ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ КРИОГЕННОГО КАБЕЛЯ
CIRCULATION SYSTEM FOR COOLING OF CRYOGENIC CABLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля, например сверхпроводящего кабеля.
Уровень техники
Криогенные кабели, такие как сверхпроводящие кабели, охлаждаются хладагентом, таким как жидкий азот или жидкий гелий. В качестве циркуляционной системы охлаждения для таких кабелей известна, например, система, описанная в выложенной патентной заявке Японии № 8-148044. В этой циркуляционной системе охлаждения контур циркуляции хладагента является замкнутым контуром, и хладагент может циркулировать в состоянии, в котором хладагент не испаряется.
На фиг.2 схематически показана система. Система содержит блок 30 резервирования, в котором хранится хладагент 33, нагнетательный насос 31, нагнетающий хладагент 33, устройство 36 регулировки давления, которое поддерживает заранее определенное давление в блоке 30 резервирования, теплообменный блок 32, который охлаждает хладагент 33 до заранее определенной температуры, клапанный блок 34, отводящий хладагент 33 в кабель 35 (существует три кабеля, и каждый кабель не показан) и т.п.
Система повторяет цикл, в котором хладагент 33, направляемый из блока 30 резервирования, охлаждается до заранее определенной температуры в теплообменном блоке 32 и подается на кабель 35 и затем возвращается в блок 30 резервирования.
Патентный документ 1: выложенная патентная заявка Японии №8-148044 (формула изобретения и фиг.1)
Сущность изобретения
Задачи изобретения
В вышеупомянутой традиционной циркуляционной системе охлаждения относительно кабеля 35 блок 30 резервирования расположен перед контуром циркуляции и хладагент 33, направляемый из блока 30 резервирования, подается на кабель 35 после охлаждения до заранее определенной температуры в теплообменном блоке 32. Таким образом, поскольку хладагент 33 возвращается в блок 30 резервирования после охлаждения кабеля 35, температура хладагента 33 повышается из-за тепловыделения в кабеле 35 и его объем увеличивается из-за теплового расширения.
В соответствии с изменением величины тепловыделения в кабеле 35 также изменяется объем хладагента 33. Когда ожидается большое тепловыделение в кабеле 35, например, хладагент 33 необходимо в достаточной степени охлаждать соответственно. В этом случае хладагент 33, напротив, сжимается и уменьшается в объеме.
Таким образом, поскольку хладагент 33 расширяется или сжимается вследствие изменения температуры хладагента 33, и изменяется объем жидкости, тогда как объем каждого элемента, отличного от блока 30 резервирования, например участка охлаждения кабеля 35 и трубопровода, постоянный, изменение объема жидкости хладагента должно поглощаться в емкости блока 30 резервирования. Соответственно, емкость хранения хладагента блока 30 резервирования должна быть такой, чтобы поглощать изменение объема жидкости хладагента, и, как результат, блок 30 резервирования должен иметь большую емкость. Альтернативно, для поддержания количества хладагента в блоке 30 резервирования постоянным, необходимо обеспечить механизм регулировки количества хладагента в целях регулировки. Особенно когда суммарное количество хладагента в системе велико или система имеет большое изменение температуры, блок резервирования должен иметь большую емкость или необходим механизм регулировки количества хладагента большой емкости с учетом объемного расширения или сжатия.
Одна задача настоящего изобретения состоит в обеспечении циркуляционной системы охлаждения криогенного кабеля, которая решает проблемы традиционной циркуляционной системы охлаждения и способна сделать блок резервирования меньше и не нуждается в механизме регулировки или функции регулировки количества хладагента в блоке резервирования.
Средства решения проблем
Циркуляционная система охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению отличается тем, что система имеет механизм регулировки температуры хладагента для поддержания постоянного количества хладагента в блоке резервирования для решения задачи изобретения.
В частности, циркуляционная система охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению имеет блок резервирования, в котором хранится хладагент, и участок охлаждения кабеля, в котором охлаждается кабель посредством хладагента, направляемого из блока резервирования, и хладагент, направляемый из участка охлаждения кабеля, снова возвращается в блок резервирования для циркуляции. Система отличается тем, что имеет механизм регулировки температуры хладагента для поддержания постоянного количества хладагента в блоке резервирования.
В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля механизм регулирования температуры хладагента может содержать датчик, регистрирующий температуру хладагента, и теплообменный блок, регулирующий охлаждающую способность в соответствии с результатом регистрации датчика.
