PL202616B1

PL202616B1 - Układ chłodzenia kriogenicznego

Info

Publication number: PL202616B1
Application number: PL352791A
Authority: PL
Inventors: Robert Adolph Ackermann; Evangelos Trifon Laskaris; Yu Wang; Brian Ernest Baxter Gott
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2009-07-31
Also published as: PL352791A1; JP2002335024A; KR20020073428A; BR0200772A; CN1375881A; US6415613B1; CA2373718A1; EP1241398A3; KR20080079233A; EP1241398A2; CN100347871C; MXPA02002917A; BR0200772B1; CA2373718C

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ chłodzenia kriogenicznego, przeznaczony do chłodzenia nadprzewodzącej maszyny elektrycznej.

Nadprzewodzące maszyny elektryczne zawierają układy obrazowania rezonansu magnetycznego do diagnozowania medycznego, nadprzewodzące wirniki generatorów i silników elektrycznych i lewitacyjne urządzenia magnetyczne do transportu kolejowego. Zespół cewki nadprzewodzącej z magnesem nadprzewodzącym dla urządzenia nadprzewodzącego zawiera jedną albo więcej cewek nadprzewodzących, z nawiniętym przewodem nadprzewodzącym, które są zwykle otoczone osłoną termiczną. Zespół jest umieszczony w obudowie próżniowej.

Znane są magnesy nadprzewodzące, które są chłodzone przez przewodzenie za pomocą głowicy chłodzącej kriochłodnicy, takiej jak konwencjonalna kriochłodnica Gifforda-McMahona, która jest zamocowana do magnesu. Zamocowanie głowicy chłodzącej kriochłodnicy do magnesu powoduje wpływy pól magnetycznych rozproszenia na silnik głowicy chłodzącej, przenoszenie drgań głowicy chłodzącej na magnes i różnice temperatur wzdłuż połączeń cieplnych głowicy chłodzącej i magnesu.

Znane są także magnesy nadprzewodzące, które są chłodzone ciekłym helem przy bezpośrednim styku z magnesem, poprzez wrzenie ciekłego helu podczas chłodzenia magnesu do postaci gazowej, a hel w postaci gazowej zwykle uchodzi z magnesu do atmosfery. Umieszczenie obudowy bezpieczeństwa dla ciekłego helu wewnątrz obudowy próżniowej magnesu zwiększa rozmiary układu nadprzewodzącego magnesu.

Znane jest z opisu patentowego USA nr 5 513 498 rozwiązanie, w którym do chłodzenia nadprzewodzącej maszyny elektrycznej zastosowano pojedynczy kompresor i zawór obrotów do wytwarzania zmiennej cyrkulacji cieczy kriogenicznej, takiej jak hel, w przeciwnych kierunkach obiegu czynnika chłodzącego, gdzie układ chłodzenia jest umieszczony z dala od magnesu.

Układ chłodzenia kriogenicznego dla nadprzewodzącej maszyny elektrycznej, według pierwszej odmiany wykonania niniejszego wynalazku, zawiera pierwszy zestaw podzespołów utworzony w pierwszym obwodzie i drugi zestaw podzespoł ów utworzony w drugim obwodzie, a charakteryzuje się tym, że pierwszy zestaw podzespołów w pierwszym obwodzie jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej i do pracy w trybie schładzania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej od temperatury wyższej niż normalna temperatura pracy do normalnej temperatury pracy, zaś drugi zestaw podzespołów w drugim obwodzie jest przystosowany do wymuszonego przepł ywu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzą cej maszyny elektrycznej i do pracy w trybie stanu ustalonego dla utrzymywania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej w normalnej temperaturze pracy.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera kompresor schładzania i linie przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą i linię powrotną pomiędzy kompresorem schładzania a nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera zawory do sterowania przepływem, włączone w linię doprowadzającą i linię powrotną, prowadzące z oraz do kompresora schładzania.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera chłodziarkę kriogeniczną, włączoną w linię doprowadzającą i linię powrotną, prowadzące z oraz do kompresora schładzania, równolegle do zaworów do sterowania przepływem.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera wymiennik ciepła schładzania, włączony w linię doprowadzającą i linię powrotną, pomiędzy zaworami do sterowania przepływem i nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera wymiennik ciepła odpadowego, sprzężony z chłodziarką kriogeniczną, dla wymiany ciepła i włączony w linię doprowadzającą pomiędzy wymiennikiem ciepła schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Korzystnie, układ chłodzenia zawiera zimną komorę, a chłodziarka kriogeniczna, wymiennik ciepła odpadowego i wymiennik ciepła schładzania są umieszczone wewnątrz zimnej komory, natomiast kompresor schładzania i zawory do sterowania przepływem są umieszczone poza zimną komorą.

