專利名稱：高溫超導(dǎo)體用冷卻劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻本專利權(quán)利要求1的前序部分所述的高溫超導(dǎo)體的冷卻劑。具體地說，涉及在供電領(lǐng)域使用基于高溫超導(dǎo)體的部件、組件或設(shè)備時所用的冷卻劑。
高溫超導(dǎo)體在供電領(lǐng)域中應(yīng)用，例如在中等電壓范圍內(nèi)作為輸電電纜、變壓器或限流器時，對冷卻和電絕緣有特定的要求。一方面，當(dāng)額定電流密度在臨界電流密度范圍內(nèi)時，超導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生不可忽略的電壓降和相應(yīng)的熱量。另一方面，在交流電領(lǐng)域，超導(dǎo)體內(nèi)也產(chǎn)生交流電的損失，同樣也常常使超導(dǎo)體發(fā)熱，其程度通常還非常大。因此，在連續(xù)運(yùn)行過程中，為了不使超導(dǎo)體的溫度超過其臨界溫度(Tc)，額定電流(IN)不能大于一定的電流強(qiáng)度。冷卻超導(dǎo)體使其溫度低于Tc的最簡單的方法是，將超導(dǎo)體浸在置于被稱為低溫箱的特殊容器內(nèi)的冷卻液體如液氮、液氦、液氖或液氮和液氧的混合物中。
另外，能夠處于大于100kV電勢的超導(dǎo)體一定要與低溫箱電絕緣。電場強(qiáng)化，也就是說電場的不均勻分布特別發(fā)生在尖端部位或邊緣區(qū)域。冷卻劑的存在和／或空氣或氣體絕緣性的缺乏由于降低擊穿電壓而變得更明顯，后者在大體積的純的LN2中通常為10KV／mm，在伴有氣泡產(chǎn)生的沸騰氮中會更低。在設(shè)計超導(dǎo)體組件時，最高電壓必須相應(yīng)在限制和／或必須更注意避免易被擊穿的位置。
所說的問題對于在基于超導(dǎo)體的限流器來說更為重要。在限流狀態(tài)下，當(dāng)超過臨界電流IC的故障電流或過載電流流過超導(dǎo)體時，超導(dǎo)體處于一種阻抗?fàn)顟B(tài)。相應(yīng)地，散發(fā)出更多的熱量，并且必須通過冷卻劑除去這些熱量。因為，在限流狀態(tài)下，大多數(shù)部件的驅(qū)動電壓通過超導(dǎo)體降低，超導(dǎo)體不同部分之間所處電勢不同，故有擊穿的危險。
熱量從高溫的超導(dǎo)體部分傳至冷卻劑是關(guān)鍵的一點。所述的超導(dǎo)體除了真正的超導(dǎo)體外，還可以包括分流電阻和／或絕緣層。如果超導(dǎo)體組件與冷卻劑之間的溫度差過大(例如，對于液氮為77K)，就會遇到冷卻劑的薄膜沸騰區(qū)。若使用液氮(LN2)，在要被冷卻結(jié)構(gòu)的表面上就會形成一個連續(xù)的氣態(tài)氮的薄膜。這就使得熱傳遞變差并表明一方面，使浸在冷卻劑中的物體冷卻變慢或，另一方面，最壞的情況是，如果后者自身產(chǎn)生熱，會使溫度進(jìn)一步升高。與之相反，至少在溫度梯度小的情況下，在冷卻劑與要冷卻的物體之間形成的氣泡沸騰區(qū)內(nèi)熱傳遞加快，已經(jīng)測出樣品處于恒定熱量吸收下的相應(yīng)溫度分布曲線，例如參見論文″Transient heat transfer from smooth surfaces into liquid nitrogen″，byV．Drach and J．Fricke，Cryogenics，Volume 36(1996)，pages 263 to 269。
本發(fā)明的目的是，提供一種用于高溫超導(dǎo)體的冷卻劑，該冷卻劑改善了高溫超導(dǎo)體應(yīng)用，特別是在中等和高功率的供電領(lǐng)域中應(yīng)用時的經(jīng)濟(jì)性。
利用具有本專利權(quán)利要求1所述特征的高溫超導(dǎo)體的冷卻劑，可以達(dá)到上述目的。
本發(fā)明的核心在于下述發(fā)現(xiàn)，即，除了超導(dǎo)體自身的構(gòu)造外，包圍超導(dǎo)體的冷卻劑也影響其應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。通過簡單改進(jìn)已知的冷卻液體，在高溫超導(dǎo)體組件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計中可以節(jié)省費(fèi)用。
