Система охлаждения компонента - RU2448313C1

Чертежи

Описание

Родственная заявка

Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании заявки на патент США номер 12/059951, поданной 31 марта 2008 г., которая полностью включена здесь путем ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам охлаждения и, в частности, к системам криогенного охлаждения для устройств на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в частности ограничителей тока короткого замыкания (ОТКЗ) на основе ВТСП.

Уровень техники

Высокотемпературные сверхпроводники могут использоваться для создания сверхпроводниковых ОТКЗ, которые управляют или ограничивают токи короткого замыкания в электрических распределительных сетях. Системы криогенного охлаждения (например, системы охлаждения за счет теплопроводности, системы охлаждения с помощью насыщенного азота и системы охлаждения с помощью переохлажденного азота с газообразным гелием) часто используются для поддержания у обмоток из ВТСП в ОТКЗ криогенных температур, необходимых для того, чтобы ВТСП работал в режиме сверхпроводимости даже во время периодов импульсного нагрева, вызываемого токами короткого замыкания в системе и испытываемого ограничителем тока короткого замыкания.

К сожалению, хотя системы охлаждения за счет теплопроводности имеют гибкий диапазон рабочих температур, их недостатком является длительное время восстановления. Кроме того, хотя системы охлаждения, использующие насыщенный азот, имеют меньшее время восстановления, их недостатком являются фиксированные рабочие температуры. Дополнительно, хотя системы охлаждения, использующие переохлажденный азот (с газообразным гелием), имеют меньшее время восстановления и гибкий диапазон рабочих температур, жидкий азот обычно удаляется во время короткого замыкания.

Сущность изобретения

Согласно первому варианту осуществления система охлаждения компонента включает в себя емкость для компонента, выполненную с возможностью приема тепловыделяющего устройства. Емкость для компонента по меньшей мере частично заполнена переохлажденной жидкостью с первым давлением и с первой температурой. Криогенная система включает в себя систему теплообмена, термически связанную с по меньшей мере участком емкости для компонента. Система теплообмена по меньшей мере частично заполнена второй насыщенной жидкостью с вторым давлением и по существу первой температурой. Емкость для криостата связана по текучей среде с системой теплообмена, чтобы позволить безнасосное перемещение второй насыщенной жидкости между системой теплообмена и емкостью для криостата.

Также могут быть включены один или более из следующих признаков. Буферная емкость может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения первой насыщенной жидкостью с второй температурой. Буферная емкость может быть связана по текучей среде с емкостью для компонента, чтобы позволить безнасосное перемещение жидкости между емкостью для компонента и буферной емкостью.

Система нагрева может быть выполнена с возможностью нагрева первой насыщенной жидкости в буферной емкости для поддержания первого давления в емкости для компонента. Первая насыщенная жидкость и вторая насыщенная жидкость могут представлять собой насыщенный жидкий азот.

Система теплообмена может включать в себя теплообменник, размещенный в емкости для компонента. Теплообменник может содержать один или более трубопроводов, по которым проходит вторая насыщенная жидкость. Теплообменник может содержать теплопроводную массу, через которую проходит один или более трубопроводов.

Криогенная система может включать в себя криостат, размещенный в емкости для криостата и выполненный с возможностью поддержания у второй насыщенной жидкости по существу первой температуры. Тепловыделяющим устройством может быть ограничитель тока короткого замыкания. Переохлажденной жидкостью может быть переохлажденный жидкий азот. Вторая температура может быть больше первой температуры. Второе давление может быть меньше первого давления.

В другом варианте осуществления система охлаждения компонента включает в себя емкость для компонента, выполненную с возможностью приема ограничителя тока короткого замыкания. Емкость для компонента выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью с первым давлением и с первой температурой. Буферная емкость выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения первой насыщенной жидкостью со второй температурой. Буферная емкость связана по текучей среде с емкостью для компонента, чтобы позволить безнасосное перемещение жидкости между емкостью для компонента и буферной емкостью. Криогенная система поддерживает в емкости для компонента по существу первую температуру. Криогенная система включает в себя систему теплообмена, термически связанную с по меньшей мере участком емкости для компонента. Система теплообмена по меньшей мере частично заполнена второй насыщенной жидкостью со вторым давлением и с по существу первой температурой. Емкость для криостата связана по текучей среде с системой теплообмена, чтобы позволить безнасосное перемещение второй насыщенной жидкости между системой теплообмена и емкостью для криостата. Система нагрева выполнена с возможностью нагрева первой насыщенной жидкости в буферной емкости для поддержания первого давления в емкости для компонента.

