Мощный криотрон

 

1. МОЩНЫЙ КРИОТРОН, включающий беэындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые вьгооды ключевого элемента, систему управления , содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки управления, подключаемые блоком управления, о т и ч а юния расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличения быстродействия и повьшения надежности его работы , ключевой элемент выполнен из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмотки управления, концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управления. 2.Криотрон по п. 1, о т л ичающийся тем, что внутренние полости трубок ключевого элемента заполнены материалом с повьппенной магнитной проницаемостью с продольны (Л ми каналами для хладагента. 3.Криотрон по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубки ключевого элемента выполнены из сверх- Е проводящих лент, соединения краев которых снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одинакоBb&j шагом вдоль трубок. со Ni; 00

СОЮЗ СОИЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ ЕСПУЬЛИН

4(51) " 01 ? 39/20

ГОСУДА СтВЕННЫЙ НОМИТЕТ CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPHTHA (21) 3604114/24-25 (22) 07.06.83 (46) 23.06.85. Бюл. ¹ 23 (72) Н.В.Марковский, N.Ï.Êaðêoâñêàÿ, Г.Г.Счастливый (СССР) и Я.Кокавец, Л.Цеснак, И.Хласник (ЧССР) (71) Институт электродинамики

АН УССР и Электротехнический институт ЦЭФИ CAH (ЧССР) (53) 621.326(088.8) (56) 1. Патент Великобритании

Р 1488417, кл. Н 01 L 39/18, 1977.

2. Kate Н.Н.N. et al.

High cerrent and high power syper

conducting rechtifiers. "Cryoginics"

1981 № 5, рр. 291-296 (прототип). (54)(57) 1. МОЩНЬЙ КРИОТРОН, включающий безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки управления, подключаемые блоком управления, о т л и ч а ю„„SU„, 11 0148 А шийся тем, что, с целью снижения расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличения быстродействия и повышения надежности его работы, ключевой элемент выполнен из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмотки управления, концы которых электрически соединены межцу собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управления.

2. Криотрон по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что внутренние полости трубок ключевого элемента заполнены материалом с повьппенной магнитной проницаемостью с продольными каналами для хладагента.

3. Криотрон по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что трубки ключевого элемента выполнены из сверх- : проводящих лент, соединения краев которых снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одинаковьм шагом вдоль трубок.

1 11301

Изобретение относится к областисильноточной электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящих ключей преобразователей электрической энергии, работающих при сверхнизких температурах, например, в бес;<онтактных устройствах запитки сверхпроводящих обмоток возбуждения мощных криотурбогенераторов или в сверхпроводящих устройствах со-1б гласования энергетического сверхпроводящего накопителя и энергосистемы.

Известен сверхпроводящий ключ, содержащий беэындуктивную катушку ключевого элемента, образованную намоткой на кольцевой изоляционный каркас сверхпроводящей ленты, контактирующей по крайней мере с одной стороны на большей части своей длины с проницаемой для хладагента электроизолирующей стекловолоконной лентой, систему магнитного управления, содержащую кольцевую управляющую обмотку, охватывающую ключевой элемент и создающую магнитное поле, направленное параллельно плоскости сверхпроводящей ленты этого элемен— та, блок управления и источник питания (1 ).

При заданной мощности системы

ЗО упр а вле н ия св ерх пров одяще го ключ а его быстродействие определяется величиной критического магнитного поля

H полным объемом ключевого элемента.

Стремление увеличить быстродействие известных сверхпроводящих ключей с магнитным управлением обуславливает применение для изготовления ключевых элементов сверхпроводников с критическим магнитным полем

Ьс <1 Т. Такие сверхпроводники (ниобий, сплав свинца с висмутом) обладают низкой критической температурой Т и низкой удельной коммутируемой мощностью Р<= j > р„, где

2 критическая плотность тока; р„

45 удельное сопротивление в нормальном состоянии при сверхкритическом магнитном поле, что при заданной коммутируемой мощности неизбежно приводит к большому расходу сверхпровод- 0 ника на изготовление ключевого эле— мента и обмотки управления, если последняя изготовлена из сверхпроводника.

Наиболее близким по технической сущности является мощный криотрон, включающий безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые

8 2 выводы. ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент, выводы обмотки управления через блок управления (2).