В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля датчик, регистрирующий температуру хладагента, может быть расположен вблизи выхода хладагента на участке охлаждения кабеля.
В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля теплообменный блок может быть расположен между выходом хладагента на участке охлаждения кабеля и входом для возврата хладагента в блок резервирования.
В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля регулирование охлаждающей способности теплообменного блока может осуществляться посредством регулирования мощности, приводящей в действие теплообменный блок, или частоты источника питания.
Преимущества изобретения
Поскольку циркуляционная система охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению имеет механизм регулировки температуры хладагента для поддержания количества хладагента в блоке резервирования постоянным, нет необходимости увеличивать объем блока резервирования для поглощения изменения объема хладагента, что позволяет уменьшить блок резервирования. Кроме того, механизм или регулирование объема хладагента в блоке резервирования не требуется.
Когда датчик, регистрирующий температуру хладагента, расположен вблизи выхода участка охлаждения кабеля и теплообменный блок размещен между выходом хладагента на участке охлаждения кабеля и входом для возврата хладагента в блок резервирования, охлаждающую способность теплообменного блока можно регулировать более надежно в соответствии с изменением тепловыделения на кабеле и одновременно можно препятствовать непосредственному влиянию изменения объема хладагента вследствие тепловыделения на кабеле на блок резервирования. Поэтому количество хладагента в блоке резервирования можно поддерживать постоянным с большей точностью.
Кроме того, когда регулирование охлаждающей способности теплообменного блока осуществляется путем регулирования мощности, приводящей в действие теплообменный блок, или частоты источника питания, теплообменный блок потребляет меньше энергии по сравнению с традиционной системой, которая всегда работает на полной мощности и регулирует температуру путем нагрева с помощью нагревателя в случае избыточного охлаждения, т.е. обеспечивает экономию энергии.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематически показан пример циркуляционной системы охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 схематически показан пример традиционной циркуляционной системы охлаждения криогенного кабеля.
Описание позиций на чертежах
1, 30: блок резервирования, 2, 32: теплообменный блок, 3, 34: клапанный блок, 4: участок охлаждения кабеля, 5: датчик, 7, 31: нагнетательный насос, 8: перепускной клапан, 9, 36: устройство регулирования давления, 10: холодильный агрегат, 11: холодная головка, 12: расходомер, 13: клапан регулирования расхода, 14: перепускной клапан, 15,16: трубопровод, 18: вакуумированный контейнер, 20: защитный клапан, 21: контрольный клапан, 22: источник питания, 23: аппарат для регулирования мощности, C: хладагент, G: газ, P1, P2: манометр
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Механизм регулирования температуры хладагента для поддержания постоянного количества хладагента в блоке резервирования имеет функцию поддержания постоянной температуры хладагента в системе. В порядке иллюстративного примера механизм содержит датчик, регистрирующий температуру хладагента, и теплообменный блок, регулирующий охлаждающую способность в соответствии с результатом регистрации датчика. Температура хладагента поддерживается постоянной путем увеличения (когда нужно снизить температуру) или уменьшения (когда нужно повысить температуру) охлаждающей способности теплообменного блока в соответствии с изменением температуры хладагента, зарегистрированным датчиком.
Датчик, регистрирующий температуру хладагента, может быть любого типа, если датчик может обеспечить чувствительное и точное обнаружение даже при криогенных температурах. В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля, отвечающей настоящему изобретению, изменение величины тепловыделения кабеля обычно сильнее всего влияет на изменение температуры хладагента. Поэтому предпочтительно, чтобы датчик был размещен вблизи выхода участка охлаждения кабеля, поскольку это позволяет быстро обнаруживать изменение величины тепловыделения на кабеле и точно регулировать температуру хладагента.
Теплообменный блок также может быть любого типа, если блок имеет достаточную охлаждающую способность и может обеспечивать регулирование охлаждающей способности в соответствии с изменением температуры хладагента. Кроме того, способ регулирования охлаждающей способности этим не ограничивается, и можно применять способ, обычно применяемый в традиционной системе охлаждения, т.е. способ, согласно которому теплообменный блок, имеющий полную мощность, превышающую мощность, соответствующую ожидаемой максимальной величине изменения температуры хладагента, всегда работает на полной мощности, и регулирование осуществляется путем нагрева с помощью нагревателя, размещенного в теплообменном блоке, когда температура хладагента снижается слишком сильно. Однако предпочтительно регулирование охлаждающей способности осуществляется путем регулирования мощности, приводящей в действие теплообменный блок, или частоты источника питания, поскольку нагрев с помощью нагревателя не нужен и можно снизить энергию, необходимую для охлаждения (энергопотребление).