Также могут быть включены один или более из следующих признаков. Система теплообмена может представлять собой теплообменник, размещенный в емкости для компонента. Система теплообмена может представлять собой теплообменник, заключающий в себе по меньшей мере участок емкости для компонента. Криогенная система может включать в себя криостат, размещенный в емкости для криостата и выполненный с возможностью поддержания у второй насыщенной жидкости по существу первой температуры. Переохлажденной жидкостью, первой насыщенной жидкостью и второй насыщенной жидкость может быть жидкий азот.

В другом варианте осуществления система охлаждения компонента включает в себя емкость для компонента, выполненную с возможностью приема тепловыделяющего устройства. Емкость для компонента выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью с первым давлением и с первой температурой. Буферная емкость выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения первой насыщенной жидкостью со второй температурой. Буферная емкость связана по текучей среде с емкостью для компонента, чтобы позволить безнасосное перемещение жидкости между емкостью для компонента и буферной емкостью. Криогенная система поддерживает в емкости для компонента по существу первую температуру. Криогенная система включает в себя систему теплообмена, термически связанную с по меньшей мере участком емкости для компонента. Система теплообмена по меньшей мере частично заполнена второй насыщенной жидкостью под вторым давлением и с по существу первой температурой. Емкость для криостата связана по текучей среде с системой теплообмена, чтобы позволить безнасосное перемещение второй насыщенной жидкости между системой теплообмена и емкостью для криостата. Криостат размещается в емкости для криостата и выполнен с возможностью поддержания у второй насыщенной жидкости по существу первой температуры.

Более подробно варианты осуществления изобретения представлены в последующем описании и на прилагаемых чертежах. Другие признаки и преимущества станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематическое изображение системы охлаждения компонента.

Фиг.2 - схематическое изображение альтернативного варианта системы охлаждения компонента на фиг.1.

Фиг.3 - схематическое изображение другого альтернативного варианта системы охлаждения компонента на фиг.1.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг.1 представлена система 10 охлаждения компонента для поглощения тепловой энергии, генерируемой тепловыделяющим устройством 12. Примеры тепловыделяющего устройства 12 могут включать в себя, но не ограничиваясь этим, ограничители тока короткого замыкания на основе ВТСП, резистивные электрические устройства и тепловыделяющие механические устройства. Ограничитель тока короткого замыкания представляет собой устройство, уменьшающее амплитуду импульсного тока в электрической системе, который может возникнуть из-за, например, включения/выключения питания на различных участках электрической сети, электрических/механических поломок в электрической сети, ударов молнии и повреждений вследствие стихийных бедствий.

Ограничитель тока короткого замыкания может быть сконструирован с использованием лент или проводов из сверхпроводника. При создании ограничителя тока короткого замыкания обмотки из сверхпроводника (например, из высокотемпературного или низкотемпературного сверхпроводящего материала) могут быть выполнены таким образом, чтобы полное сопротивление ограничителя тока короткого замыкания было незначительным при нормальной силе тока. Однако при силе тока короткого замыкания полное сопротивление обмоток из сверхпроводника может резко увеличиться, когда лента из сверхпроводника переходит из сверхпроводящего состояния в несверхпроводящее или «нормальное» состояние. Во время этого перехода сопротивление ленты изменяется от нуля до значительной величины, и ток короткого замыкания тем самым ограничивается. Конечно, когда происходит данный переход, его результатом является то, что ограничитель тока короткого замыкания поглощает существенную часть энергии тока короткого замыкания. Указанное поглощение энергии ограничителем тока короткого замыкания может привести к тому, что ограничитель тока короткого замыкания генерирует большой объем тепловой энергии, которая может быть поглощена системой 10 охлаждения компонента. Тепловая энергия должна быть поглощена без формирования газообразных пузырьков жидким азотом, так как это может привести к электрическому пробою в системе.

Примеры низкотемпературных сверхпроводящих материалов включают: ниобий-цирконий, ниобий-титан и ниобий-олово. Примеры высокотемпературных сверхпроводящих материалов включат: оксид меди-кальция-бария-талия, оксид меди-кальция-стронция-висмута, оксид меди-кальция-бария-меркурия, оксид меди-бария-иттрия или любое соединение на основе MgB₂ (диборида магния).

Система 10 охлаждения компонента может включать в себя емкость 14 для компонента, выполненную с возможностью приема тепловыделяющего устройства 12. Емкость 14 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 16. Примеры переохлажденной жидкости 16 могут включать, но не ограничиваясь этим, переохлажденный жидкий азот.

Система 10 охлаждения компонента может включать в себя буферную емкость 18, которая может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения насыщенной жидкостью 20. Примеры насыщенной жидкости 20 могут включать, но не ограничиваясь этим, насыщенный жидкий азот. Буферная емкость 18 может быть связан по текучей среде с емкостью 14 для компонента, тем самым позволяя безнасосное перемещение жидкостей (например, переохлажденной жидкости 16 и насыщенной жидкости 20) между емкостями 14, 18 при коротком замыкании или в период восстановления. Например, одна или более труб/трубопроводов (например, труба/трубопровод 22) могут связывать емкость 14 для компонента и буферную емкость 18. Используемый в настоящем описании термин «безнасосное перемещение» жидкостей может быть определен, как перемещение жидкостей без использования какого-либо механического насоса.

