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(dǎo)(HTS)裝置的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

當(dāng)常見材料冷卻至低溫溫度時，材料的性質(zhì)時常會發(fā)生變化，并且這些變化使低溫設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)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(diǎn)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(dǎo)體(HTS)是具有高于三十開氏度(-243.2℃)的轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體。轉(zhuǎn)變溫度是在低于該溫度時超導(dǎo)體在沒有磁場的情況下變得超導(dǎo)的溫度。在磁場存在的情況下，超導(dǎo)體在低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下變得超導(dǎo)。在低于轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，根據(jù)定義，在1μV/cm的電場下，超導(dǎo)體具有臨界電流密度，當(dāng)高于該臨界電流密度時超導(dǎo)體表現(xiàn)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(zhuǎn)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(yè)化生產(chǎn)，例如Bi2223、YBa₂Cu₃O₇以及被稱為REBCO或更粗略地稱為2G HTS導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)磁體可能會回到非超導(dǎo)狀態(tài)，導(dǎo)致從磁體中流動的電流釋放熱量。這種失去超導(dǎo)狀態(tài)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(dǎo)磁體，超導(dǎo)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(dǎo)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(fā)表于2001年3月出版的第11卷第1期《IEEE應(yīng)用超導(dǎo)匯刊》的2511-2514頁的《6.6kV高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)故障電流限制器的設(shè)計(jì)和測試結(jié)果》。

2G HTS導(dǎo)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(yuǎn)低于液氮的沸點(diǎn)77.35開氏度，能夠顯著地提高臨界電流。對于2G導(dǎo)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?？赏ㄟ^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(diǎn)，為壓力12.5kPa下的63.15K。然而，泵吸需要液氮的連續(xù)供給，或者使壓縮機(jī)和冷凝器復(fù)雜化以便再液化氮蒸氣。低壓也是不期望的，因?yàn)槿萜餍枰惺艽髿獾耐獠繅毫Γ⑶胰萜髦械娜魏涡孤怪评鋭┍淮髿庵械难鯕夂退魵馕廴?。此外，制冷劑的沸騰所產(chǎn)生的氣泡會不利地影響制冷劑的電擊穿強(qiáng)度。參見Sauers等人發(fā)表于2011年6月出版的第21卷第3期《IEEE應(yīng)用超導(dǎo)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》。

鑒于上述考慮，諸如故障電流限制器這樣的HTS裝置已經(jīng)被浸沒在容納于低溫恒溫容器中的液體制冷劑中并被冷卻至遠(yuǎn)低于該液體制冷劑在大氣壓力下的沸點(diǎn)，并且低溫恒溫容器中的壓力已經(jīng)以不同的方式被保持在大氣壓力或高于大氣壓力。例如，上面所引用的Yazawa等人提出一種壓力調(diào)節(jié)器，該壓力調(diào)節(jié)器將低溫恒溫器的浴內(nèi)的壓力保持在大氣壓力，以保持電絕緣狀態(tài)。另一示例見于Kang等人發(fā)表于2005年出版的第45卷《低溫學(xué)》的65-69頁的《采用GM制冷機(jī)的用于超導(dǎo)故障電流限制器的過冷氮低溫冷卻系統(tǒng)》，其提出了通過將不可冷凝的氣體GHe注入到過冷氮冷卻系統(tǒng)中來控制1個大氣壓的壓力。另一示例見于Yuan等人授權(quán)于2005年2月15日的美國專利US 6,854,276，其中，過冷液體制冷劑浴由毗鄰于加壓的氣體制冷劑區(qū)域的熱梯度邊界區(qū)域所覆蓋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)一方面，本公開描述了一種高溫超導(dǎo)設(shè)備。所述設(shè)備包括：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器用于容納液體制冷劑；和熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器內(nèi)該屏障上方的上隔室和所述容器內(nèi)該屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡。高溫超導(dǎo)體安裝在所述下隔室內(nèi)，以便浸沒在液體制冷劑中。低溫制冷機(jī)具有冷頭，所述冷頭熱聯(lián)接至所述高溫超導(dǎo)體，以將所述高溫超導(dǎo)體保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下。所述設(shè)備還包括溫度控制器，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，所述溫度控制器用于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的沸點(diǎn)的溫度。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本公開描述了一種操作高溫超導(dǎo)設(shè)備的方法。所述設(shè)備具有：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器容納液體制冷劑；和熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器內(nèi)該屏障上方的上隔室和所述容器內(nèi)該屏障下方的下隔室。所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡。液體制冷劑容納于所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中。高溫超導(dǎo)體安裝在所述下隔室內(nèi)，并且浸沒在所述液體制冷劑中，并且低溫制冷機(jī)具有冷頭，所述冷頭熱聯(lián)接至所述高溫超導(dǎo)體，以將所述高溫超導(dǎo)體保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下。所述方法包括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的沸點(diǎn)的溫度。

附圖說明

圖1是包括浸沒在液體制冷劑中的高溫超導(dǎo)裝置的第一設(shè)備的示意圖；

圖2是用于圖1的設(shè)備中的溫度控制流程的流程圖；

圖3是示出了用于替代圖1中所示的蝶形閥或翻板的替代裝置的示意圖；

圖4是用于替代圖1和2中所示的電子控制器的機(jī)械溫度控制機(jī)構(gòu)的示意圖；

圖5是包括使用一個或多個鐵磁芯的高溫超導(dǎo)裝置的第二設(shè)備的示意圖；和

圖6是三相超導(dǎo)電力變壓器的透視圖，該三相超導(dǎo)電力變壓器具有浸沒在液體制冷劑中高溫超導(dǎo)線圈，并且利用圖1到5中所介紹的至少一個特征來保持液體制冷劑中至少大氣壓力的壓力。

雖然本發(fā)明允許各種變型和替代形式，但是本發(fā)明的具體實(shí)施例已經(jīng)在附圖中示出并且將進(jìn)行詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，這并不是要將本發(fā)明限制到所示出的具體形式，而是相反地，目的是要涵蓋落在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有變型、等同和替代形式。

具體實(shí)施方式

參照圖1，其示出了高溫超導(dǎo)設(shè)備20，該高溫超導(dǎo)設(shè)備包括浸沒在液體制冷劑22中的高溫超導(dǎo)(HTS)裝置21，例如，液體制冷劑為液氮，裝置21的HTS包括Bi2223或REBCO HTS的繞組，并且裝置21為超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)故障電流限制器或者超導(dǎo)儲能電感。