Korzystnie, drugi obwód zawiera kompresor główny i parę linii przepływu cieczy kriogenicznej linię doprowadzającą i linię powrotną pomiędzy kompresorem głównym i nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Korzystnie, drugi obwód zawiera chłodziarkę kriogeniczną główną, włączoną w linię doprowadzającą i linię powrotną, prowadzące z oraz do kompresora głównego.

PL 202 616 B1

Korzystnie, drugi obwód zawiera wymiennik ciepła odpadowego, dołączony do drugiej pary linii przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej.

Korzystnie, układ chłodzenia zawiera zimną komorę, a chłodziarka kriogeniczna główna i wymiennik ciepła odpadowego są umieszczone wewnątrz zimnej komory, natomiast kompresor główny jest umieszczony poza zimną komorą.

Układ chłodzenia kriogenicznego dla nadprzewodzącej maszyny elektrycznej, według drugiej odmiany wykonania niniejszego wynalazku, zawiera pierwszy zestaw podzespołów utworzony w pierwszym obwodzie i drugi zestaw podzespoł ów utworzony w drugim obwodzie, a charakteryzuje się tym, że pierwszy zestaw podzespołów w pierwszym obwodzie jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej w pierwszym obwodzie do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej i do pracy w trybie schładzania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej od temperatury wyższej niż normalna temperatura pracy do normalnej temperatury pracy, zaś drugi zestaw podzespołów w drugim obwodzie jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej w drugim obwodzie do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej i do pracy w trybie stanu ustalonego dla utrzymywania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej w normalnej temperaturze pracy, a układ chłodzenia zawiera zimną komorę mieszczącą część podzespołów pierwszego i drugiego zestawu, a reszta podzespołów pierwszego i drugiego zestawu jest umieszczona poza zimną komorą.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera kompresor schładzania i linie przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą i linię powrotną pomiędzy kompresorem schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Korzystnie, pierwszy obwód zawiera wymiennik ciepła odpadowego, sprzężony z chłodziarką kriogeniczną, dla wymiany ciepła i włączony w linię doprowadzającą, pomiędzy wymiennikiem ciepła schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Zaletą wynalazku jest dostarczenie układu chłodzenia kriogenicznego do schładzania nadprzewodzącej maszyny kriogenicznej, na przykład, wirnika nadprzewodzącego generatora, do temperatury pracy i do utrzymywania wirnika w tej temperaturze w normalnym trybie pracy. Układ chłodzenia nadaje się do chłodzenia wirującego magnesu nadprzewodzącego, takiego jak zastosowany w wirniku generatora elektrycznego. Układ chłodzenia kriogenicznego jest skonstruowany tak, że działa w dwóch trybach pracy z zastosowaniem układu chłodzenia helem o wymuszonym przepływie, dla chłodzenia cewek nadprzewodzących maszyny wirującej, uzyskując lepszą niezawodność układu.

Stosowany tutaj termin kriogeniczny oznacza temperaturę niższą od 150 stopni Kelvina.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu chłodzenia kriogenicznego, sprzężonego z nadprzewodzącą maszyną elektryczną.

Fig. 1 przedstawia układ chłodzenia kriogenicznego 10 sprzężony z nadprzewodzącą maszyną elektryczną 12, na przykład, generatorem nadprzewodzącym. Układ chłodzenia kriogenicznego 10 zawiera pierwszy zestaw podzespołów 14 umieszczony w pierwszym obwodzie 16 do wymuszania przepływu cieczy kriogenicznej, na przykład, helu, w pierwszym obwodzie 16 prowadzącym do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12, i drugi zestaw podzespołów 18 umieszczony w drugim obwodzie 20 do wymuszania przepływu cieczy kriogenicznej, na przykład helu, w drugim obwodzie 20

PL 202 616 B1 prowadzącym do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12. Pierwszy zestaw podzespołów 14 działa w trybie schładzania do normalnej temperatury pracy nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12. Drugi zestaw podzespołów 18 działa w trybie normalnym do utrzymywania w normalnej temperaturze pracy nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12.

