(hydrochlorofluorocarbons)、氟代醚(fluoroethers)、大气气体以及碳氢化合物，例如，多组分制冷剂可以仅由两种不同的碳氟化合物组成。适用于本专利技术的一种优选的多组分制冷剂流体优选地包括下面一组中的至少一种组分氟烃、氢氟烃、氟代醚，以及另一组中的至少一种组分氟烃、氢氟烃、氢氯氟烃、氟代醚、大气气体以及碳氢化合物。在本专利技术的一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氢化合物构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃和氢氟烃构成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由氟烃、氟代醚和大气气体组成。在另一个优选实施方案中，多组分制冷剂流体仅由碳氢化合物和大气气体组成。最优选的是，多组分制冷剂流体的各组分是氟烃、氢氟烃、氟代醚、碳氢化合物或大气气体。本专利技术实施中所用的一个特别优选的多组分制冷剂流体的组分由表1列出。表1组分浓度(摩尔百分比)C3F7-O-CH32-10C3F85-25CF410-55Ar0-30N21-55Ne0-10根据图1，热的多组分制冷剂流体16，通常在环境温度下，通过压缩机21被压缩到通常在100到2000磅/平方英寸绝对压力(psia)的范围内。得到的压缩制冷剂流体1通过后冷却器50冷却除掉压缩热，然后成为流2进入制冷循环的热交换器系统60中。在图1所示的本专利技术的实施方案中，热交换器系统60包括标号为61、62、63、64、65和66的六个模块或部分，这些部分从最热(部分61)到最冷(部分66)。尽管在图1中这些部分是分离的部分，但可以理解这些部分中的一些或者全部可以合成一个常规结构。制冷剂流体通过热交换器部分与返回管路中的加热多组分制冷剂流体进行间接热交换从而被管道冷却，这将在下面进行更完整的描述。在各个热交换器部分之间的冷却制冷剂流体分别被表示为温度逐渐降低的冷却剂流3、4、5、6和7，作为冷却多组分制冷剂流体8从热交换器系统60中流出。然后，冷却多组分制冷剂流体8通过膨胀装置9进行膨胀产生制冷，该膨胀装置可以是等熵膨胀的涡轮膨胀器，也可以是等焓膨胀的焦-汤膨胀阀。接着，所得到的具制冷作用的多组分制冷剂流体10返回热交换器系统60，用于制冷循环的加温支路。同样，图1表示本专利技术的一个实施例，而不是对专利技术进行限制，其中代表性或者说典型的温度对应于所示实施方案中的不同的物流。如图1所示，流11、12、13、14和15表示的加热多组分制冷剂流体，最后作为热的多组分制冷剂流体16从热交换器部分61中流出，其温度为60K到300K。任何高温超导装置都可用于本专利技术的实施中，例如包括电缆、变压器、故障电流控制器/限制器的高温超导装置。图1所示的本专利技术的实施方案中，高温超导装置是电缆70。如图1所示，优选地，高温超导装置被多层隔热层保温隔离，该多层隔热层包括外层71和紧靠超导装置的内层72。图1所示的实施方案在隔热层71和72之间还有一个附加隔热层73。高温超导装置在高温超导温度20到80K的范围内工作，优选地，在30到65K范围内。图l所示的实施例中高温超导电缆70在大约65K的温度下工作。附图所示的本专利技术实施方案是优选的实施方案，其中热传递介质是热传递流体。可用于实施本专利技术的其它热传递介质包括导热块料。可用于实施本专利技术的热传递流体优选地为从大气气体、碳氢化合物、氟烃、氢氟烃、氟代醚和氢氟化醚(hydrofluoroethers)中选择的种类。可以用多种组分的混合物来组成一种单一的热传递流体，特别是在图2所示的本专利技术实施方案中仅用一种热传递流体来对每个温度层进行冷却的情况下。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用来冷却高温超导装置的方法，包括(A)提供一个高温超导装置，所述装置在20到80K的高温超导温度范围内的温度下工作；(B)将第一热传递介质冷却到第一温度，所述第一温度高于饱和液氮的温度，通过阻止环境热量传递到高温超导装置来加热冷却的所述第一热传递介质；和(C)将第二热传递介质冷却到高温超导温度范围内的第二温度，通过所述第二热传递介质与高温超导装置的热交换来加热冷却的第二热传递介质，从而将高温超导装置的温度维持在高温超导温度范围内。2.如权利要求1所述的方法，其中第一热传递介质包括第一热传递流体，第二热传递介质包括第二热传递流体。3.如权利要求2所述的方法，其中用一个外隔热层和一个内隔热层对高温超导装置进行隔热，内隔热层置于比外隔热层更靠近高温超导装置的位置。...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·阿尔曼，A·阿查亚，D·P·博纳奎斯特，J·H·罗亚尔，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：