在圖1中，液體制冷劑22容納于用作為低溫恒溫器的熱絕緣容器23中。在此示例中，容器23是圓柱形的，并且具有：外壁24；內(nèi)壁25，所述內(nèi)壁在該容器的頂部處連接至所述外壁；和真空空間26，所述真空空間位于所述內(nèi)壁和所述外壁之間。例如，內(nèi)壁24和外壁25由不銹鋼制成。

針對上述原因，需要將HTS裝置21冷卻至低于液體制冷劑在容器23內(nèi)的壓力下的沸點(diǎn)的溫度。換句話說，需要使HTS裝置在容器23中液體制冷劑的浴內(nèi)處于“過冷”。例如，當(dāng)將液氮用作為液體制冷劑時，HTS裝置被過冷至低于七十開氏度的溫度。為了過冷HTS裝置，設(shè)備20包括低溫制冷機(jī)27，該低溫制冷機(jī)安裝至容器23，并且具有冷頭28，該冷頭熱聯(lián)接至HTS裝置21，以將高溫超導(dǎo)體保持在其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下。

例如，低溫制冷機(jī)27是Gifford-McMahon(GM)低溫制冷機(jī)或脈管制冷機(jī)(PTR)，并且冷頭28經(jīng)由浸沒在液體制冷劑22中且布置于HTS裝置21上方的導(dǎo)熱板29熱聯(lián)接至HTS裝置21。導(dǎo)熱板29由諸如無氧銅這樣的導(dǎo)熱材料制成。在此示例中，HTS裝置21和容器23的內(nèi)壁25之間具有間隙，以促進(jìn)熱量從HTS裝置21經(jīng)由圍繞高溫超導(dǎo)裝置的液體制冷劑22傳遞至導(dǎo)熱板29。所述間隙由處于HTS裝置21和內(nèi)壁25之間的安裝環(huán)或間隔物31、32、33限定。例如，安裝環(huán)或間隔物31、32、33由諸如環(huán)氧樹脂-玻璃纖維這樣的玻璃增強(qiáng)塑料制成。

當(dāng)將液氮用作為用于冷卻HTS裝置21的液體制冷劑時，液氮的最適溫度為64到65開氏度(degree Kelvin)，以避免可能因液氮冷凍在冷頭28上而導(dǎo)致的問題。通過在恒溫器的控制下循環(huán)開關(guān)低溫制冷機(jī)27，可將溫度保持在64到65開氏度。

在圖1的示例中，HTS裝置被從HTS裝置21延伸至容器23外環(huán)境的電流引線組件34聯(lián)接。例如，電流引線組件34包括包裹有熱絕緣體(例如，鍍鋁塑料膜)的電絕緣銅導(dǎo)體。然而，圖1的設(shè)備20也可用于冷卻不需要或不使用這樣的電流引線的HTS裝置(例如，在持久模式下操作的超導(dǎo)磁體，或者例如處于磁支承件中的起到磁屏蔽件或渦電流鏡作用的超導(dǎo)體)。

取決于HTS裝置21的電負(fù)載，電流引線可將顯著變化的熱流入引入到液體制冷劑中，因此當(dāng)電流引線從熱絕緣體39穿過而進(jìn)入液體制冷劑22時，它們應(yīng)當(dāng)是熱絕緣的。在不妨礙對上隔室中的液體制冷劑的溫度的控制的情況下，一些熱量可以釋放到上隔室42中的液體制冷劑中，但是通過使進(jìn)入到上隔室42中的液體制冷劑中的熱通量的變化最小化，可以使此溫度的控制(因此容器25中壓力的控制)更加簡單。

在設(shè)備20中，需要保持容器23中的壓力為至少大氣壓力，以防止來自大氣的水蒸氣和可冷凝氣體在容器中冷凍或冷凝。例如，氣體壓力被保持在高于大氣壓力0至2kPa的范圍中。因此，設(shè)備20設(shè)置有蓋35，該蓋具有布置在容器23的頂部上的O型圈密封件36。0至2kPa范圍內(nèi)的壓力下的操作簡化了這種密封件和用于穿透蓋35的其它部件的密封件的構(gòu)造。此外，在略高于大氣壓力的該壓力范圍內(nèi)(例如，高于大氣壓力1kPa)的操作將允許這些部件在設(shè)備的操作期間被更換，同時流出到大氣的制冷劑的損失最小以防止水蒸氣和其它大氣污染物流入。

如圖1中所示，蓋35包括頂板37、下部的環(huán)38和裝配在容器23內(nèi)部的熱絕緣的盤39。例如，頂板36和環(huán)37由諸如G-10環(huán)氧樹脂玻璃纖維這樣的玻璃增強(qiáng)塑料制成，并且盤38由諸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫這樣的泡沫塑料制成。設(shè)置通過頂板37而進(jìn)入到容器23中的多個穿透部，并且所述多個穿透部具有接合所述頂板的密封件，使得所述穿透部和密封件被保持得遠(yuǎn)高于液體制冷劑的表面，并且被保持在接近于環(huán)境溫度。

在設(shè)備20中，還需要在不使液體制冷劑22沸騰且不引入不可冷凝的氣體(例如，氦氣)的情況下，保持容器23中的壓力為至少大氣壓力。這將避免補(bǔ)充或回收制冷劑的需要，或避免調(diào)節(jié)不可冷凝氣體壓力的需要。在設(shè)備20中，通過將熱絕緣屏障41布置在容器中以限定容器內(nèi)該屏障上方的上隔室42和容器內(nèi)該屏障下方的下隔室43、以及具有將所述上隔室互連至所述下隔室以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡的通道、以及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的沸點(diǎn)的溫度，來在容器23中保持至少大氣壓力的壓力。

在設(shè)備20中，熱絕緣屏障41為盤，該盤具有略小于容器23的內(nèi)壁25的內(nèi)徑的直徑，以便提供通道以使上隔室和下隔室之間壓力平衡，并且使該熱絕緣屏障能夠容易地組裝到容器中。屏障邊緣處的間隙可達(dá)幾個毫米寬。熱絕緣屏障41也不需要與通過該屏障的穿透部非常緊密地配合，所述穿透部例如為用于低溫制冷機(jī)27的冷頭28的穿透部和用于電流引線組件34的穿透部。間隙寬度與間隙深度之比可以是小的，使得間隙中的液體制冷劑相對地不會受到下隔室43中液體制冷劑循環(huán)的干擾，并且趨于穩(wěn)定分層。在這些條件下的液氮的熱導(dǎo)率為大約0.15kW/m.K。根據(jù)需要，可通過配裝朝下延伸到下隔室43中的唇部或裙部來增加這些間隙內(nèi)的制冷劑的分層柱的有效深度。