Układ chłodzenia kriogenicznego 10 zawiera zimną komorę 22 mieszczącą niektóre podzespoły każdego z zestawów podzespołów 14 i 18. Pierwszy zestaw podzespołów 14 zawiera kompresor 24 schładzania i parę zaworów 26, 28 do sterowania przepływem, umieszczone na zewnątrz zimnej komory 22 oraz pracujące w cyklu zamkniętym, chłodziarkę kriogeniczną 30, wymiennik ciepła 32 schładzania i wymiennik ciepła 34 odpadowego, umieszczone wewnątrz zimnej komory 22. Pierwszy zestaw podzespołów 14 zawiera także pierwszą parę linii przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą 36 i linię powrotną 38, przebiegające pomiędzy kompresorem 24 schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną 12. Zawory 26, 28 do sterowania przepływem są włączone do linii doprowadzającej 36 i linii powrotnej 38, które są połączone z kompresorem 24 schładzania. Chłodziarka kriogeniczna 30 jest dołączona do linii doprowadzającej 36 i linii powrotnej 38, doprowadzonych z oraz do kompresora 24 schładzania, równolegle z zaworami 26, 28 do sterowania przepływem. Wymiennik ciepła 32 schładzania jest włączony w linię doprowadzającą 36 i linię powrotną 38, pomiędzy zaworami 26 i 28 oraz nadprzewodzącą maszyną elektryczną 12. Wymiennik ciepła 34 odpadowego jest sprzężony w celu wymiany ciepła z chłodziarką kriogeniczną 30 i jest włączony w linię doprowadzającą 36 pomiędzy wymiennikiem ciepła 32 schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną 12.

Drugi zestaw podzespołów 18 zawiera kompresor główny 40 umieszczony na zewnątrz zimnej komory 22 oraz pracującą w obiegu zamkniętym chłodziarkę kriogeniczną główną 42 i wymiennik ciepła 44 odpadowego umieszczony wewnątrz zimnej komory 22. Drugi zestaw podzespołów 18 zawiera także drugą parę linii przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą 46 i linię powrotną 48 dołączone do kompresora głównego 40. Chłodziarka kriogeniczna główna 42 jest dołączona do linii doprowadzającej 46 i linii powrotnej 48, prowadzących z oraz do kompresora głównego 40. Wymiennik ciepła 44 odpadowego jest sprzężony w celu wymiany ciepła z chłodziarką kriogeniczną główną 42 i jest włączony w linię doprowadzającą 36 i linię powrotną 38, prowadzące do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12, równolegle z pierwszym zestawem podzespołów 14.

Podczas działania kompresor 24 schładzania dostarcza gaz kriogeniczny o wysokim ciśnieniu, na przykład hel, dla uruchomienia chłodziarki kriogenicznej 30 i wymuszenia przepływu gazu przez wymiennik ciepła 32 schładzania i wymiennik ciepła 34 odpadowego do i z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12, chłodząc ją. Dwoma trybami pracy układu chłodzenia 10 są tryb schładzania i tryb normalny.

Podczas trybu schładzania hel w postaci gazowej, uzyskiwany z kompresora 24 schładzania, jest schładzany przez wymiennik ciepła 32 schładzania i chłodziarkę kriogeniczną 30 i jest stosowany do schładzania nadprzewodzącej maszyny elektrycznej 12 od temperatury pokojowej do niskiej temperatury pracy.

Podczas trybu normalnego chłodziarka kriogeniczna 30 i gaz uzyskiwany z kompresora 24 schładzania są odcinane przez selektywne działanie zaworów 26 i 28 do sterowania przepływem, a chłodzenie jest wtedy uzyskiwane wyłącznie z chłodziarki kriogenicznej głównej 42 i kompresora głównego 40. Podczas tego trybu pracy hel w postaci gazowej krąży w pętli chłodzenia pomiędzy wymiennikiem ciepła 44 odpadowego i nadprzewodzącą maszyną elektryczną 12, co jest spowodowane obrotami jej wirnika.

Claims

1. Układ chłodzenia kriogenicznego dla nadprzewodzącej maszyny elektrycznej zawierający pierwszy zestaw podzespołów utworzony w pierwszym obwodzie i drugi zestaw podzespołów utworzony w drugim obwodzie, znamienny tym, że pierwszy zestaw podzespołów (14) w pierwszym obwodzie (16) jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) i do pracy w trybie schładzania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) od temperatury wyższej niż normalna temperatura pracy do normalnej temperatury pracy, zaś drugi zestaw podzespołów (18) w drugim obwodzie (20) jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) i do

PL 202 616 B1 pracy w trybie stanu ustalonego dla utrzymywania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) w normalnej temperaturze pracy.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera kompresor (24) schładzania i linie przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38) pomiędzy kompresorem (24) schładzania a nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera zawory (36, 38) do sterowania przepływem, włączone w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), prowadzące z oraz do kompresora (24) schładzania.

