[發明專利]用于低溫冷卻浸沒在液體制冷劑中的高溫超導裝置的方法和設備

有效

• 申請號: 201580043419.8
• 申請日: 2015-07-06
• 公開（公告）號: CN106663735B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: M·斯坦斯
• 申請（專利權）人: 維多利亞互聯有限公司
• 主分類號: H01L39/02
• 分類號: H01L39/02;H01F6/04;F25D3/10
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 趙培訓

一種熱絕緣容器，包含熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障限定該屏障上方的上隔室和該屏障下方的下隔室。所述上隔室和下隔室通過通道相互連接，以使壓力平衡。高溫超導體安裝在所述下隔室內，以便浸沒在液體制冷劑中。低溫制冷機具有冷頭，所述冷頭熱聯接至所述高溫超導體，以將所述高溫超導體保持在超導轉變溫度以下。在所述上隔室的至少一部分和所述下隔室充注有液體制冷劑的情況下，溫度控制器將所述上隔室中的液體制冷劑的溫度保持在至少該液體制冷劑在大氣壓力下沸點的溫度。

技術領域

本公開涉及用于低溫冷卻浸沒在液體制冷劑中的高溫超導(HTS)裝置的方法和設備。

背景技術

當常見材料冷卻至低溫溫度時，材料的性質時常會發生變化，并且這些變化使低溫設備的設計復雜化。這些變化在低于大約150開氏度時變得顯著。因此，在本公開中，“低溫”指的是低于150開氏度的溫度。例如，“低溫液體”是沸點低于150開氏度的液體。低溫液體的示例包括液氦、液氫、液氖、液氮、液氟、液氬、液氧和液氪。

高溫超導體(HTS)是具有高于三十開氏度(-243.2℃)的轉變溫度的超導體。轉變溫度是在低于該溫度時超導體在沒有磁場的情況下變得超導的溫度。在磁場存在的情況下，超導體在低于轉變溫度的溫度下變得超導。在低于轉變溫度的溫度下，根據定義，在1μV/cm的電場下，超導體具有臨界電流密度，當高于該臨界電流密度時超導體表現出顯著的電阻。因此，為了獲得高的電流密度，時常需要在顯著低于所述轉變溫度的溫度下操作HTS磁體。

許多HTS在氮在大氣壓力下為液體的溫度范圍(63.15到77.35開氏度)中具有相對高的臨界電流密度。這些HTS中的一些在商業化生產，例如Bi2223、YBa₂Cu₃O₇以及被稱為REBCO或更粗略地稱為2G HTS導體的YBa₂Cu₃O₇的稀土取代的變體。因此液氮是用于這些HTS的最方便和相對便宜的制冷劑或傳熱流體。

通常超導裝置被操作成使得磁體電流顯著地小于臨界電流。否則，超導磁體可能會回到非超導狀態，導致從磁體中流動的電流釋放熱量。這種失去超導狀態的情況被稱為失超(quench)。為了防止失超期間所釋放的熱量損壞超導磁體，超導磁體時常被浸沒在液體制冷劑中，使得液體制冷劑可汽化而吸收熱量。雖然失超通常是不期望的，但是超導故障電流限制器依賴于受控的失超，以限制顯著超過正常的電流水平的故障電流。例如，參見Yazawa等人發表于2001年3月出版的第11卷第1期《IEEE應用超導匯刊》的2511-2514頁的《6.6kV高轉變溫度的超導故障電流限制器的設計和測試結果》。

2G HTS導體具有大約90開氏度的臨界溫度，并且通過將操作溫度降至遠低于液氮的沸點77.35開氏度，能夠顯著地提高臨界電流。對于2G導體的臨界電流而言，例如，每降低1開氏度的溫度通常會增加7％的臨界電流。可通過對液氮泵吸而使液氮沸騰來降低溫度。溫度下限是氮的臨界點，為壓力12.5kPa下的63.15K。然而，泵吸需要液氮的連續供給，或者使壓縮機和冷凝器復雜化以便再液化氮蒸氣。低壓也是不期望的，因為容器需要承受大氣的外部壓力，并且容器中的任何泄漏會使制冷劑被大氣中的氧氣和水蒸氣污染。此外，制冷劑的沸騰所產生的氣泡會不利地影響制冷劑的電擊穿強度。參見Sauers等人發表于2011年6月出版的第21卷第3期《IEEE應用超導匯刊》的1892-1895頁的《氣泡對100-250kPa下的平面-平面電極形狀中的液氮擊穿的影響》。