Так как сверхпроводящие материалы достигают своих сверхпроводящих характеристик только при работе с низкими температурами (например, <90 градусов Кельвина для сверхпроводника на основе оксида меди-бария-иттрия), система 10 охлаждения компонента может включать в себя криогенную систему 24 для поддержания температуры емкости 14 для компонента (и, тем самым, жидкости 16 в емкости 14 для компонента) на требуемом значении (T₁), которое может изменяться в зависимости от типа и состояния жидкости, находящейся в емкости 14. Например, и как было рассмотрено выше, емкость 14 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 16. Когда переохлажденной жидкостью 16 является переохлажденный жидкий азот, температура T₁ может находиться в диапазоне 65-75 градусов Кельвина, предпочтительно 67 градусов Кельвина. Соответственно, для системы с переохлажденным жидким азотом криогенная система 24 может быть выполнена с возможностью поддерживать температуру емкости 14 для компонента на уровне по существу 67 градусов Кельвина.

Криогенная система 24 может включать в себя систему теплообмена, например, охлаждающую емкость 26, которая может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения насыщенной жидкостью 28. Примеры насыщенной жидкости 28 могут включать, но не ограничиваясь этим, насыщенный жидкий азот. Если вышеуказанная система теплообмена выполнена в виде охлаждающей емкости 26, охлаждающая емкость 26 может заключать в себе по меньшей мере участок емкости 14 для компонента.

Криогенная система 24 может дополнительно включать в себя емкость 30 для криостата, связанную по текучей среде с охлаждающей емкостью 26, тем самым позволяя безнасосное перемещение насыщенной жидкости 28 между емкостью 30 для криостата и охлаждающей емкости 26 за счет использования силы тяжести. Как было рассмотрено выше, термин «безнасосное перемещение» жидкостей может быть определен, как перемещение жидкостей без использования какого-либо механического насоса. Например, одна или более труб/трубопроводов (например, труба/трубопровод 32, 34) может связывать емкость 30 для криостата и охлаждающую емкость 26. Так как жидкость 28 является насыщенной жидкостью, если тепловая энергия добавляется в насыщенную жидкость 28, часть насыщенной жидкости 28 может перейти (т.е. изменить свое состояние) в пар 36. Криогенная система 24 дополнительно может включать в себя криостат 38, размещенный в емкости 30 для криостата. Криостат 38 может быть выполнен с возможностью поддержания у насыщенной жидкости 28 по существу температуры T₁ (например, 67 градусов Кельвина) и соответствующего давления P₂ насыщения. Криостат 38 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления емкости 30 для криостата и/или охлаждающей емкости 26, и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) емкости 30 для криостата и/или охлаждающей емкости 26, если температура емкости 30 для криостата и/или охлаждающей емкости 26 превысит требуемую температуру (T₁), и/или давление в емкости 30 для криостата и/или охлаждающей емкости превысит требуемое давление (Р₂). Для системы с насыщенным жидким азотом криогенная система 24 может быть выполнена с возможностью поддержания у охлаждающей емкости 26 и емкости 30 для криостата температуры T₁ на уровне по существу 67 градусов Кельвина и давления Р₂ приблизительно 0,24 бар.

Система 10 охлаждения компонента может включать в себя систему 40 нагрева, выполненную с возможностью нагрева насыщенной жидкости 20 (в буферной емкости 18) до требуемой температуры (T₂), и поддерживать требуемое давление (Р₁). Соответственно, для системы с насыщенным жидким азотом система нагрева может быть сконфигурирована поддерживать температуру Т₂ буферной емкости 18 на уровне по существу 105 градусов Кельвина. Так как емкость 14 для компонента и буферная емкость 18 связаны по текучей среде, давление (Р₁) может быть по существу одинаковым в обеих емкостях 14, 18. Для системы, которая использует насыщенный и переохлажденный жидкий азот, система 40 нагрева может быть выполнена с возможностью поддерживать давление (Р₁) буферной емкости 18 (и, тем самым, емкости 14 для компонента) на уровне по существу 10 бар. Система 40 нагрева может включать в себя электрический резистивный нагревательный элемент (не показан), размещенный таким образом, чтобы обеспечивать тепловой энергией буферную емкость 18. Дополнительно, система 40 нагрева может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления буферной емкости 18, и обеспечения тепловой энергией буферной емкости 18, если температура буферной емкости 18 ниже требуемой температуры (Т₂) и/или давление буферной емкости 18 ниже требуемого давления (Р₁).