熱絕緣屏障41通過多根桿或管44、45附接至蓋35，并且從該蓋懸掛。例如，熱絕緣屏障41由諸如聚氨酯或聚苯乙烯泡沫這樣的硬質(zhì)塑料泡沫制成，并且桿或管44、45由諸如環(huán)氧樹脂玻璃纖維這樣的玻璃增強(qiáng)塑料制成。例如，熱絕緣體39的底部與熱絕緣屏障41的頂部之間的間隔介于5mm到100mm之間，例如為20mm。上隔室42部分地充注有液體制冷劑22，使得液體制冷劑具有位于上隔室中的表面層46，并且在上隔室中該表面層46的上方還具有制冷劑氣體的層47。例如，表面層47位于熱絕緣體39的底部與熱絕緣屏障41的頂部之間的中途?？赏ㄟ^添加或移除制冷劑來使表面層47從中間水平升高或降低，以使熱時間增加或減小至等于更適合于調(diào)節(jié)制冷劑壓力的值。

在一個示例中，熱絕緣屏障41是被夾在用于增加強(qiáng)度的G-10環(huán)氧樹脂玻璃纖維薄片之間的厚度介于5mm到10mm之間的聚氨酯或聚苯乙烯泡沫片材。這些材料將具有良好的電介質(zhì)強(qiáng)度，以在高電壓的電流引線和連接件以及HTS繞組附近使用。

設(shè)備20具有溫度控制器50，該溫度控制器用于將上隔室42中的液體制冷劑保持在至少該液體制冷劑在大氣壓力下的沸點(diǎn)的溫度。在此示例中，溫度控制器50是電子系統(tǒng)，其包括：用于感測容器23中氣體壓力的氣體壓力傳感器51、用于感測上隔室中液體制冷劑溫度的溫度傳感器52、電連接至所述氣體壓力傳感器51和所述溫度傳感器的控制處理器53、用于調(diào)節(jié)從上隔室42至下隔室43熱量流動的熱流調(diào)節(jié)器54、和機(jī)械地聯(lián)接至熱流調(diào)節(jié)器54且電連接至控制處理器53的致動器55，由此，響應(yīng)于所感測到的容器中的壓力或所感測到的上隔室42中液體制冷劑的溫度，使得所述控制處理器可以調(diào)節(jié)從上隔室42至下隔室的熱量流動。

例如，壓力傳感器51是差壓傳感器，其感測容器23中的壓力與大氣壓力之間的差異。溫度傳感器52是浸沒在上隔室42中的液體制冷劑22中的硅二極管，并且感測液體制冷劑的絕對溫度?？刂铺幚砥?3是微控制器或通用目的數(shù)字計(jì)算機(jī)，其被編程以從壓力傳感器51讀取氣體壓力差和從溫度傳感器53讀取絕對溫度并調(diào)節(jié)致動器55來將氣體壓力差保持在氣體壓力設(shè)定點(diǎn)或?qū)⒔^對溫度保持在溫度設(shè)定點(diǎn)。這種編程的具體示例參考圖2在下文中描述。

在圖1中，熱流調(diào)節(jié)器54提供處于熱絕緣屏障中的可調(diào)節(jié)開口56，并且該開口的面積增加以增加從上隔室42至下隔室43的熱量流動，并且該開口的面積減少以減少從上隔室42至下隔室43的熱量流動。在此具體示例中，熱流調(diào)節(jié)器54是蝶形閥或翻板，其由致動器55打開和關(guān)閉，并且所述致動器是線性致動器，其安裝在蓋35的頂部上并且具有下降至所述蝶形閥或翻板的豎向軸57。可調(diào)節(jié)開口56可以由其它類型的閥或通流口提供，例如滑動翼片或?qū)⑼ㄟ^豎向軸的轉(zhuǎn)動而打開或關(guān)閉的翼片。

通過這樣的閥或通流口的熱量傳遞是通過來自下隔室43的液體制冷劑與上隔室42中的液體制冷劑的自由混合而實(shí)現(xiàn)的。熱量傳遞率將取決于下隔室43中的制冷劑循環(huán)的速度、開口的尺寸、開口的豎向長度和水平長度之比、以及閥或通流口的特征(例如引導(dǎo)液體制冷劑流動以產(chǎn)生湍流和混合的葉片)。參考圖5如圖所示和下文進(jìn)一步所描述的那樣，可通過相對于熱源(例如，電流引線和通過低溫恒溫容器壁的熱量泄漏)對冷頭換熱器進(jìn)行定位和定向來增強(qiáng)下隔室中液體制冷劑的循環(huán)。如圖3中所示和下文進(jìn)一步所描述的那樣，也可通過泵或攪拌器來增強(qiáng)液體制冷劑的循環(huán)和混合。

設(shè)備20還具有用于向容器23充注液體制冷劑(例如液氮(LN₂))的一些部件。首先，真空泵61啟動且閥62開啟，以通過清除線路63從上隔室42清除容器23的空氣和水蒸氣。然后，低溫制冷機(jī)27啟動，以冷卻導(dǎo)熱板29至液體制冷劑的沸點(diǎn)以下。然后，閥64開啟，以允許液體制冷劑通過充注線路65進(jìn)入到上隔室42中，直到下隔室43完全充滿液體制冷劑且上隔室42至少部分地填充有液體制冷劑為止。然后，閥64關(guān)閉、清除閥62關(guān)閉并且真空泵61停止。然后，溫度控制器50啟動。一旦容器23中的壓力已經(jīng)穩(wěn)定到至少大氣壓力的值，則電流通過電流引線組件34施加到HTS裝置21。

除非壓力調(diào)節(jié)是不起作用的或存在泄漏或存在不受控制的HTS裝置失超，制冷劑汽化排放不應(yīng)當(dāng)發(fā)生。如果容器23中的壓力達(dá)到安全限制，那么壓力釋放閥66則自動打開。崩破盤也可用于壓力釋放。如果壓力釋放閥66失效且壓力將進(jìn)一步上升并克服將蓋35保持在容器23上的力，那么該蓋將從容器脫離以釋放壓力。