Регулирование частоты источника питания осуществляется, например, посредством инвертора. Охлаждающая способность теплообменного блока зависит от частоты. Например, при переходе от режима 60 Гц к режиму 30 Гц охлаждающая способность снизится вдвое.
В циркуляционной системе охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению хладагент направляется из блока резервирования на участок охлаждения кабеля. Когда датчик, регистрирующий температуру хладагента, размещен вблизи выхода участка охлаждения кабеля, теплообменный блок можно, например, разместить между блоком резервирования и участком охлаждения кабеля. При большом тепловыделении на кабеле и повышении температуры вблизи выхода участка охлаждения кабеля охлаждающую способность теплообменного блока можно увеличить и подавить повышение температуры хладагента.
Однако в этом случае, поскольку участок охлаждения кабеля, т.е. участок тепловыделения, расположен после теплообменного блока, быстрого регулирования температуры хладагента в соответствии с изменением величины тепловыделения на кабеле, а следовательно, быстрого регулирования в соответствии с изменением объема хладагента вследствие изменения температуры хладагента не удается добиться. Таким образом, даже когда температура хладагента изменяется в силу изменения величины тепловыделения на кабеле, в результате чего объем хладагента увеличивается или уменьшается, сам хладагент, увеличивающийся или уменьшающийся в объеме, невозможно непосредственно отрегулировать по температуре и невозможно быстро отреагировать на изменение объема хладагента. Это затрудняет точную регулировку.
Таким образом, предпочтительно теплообменный блок размещен между выходом хладагента на участке охлаждения кабеля и входом для возврата хладагента в блок резервирования. Более предпочтительно датчик, регистрирующий температуру хладагента, размещен вблизи выхода участка охлаждения кабеля и теплообменный блок размещен между выходом хладагента на участке охлаждения кабеля и входом для возврата хладагента в блок резервирования. Таким образом, можно добиться регулирования охлаждающей способности теплообменного блока, непосредственно связанной с изменением тепловыделения на кабеле, и в то же время можно более точно поддерживать постоянное количество хладагента в блоке резервирования без непосредственного влияния на блок резервирования изменения объема хладагента вследствие теплового расширения или теплового сжатия, поскольку хладагент, подаваемый на блок резервирования, охлаждается до заранее определенной температуры в теплообменном блоке.
Ниже более предпочтительный вариант осуществления изобретения будет конкретно описан со ссылкой на фиг.1.
Система, показанная на фиг.1, содержит блок 1 резервирования, теплообменный блок 2, клапанный блок 3, участок 4 охлаждения кабеля и датчик 5, регистрирующий температуру хладагента (далее именуемый датчиком 5) в качестве своих основных элементов.
Блок 1 резервирования представляет собой закрытый контейнер для хранения хладагента C и включает нагнетательный насос 7 для циркуляции хладагента и устройство 9 регулирования давления. Хладагент С нагнетается нагнетательным насосом 7 для циркуляции, и его давление нагнетания регулируется перепускным клапаном 8 в блоке резервирования. В качестве нагнетательного насоса 7 используется насос, который может обеспечить необходимый расход, даже в случае, когда давление хладагента снижается в контуре циркуляции.
Нагнетательный насос 7 может быть размещен независимо снаружи блока 1 резервирования. Однако, когда насос размещен в блоке 1 резервирования, как в данном примере, можно совместно использовать вакуумированный контейнер и снизить стоимость изготовления системы. Следует отметить, что P1 - это манометр для измерения давления в блоке 1 резервирования, P2 - это манометр для измерения давления на выходе нагнетательного насоса 7, 20 - это защитный клапан предохранения блока 1 резервирования от избыточного роста давления и 21 - это контрольный клапан для предотвращения поступления воздуха и пр. в блок 1 резервирования.
Устройство 9 регулирования давления обеспечивает подачу газа G для поддержания давления в блоке 1 резервирования по существу постоянным и поддержания хладагента C в состоянии, в котором хладагент не испаряется. Однако устройство регулирования давления не существенно в настоящем изобретении. В качестве подаваемого газа G используется газ, имеющий более низкую точку кипения или тройную точку, чем хладагент C. Если хладагентом C является, например, жидкий азот, используется гелий.