按照本發(fā)明對于冷卻劑的要求包括，例如，保護(hù)超導(dǎo)體以防熱量過載及超導(dǎo)體各部分之間或超導(dǎo)體與裝有冷卻劑的低溫箱之間電擊穿。為此，小顆粒物應(yīng)分散或懸浮，也就是說，以飄浮狀態(tài)精細(xì)地分散于冷卻液體中。
根據(jù)第一個優(yōu)選的實施方案，分散的顆粒物作為冷卻液體的凝結(jié)核，可以延緩從氣泡區(qū)向薄膜沸騰區(qū)的轉(zhuǎn)變。因此可以更好地防止浸于分散液中的組件過熱，故可以在較高的額定電流下工作。
根據(jù)另外一個優(yōu)選的實施方案，懸浮粒子的介電常數(shù)高于冷卻液的介電常數(shù)，基于這種方法改性的冷卻液體的冷卻劑，可以防止部件電擊穿，允許較高的工作電壓。
優(yōu)選使用液氮LN2作為冷卻液體。
以下借助實施例和附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。所用的標(biāo)記數(shù)字列于標(biāo)記數(shù)字表中。


圖1表示裝有本發(fā)明的高溫超導(dǎo)體的冷卻劑的低溫箱。
圖1所示的低溫箱1盛滿冷卻液30，它使冷卻液與周圍環(huán)境絕熱。高溫超導(dǎo)體組件20，通過普通的供電導(dǎo)線21連接到電路中，浸于冷卻液30內(nèi)。分散地冷卻液30中的小顆粒物32懸浮于冷卻液30中，并與后者一起以懸浮或分散的形式形成本發(fā)明的冷卻劑3。蒸發(fā)的冷卻液30形成上升的氣泡31。圖1中沒有示出封閉低溫箱1的蓋子和供電導(dǎo)線21通過低溫箱的套管，高溫超導(dǎo)體組件20是，例如，限流器或電能傳輸領(lǐng)域中的其它一些單元的變壓器的部分。
分散的顆粒32起到凝結(jié)核(核心)的作用并延緩了在要冷卻的物體20表面形成由蒸發(fā)的冷去液31構(gòu)成的連續(xù)薄膜。因此，與薄膜沸騰相比，即使在較大的溫度梯度下，氣泡沸騰是占優(yōu)勢的，并具有更好的傳熱性能。由于冷卻效率的提高，使超導(dǎo)體20可以在更高的額定電流負(fù)荷下工作。
本發(fā)明的冷卻劑3還可以提高電擊穿強(qiáng)度?？梢灶A(yù)料電擊穿發(fā)生在電場強(qiáng)度最高的地方。所說的電場強(qiáng)化具體發(fā)生在導(dǎo)體上形成的尖端部、角部或邊緣處。介電常數(shù)ε高的電介質(zhì)通常具有較高的擊穿強(qiáng)度。為了避免超導(dǎo)體20與低溫箱1之間，或超導(dǎo)體的可能處于不同的電勢的各部分之間必須形成不適宜的大的間距，將介電常數(shù)ε高于冷卻液30(如ε(LN2)=1．45)的顆粒32加入冷卻液30中。這使冷卻劑3的介電常數(shù)增加，并提高了電場的屏蔽。
另外，所需要的電場屏蔽通過介電電泳(dielectrophoretic)效應(yīng)而得到促進(jìn)。在不很強(qiáng)的可極化流體中，介電常數(shù)高的顆粒通過能將它們拉向高絕對場強(qiáng)區(qū)的力作用于非均勻電場。因此，顆粒向上面提及的潛在危險區(qū)聚集，進(jìn)一步強(qiáng)化該區(qū)域的屏蔽。這也使上面提及的冷卻效果增加，例如，在導(dǎo)體的角部，電流分布不均勻地增加和相應(yīng)地?fù)p失。
作為添加劑與冷卻液30混合的顆粒32優(yōu)選由陶瓷材料組成，如，SiO2、Al2O3、SrTiO3、BaSrO3、TiO2、SiC、ZnO和／或在冷卻劑溫度下(LN2為77K)僅以固體存在的物質(zhì)，如，H2O、CO2、Ar、甲烷或乙烯。后者的介電常數(shù)是1．5(Ar)到2．2(H2O)，對于陶瓷材料可以高達(dá)1000(SrTiO3)甚至更高。顆粒表面一定程度的相糙度是有利的。粒徑優(yōu)選為不使顆粒之間相互聚集，其長度通常在1－100μm。懸浮顆粒的比密度優(yōu)選在冷卻液的密度范圍之內(nèi)，后者如液氮為0．8g／cm3，液氧為1．2g／cm3。在另一個優(yōu)選實施方案中，提供了一些裝置以防顆粒沉積，如，在低溫箱中安裝泵或攪拌器。顆粒物密度優(yōu)選小于2vol％。
