專利名稱：超導機械的冷卻設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于超導機械的冷卻設備。這種設備有一個閉式熱虹吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充填液體冷卻劑以及它有一個蒸發(fā)液體冷卻劑的蒸發(fā)器。
背景技術：
DE10244428A1公開了一種包括在機殼內的轉子和定子的機械，它含有一個用于冷卻機殼內部的這些部件的設備。所述冷卻設備在機械的至少一端有閉式管路系統(tǒng)，包括處于機殼外部的冷凝器、處于機殼內部的蒸發(fā)器以及在冷凝器與蒸發(fā)器之間延伸的連接管， 其中，在該系統(tǒng)內按熱虹吸效應實施冷卻劑的循環(huán)。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是，提高超導機械冷卻設備的冷卻能力。此技術問題通過一種用于超導機械的冷卻設備得以解決，其有一個閉式熱虹吸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充填一種液體冷卻劑并有一個蒸發(fā)液體冷卻劑的蒸發(fā)器，其中設有用于增大蒸發(fā)器可被液體冷卻劑潤濕的表面的裝置。本發(fā)明基于下述認識為了達到超導機械冷卻設備內所需要的冷卻功率，起決定性作用的并不是可供使用的液體冷卻劑的絕對量，而是蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面的大小。蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面越大，可以越多地蒸發(fā)冷卻劑，也就是說， 通過可供使用的可潤濕表面?zhèn)魅胍舭l(fā)的冷卻劑內的熱能就越多。因此，通過增大蒸發(fā)器的可潤濕的表面，能夠有效提高超導機械的冷卻設備可供利用的冷卻功率。由從屬權利要求可得知本發(fā)明設備有利的擴展設計。按本發(fā)明的一種有利的擴展設計，蒸發(fā)器布設在超導機械轉子的內部。因此多余的熱能可以直接從轉子排出。采用本發(fā)明達到的增大蒸發(fā)器可被液體冷卻劑潤濕的表面， 對于本發(fā)明的這種設計是特別有利的，因為通常處于轉子內部的蒸發(fā)器的容積并因而還有其表面，受轉子比較小尺寸的限制。蒸發(fā)器通常設計為空腔，它的邊界可供用作蒸發(fā)器的表面。因此根據(jù)液體冷卻劑的充填度，可提供或大或小的用于液體冷卻劑蒸發(fā)的蒸發(fā)器表面。為了增大蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面，而與此同時不必增加液體冷卻劑的量，按本發(fā)明另一項有利的擴展設計建議，用于增大蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面的裝置具有至少一個用于置換 (Verdrangung )液體冷卻劑的置換體(Verdrangungsk0rper )。由此，在增大蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面的同時，節(jié)省了冷卻劑。按本發(fā)明另一項有利的擴展設計可獲得結構上的優(yōu)點，亦即，蒸發(fā)器和所述至少一個置換體成形為柱形，尤其圓柱形。這種形狀制造方便以及盡管如此仍能有效置換液體冷卻劑。按本發(fā)明另一項有利的擴展設計建議，蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面具有一種表面結構，這種表面結構設計為，增大可有效利用于傳熱的表面。