取決于HTS裝置21的性質(zhì)，可將另外的部件添加至圖1的設(shè)備20。這些另外的部件可被添加以適應(yīng)高電壓操作，或適應(yīng)因失超(例如，在HTS裝置21是故障電流限制器的情況下因故障電流而導(dǎo)致的受控失超)而造成的氣泡。電絕緣介質(zhì)屏障可被包含以使沸騰液氮的氣泡流遠(yuǎn)離HTS裝置21的具有介質(zhì)擊穿的高潛在可能的區(qū)域，或促進(jìn)液相和氣相的收集和混合以使氣泡冷凝。電接地的結(jié)構(gòu)(例如，水下電網(wǎng))可被包含以使高電壓部件與低溫制冷機(jī)27以及與導(dǎo)熱板29電隔離。

圖2示出了用于控制處理器(圖1中的附圖標(biāo)記53所示)的基本溫度控制流程的具體示例。該基本控制流程適用于向低溫制冷機(jī)提供相對恒定的熱負(fù)荷的HTS裝置和電流引線組件。用于處理變化的熱負(fù)荷的技術(shù)將參照圖3-5在下文進(jìn)一步描述。

圖2中的控制流程使用來自壓力傳感器(圖1中的附圖標(biāo)記51指示)的壓力讀數(shù)或來自溫度傳感器(圖1中的附圖標(biāo)記52指示)的溫度讀數(shù)，以控制上隔室(圖1中的附圖標(biāo)記42指示)中的液體制冷劑的溫度，使得該溫度為至少該液體制冷劑在大氣壓力下的沸點(diǎn)。在上隔室與大氣壓力下的外部環(huán)境的密封中沒有泄漏的情況下，對于上隔室中的液體制冷劑的溫度與液體制冷劑在大氣壓力下的沸點(diǎn)的比較而言，壓力讀數(shù)比溫度讀數(shù)更敏感。因此，除非壓力讀數(shù)超出正常范圍而表示顯著的泄漏可能或壓力傳感器的故障，將壓力讀數(shù)用于溫度的控制。如果壓力讀數(shù)超出正常范圍，則將溫度讀數(shù)用于溫度的控制。

在第一方框101中，控制處理器讀取來自壓力傳感器(圖1中的附圖標(biāo)記51指示)的氣體壓力并且讀取來自溫度傳感器(圖1中的附圖標(biāo)記52指示)的溫度。在方框102中，如果氣體壓力讀數(shù)處于正常范圍內(nèi)，則執(zhí)行繼續(xù)到方框103。例如，溫度控制器具有高于大氣壓力1.1kPa的壓力設(shè)定點(diǎn)，以及從高于大氣壓力0.2kPa至高于大氣壓力2.0kPa的正常壓力范圍，使得高于大氣壓力的壓力小于0.2kPa表示泄漏。

在方框103中，如果壓力讀數(shù)小于壓力設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT1)減去噪聲容限(DELTA1)，則執(zhí)行繼續(xù)到方框104，以使致動器朝向關(guān)閉熱絕緣屏障中的開口步進(jìn)。例如，噪聲容限(DELTA1)為0.05kPa。在方框104之后，執(zhí)行繼續(xù)到方框105，以等待下一個更新時間。例如，方框105中具有大約一秒鐘左右的延遲。通常，延遲被選擇成使得調(diào)節(jié)開口從完全打開的狀態(tài)到完全關(guān)閉的狀態(tài)的時間遠(yuǎn)大于壓力傳感器響應(yīng)于開口變化的時間。

在方框103中，如果壓力讀數(shù)不小于壓力設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT1)減去噪聲容限(DELTA1)，則執(zhí)行分支到方框106。在方框106中，如果壓力讀數(shù)大于壓力設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT1)加上噪聲容限(DELTA1)，則執(zhí)行繼續(xù)到方框107，以使致動器朝向完全打開熱絕緣屏障中的開口步進(jìn)。執(zhí)行從方框107繼續(xù)到方框105。如果壓力讀數(shù)不大于壓力設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT1)加上噪聲容限(DELTA1)，則執(zhí)行還從方框106繼續(xù)到方框105。

在方框102中，如果壓力讀數(shù)超出范圍，則執(zhí)行分支到方框108。在方框108中，如果溫度讀數(shù)小于溫度設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT2)減去噪聲容限(DELTA2)，則執(zhí)行繼續(xù)到步驟109，以使致動器朝向關(guān)閉熱絕緣屏障中的開口步進(jìn)。溫度設(shè)定點(diǎn)對應(yīng)于根據(jù)液體制冷劑的溫度-壓力特性的壓力設(shè)定點(diǎn)，并且噪聲容限(DELTA2)是溫度傳感器的噪聲水平。在方框109之后，執(zhí)行繼續(xù)到方框105，以等待下一個更新時間。

在方框108中，如果溫度讀數(shù)不小于溫度設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT2)減去噪聲容限(DELTA2)，則執(zhí)行分支到方框110。在方框110中，如果溫度大于溫度設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT2)加上噪聲容限(DELTA2)，則執(zhí)行繼續(xù)到方框111，以使致動器朝向完全打開熱絕緣屏障中的開口步進(jìn)。執(zhí)行從方框111繼續(xù)到方框105。如果溫度不大于溫度設(shè)定點(diǎn)(SETPOINT2)加上噪聲容限(DELTA2)，則執(zhí)行還從方框110繼續(xù)到方框105。

圖3示出了替代的裝置，所述替代的裝置可以被添加到圖1中的設(shè)備20，以便更加積極地控制上隔室42中的溫度。電阻電加熱器71可用來快速地加熱上隔室42中的液體制冷劑。泵或攪拌器72(例如渦輪機(jī))可以通過將更冷的液體制冷劑從下隔室43泵送或攪拌到上隔室中使得所述更冷的液體制冷劑變得與上隔室中的液體制冷劑混合而快速地冷卻上隔室42中的液體制冷劑。在圖3的示例中，泵或攪拌器73由馬達(dá)73驅(qū)動，該馬達(dá)安裝在上板37上并且具有固定至所述泵或攪拌器72的軸74。對于大型設(shè)備而言，另一低溫制冷機(jī)75可以安裝至上板37，并且專門用來冷卻上隔室中的液體制冷劑。例如，低溫制冷機(jī)75具有位于上隔室中的冷頭76和固定至該冷頭的導(dǎo)熱網(wǎng)77，以便從上隔室42中的液體制冷劑收集熱量。