Дополнительно, система 10 охлаждения компонента может включать в себя второй криостат 42 (показан пунктирными линиями), выполненный с возможностью охлаждения насыщенной жидкости 20 (в буферной емкости 18) до требуемой температуры (Т₂) и поддержания требуемого давления (Р₁). Второй криостат 42 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления буферной емкости 18 и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) буферной емкости 18, если температура буферной емкости 18 выше требуемой температуры (Т₂) и/или давление буферной емкости 18 выше требуемого давления (Р₁).

Система 10 охлаждения компонента может включать в себя вакуумную емкость 44 для заключения различных компонентов системы 10 охлаждения. Например, вакуумная емкость 44 может заключать в себе охлаждающую емкость 26 (и, тем самым, емкость 14 для компонента), буферную емкость 18 и емкость 30 для криостата. Благодаря вакууму внутри вакуумной емкости 46 различные компоненты системы 10 охлаждения компонента (например, охлаждающая емкость 26, буферная емкость 18 и емкость 30 для криостата) могут быть закрыты от воздействия тепловой энергии, содержащейся в атмосферном воздухе 46, окружающем вакуумную емкость 44.

Как было рассмотрено выше, тепловыделяющее устройство 12 может быть ограничителем тока короткого замыкания. Соответственно, при воздействии на него тока короткого замыкания (например, через проводники 48, 50) тепловыделяющее устройство 12 может нагреться, нагревать переохлажденную жидкость 16 вблизи тепловыделяющего устройства 12 и добавить достаточно тепловой энергии в переохлажденную жидкость 16, чтобы часть переохлажденной жидкости 16 перешла из жидкого состояния в газообразное состояние, таким образом образовав газообразный пузырь 52 (показанный пунктирными линиями). Так как газообразный пузырь 52 больше по объему, чем количество переохлажденной жидкости 16, которая изменила свое состояние для образования газообразного пузыря 52, часть переохлажденной жидкости 16 может быть вытеснена (через трубу/трубопровод 22) в буферную емкость 18. Как было рассмотрено выше, для систем с переохлажденным и насыщенным жидким азотом температура (Т₁) переохлажденной жидкости 16 может поддерживаться на уровне 67 градусов Кельвина, температура (Т₂) насыщенной жидкости 20 может поддерживаться на уровне 105 градусов Кельвина и обе жидкости при давлении 10 бар.

Тепловая энергия газообразного пузыря 52 может быть поглощена переохлажденной жидкостью 16, в результате чего газообразный пузырь 52 возвращается в жидкое состояние. При стандартном токе короткого замыкания температура (Т₁) переохлажденной жидкости 16 может увеличиться от 67 градусов Кельвина до 70 градусов Кельвина. Как было рассмотрено выше, часть данной переохлажденной жидкости 16, имеющей температуру 70 градусов Кельвина, может быть вытеснена в буферную емкость 18 (которая по меньшей мере частично заполнена насыщенной жидкостью 20, имеющей температуру 105 градусов Кельвина). Соответственно, температура насыщенной жидкости 20 может упасть до 94 градусов Кельвина, и/или давление насыщенной жидкости 20 может упасть до 5 бар. Соответственно, система 40 нагрева может быть приведена в действие для нагрева насыщенной жидкости 20 (в буферную емкость 18) для достижения требуемой температуры Т₂ (например, 105 градусов Кельвина) и/или требуемого давления Р₁ (например, 10 бар).

Далее, если переохлажденная жидкость 16 в емкости 14 для компонента нагревается до 70 градусов Кельвина (во время короткого замыкания), тепловая энергия из емкости 14 для компонента передается за счет теплопроводности к насыщенной жидкости 28 в охлаждающей емкости 26. Обнаружив данное увеличение температуры, криостат 38 может быть приведен в действие для уменьшения температуры насыщенной жидкости 28 (которая находится как в охлаждающей емкости 26, так и в емкости 30 для криостата) от, например, 70 градусов Кельвина до требуемой температуры Т₁ (например, 67 градусов Кельвина). Данный процесс восстановления может занять несколько часов в зависимости от оставшейся доступной мощности охлаждения криостата 38.

На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления системы 10' охлаждения компонента для поглощения тепловой энергии, генерируемой тепловыделяющим устройством 12.

Система 10' охлаждения компонента может включать в себя емкость 100 для компонента, выполненную с возможностью приема тепловыделяющего устройства 12. Емкость 100 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 102. Примеры переохлажденной жидкости 102 могут включать, но не ограничиваясь этим, переохлажденный жидкий азот.

