[发明专利]用于冷却超导体的制冷设备的操作方法以及相应的制冷设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的操作一用于冷却一超导体的制冷设备的方法。这种制冷设备例如公开自EP 1526625A2。本发明还涉及一种如权利要求9所述的适于实施该方法的制冷设备。

背景技术

设有超导体的电器或电机如电动机、发电机或超导限流器需要对超导体进行冷却，为此，这类设备中的超导体一般安装在包含低温制冷剂如液氖或液氮的低温恒温器内。制冷设备的作用是对低温恒温器内的制冷剂蒸气进行再冷凝。这个一般又称制冷机的制冷设备通常包括一个闭合回路，工作介质(例如氦气)在该回路的压缩机中受到压缩，在制冷单元内重新减压，从而将制冷量释放到低温恒温器内的制冷剂上。该制冷设备例如可按吉福德-麦克马洪原理、脉管原理或斯特林原理进行工作。

设有超导体的电器或电机由于功率密度高、占用空间小以及超导体所具有的其他专有特性而非常适合用在移动设备如船舶或海上平台上。DE 102004023481A1和WO 03/047961A2所揭示的船用电动机和发电机的转子包括布置在低温恒温器内的旋转式高温超导体励磁绕组，该低温恒温器内装有温度为25K的氖，作为超导体的制冷剂。低温恒温器通过低温热管与制冷设备的冷头连接，该制冷设备还包括压缩机。

EP 1526625A1揭示一种用于船舶和海上系统的短路电流保护系统，包括超导限流器，超导体布置在低温恒温器内，该低温恒温器内装有温度为77K的液氮，作为超导体的制冷剂。由制冷设备对制冷剂蒸气进行再冷凝，该制冷设备包括压缩机和伸入低温恒温器的冷头。该制冷设备自身不可调，而是需要间接通过安装在冷头上的反向加热装置(Gegenheizung)来对其进行调节。该反向加热装置由调温设备通断，从而使液氮在环境压力下保持77K的温度。压缩机优选采用低维护的无油直线压缩机。

设有超导体的电器或电机应用于移动设备，特别是船舶或海上平台时，应当确保制冷设备即使在组件倾斜的情况下也能工作。以船舶为例，即使在倾斜22.5度时也应能正常工作。按活塞原理进行工作的压缩机或螺杆式压缩机用润滑油润滑，工作过程中不允许发生倾斜，因而不适用于这些领域。但可以采用无油直线压缩机。这类直线压缩机通常具有两个活塞，其中的至少一个活塞可在直线电动机的驱动下以一定的频率和行程朝另一个活塞做直线运动，优选这两个活塞都可以同步相向地做直线运动。

在现有技术中，这种压缩机的功率是通过改变电动机电压以手动或自动方式加以控制的。但事实证明，这种控制方式不适用于船舶，因为它并不将活塞谐振频率与回路内的充填压力及工作介质温度的相关性考虑在内。此外，压缩机倾斜还会导致压缩机的工作点发生偏移。其结果之一是无法设定明确的制冷量。另一结果是产生使得制冷设备效率极低、耗电量却较高的工作点。工作点偏移还有可能导致活塞与压缩机壳体发生碰撞，从而引发压缩机安全断路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种如权利要求1前序部分所述的操作一制冷设备的方法，借助这种方法能以较高效率产生明确的制冷量，从而使该制冷设备特别适用于如船舶等移动设备。本发明的另一目的是提供一种适于实施该方法的制冷设备。

在方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案为一种如权利要求1所述的方法。从属权利要求2至8给出的是该方法的有利设计方案。在制冷设备方面，本发明用以达成上述目的的解决方案为一种如权利要求9所述的制冷设备。从属权利要求10至15给出的是该制冷设备的有利设计方案。

本发明的方法是将所述至少一个可动活塞的行程调节至一优选可预定的目标值(target value)。“活塞行程(冲程stroke)”在此是指活塞从往复运动的第一死点(逆转点)到第二死点(逆转点)所经过的距离。通过这种行程调节可为制冷设备设定一个不受工作介质温度、工作介质充填压力及其他因素(例如压缩机倾斜)影响的固定工作点。根据活塞行程和频率可以精确推断出所产生的制冷量。这样就能目标明确地设定工作点，进而以较高效率产生明确的，特别是可预定的制冷量。因此，以上述方式工作的制冷设备特别适用于移动设备，例如船舶。

根据一种有利设计方案，根据所述制冷量的一目标值推断出所述行程的目标值，通过将所述行程调节至一可预定的目标值来将所述制冷量控制和/或调节至所述这个目标值。

如果存在两个相对于彼此地同步做直线往复运动的活塞，则也可将这两个活塞的行程平均值作为活塞行程调节的控制变量。

在所述可动活塞或每个可动活塞各由一电动机驱动的情况下，如果将电动机上的电压作为活塞行程调节的控制变量，就能很精确地进行活塞行程调节。