在另一示例中，可使用柱塞來替代攪拌器而作為混合器，其通過使來自下隔室的液體制冷劑與上隔室中的液體制冷劑混合來控制上隔室42中的液體制冷劑的溫度。例如，柱塞(類似于圖4中所示的閥構(gòu)件82)可由線性致動器(類似于圖4中所示的線性致動器83)選擇性地驅(qū)動向上和向下，以便快速冷卻上隔室42中的液體制冷劑。

替代的裝置71、72和75能夠以受控的可變速率向上隔室42中的液體制冷劑輸送熱量或者從所述上隔室中的液體制冷劑移除熱量。因此，這些裝置非常適合于通過采用常規(guī)的比例-積分-微分(PID)控制器來響應(yīng)于壓力讀數(shù)或溫度讀數(shù)對上隔室42中的液體制冷劑的溫度進(jìn)行控制。通過預(yù)測將由電流變化而產(chǎn)生的熱負(fù)荷變化并且通過調(diào)節(jié)熱控制機(jī)構(gòu)以產(chǎn)生將抗衡來自電流引線組件的熱量變化的加熱或冷卻的變化，這種PID控制器也可以對通過電流引線組件34的電流的變化進(jìn)行響應(yīng)。

電阻加熱器71具有的優(yōu)點(diǎn)在于：它相對便宜和緊湊，使得實(shí)用的是將多個電阻加熱器均勻地分散在第一隔室內(nèi)，或?qū)⑺鼈兙奂诘谝桓羰业妮^冷區(qū)域處。

低溫制冷機(jī)75具有的缺點(diǎn)在于：與電阻加熱器71或熱絕緣屏障41中受控的開口相比，它是相對昂貴的。還有，常規(guī)的GM或脈管低溫制冷機(jī)應(yīng)當(dāng)大于一定的尺寸，以具有高的冷卻效率。因此，低溫制冷機(jī)75將最適合于大型設(shè)備，在大型設(shè)備中，具有高冷卻效率的常規(guī)低溫制冷機(jī)的冷卻能力可適應(yīng)來自第一隔室(需要將該第一隔室的壓力或溫度保持在壓力設(shè)定點(diǎn)或溫度設(shè)定點(diǎn))的熱流變化。在此實(shí)例中，低溫制冷機(jī)75具有的優(yōu)點(diǎn)是提供了具有高能量效率的溫度控制。

圖4示出了響應(yīng)于容器中的壓力對上隔室42中的溫度進(jìn)行控制的另一機(jī)構(gòu)80。在此實(shí)例中，機(jī)構(gòu)80完全是機(jī)械的，使得它可在失去電力的情況下進(jìn)行操作。在此示例中，當(dāng)通過由容器中的氣體壓力所驅(qū)動的風(fēng)箱式部件或膜致動器83使閥構(gòu)件82從熱絕緣屏障上升時，則產(chǎn)生熱絕緣屏障41中的開口81。這種風(fēng)箱式部件或膜致動器83也可用來操作如圖1中所示的蝶形閥或翻板54。

對HTS變壓器繞組的過冷面臨來自變壓器芯中磁滯損耗的熱負(fù)荷的進(jìn)一步挑戰(zhàn)。變壓器芯由承載連接HTS繞組的磁通的硅鋼疊層構(gòu)成。變壓器芯本身不被冷卻至低溫溫度，但是來自變壓器芯的熱量會導(dǎo)致作用在低溫部件上的顯著熱負(fù)荷，這是因?yàn)橛傻蜏刂评錂C(jī)移除從變壓器芯傳導(dǎo)的熱量所消耗的功率與因變壓器芯中磁滯損耗而造成的功率損失之間存在權(quán)衡?？赏ㄟ^增加變壓器芯和繞組之間熱絕緣體的厚度來減少從變壓器芯到HTS繞組的熱傳導(dǎo)，但是還將需要增加變壓器芯的尺寸以適應(yīng)熱絕緣體增加的厚度，并且這種尺寸的增加將增加變壓器芯中的磁滯損耗。因此，圍繞變壓器芯的熱絕緣體的厚度小于用于低溫恒溫容器外周處的熱絕緣體的厚度。

變壓器(transformer)設(shè)計(jì)上的進(jìn)一步的約束在于：低溫空間內(nèi)的導(dǎo)電部件必須設(shè)計(jì)成最小化由雜散磁場所感應(yīng)出的渦電流。這意味著，例如，熱交換器的高純度的銅或鋁的部件應(yīng)當(dāng)被布置在磁場低的位置，并且在適當(dāng)情況下被細(xì)分，以限制橫向于局部場的尺寸。銅母線工件和端子應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成最小化渦電流。

除了繞組以外的環(huán)繞變壓器芯的任何導(dǎo)電部件需要被電絕緣部分中斷或者由諸如玻璃纖維復(fù)合材料這樣的絕緣材料替代。

圖5示出了處于低溫恒溫容器93中的HTS變壓器芯91和該變壓器的單個HTS繞組92的示意圖。為了說明與使HTS繞組過冷相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，部件的各部分已經(jīng)被扭曲了，沒有這種扭曲的實(shí)際示例在圖6中示出并將在下文進(jìn)一步描述。容器93包括處于容器93中的位于變壓器芯91和液體制冷劑95之間的熱絕緣套筒94，使得變壓器芯91處于大氣壓力下并且接近于容器93外部的環(huán)境溫度。

低溫制冷機(jī)96具有冷頭97和翅片式熱沉98，所述翅片式熱沉固定至所述冷頭，以便從液體制冷劑95吸收熱量。熱量通過液體制冷劑95的對流而從變壓器芯91和從電流引線組件100傳導(dǎo)，并且液體制冷劑95使HTS繞組92過冷至遠(yuǎn)低于液體制冷劑的沸點(diǎn)。熱絕緣屏障99將容器93的內(nèi)部分為上隔室101和下隔室102。下隔室102充注有液體制冷劑95，并且HTS繞組92和熱沉98浸沒在下隔室中的液體制冷劑中。上隔室101部分地充注有液體制冷劑95，并且上隔室101中的液體制冷劑的溫度由熱絕緣屏障99中的可調(diào)節(jié)開口103調(diào)節(jié)，以保持容器中的壓力為至少大氣壓力。在此示例中，當(dāng)可調(diào)節(jié)開口103調(diào)節(jié)成允許液體制冷劑從上隔室101流動到下隔室102時，液體制冷劑95的對流提供了用于使來自下隔室102的更冷的制冷劑與上隔室101中更熱的制冷劑混合的動力。