Система 10' охлаждения компонента может включать в себя буферную емкость 104, которая может быть по меньшей мере частично заполнена насыщенной жидкостью 106. Примеры насыщенной жидкости 106 могут включать, но не ограничиваясь этим, насыщенный жидкий азот. Буферная емкость 104 может быть связана по текучей среде с емкостью 100 для компонента, тем самым позволяя безнасосное перемещение жидкостей (например, переохлажденной жидкости 102 и насыщенной жидкости 106) между емкостями 100, 104. Например, одна или более труб/трубопроводов (например, труба/трубопровод 108) могут связывать емкость 100 для компонента и буферную емкость 104. Как было рассмотрено выше, безнасосное перемещение жидкостей может быть определено как перемещение жидкостей без использования какого-либо механического насоса.

Система 10' охлаждения компонента может включать в себя криогенную систему 110 для поддержания температуры емкости 100 для компонента (и, тем самым, жидкости 102 в емкости для компонента) на уровне требуемой температуры (Т₁), которая может изменяться в зависимости от типа и состояния жидкости, находящейся в емкости 100. Например, и как было рассмотрено выше, емкость 100 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 102. Если переохлажденной жидкостью 102 является переохлажденный жидкий азот, температура Т₁ может составлять 67 градуса Кельвина. Соответственно, для системы с переохлажденным жидким азотом криогенная система 110 может быть сконфигурирована поддерживать температуру емкости 100 для компонента на уровне 67 градусов Кельвина.

Криогенная система 110 может включать в себя охлаждающую емкость 112 (т.е. систему теплообмена), который может быть по меньшей мере частично заполнен насыщенной жидкостью 114. Охлаждающая емкость 112 может заключать в себе по меньшей мере участок емкости 100 для компонента. Примеры насыщенной жидкости 114 могут включать, но не ограничиваясь этим, насыщенный жидкий азот.

Криогенная система 110 может дополнительно включать в себя криостат 116, размещенный в охлаждающей емкости 112. Криостат 116 может быть выполнен с возможностью поддержания у насыщенной жидкости 114 по существу температуры Т₁ (например, 67 градусов Кельвина) и требуемого давления (Р₂). Криостат 116 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления охлаждающей емкости 112, и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) охлаждающей емкости 112, если температура охлаждающей емкости 112 выше требуемой температуры (Т₁) и/или давление охлаждающей емкости 112 выше требуемого давления (Р₂). Для системы с насыщенным жидким азотом криогенная система 110 может быть сконфигурирована поддерживать температуру охлаждающей емкости 112 на уровне температуры (Т₁), равной по существу 67 градусам Кельвина, и давление (Р₂) приблизительно 0,24 бар.

Система 10' охлаждения компонента может включать в себя систему 118 нагрева, выполненную с возможностью нагрева насыщенной жидкости 106 (в буферную емкость 104) до требуемой температуры (Т₂) и для поддержания требуемого давления (Р₁). Соответственно, для системы с насыщенным жидким азотом система 118 нагрева может быть сконфигурирована поддерживать температуру (Т₂) буферной емкости 104 на уровне по существу 105 градусов Кельвина. Так как емкость 100 для компонента и буферной емкости 104 связаны по текучей среде, давление (Р₁) по существу одинаково в обеих емкостях 100, 104. Для системы, использующей насыщенный и переохлажденный жидкий азот, система 118 нагрева может быть сконфигурирована поддерживать давление (Р₁) в буферной емкости 104 (и, тем самым, в емкости 100 для компонента) на уровне по существу 10 бар. Система 118 нагрева может включать в себя электрический резистивный нагревательный элемент (не показан), расположенный таким образом, чтобы обеспечить тепловой энергией буферную емкость 104. Дополнительно, система 118 нагрева может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления в буферной емкости 104 и подачи тепловой энергии к буферной емкости 104, если температура буферной емкости 104 ниже требуемой температуры (Т₂) и/или давление в буферной емкости 104 ниже требуемого давления (Р₁).

Дополнительно, система 10' охлаждения компонента может включать в себя второй криостат 120 (показанный штриховыми линиями), выполненный с возможностью охлаждения насыщенной жидкости 106 (в буферной емкости 104) до требуемой температуры (Т₂) и для поддержания требуемого давления (Р₁). Второй криостат 120 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления в буферной емкости 104 и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) буферной емкости 104, если температура в буферной емкости 104 выше требуемой температуры (Т₂) и/или давление в буферной емкости 104 выше требуемого давления (Р₁).

Система 10' охлаждения компонента может включать в себя вакуумную емкость 122 для заключения различных компонентов системы 10' охлаждения. Например, вакуумная емкость 122 может заключать в себе охлаждающую емкость 112 (и, тем самым, емкость 100 для компонента) и буферной емкости 104. Благодаря вакууму внутри вакуумной емкости 122 различные компоненты системы 10' охлаждения компонента (например, охлаждающая емкость 112 и буферная емкость 104) могут быть закрыты от воздействия тепловой энергии, содержащейся в атмосферном воздухе 124, окружающем вакуумную емкость 122.