由此達到在結構性費用低的同時，可以特別多地增大蒸發(fā)器的可被液體冷卻劑潤濕的表面。在這方面按本發(fā)明另一項有利的擴展設計，令所述表面結構有一維的，尤其槽狀或片狀元件，從而可以在加工技術上特別簡單地實現(xiàn)。為了進一步提高冷卻能力，按本發(fā)明另一項有利的擴展設計，所述表面結構具有二維的，尤其孔狀或尖齒狀元件。按本發(fā)明另一項有利的擴展設計，液體冷卻劑是氖。例如在冷卻高溫超導體時氖可以實現(xiàn)特別有利的工作點，不過比較昂貴，所以尤其應考慮減少冷卻劑，通過本發(fā)明可以達到這一目的。


下面借助附圖表示的實施例詳細介紹和闡述本發(fā)明。其中圖1示意表示通過超導機械和超導機械冷卻設備剖開示出的剖面圖；圖2示意表示按現(xiàn)有技術的蒸發(fā)器；圖3表示有置換液體冷卻劑的置換體的按本發(fā)明設備的實施例；圖4表示按本發(fā)明設備的另一種實施例，其中增大了蒸發(fā)器可有效利用于傳熱的表面；以及圖5表示按本發(fā)明設備的一種實施例，其中為了增大蒸發(fā)器可被液體冷卻劑潤濕的表面而使用的不同裝置。
具體實施例方式圖1示意性表示出超導機械1和超導機械1的冷卻設備。圖中表示的是沿超導機械1縱軸線的一個剖面。在按圖1的實施例中所展示的超導機械1，涉及一種旋轉的電機， 尤其涉及一種同步機械，例如電動機或發(fā)電機。它有定子10和轉子6。此外它還有一個用于容納定子10和支承轉子6的機殼11。超導機械1通過閉式熱虹吸系統(tǒng)冷卻，它有蒸發(fā)器 4、冷凝器9以及連接蒸發(fā)器4與冷凝器9的構件，例如連接管。蒸發(fā)器4、連接件和冷凝器 9構成一個封閉容積的邊界，該容積規(guī)定用于容納液體冷卻劑3。蒸發(fā)器4有一個可被液體冷卻劑3潤濕的表面5，在轉子內產(chǎn)生的要排出的熱能，通過此表面5傳給冷卻劑3。在這里，冷卻劑3 —般通過傳輸?shù)臒崮軓囊簯B(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)，亦即冷卻劑3被汽化或蒸發(fā)?；跉鈶B(tài)冷卻劑較小的密度，它通過連接件向地理位置較高的冷凝器9上升，并在那里通過提取吸收的熱能，重新從氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)。如此再次液化的冷卻劑3在重力作用下重新流回蒸發(fā)器4，尤其流回蒸發(fā)器4的可被冷卻劑3潤濕的表面5。因此這種冷卻系統(tǒng)利用了所謂的熱虹吸效應。這種冷卻循環(huán)僅通過所謂的密度差或重力維持。圖2表示通過處于機器停止運行狀態(tài)的超導機械的蒸發(fā)器4剖開示出的軸向剖面。在圖2中沒有明確地表示出機械的其他部分。按圖2的蒸發(fā)器4有圓柱形橫截面。圖示的蒸發(fā)器4是由現(xiàn)有技術已知的。蒸發(fā)器4至少部分充填一種液體冷卻劑3。在這里用附圖標記5表示蒸發(fā)器4可被冷卻劑3潤濕的表面。在用熱虹吸系統(tǒng)冷卻超導機械1時，為了提供所需要的冷卻功率，必須由液體冷卻劑潤濕蒸發(fā)器4的規(guī)定的最小面積。取決于蒸發(fā)器4準確的幾何尺寸并與冷卻階段期間往往受蒸發(fā)膜限制的熱傳導有關，為此在目前設計的超導機械中需要數(shù)量比較大的液體冷卻劑(例如氖、氮等)。當前為了解決這一問題，通常通過簡單地充填相應量的冷卻劑3，這一冷卻劑量應能在(一般水平放置的)圓柱形蒸發(fā)器4內潤濕足夠大的表面。在同時維持一次性充填閉式熱虹吸系統(tǒng)的設計方案中，所述方法在室溫下需要比較大的緩沖容器(壓力容器)，其中可在容許的壓力升高條件下收集在冷卻中斷或故障時逐漸蒸發(fā)的液體冷卻劑3。與之不同， 當然也可以考慮，基于小量地充填冷卻劑，使冷卻過程需要比原來長的持續(xù)時間。圖3表示按本發(fā)明的設備一種實施例的蒸發(fā)器4。蒸發(fā)器4至少部分充填液體冷卻劑3。通過使用附加的(有利地圓柱形的)置換體7，為了潤濕同樣的蒸發(fā)表面可以顯著減少需要的液體量。這種設備有用于置換液體冷卻劑3的置換體7，作為用于增大蒸發(fā)器4 可被液體冷卻劑3潤濕表面5的裝置7、8。