圖6是三相超導(dǎo)電力變壓器110的透視圖。例如，變壓器110的額定功率為40MVA，并且具有大約二米的高度。變壓器110具有HTS繞組111、112、113，所述繞組浸沒在過冷的液體制冷劑中，并且利用圖1到5中所介紹的至少一個特征來保持液體制冷劑中高于大氣壓力的壓力。變壓器110具有容器114，所述容器由玻璃纖維復(fù)合材料或類似的電絕緣材料制成，或可以由金屬制成，該金屬具有適當(dāng)?shù)慕^緣部分以避免環(huán)繞變壓器芯的電路的。容器114在底部和側(cè)部上襯有塑料泡沫絕緣體115，并且容器在頂部上具有蓋116，該蓋襯有塑料泡沫絕緣體117。與真空構(gòu)造相比，在可以適用足夠厚度的泡沫的情況下，諸如聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫這樣的塑料泡沫絕緣體在適度的花費(fèi)下提供了容器114的壁的充分的熱絕緣。

變壓器110具有鐵磁芯130，所述鐵磁芯具有分別穿過三個HTS線圈111、112、113中的每一個并穿過容器114的頂部和底部的芯體穿透部。例如，鐵磁芯130由疊層的硅鋼片制成。芯體穿透部通過從容器114的底部向上延伸的真空絕緣套筒131、132與制冷劑熱絕緣。

與圖1-5的示例相反，圖6示出了從HTS繞組111、112、113的頂部至塑料泡沫絕緣體117的底部的最小“頭部空間”。在實(shí)踐中，需要最小化該頭部空間，以減小鐵磁芯130的高度，從而減少鐵磁芯損耗并且減小鐵磁芯130的重量。

高壓電流通過高壓套管118、119、120施加至HTS繞組111、112、113。HTS繞組111、112、113和抽頭變換器126被三個低溫制冷機(jī)121、122和113過冷。低溫制冷機(jī)111、112、113由安裝至容器114的后部的風(fēng)扇冷卻氣體壓縮機(jī)組124驅(qū)動。為了減小頭部空間和避免過度的渦電流損耗，在HTS繞組上方不使用導(dǎo)熱板來熱聯(lián)接低溫制冷機(jī)121、122、123的冷頭，而是通過液體制冷劑從安裝到冷頭的導(dǎo)熱翅片式熱沉133、134的對流來提供熱聯(lián)接。熱沉133、134優(yōu)選地由高純度銅或鋁制成，以最小化因每個低溫制冷機(jī)的大約500瓦的熱通量所導(dǎo)致的溫度差。

雖然低溫制冷機(jī)121、122、123示出為安裝到容器114的頂部，但是它們可以安裝到該容器的側(cè)壁。低溫制冷機(jī)也可以安裝在分開的容器(其為真空或泡沫絕緣的)上，并且可以通過在閉合的回路內(nèi)循環(huán)制冷劑或通過熱管來實(shí)現(xiàn)從冷頭熱交換器的熱量傳遞。

熱絕緣屏障125將容器114的內(nèi)部分為上隔室127和下隔室128。下隔室128充注有液體制冷劑，并且上隔室129至少部分地充注有液體制冷劑。利用參照圖1-5的上述一種或多種技術(shù)，通過調(diào)節(jié)上隔室116中液體制冷劑的溫度來保持容器114中至少大氣壓力的壓力。

針對高電壓HTS變壓器的情形，不清楚在顯著高于大氣壓力的壓力下操作的優(yōu)點(diǎn)是否勝過了缺點(diǎn)。低溫恒溫器在高于環(huán)境壓力不超過幾個kPa下操作的優(yōu)點(diǎn)在于：它不需要設(shè)計(jì)并構(gòu)造成承受高壓。另一方面，一定的極小的正壓確保了低溫恒溫器在發(fā)生泄漏的情況下不會被周圍的空氣污染。還可以在不關(guān)閉裝置或?qū)⑵浔┞队诳諝獾那闆r下，利用適當(dāng)?shù)氖痔紫漕愋偷那皇液土鞒虂磉M(jìn)行諸如更換冷頭或傳感器這樣的維護(hù)流程。

許多研究已經(jīng)說明了氣泡的存在會減小液氮中的擊穿電壓。例如，上面所引用的Sauers等人指出：在1巴的壓力下過冷到73K的液氮中，在受熱所產(chǎn)生的氣泡高于臨界流量的情況下，擊穿強(qiáng)度從大約25kV rms/mm降至該值的大約一半。

在升高的壓力下減小的擊穿電壓的假定優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上非常有限。這是因?yàn)樵O(shè)備(例如，故障電流限制器和變壓器)必須制造成承受短路而不會損壞。無論操作壓力如何，在短路期間僅有有限的避免制冷劑沸騰的選項(xiàng)。

裝置的臨界電流可超過短路電流——根據(jù)定義，這不是用于電阻式故障電流限制器的選項(xiàng)，并且在可預(yù)見的導(dǎo)體價格下這對于變壓器而言太過于昂貴。