В традиционной циркуляционной системе охлаждения, описанной выше, может быть обеспечен механизм автоматической подачи хладагента (комбинация измерителя уровня жидкости и питателя, действующего в соответствии с результатом измерения) для поддержания постоянного количества хладагента в блоке 1 резервирования. Однако в настоящем изобретении этот механизм, в принципе, не нужен.
Клапанный блок 3 служит для отвода хладагента C, направляемого из блока 1 резервирования по трубопроводу 15 для подачи на участок 4 охлаждения кабеля. В данном примере для равномерной подачи хладагента C трехфазные силовые кабели размещены на участке 4 охлаждения кабеля, хладагент C делится на три ветви и расходомер 12, клапан 13 регулирования расхода и перепускной клапан 14 обеспечены на каждой ветви.
Хладагент C, направляемый через клапанный блок 3, подается на участок 4 охлаждения кабеля. В данном примере хладагент C подается с одного конца участка 4 охлаждения кабеля и на другом конце три ветви хладагента C, соответствующие трем фазам, объединяются в один поток для выхода, затем возвращаются в теплообменный блок 2.
На участке 4 охлаждения кабеля соответствующий кабель охлаждается хладагентом C, в то время как температура хладагента C повышается вследствие тепловыделения в кабеле. Величина увеличения температуры зависит от изменения величины тепловыделения в кабеле (т.е. от изменения тока).
Датчик 5, размещенный вблизи выхода хладагента на участке 4 охлаждения кабеля, регистрирует температуру хладагента C, и результат измерения поступает обратно в аппарат 23 для регулирования мощности теплообменного блока 2. Хладагент C, поступающий от датчика 5, направляется в теплообменный блок 2 по трубопроводу 16.
Теплообменный блок 2 охлаждает хладагент C, поступающий от датчика 5, до заранее определенной температуры. В данном примере холодная головка 11 холодильного агрегата 10 поддерживается в контакте с блоком Cu и транспортная трубка для хладагента C обвита вокруг блока Cu для теплообмена посредством теплопроводности. Кроме того, хотя в данном примере используется один теплообменный блок 2, два или более блока можно соединить последовательно, когда охлаждающей способности одного блока недостаточно.
В данном примере теплообменный блок 2 размещен после выходного трубопровода 16 датчика 5 и до обратного трубопровода, проходящего в блок 1 резервирования хладагента C. Таким образом, блок находится между выходом хладагента на участке 4 охлаждения кабеля и входом для возврата хладагента в блок 1 резервирования.
Холодильный агрегат 10 запитывается для работы от источника питания 22 теплообменного блока. Между источником питания 22 и холодильным агрегатом 10 размещен аппарат 23 для регулирования мощности, приводящей в действие теплообменный блок. Согласно вышеописанному температура, регистрируемая датчиком 5, используется в качестве сигнала обратной связи для управления аппаратом 23 для регулирования мощности. Таким образом, охлаждающая способность теплообменного блока 2 регулируется, и температура обратного входа в блок 1 резервирования поддерживается постоянной, что препятствует изменению объема хладагента C вследствие изменения температуры хладагента C. В качестве аппарата 23 для регулировки мощности можно использовать инвертор, способный произвольно изменять частоту источника питания, подаваемого на теплообменный блок 2.
Следует отметить, что, когда количество хладагента, существующего между участком тепловыделения, т.е. участком 4 охлаждения кабеля, и теплообменным блоком 2 велико, изменение объема хладагента вследствие теплового расширения или теплового сжатия хладагента оказывается большим. Соответственно, предпочтительно, чтобы это количество хладагента было малым и теплообменный блок 2 был расположен вблизи выхода хладагента на участке 4 охлаждения кабеля, т.е. вблизи выхода датчика 5.
Хладагент C, направляемый из теплообменного блока 2, возвращается в блок 1 резервирования по трубопроводу 15.
Блок 1 резервирования, теплообменный блок 2 и клапанный блок 3 размещены отдельно в вакуумированный контейнер 18, и трубопроводы 15, 16 образуют контур циркуляции, покрытый вакуумированным слоем. Таким образом, можно уменьшить потери тепла охлаждающей системы в целом. Заметим, что каждый блок 1, 2, 3, 15 и 16 может быть вакуумирован совместно, а не по отдельности.
Промышленное применение
Циркуляционная система охлаждения криогенного кабеля согласно настоящему изобретению используется в качестве охлаждающей системы кабеля, например сверхпроводящего кабеля, который используется в состоянии охлаждения хладагентом. Система, в частности, полезна, когда требуется уменьшение размеров или упрощение механизма.