通過置換體7，將在蒸發(fā)器4內部可供液體冷卻劑3使用的容積限制為，使蒸發(fā)器4被冷卻劑3真正潤濕的表面增大。圖4表示按本發(fā)明的設備另一種實施例的蒸發(fā)器4。作為按圖3的設計的補充或替代方式，蒸發(fā)器表面本身還可以通過加工成一種相應的表面結構8，顯著增大其實際有效的表面。有利的設計是一維的槽狀或片狀結構，通過它們能以簡單的方式顯著增大表面(3-5 倍)。按所示的實施例，用于增大蒸發(fā)器4可被液體冷卻劑3潤濕的表面5的裝置7、8，設計為蒸發(fā)器表面的表面結構8，其中表面結構8設計為，增大可有效利用于傳熱的表面。按圖示實施例的表面結構8有一維的，在這種情況下是槽狀或片狀的元件。二維的，可略微復雜地制造的表面增大方案(例如加工出小孔或尖齒狀結構)也是有利的，它們實現(xiàn)了更多地增大有效表面。圖5表示按本發(fā)明的設備另一種實施例的蒸發(fā)器4，它有一種用于增大蒸發(fā)器4可被液體冷卻劑3潤濕的表面5的裝置7、8的組合。不僅按圖3的裝置，亦即置換體7，而且按圖4的裝置，亦即用于增大蒸發(fā)器4可被液體冷卻劑3潤濕表面5的表面結構8，按圖5 的實施例互相組合。圖示的本發(fā)明的擴展設計，可以減少用于潤濕蒸發(fā)器4作為熱虹吸冷卻循環(huán)組成部分所規(guī)定的最小表面所需的液體量。獲得的優(yōu)點在于，所需要的緩沖容積直接與之相關地減小(典型地從幾百升減小為約十分之一)，并由此減少對空間位置的需求和降低成本。 用于原先充填熱虹吸系統(tǒng)的費用也因此減小(減少了冷卻劑3)?？傊?，本發(fā)明涉及一種用于超導機械1的冷卻設備，包括一個閉式熱虹吸系統(tǒng)2， 它可充填一種液體冷卻劑3以及具有一個蒸發(fā)液體冷卻劑3的蒸發(fā)器4。為提高設備的冷卻能力，按本發(fā)明設有裝置7、8，用于增大蒸發(fā)器4可被液體冷卻劑3潤濕的表面5。
權利要求
1.一種用于超導機械(1)的冷卻設備，包括閉式熱虹吸系統(tǒng)(2)，該系統(tǒng)可充填液體冷卻劑(3)以及具有蒸發(fā)液體冷卻劑(3)的蒸發(fā)器(4)，其中設有用于增大蒸發(fā)器(4)可被液體冷卻劑(3)潤濕的表面(5)的裝置(7、8)。
2.按照權利要求1所述的設備，其特征為，所述蒸發(fā)器(4)布設在超導機械(1)的轉子 (6)的內部。
3.按照權利要求1或2所述的設備，其特征為，所述用于增大蒸發(fā)器可被液體冷卻劑潤濕的表面的裝置(7、8)，設計為至少一個用于置換液體冷卻劑(3)的置換體(7)。
4.按照權利要求3所述的設備，其特征為，所述蒸發(fā)器(4)和所述至少一個置換體(7) 成形為柱形，尤其圓柱形。
5.按照前列諸權利要求之一所述的設備，其特征為，所述用于增大蒸發(fā)器可被液體冷卻劑潤濕的表面的裝置(7、8)，設計為蒸發(fā)器(4)的可被液體冷卻劑潤濕表面的表面結構 (8)，該表面結構(8)設計為增大可有效利用于傳熱的表面。
6.按照權利要求5所述的設備，其特征為，所述表面結構(8)具有一維的，尤其槽狀或片狀元件。
7.按照權利要求5或6所述的設備，其特征為，所述表面結構(8)具有二維的，尤其孔狀或尖齒狀元件。
8.按照前列諸權利要求之一所述的設備，其特征為，所述液體冷卻劑(3)是氖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超導機械(1)的冷卻設備，包括閉式熱虹吸系統(tǒng)(2)，該系統(tǒng)可充填液體冷卻劑(3)以及具有一個蒸發(fā)液體冷卻劑(3)的蒸發(fā)器(4)。為提高設備的冷卻能力，按照本發(fā)明設有用于增大蒸發(fā)器(4)的可被液體冷卻劑(3)潤濕的表面(5)的裝置(7、8)。
文檔編號H02K55/04GK102449889SQ201080022889
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月28日
發(fā)明者H.施米特, P.凡哈賽爾特 申請人:西門子公司