替代地，裝置可以在導(dǎo)體溫度達(dá)到沸騰形核的溫度之前從高壓電源斷開。這是困難的。在典型的短路中，商業(yè)上可獲得的具有0.04毫米厚的銅穩(wěn)定部的0.1mm厚的2G導(dǎo)體將在0.2s以內(nèi)從液氮溫度加熱至室溫。將溫升降低至其大約1/10將需要導(dǎo)體具有大約20倍的熱質(zhì)量(thermal mass)，并且仍然需要使裝置非?？斓?cái)嚅_。由于保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在不中斷對母線上的其它負(fù)載的電力供應(yīng)的情況下隔離變壓器下游的母線上的故障，這樣的自動斷開在大多數(shù)變壓器應(yīng)用中是不可接受的。因此，在通常情況下，在故障期間避免繞組中的沸騰是不實(shí)際的。這意味著設(shè)計(jì)者不應(yīng)該依賴于無氣泡液氮中的更高的擊穿電壓，相反地，設(shè)計(jì)者應(yīng)該對沸騰的液體制冷劑中的安全操作進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以下是用于采用65開氏度過冷液氮的低溫恒溫器的熱絕緣屏障的設(shè)計(jì)示例。假定設(shè)計(jì)的操作壓力為超過大氣壓力大約1％并被控制在大氣壓力的大約±0.5％(即，表壓為+1.0±0.5kPa)。這意味著表面制冷劑的溫度超過液氮在大氣壓力下沸點(diǎn)僅僅ΔT～+0.08±0.04K。為了保持該溫度，通過蓋絕緣體的熱通量應(yīng)當(dāng)平衡通過熱絕緣屏障而至下方過冷隔室的熱通量。在大型低溫恒溫器中，通過表面隔室側(cè)的熱通量和通過蓋絕緣體與屏障絕緣體中的間隙的熱通量將是總熱通量的小部分。假定蓋絕緣體為具有0.03W/m.K的熱導(dǎo)率的厚度100mm的聚氨酯泡沫，跨過從295K的環(huán)境到77K的表面制冷劑空間的218K溫度跨度的熱通量為65W/m²。假設(shè)泡沫的熱導(dǎo)率不隨溫度變化，為了保持跨過熱絕緣屏障的12K溫度差，其僅僅需要12/218＝5.5％的蓋絕緣體的厚度。事實(shí)上，聚氨酯泡沫在液氮溫度下的熱導(dǎo)率可以小到1/3的室溫值，即，大約0.01W/m.K，因此熱絕緣屏障所需的泡沫厚度可以為僅僅幾個毫米。為了對比，分層的液氮在大約77K下的熱導(dǎo)率為0.15W/m.K，并且在處于1個大氣壓下的分層的氮?dú)庵袩釋?dǎo)率與溫度成比例，熱導(dǎo)率在100K下為大約0.01W/m.K，與聚氨酯泡沫差別不大。

如果通過蓋的熱通量為65W/m²，則表面制冷劑區(qū)域內(nèi)的豎向熱梯度將為大約0.4K/mm。對于熱絕緣屏障區(qū)域上方的10mm的制冷劑深度而言，其具有過冷制冷劑和表面制冷劑之間所需溫度差的三分之一，那么屏障絕緣體的厚度可以相應(yīng)地減小。在實(shí)踐中，蓋絕緣體、表面制冷劑的深度和屏障絕緣體的平衡將需要針對具體的應(yīng)用而定制。在變壓器應(yīng)用中，例如，就增加的低溫恒溫器和鐵芯高度而言，向低溫恒溫器增加頂部空間的花費(fèi)在某些時候?qū)⒊^由于增加的絕緣體厚度而導(dǎo)致的降低的低溫恒溫器損耗。

為了將過冷區(qū)域中的溫度保持在HTS裝置的所需操作范圍內(nèi)，低溫制冷機(jī)將需要被循環(huán)開啟和關(guān)閉，以匹配來自裝置和低溫恒溫器的平均熱負(fù)荷。在多個低溫制冷機(jī)的情況下，熱負(fù)荷將在制冷機(jī)之間共享，以最小化單個制冷機(jī)的開-關(guān)循環(huán)的次數(shù)。需要將低溫恒溫器的尺寸設(shè)計(jì)成相對于設(shè)備的額定負(fù)荷或等效制冷功率具有大質(zhì)量的制冷劑。1kg/W的制冷劑質(zhì)量與制冷功率之比是合理的比例。液氮的比熱為2040J/kg.K，使得在1kg/W的比例下，系統(tǒng)的熱慣性使得在完全是熱負(fù)荷且低溫制冷機(jī)關(guān)閉的情況下，將花費(fèi)2040秒(或34分鐘)來使過冷體積升高1K。由于典型的HTS導(dǎo)體的性能隨著溫度的升高而快速下降，因此需要合理地嚴(yán)格控制過冷卻區(qū)域中的最大溫度。

如果操作溫度設(shè)定在65±1K，則跨過熱絕緣屏障的溫降變化將小于±10％。考慮到液氮的熱導(dǎo)率比聚氨酯泡沫的熱導(dǎo)率高大約10倍，打開僅僅百分之幾的屏障面積來通過液相進(jìn)行熱傳導(dǎo)將獲得調(diào)節(jié)表面區(qū)域溫度所需的總熱傳導(dǎo)的變化。過冷制冷劑和表面制冷劑的混合將進(jìn)一步增加熱量傳遞。此外，即使在不調(diào)節(jié)上隔室和下隔室之間的熱傳遞的情況下，表面隔室中的液氮的熱時間常數(shù)也將抑制過冷液氮的溫度的波動。

鑒于上述內(nèi)容，提供了一種熱絕緣容器，其包含熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障限定所述容器中該屏障上方的上隔室和所述容器中該屏障下方的下隔室。所述隔室通過通道相互連接，以使壓力平衡。高溫超導(dǎo)體安裝在所述下隔室內(nèi)，以便浸沒在液體制冷劑中。低溫制冷機(jī)具有冷頭，所述冷頭熱聯(lián)接至所述高溫超導(dǎo)體，以將所述高溫超導(dǎo)體保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(diǎn)的溫度。例如，液體制冷劑是處于下隔室中的64到65開氏度的液氮，并且上隔室中的液氮的溫度被調(diào)節(jié)以獲得高于大氣壓力0至2kPa的范圍內(nèi)的壓力。在較低溫度下操作高溫超導(dǎo)體是有利的，因?yàn)檫@顯著地提高了高溫超導(dǎo)體的性能。在至少大氣壓力的壓力下的操作消除了在正常操作期間液體制冷劑在高溫超導(dǎo)體處的沸騰，并且避免了在泄漏的情況下液體制冷劑的污染。

下文提供了多個示例，以增強(qiáng)對本公開的理解。所提供的具體的示例組如下。

在第一示例中，公開了一種高溫超導(dǎo)設(shè)備，其包括：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器用于容納液體制冷劑；熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器內(nèi)該屏障上方的上隔室和所述容器內(nèi)該屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡；高溫超導(dǎo)體，所述高溫超導(dǎo)體安裝在所述下隔室內(nèi)，以便浸沒在液體制冷劑中；低溫制冷機(jī)，所述低溫制冷機(jī)具有冷頭，所述冷頭熱聯(lián)接至所述高溫超導(dǎo)體，以將所述高溫超導(dǎo)體保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下；和溫度控制器，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，所述溫度控制器用于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(diǎn)的溫度。