Подобные мощные криотроны использованы в сверхпроводящем выпрямителе мощностью 60 Вт при чисто омической нагрузке и общих криогенных потерях .до 101, использующем ток частотой

50 Гц. Обмотка управления создает в зоне ключевого элемента субкритическое постоянное магнитное попе (Вс сверхпроводника ключевого элемента 0,85 Т), а общее магнитное поле управления колеблется от О,б до

0,88 Т„ т.е. промышленная частота достигаетск ценой недоиспользования сверхпроводника ключевого элемента, который в сверхпроводящем (открытом) состоянии работает при весьма высоком магнитном поле (О,б т), приближающемся к критическому, что снижает токонесущую способность сверхпроводника и коммутируемую мощность криотрона. При возрастании коммутируемой мощности объем ключевого элемента, особенно с учетом изоляции и охлаждающих каналов, и расход сверхпроводника быстро растут. Растут и размеры обмоток управления. Кроме того, известные криотроны чувствительны к магнитным полям рассеяния и не могут работать,при повышенных температурах в замкнутых дюарах. При изготовлении же ключевого элемента из сверхпроводящих материалов с высокой ин— дукцией критического магнитного поля В, обладающих большой удельной разрывной мощностью Р (например, NbTi, ИЬ Вп, ИЬ Се, NbN, NbCN) размеры обмоток управления черезмерно увеличиваются.

Цель изобретения — снижение расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличение быстродействия и повышение надежности его работы.

Цель достигается тем, что в мощном криотроне, включающем безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватызающую ключевой элемент и выводы обмотки, ключевой элемент выполнен

:из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмот1130148

50 сеяния, пропорциональной малому зазору между обмотками 3 и 8, и происходит очень быстро. Вторичные токи, замыкающиеся в поперечных сечениях стенок трубок 8, перпендикулярны транспортному току, текущему вдоль стенок. Когда результирующий ток, протекающий в стенке трубки 8 и равный векторной сумме вторичного и транспортного токов, превзойдет по величине критическое. значение для трубки, последняя переходит в реэистивное состояние. Рост вторичного тока замедляется, начинается нагрев трубок 8. Одновременно актив- 15 ная мощность начинает поступать и нз силовой цепи через выводы 2.

По мере роста температуры обмотки 1 ключевого элемента растет и его сопротивление, приближаясь к нормаль- 20 ному сопротивлению закрытого криотрона. При этом саморазогрев ключевого элемента sa счет мощности силовой цепи усиливается, приближаясь к расчетному. Если нормальное сопротивление ключевого, элемента таково, что при номинальных параметрах силовой цепи-его саморазогрев обеспечивает поддержание температуры выше критической, то управляющее напря- З0 жение блоком управления может быть отключено. Интенсивность нагрева ключевого элемента за счет мощности системы управления при ограниченных размерах поперечного сечения трубок 8 и обмотки 3 усиливается за счет заполнения внутренней полости трубок 8 материалом с повышенной магнитной проннцаемостью, играющего роль магнитопровода индуктивно 40 связанных обмоток 3 и 8. В устройстве может быть предусмотрен обратный магнитопровод из того же или другого материала с высокой магнитной проницаемостью, расположенной в криостате 7 или вне его, и замыкающий магнитопроводы трубок 8. Трубки 8 могут быть выполнены "замкнутыми в магнитном отношении", то есть их разноименные концы могут прилегать друг к другу через электрическую изоляцию. Включение мощного криотрона (переход из нормального состояния в сверхпроводящее) происходит во время перехода напряжения силовой цепи через нуль при уменьшении саморазогрева ключевого элемента и/или за счет прекращения разогрева со стороны системы управления. Следующее отключение криотрона осуществляется при подключении к выводам 4 напряжения обратной полярности. При этом ток в обмотке управления изменяется (уменьшается) от максимального значения, набранного в предыдущем периоде работы криотрона, проходит через нуль и нарастает до максимального значения обратной полярности. Так, в открытом состоянии сверхпроводящий ключевой элемент находится в управляющем магнитном коле, параллельном транспортному току. Поперечные разрезы 20 продольных соединений 19 краев 18 сверхпроводящих лент, из которых изготовлены трубки 8, позволяют увеличить площадь этих соединений и уменьшить нх сопротивление так, чтдбы тепловыделение на них при росте вторичного тока не переводило преждевременно соединение 19 в нормальное состояние и не гасило вторичный ток, необходимый для нагрева сплошных стенок трубок 8 вне соединений 19.

Так как в нормальном состоянии обмотка 1 ключевого элемента нагрета . выше критической температуры, то существенна теплоизоляция ее от обмотки 3 управления. Длительность включения мощного криотрона (и коммутационные потери) определяется толщиной стенок трубок 8 и интенсивностью теплоотвода от них. Поэтому важна интенсивная циркуляция хладагента по трубкам 8, обеспечиваемая циркуляционной системой,рхлаждения ключевого элемента.