實施例一個一側(cè)涂有清漆，另一側(cè)有1mm厚的玻璃纖維環(huán)氧樹脂層的寬2cm、厚500μm的鋼條浸入液氮中，并與電源相接。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)直至電流密度為160A，也就是說，產(chǎn)生的熱量被冷卻劑帶走，且電壓降保持恒定。
隨后，將平均粒徑為10μm的Al2O3粉末混入液氮中(2vol％)，重復(fù)該實驗，這時，最高達(dá)到電流密度為200A時仍保持熱穩(wěn)定狀態(tài)。這相當(dāng)于冷卻效率增加56％!擊穿實驗按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)1．2／50μs(IEC－60)在液氮中進(jìn)行。加入小顆粒的雪花和冰晶后，與用純氮相比，擊穿電壓提高35％。
總之，若使用本發(fā)明的冷卻劑，會改善使用基于超導(dǎo)體的單元的經(jīng)濟(jì)性。
具體來說，在增加功率時，需要增加冷卻效果和擊穿強(qiáng)度，這至少部分的可由冷卻劑的改進(jìn)來達(dá)到，從而導(dǎo)致單元本身結(jié)構(gòu)設(shè)計的節(jié)約。
圖中數(shù)字意義如下1．低溫恒溫箱20．高溫超導(dǎo)體21．供電導(dǎo)線3．冷卻劑30．冷卻液31．蒸發(fā)的冷卻液32．懸浮或分散的顆粒
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻高溫超導(dǎo)體(2)的冷卻劑，帶有冷卻液(30)，其特征在于，在冷卻液(30)中懸浮或分散有小的顆粒(32)。
2.按照權(quán)利要求1的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒(32)是冷卻液(30)的凝結(jié)核。
3.按照權(quán)利要求1的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒(32)具有高于冷卻液(30)的介電常數(shù)。
4.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒(32)的長度在1－100μm范圍。
5.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒(32)的總體積小于冷卻液(30)體積的2％。
6.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒由SiO2、Al2O3、SrTiO3、BaSrO3、TiO2、SiC、ZnO或凍結(jié)的H2O、CO2、Ar或其混合物組成。
7.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，所述的冷卻液(30)由液氮(LN2)組成。
8.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，所述的小顆粒(32)的比密度和冷卻液的比密度至少大致上是同一數(shù)量級的。
9.按照權(quán)利要求2或3的冷卻劑，其特征在于，預(yù)先采取措施以防止小顆粒(32)沉積。
全文摘要
在基于高溫超導(dǎo)體組件的運(yùn)行過程中,例如在供電領(lǐng)域,在增加功率時,因冷卻和防電擊穿而受到限制。必須限定額定電流IN以使之產(chǎn)生低的潛熱和/或限定驅(qū)動電壓以避免產(chǎn)生高的電場強(qiáng)度。按照本發(fā)明,在冷卻液如液氮中加入懸浮的小顆粒,可以提高將熱傳到冷卻劑的效率,同時可以提高冷卻劑的介電常數(shù)。
文檔編號C09K5/10GK1280371SQ00122580
公開日2001年1月17日 申請日期2000年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月12日
發(fā)明者M·陳, W·保爾, M·拉克納 申請人:Abb研究有限公司