При воздействии тока короткого замыкания (через, например, проводники 124, 126) тепловыделяющее устройство 12 может нагреваться, нагревать переохлажденную жидкость 102 вблизи тепловыделяющего устройства 12 и добавить достаточно тепловой энергии к переохлажденной жидкости 102, чтобы часть переохлажденной жидкости 102 перешла из жидкого состояния в газообразное состояние, тем самым образуя газообразный пузырь 128 (показанный штриховыми линиями). Так как газообразный пузырь 128 больше по объему, чем количество переохлажденной жидкости 102, которое изменило свое состояние для образования газообразного пузыря 128, часть переохлажденной жидкости 102 может быть вытеснена (через трубу/трубопровод 108) в буферную емкость 104. Как было рассмотрено выше, для систем с переохлажденным и насыщенным жидким азотом у переохлажденной жидкости 102 может поддерживаться температура (Т₁) 67 градусов Кельвина, у насыщенной жидкости 106 может поддерживаться температура (Т₂) 105 градусов Кельвина и у обоих давление на уровне 10 бар.

Тепловая энергия газообразного пузыря 128 может быть поглощена переохлажденной жидкостью 102, в результате чего газообразный пузырь 128 возвращается в жидкое состояние. При типичном токе короткого замыкания температура (Т₁) переохлажденной жидкости 102 может увеличиться от 67 градусов Кельвина до 70 градусов Кельвина. Как было рассмотрено выше, часть переохлажденной жидкости 102, имеющей температуру 70 градусов Кельвина, может быть вытеснена в буферную емкость 104 (которая по меньшей мере частично заполнена насыщенной жидкостью 106, имеющей температуру 105 градусов Кельвина). Соответственно, температура насыщенной жидкости 106 может упасть до 94 градусов Кельвина и/или давление насыщенной жидкости 106 может упасть до 5 бар. Соответственно, система 118 нагрева может быть приведена в действие для нагрева насыщенной жидкости 106 (в буферную емкость 104) до требуемой температуры Т₂ (например, 105 градусов Кельвина) и/или до требуемого давления Р₁(например, 10 бар).

Дополнительно, так как переохлажденная жидкость 102 в емкости 100 для компонента может быть нагрета до 70 градусов Кельвина (при воздействии тока короткого замыкания), тепловая энергия из емкости 100 для компонента может быть передана путем теплопроводности к насыщенной жидкости 114 в охлаждающей емкости 112. Обнаружив данное увеличение температуры, криостат 116 может быть приведен в действие для уменьшения температуры насыщенной жидкости 114 с, например, 70 градусов Кельвина, до требуемой температуры Т₁ (например, 67 градусов Кельвина). Как было рассмотрено выше, данный процесс восстановления может занять несколько часов, в зависимости от оставшейся доступной мощности охлаждения криостата 38.

На фиг.3 показан другой альтернативный вариант осуществления системы 10'' охлаждения компонента для поглощения тепловой энергии, генерируемой тепловыделяющим устройством 12.

Система 10'' охлаждения компонента может включать в себя емкость 150 для компонента, выполненную с возможностью приема тепловыделяющего устройства 12. Емкость 150 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 152. Примеры переохлажденной жидкости 152 могут включать, но не ограничиваясь этим, переохлажденный жидкий азот.

Система 10'' охлаждения компонента может включать в себя буферную емкость 154, которая может быть по меньшей мере частично заполнена насыщенной жидкостью 156. Примеры насыщенной жидкости 156 могут включать, но не ограничиваясь этим, насыщенный жидкий азот. Буферная емкость 154 может быть связана по текучей среде с емкостью 150 для компонента, тем самым позволяя безнасосное перемещение жидкостей (например, переохлажденной жидкости 152 и насыщенной жидкости 156) между емкостями 150, 154. Например, одна или более труб/трубопроводов (например, труба/трубопровод 158) могут связывать емкость 150 для компонента и буферной емкости 154. Как было рассмотрено выше, безнасосное перемещение жидкостей может быть определено как перемещение жидкостей без использования какого-либо механического насоса.

Система 10'' охлаждения компонента может включать в себя криогенную систему 160 для поддержания температуры емкости 150 для компонента (и, тем самым, жидкости 152 в емкости для компонента) на уровне требуемой температуры (Т₁), которая может изменяться в зависимости от типа и состояния жидкости, находящейся в емкости 150. Например, и как было рассмотрено выше, емкость 150 для компонента может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью 152. Если переохлажденной жидкостью 152 является переохлажденный жидкий азот, температура Т₁ может равняться 67 градусам Кельвина. Соответственно, для системы с переохлажденным жидким азотом криогенная система 160 может быть сконфигурирована поддерживать температуру емкости 150 для компонента на уровне 67 градусов Кельвина.