В предлагаемом мощном криотроне снижение расхода сверхпроводника на его изготовление достигается воэможностью использования сверхпроводника с большими Рд(значит и с большим 6 ) без необходимости в обмотке управления, создающей 8 сг.

При этом снижение индуктивности ключевого элемента и обмотки управления увеличивает быстродействие криотрона и повышает надежность его работы.

1130148 ки. управления, концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управления, при этом внутренние полости 5 трубок ключевого элемента могут быть заполнены материалом с повышенной магнитной проницаемостью с продольными каналами для хладагента, а если трубки ключевого элемента выполнены из сверхпроводящих лент, то соединения их краев снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одниковым шагом вдоль трубок. 15

На фиг. 1 схематично изображен общий вид предлагаемого мощного криотрона; на фиг. 2 — сечение ключевого элемента и обмотки управления; на фиг. 3 — трубки ключевого щ элемента, изготовленные из сверхпроводящих лент, Мощный криотрон содержит обмотку безындуктивного ключевого элемен та 1, его силовые выводы 2, подклю25 чаемые к внешней цели, обмотку 3 управления, охватывающую обмотку ее выводы 4„подключенные через блок 5 управления к,источнику 6 электрической мощности системы управления. Обмотки 1 и 3 помещены в криостат 7, являющийся частью системы охлаждения. Ключевой элемент выполнен иэ тонкостенных сверхпроводящих трубок 8 одинакового сечения 35 (фиг. 1, показаны трубки прямоугольного сечения) и одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу и направлению магнитной оси обмотки 3 управления. Концы трубок 8 40 электрически соединены между собой и с выводами 2 сверхпроводящими перемычками 9 так, что в прилегающих друг к другу через эгектроизоляцию 10 стенках соседних трубок электрические токи направлены встречно и параллельно направлению управляющего магнитного поля (на фиг. -1 одноименные концы трубок 8 соединены через один). Перемычки 9 не должны экранировать управляющее магнитное поле, для чего они или размещены вне управляющего поля (вне обмотки 3), или их плоскость параллельна управляющему полю, и вместе с трубками 8 55 они не образуют замкнутых электрических контуров, перпендикулярных управляющему магнитному погпо. Обмотка 3 управления теплоизолирована и электроизолирована от обмотки 1 клю-. чевого элемента, в систему охлаждения введены гелиеподводы 11 и 12, подсоединенные к трубкам 8 и вместе с холодильной машиной !3 образующие циркуляционную систему охлаждения ключевого элемента. Обмотка 3 управления может иметь свою подсистему 14 охлаждения и быть погружена в жидкий гелий, содержащийся в криостате 7.

Трубки 8 могут быть частично заполнены (должны остаться каналы для циркуляции хладагента) материалом с повышенной магнитной проницаемостью в виде, например, проволок 15 или лент того или иного сечения (на фиг.2 этот материал имеет вид проволок круглого сечения). Распорки 16, расположенные между обмоткой 3 управления и обмоткой 1 ключевого элемента, обеспечивает электрическую и тепловую изоляцию обмоток 1 и 3. При изготовлении трубок 8 из сверхпроводящих лент 17 (двух на фиг. 3) их края 18 методом пайки, сварки (холодной сварки) соединяются с образованием продольных соединений 19, чаще всего несверхпроводящих, Как сверхпроводящие, так и несверхпроводящие продольные соединения должны быть снабжены узкими поперечными разрезами 20, следующими вдоль трубок 8, с одинаковым шагом и обеспечивающими отсутствие-электропроводности вдоль соединения 19 ° Распорки 16 могут быть заменены слоем вакуумной изоляции, а обмотка управления, изготовленная, например, из криопроводника, может поддерживаться системой 14 охлаждения при более высокой температуре.

Мощный криотрон работает следую-. щим образом. Переключение обмотки 1 ключевого элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное (отключение криотрона) осуществляется при подключении к выводам 4 обмотки 3 управления блоком 5 управления источника 6 электрической мощности системы управления, работающего в режиме источника напряжения. Так как в момент подключения напряжения к обмотке 3 трубки 8, индуктивно свя" занные с обмоткой 3, являются еще сверхпроводящими, то нарастание тока в первичной и вторичной обмотках . ограничено только индуктивностью рас1130148

1130148

1б

7Ó

Составитель В. Кручинкина

Редактор Л.Письман Техред Л.Коцюбняк Корректор Г.Решетник

Заказ 4493/2 Тираж 679 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная, 4