在第二示例中，公開了根據(jù)前述第一示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述溫度控制器包括用于控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動的熱流控制裝置。

在第三示例中，公開了根據(jù)前述第二示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述熱流控制裝置包括處于所述屏障中的至少一個可調(diào)節(jié)開口。

在第四示例中，公開了根據(jù)前述第三示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述可調(diào)節(jié)開口能夠使來自所述下隔室的液體制冷劑與所述上隔室中的液體制冷劑混合。

在第五示例中，公開了根據(jù)前述第三示例或第四示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述容器被密封以將該容器內(nèi)的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，并且所述溫度控制器包括機(jī)械致動器，所述機(jī)械致動器聯(lián)接至所述可調(diào)節(jié)開口，并且響應(yīng)于氣體壓力的增加由所述容器內(nèi)的氣體壓力致動以增大所述屏障中的所述可調(diào)節(jié)開口。

在第六示例中，公開了根據(jù)任何的前述第一至第五示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述熱流控制裝置包括用于使液體制冷劑在所述下隔室和所述上隔室之間循環(huán)的泵。

在第七示例中，公開了根據(jù)任何的前述第一至第六示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述熱流控制裝置包括用于使來自所述下隔室的液體制冷劑與所述上隔室中的液體制冷劑混合的混合器。

在第八示例中，公開了根據(jù)任何的前述第一至第七示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述容器被密封以將該容器內(nèi)的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，并且所述溫度控制器包括用于感測所述容器內(nèi)氣體壓力的壓力傳感器，并且所述溫度控制器響應(yīng)于感測到的氣體壓力來控制所述上隔室中的液體制冷劑的溫度，以將由所述壓力傳感器感測到的氣體壓力保持在設(shè)定點(diǎn)壓力。

在第九示例中，公開了根據(jù)任何的前述第一至第八示例的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述溫度控制器包括用于感測所述上隔室中液體制冷劑的溫度的溫度傳感器，并且所述溫度控制器響應(yīng)于由所述溫度傳感器感測到的溫度來控制所述上隔室中液體制冷劑的溫度，以將由所述溫度傳感器感測到的溫度保持在設(shè)定點(diǎn)溫度。

在第十示例中，公開了如任何的前述第一至第九示例中所述的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，所述溫度控制器包括用于選擇性地向所述上隔室中的液體制冷劑供給熱量的電加熱器。

在第十一示例中，公開了如任何的前述第一至第十示例中所述的高溫超導(dǎo)設(shè)備，其中，表面溫度控制器包括另一低溫制冷機(jī)，所述另一低溫制冷機(jī)具有用于選擇性地從所述上隔室中的液體制冷劑移除熱量的冷頭。

在第十二實(shí)例中，公開了一種操作高溫超導(dǎo)設(shè)備的方法，所述設(shè)備具有：熱絕緣容器，所述熱絕緣容器容納液體制冷劑；熱絕緣屏障，所述熱絕緣屏障布置在所述容器中，并且限定所述容器內(nèi)該屏障上方的上隔室和所述容器內(nèi)該屏障下方的下隔室，并且所述上隔室通過通道互連至所述下隔室，以使所述上隔室和所述下隔室之間壓力平衡；液體制冷劑，所述液體制冷劑容納于所述下隔室中和所述上隔室的至少一部分中；高溫超導(dǎo)體，所述高溫超導(dǎo)體安裝在所述下隔室內(nèi)，并且浸沒在所述液體制冷劑中；和低溫制冷機(jī)，所述低溫制冷機(jī)具有冷頭，所述冷頭熱聯(lián)接至所述高溫超導(dǎo)體，以將所述高溫超導(dǎo)體保持在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，所述方法包括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的沸點(diǎn)的溫度。

在第十三示例中，公開了根據(jù)前述第十二示例的方法，其中，所述液體制冷劑是液氮。

在第十四示例中，公開了根據(jù)前述第十二或第十三示例的方法，所述方法包括將所述下隔室保持在低于七十開氏度的溫度。

在第十五示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十二至第十四示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內(nèi)的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，并且表面溫度被控制以將氣體壓力保持在高于大氣壓力0至2kPa的范圍內(nèi)。

在第十六示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十二至第十五示例的方法，所述方法包括通過控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動來保持所述上隔室中的液體制冷劑的溫度。

在第十七示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十二至第十六示例的方法，所述方法包括通過調(diào)節(jié)所述屏障中的開口來控制從所述上隔室至所述下隔室的熱量流動。

在第十八示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十七示例的方法，其中，對所述屏障中的開口的調(diào)節(jié)控制來自所述下隔室的液體制冷劑與所述上隔室中的液體制冷劑的混合。

在第十九示例中，公開了根據(jù)前述第十七或第十八示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內(nèi)的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，并且響應(yīng)于氣體壓力的增加，所述開口被所述容器內(nèi)的氣體壓力機(jī)械地致動以增大所述開口。

在第二十示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十六至第十九示例的方法，所述方法包括通過控制泵使液體制冷劑在所述下隔室和所述上隔室之間循環(huán)來保持所述上隔室中的液體制冷劑的溫度。

在第二十一示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十六至第二十示例的方法，所述方法包括通過控制混合器使來自所述下隔室的液體制冷劑與所述上隔室中的液體制冷劑混合來保持所述上隔室中的液體制冷劑的溫度。

在第二十二示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十二至第二十一示例的方法，其中，所述容器被密封以將該容器內(nèi)的氣體壓力保持在至少大氣壓力的壓力，并且所述方法包括感測所述容器內(nèi)的氣體壓力并響應(yīng)于感測到的氣體壓力來控制所述上隔室中的液體制冷劑的溫度，以將感測到的氣體壓力保持在壓力設(shè)定點(diǎn)。

在第二十三示例中，公開了根據(jù)任何的前述第十二至第二十二示例的方法，所述方法包括感測所述上隔室中的液體制冷劑的溫度，并且響應(yīng)于感測到的溫度來控制所述上隔室中的液體制冷劑的溫度，以將感測到的溫度保持在溫度設(shè)定點(diǎn)。