Криогенная система 160 может включать в себя систему 162 теплообмена (например, теплообменник), которая может быть по меньшей мере частично заполнена насыщенной жидкостью 164. Система 162 теплообмена может включать в себя один или более трубопроводов (например, трубопровод 166), по которым может проходить насыщенная жидкость 164. Система 162 теплообмена может дополнительно содержать теплопроводную массу 168, выполненную с возможностью обеспечения передачи тепловой энергии (не показана) между переохлажденной жидкостью 152 (находящейся в емкости 150 для компонента) и насыщенной жидкостью 164 (проходящей через трубопровод 166).

Криогенная система 160 может дополнительно включать в себя емкость 170 для криостата, связанную по текучей среде с системой 162 теплообмена, тем самым позволяя безнасосное перемещение насыщенной жидкости 164 между емкостью 170 для криостата и системой 162 теплообмена. Как было рассмотрено выше, безнасосное перемещение жидкостей может быть определено как перемещение жидкостей без использования какого-либо механического насоса. Например, одна или более труб/трубопроводов (например, труба/трубопроводы 172, 174) могут связывать емкость 170 для криостата и систему 162 теплообмена. Так как жидкость 164 является насыщенной жидкостью, если тепловая энергия добавляется к насыщенной жидкости 164, часть насыщенной жидкости 164 может перейти (т.е. изменить состояние) в пар 176. Криогенная система 160 может дополнительно включать в себя криостат 178, размещенный в емкости 170 для криостата. Криостат 178 может быть выполнен с возможностью поддержания у насыщенной жидкости 164 по существу температуры Т₁ (например, 67 градусов Кельвина) и соответствующего давления насыщения (Р₂). Криостат 178 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления в емкости 170 для криостата и/или системе 162 теплообмена и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) емкости 170 для криостата и/или системы 162 теплообмена, если температура емкости 170 для криостата и/или системы 162 теплообмена выше требуемой температуры (Т₁), и/или давление емкости 170 для криостата и/или системы 162 теплообмена выше требуемого давления (Р₂). Для системы с насыщенным жидким азотом криогенная система 160 может быть сконфигурирована поддерживать температуру системы 162 теплообмена и емкости 170 для криостата на уровне температуры (Т₁), равной по существу 67 градусам Кельвина, и давление (Р₂) приблизительно 0,24 бар.

Система 10'' охлаждения компонента может включать в себя систему 180 нагрева, выполненную с возможностью нагрева насыщенной жидкости 156 (в буферной емкости 154) до требуемой температуры (Т₂) и для поддержания требуемого давления (Р₁). Соответственно, для системы с насыщенным жидким азотом система 180 нагрева может быть сконфигурирована поддерживать температуру (Т₂) буферной емкости 154 на уровне по существу 105 градусов Кельвина. Так как емкость 150 для компонента и буферная емкость 154 связаны по текучей среде, давление (Р₁) может быть по существу одинаковым в обеих емкостях 150, 154. Для системы, использующей насыщенный и переохлажденный жидкий азот, система 180 нагрева может быть сконфигурирована поддерживать давление (Р₁) в буферной емкости 154 (и, тем самым, в емкости 150 для компонента) на уровне по существу 10 бар. Система 180 нагрева может включать в себя электрический резистивный нагревательный элемент (не показан), расположенный таким образом, чтобы обеспечить тепловой энергией буферную емкость 154. Дополнительно, система 180 нагрева может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления в буферной емкости 154 и подачи тепловой энергии к буферной емкости 154, если температура буферной емкости 154 ниже требуемой температуры (Т₂) и/или давление в буферной емкости 154 ниже требуемого давления (Р₁).

Дополнительно, система 10'' охлаждения компонента может включать в себя второй криостат 182 (показанный штриховыми линиями), выполненный с возможностью охлаждения насыщенной жидкости 156 (в буферной емкости 154) до требуемой температуры (Т₂) и для поддержания требуемого давления (Р₁). Второй криостат 182 может включать в себя схему управления (не показана) для контролирования температуры и/или давления в буферной емкости 154 и для охлаждения (т.е. удаления тепловой энергии из) буферной емкости 154, если температура в буферной емкости 154 выше требуемой температуры (Т₂) и/или давление в буферной емкости 154 выше требуемого давления (Р₁).

Система 10'' охлаждения компонента может включать в себя вакуумную емкость 184 для заключения различных компонентов системы 10'' охлаждения. Например, вакуумная емкость 184 может заключать в себе емкость 150 для компонента (и, тем самым, систему 162 теплообмена), буферная емкость 154 и емкость 170 для криостата. Благодаря вакууму внутри вакуумной емкости 184 различные компоненты системы 10'' охлаждения компонента (например, емкость 150 компонента, буферная емкость 154 и емкость 170 для криостата) могут быть закрыты от воздействия тепловой энергии, содержащейся в атмосферном воздухе 186, окружающем вакуумную емкость 184.