4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera chłodziarkę kriogeniczną (30), włączoną w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), prowadzące z oraz do kompresora (24) schładzania, równolegle do zaworów (26, 28) do sterowania przepływem.

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera wymiennik ciepła (32) schładzania, włączony w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), pomiędzy zaworami (26, 28) do sterowania przepływem i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera wymiennik ciepła (34) odpadowego, sprzężony z chłodziarką kriogeniczną (30), dla wymiany ciepła i włączony w linię doprowadzającą (36) pomiędzy wymiennikiem ciepła (32) schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera zimną komorę (22), a chłodziarka kriogeniczna (30), wymiennik ciepła (34) odpadowego i wymiennik ciepła (32) schładzania są umieszczone wewnątrz zimnej komory (22), natomiast kompresor (24) schładzania i zawory (26, 28) do sterowania przepływem są umieszczone poza zimną komorą (22).

8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera kompresor główny (40) i parę linii przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą (46) i linię powrotną (48) pomiędzy kompresorem głównym (40) i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

9. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera chłodziarkę kriogeniczną główną (42), włączoną w linię doprowadzającą (46) i linię powrotną (48), prowadzące z oraz do kompresora głównego (40).

10. Układ według zastrz. 9, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera wymiennik ciepła (44) odpadowego, dołączony do drugiej pary linii (36, 38) przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12).

11. Układ według zastrz. 10, znamienny tym, że zawiera zimną komorę (22), a chłodziarka kriogeniczna główna (42) i wymiennik ciepła (44) odpadowego są umieszczone wewnątrz zimnej komory (22), natomiast kompresor główny (40) jest umieszczony poza zimną komorą (22).

12. Układ chłodzenia kriogenicznego dla nadprzewodzącej maszyny elektrycznej zawierający pierwszy zestaw podzespołów utworzony w pierwszym obwodzie i drugi zestaw podzespołów utworzony w drugim obwodzie, znamienny tym, że pierwszy zestaw podzespołów (14) w pierwszym obwodzie (16) jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej w pierwszym obwodzie (16) do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) i do pracy w trybie schładzania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) od temperatury wyższej niż normalna temperatura pracy do normalnej temperatury pracy, zaś drugi zestaw podzespołów (18) w drugim obwodzie (20) jest przystosowany do wymuszonego przepływu cieczy kriogenicznej w drugim obwodzie (20) do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) i do pracy w trybie stanu ustalonego dla utrzymywania cieczy kriogenicznej i nadprzewodzącej maszyny elektrycznej (12) w normalnej temperaturze pracy, a układ chłodzenia zawiera zimną komorę (22) mieszczącą część podzespołów pierwszego i drugiego zestawu (14, 18), a reszta podzespołów pierwszego i drugiego zestawu (14, 18) jest umieszczona poza zimną komorą (22).

13. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera kompresor (24) schładzania i linie przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38) pomiędzy kompresorem (24) schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

14. Układ według zastrz. 13, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera zawory (26, 28) do sterowania przepływem, włączone w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), prowadzące z oraz do kompresora (24) schładzania.

15. Układ według zastrz. 14, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera chłodziarkę kriogeniczną (30), włączoną w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), prowadzące z oraz do kompresora (24) schładzania, równolegle do zaworów (26, 28) do sterowania przepływem.

PL 202 616 B1

16. Układ według zastrz. 15, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera wymiennik ciepła (32) schładzania, włączony w linię doprowadzającą (36) i linię powrotną (38), pomiędzy zaworami (26, 28) do sterowania przepływem i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

17. Układ według zastrz. 16, znamienny tym, że pierwszy obwód (16) zawiera wymiennik ciepła (34) odpadowego, sprzężony z chłodziarką kriogeniczną (30), dla wymiany ciepła i włączony w linię doprowadzającą (36), pomiędzy wymiennikiem ciepła (32) schładzania i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

18. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera kompresor główny (40) i parę linii przepływu cieczy kriogenicznej - linię doprowadzającą (46) i linię powrotną (48) pomiędzy kompresorem głównym (40) i nadprzewodzącą maszyną elektryczną (12).

19. Układ według zastrz. 18, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera chłodziarkę kriogeniczną główną (42), włączoną w linię doprowadzającą (46) i linię powrotną (48), prowadzące z oraz do kompresora głównego (40).

20. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że drugi obwód (20) zawiera wymiennik ciepła (44) odpadowego, dołączony do drugiej pary linii (36, 38) przepływu cieczy kriogenicznej do oraz z nadprzewodzącej maszyny elektrycznej