旋转参考系中的冷却系统技术方案

一种设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统。该低温冷却系统包括设置在旋转参考系中的制冷机，该制冷机包括用于冷却热负荷的冷头，以及设置在旋转参考系中、并连接于制冷机的循环器，该循环器使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热负荷循环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】旋转参考系中的冷却系统
技术介绍
旋转机械的超导转子励磁绕组在运行过程中处于其超导状态的同时，必须受到冷却。传统的转子励磁线圈冷却方法是将转子浸入低温液体池中。例如，使用传统的、 低温超导(“LTS”)材料的转子必须浸入液氦中。同样，使用由高温超导(“HTS”) 材料制成的励磁线圈的转子通常由液氮或液氖冷却。在任一情况下，转子中产生或传导 的热量由经历相变成为气态的低温液体吸收。因此，低温液体必须予以持续补充。另一种超导部件冷却方法是使用低温致冷器或制冷机。制冷机是在诸如吉福 特-麦克马洪(“GM” )循环和斯特林循环的若干热力循环之一中运行的机械装置。近 来，制冷机已经适用于利用转子——例如超导电机和发电机中的转子运转。标题为“超 导转子”且以参引的方式结合于此的美国专利No.5,482,919中就描述了这样做的一个示 例。在这种方法中，将制冷机系统安装为用于与转子共转。安装用于与转子一起旋转的 制冷机冷头消除了对于用于转子冷却的低温液体池以及低温旋转接头的使用。通常，共转制冷机的冷头部分(“冷头”)仅冷却局部热负荷。当需要冷却诸 如大型转子(例如，36MW-120RPM的海军驱动电机，或8MW-11RPM的风力发电机) 的较大热负荷时，通常将大型制冷机或大量的制冷机应用于较大的热负荷，以降低热负 荷和制冷机之间产生的较大的热梯度。另外的冷却器通常安装在静止系中，位于转子之 夕卜，同时通过氦气循环回路(例如美国专利No.6,357,422中所描述的)或热虹吸液体冷却 回路来传送制冷量。另一个降低较大的热梯度的传统方法是在制冷机和热负荷之间使用 热管。专利技术内容在一个方面中，本专利技术的特征在于，设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的 低温冷却系统。该低温冷却系统包括布置在旋转参考系中的、互相连接的制冷机和循环 器。制冷机具有用于冷却热负荷的冷头。循环器使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热 负荷循环。实施方式可以包括一个或多个以下特征。制冷机绕旋转参考系的旋转轴线径向 定位。循环器绕旋转参考系的旋转轴线径向定位。热负荷绕旋转参考系的旋转轴线径向 定位。低温冷却系统还包括设置在旋转参考系中的热交换器。热交换器热力连接于冷 头。该冷头是单级或多级装置。循环器使冷却剂经热交换器循环至热负荷。系统还包 括设置在相对于旋转参考系的静止参考系中的压缩机。压缩机与制冷机流体连通。系统 还包括设置在旋转参考系和静止参考系之间的气体联接器。气体联接器连接制冷机与压 缩机。在旋转参考系中设置有两个或更多个制冷机。在旋转参考系中设置有两个或更多 个循环器。热负荷为超导绕组。在另一方面中，本专利技术的特征在于旋转电机。旋转电机包括具有旋转轴线的旋 转参考系、设置在该参考系中的超导绕组、以及设置在该参考系中的低温冷却系统。低 温冷却系统包括具有用于冷却超导绕组的冷头的制冷机，和连接于该制冷机的循环器。循环器能够使冷却剂循环至热负荷并使冷却剂从热负荷循环。在另一方面中，本专利技术的特征在于风力涡轮机。风力涡轮机包括旋转电机，该旋转电机包括具有旋转轴线的旋转参考系、设置在该参考系中的超导绕组、以及设置 在该参考系中的低温冷却系统。低温冷却系统包括具有用于冷却超导绕组的冷头的制冷 机，和连接于该制冷机的循环器，该循环器能够使冷却剂循环至超导绕组并使冷却剂从 超导绕组循环。实施方式可以包括一个或多个以下特征。制冷系统绕旋转轴线径向定位。超导 绕组绕旋转轴线径向定位。超导绕组定位在平行于旋转轴线的平面中。多个超导绕组 绕参考系中的旋转轴线等间距且径向地定位。冷却系统还包括热力连接于冷头的热交换 器。循环器使冷却剂经热交换器循环至超导绕组。冷却系统包括两个或更多个制冷机。 冷却系统包括两个或更多个循环器。冷却系统包括两个或更多个循环器。冷却系统还包 括连接于冷头的压缩机。压缩机能够与冷头共转。压缩机通过导电滑环接收电力。实施方式可提供一个或多个以下优点。特别是当将制冷机用于冷却较大热负荷 时，本专利技术提供了降低共转制冷机和热负荷之间的较大的热梯度，以提高共转制冷机的 冷却效率的替代性方法。通过将循环器(如，循环风扇或泵)结合到低温冷却系统的旋 转参考系中，与制冷机一起，能够在无需为系统增加较大的附加重量的情况下，获得更 高的制冷量和效率。此外也不需要低温旋转联接器。这使制冷成本更低而整体系统可靠 性更高。在以下的附加说明中阐述了本专利技术的一个或多个实施方式的细节。通过以下附 图、对于若干实施方式的详细说明、并同样通过附加权利要求中，本专利技术的其它特征或 优点将显而易见。附图说明图1是旋转参考系中的冷却系统的示意图。图2是超导转子中的图1的冷却系统的示意图。图3是图1的冷却系统的另一种实施方式的示意图。图4是图1的冷却系统的再一种实施方式的示意图。图5是图1的冷却系统的再一种实施方式的示意图。图6是包括图1的冷却系统的风力发电机的示意图，该冷却系统构造成用以冷却 旋转机械的高温超导转子。具体实施例方式参照图1，低温冷却系统100的旋转参考系10中设置有制冷机11和热交换器 15。热交换器15连接于制冷机11的冷头部分12。制冷机11和热交换器15用于使冷却 齐U18(即，低温流体)维持在低温温度。参考系10中还设置有循环器13 (如，可低温适 用的风扇或泵)，以便使冷却剂18移动到低温冷却回路21或使冷却剂18从低温冷却回路 21移动(如带箭头的虚线所示)，该低温冷却回路21定位在热负荷17(如，超导转子绕 组)附近并与热负荷17热连通。本质上，循环器13用作为使冷却剂18移过热交换器15 提供所需力的机械机构，其中热交换器15连接于制冷机11，且连接在热负荷17上。在这种布置下，包括制冷机11和循环器13的低温冷却系统100有助于使诸如超导绕组的热负荷17维持在低温温度，以使其正常地且有效地运行。制冷机11通过线路19a接收来 自压缩机23的高压工作流体。低压工作流体通过线路19b返回到压缩机23。线路19a 和线路19b通过旋转联接器或接头25与制冷机11流体连通。如所示，压缩机23设置在 静止参考系20中。如下面将更加详细描述的那样，通常优选的是，联接器25的对称轴 线应该与旋转参考系10的旋转轴线重合。现参照图2，包括上述制冷机11和循环器13的低温冷却系统用在转子组件200 中。转子组件200通常在旋转电机的定子组件(未示出)内旋转。转子组件200包括呈 中空环状构件形式的旋转真空室38，该旋转真空室38由轴承30支撑在绕旋转轴线A旋 转的轴32上。在室38内，用于保持超导绕组17的绕组支撑件36于室表面的至少一点 紧固于框架元件34。冷却系统的制冷机11和循环器13也紧固于室38的框架元件34。 在运行中，通过使用低温冷却系统，使超导绕组维持在低温温度水平(例如，低于77开 尔文(K)，优选地在20K至50K之间或在30K至40K之间)。在该具体示例中，使用了 两个制冷机11。将工作气体19(例如，氦)通过与轴32同轴设置且设置在制冷机和压缩 机23之间的联接器25运送至制冷机11。如上所述，循环器13迫使冷却剂18移过连接 于制冷机11的热交换器15，并移到超导绕组17上。冷却剂18降低了制冷机11和热负 荷17之间的热梯度，并由此提高了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统，所述低温冷却系统包括：　　设置在所述旋转参考系中的制冷机，所述制冷机包括用于冷却所述热负荷的冷头，以及　　设置在所述旋转参考系中并连接于所述制冷机的循环器，所述循环器使冷却剂循环至所述热负荷并使冷却剂从所述热负荷循环。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-3-11 12/0459731.一种设置在旋转参考系中的用于冷却热负荷的低温冷却系统，所述低温冷却系统 包括设置在所述旋转参考系中的制冷机，所述制冷机包括用于冷却所述热负荷的冷头，以及设置在所述旋转参考系中并连接于所述制冷机的循环器，所述循环器使冷却剂循环 至所述热负荷并使冷却剂从所述热负荷循环。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述制冷机绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述循环器绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。4.如权利要求1所述的系统，其中，所述热负荷绕所述旋转参考系的旋转轴线径向定位。5.如权利要求1所述的系统，进一步包括设置在所述旋转参考系中的热交换器，所述 热交换器热力连接于所述冷头。6.如权利要求5所述的系统，其中，所述循环器使所述冷却剂经所述热交换器循环至 所述热负荷。7.如权利要求1所述的系统，进一步包括设置在相对于所述旋转参考系的静止参考系 中的压缩机，所述压缩机与所述制冷机流体连通。8.如权利要求7所述的系统，进一步包括设置在所述旋转参考系和所述静止参考系之 间的气体联接器，所述气体联接器连接所述制冷机和所述压缩机。9.如权利要求1所述的系统，其中，在所述旋转参考系中设置有两个或更多个制冷机。10.如权利要求9所述的系统，其中，在所述旋转参考系中设置有两个或更多个循环器。11.如权利要求1所述的系统，其中，所述热负荷为超导绕组。12.—种旋转电机，包括 具有旋转轴线的旋转参考系， 设置在所述参考系中的超...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得温，
申请(专利权)人：美国超导体公司，
类型：发明
国别省市：US