Как было рассмотрено выше, тепловыделяющим устройством 12 может быть ограничитель тока короткого замыкания. Соответственно, при воздействии тока короткого замыкания (через, например, проводники 188, 190) тепловыделяющее устройство 12 может нагреваться, нагревать переохлажденную жидкость 152 вблизи тепловыделяющего устройства 12 и добавить достаточно тепловой энергии к переохлажденной жидкости 152, чтобы часть переохлажденной жидкости 152 перешла из жидкого состояния в газообразное состояние, тем самым образуя газообразный пузырь 192 (показанный штриховыми линиями). Так как газообразный пузырь 192 больше по объему, чем количество переохлажденной жидкости 152, которое изменило свое состояние для образования газообразного пузыря 192, часть переохлажденной жидкости 152 может быть вытеснена (через трубу/трубопровод 158) в буферную емкость 154. Как было рассмотрено выше, для систем с переохлажденным и насыщенным жидким азотом у переохлажденной жидкости 152 может поддерживаться температура (Т₁) 67 градусов Кельвина, у насыщенной жидкости 156 может поддерживаться температура (Т₂) 105 градусов Кельвина, для обоих давление на уровне 10 бар.

Тепловая энергия газообразного пузыря 192 может быть поглощена переохлажденной жидкостью 152, в результате чего газообразный пузырь 192 возвращается в жидкое состояние. При типичном токе короткого замыкания температура (Т₁) переохлажденной жидкости 152 может увеличиться от 67 градусов Кельвина до 70 градусов Кельвина. Как было рассмотрено выше, часть переохлажденной жидкости 152, имеющей температуру 70 градусов Кельвина, может быть вытеснена в буферную емкость 154 (который по меньшей мере частично заполнен насыщенной жидкостью 156, имеющей температуру 105 градусов Кельвина). Соответственно, температура насыщенной жидкости 156 может упасть до 94 градусов Кельвина и/или давление насыщенной жидкости 156 может упасть до 5 бар. Соответственно, система 180 нагрева может быть приведена в действие для нагрева насыщенной жидкости 156 (в буферной емкости 154) до требуемой температуры Т₂ (например, 105 градусов Кельвина) и/или до требуемого давления Р₁(например, 10 бар).

Дополнительно, так как переохлажденная жидкость 102 в емкости 100 для компонента может быть нагрета до 70 градусов Кельвина (при воздействии тока короткого замыкания), тепловая энергия из емкости 100 для компонента может быть передана путем теплопроводности к насыщенной жидкости 114 в охлаждающей емкости 112. Обнаружив данное увеличение температуры, криостат 116 может быть приведен в действие для уменьшения температуры насыщенной жидкости 114 с, например, 70 градусов Кельвина, до требуемой температуры Т₁ (например, 67 градусов Кельвина). Как было рассмотрено выше, данный процесс восстановления может занять несколько часов в зависимости от оставшейся доступной мощности охлаждения криостата 38.

В то время как системы 10, 10', 10'', описанные выше, используют переохлажденный и насыщенный жидкий азот, другие варианты возможны и считаются входящими в объем настоящего изобретения. Например, может использоваться переохлажденный и насыщенный жидкий гелий.

Здесь были описаны несколько вариантов осуществления. При этом понятно, что также могут быть сделаны различные модификации. Соответственно, в объем настоящего изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения, входят и другие варианты осуществления.

Реферат

Система охлаждения компонента содержит емкость для компонента, которая выполнена с возможностью по меньшей мере частичного заполнения переохлажденной жидкостью с первым давлением и с первой температурой, криогенную систему для поддержания в емкости для компонента по существу первой температуры, которая включает систему теплообмена, термически связанную с, по меньшей мере, участком емкости для компонента, система теплообмена, по меньшей мере, частично заполнена второй насыщенной жидкостью с вторым давлением и с по существу первой температурой, и емкость для криостата. Емкость для криостата связана по текучей среде с системой теплообмена, чтобы обеспечить безнасосное перемещение второй насыщенной жидкости между системой теплообмена и емкостью для криостата, который расположен в емкости для криостата. Буферная емкость выполнена с возможностью, по меньшей мере, частичного заполнения первой насыщенной жидкостью с второй температурой. Система нагрева выполнена с возможностью нагрева первой насыщенной жидкости в буферной емкости для поддержания первого давления в емкости для компонента. Использование данной группы изобретений позволяет уменьшить время восстановления системы при обеспечении гибкого диапазона рабочих температур. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула