Способ криостатирования и запитки сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя и устройство для его реализации



Способ криостатирования и запитки сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя и устройство для его реализации
Способ криостатирования и запитки сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя и устройство для его реализации

 


Владельцы патента RU 2601218:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)

Использование: для криостатирования сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя. Сущность изобретения заключается в том, что способ криостатирования и запитки сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя включает режим захолаживания, ввод тока в сверхпроводящую обмотку и удержание магнитного поля, где захолаживание сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя осуществляют за счет принудительного протока жидкого гелия, а ввод тока и удержание магнитного поля обеспечивают с помощью сверхпроводящего преобразователя тока, который располагают между накопительной емкостью с жидким гелием и сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, при этом накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя располагают в разных криостатах и соединяют между собой при помощи коаксиальных каналов, внутри которых располагают гелиевые магистрали и токоподводы. Технический результат: обеспечение возможности получения простого и эффективного способа криостатирования. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости, а более конкретно к способу и устройству для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя. Изобретение может быть использовано в различных областях промышленности и науки, в частности в термоядерном ракетном двигателе, как в качестве источника энергии, так и в качестве магнитной системы для удержания термоядерной плазмы.

Предлагаемый способ апробирован в процессе создания и эксплуатации криогенного магнитного детектора на ускорительном комплексе VEPP-2000 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера. В процессе создания сверхпроводящего магнита для криогенного детектора возникало много проблем. Те требования, которые были приемлемы для научных исследований, часто не укладывались в те рамки, которые были апробированы и приняты на протяжении многих лет при создании сверхпроводящих магнитов общепринятого назначения. Так, например, сверхпроводящий магнит должен иметь максимально минимальную «радиационную толщину» из условия эксперимента и быть к тому же достаточно «протяженным» в аксиальном направлении. Другой проблемой являлось его полное автономное обслуживание в процессе эксплуатации, и к тому же он должен быть работоспособным при достаточно жестком рентгеновском излучении. Но основной проблемой являлось то, что в сверхпроводящем магните должно быть удержано постоянное магнитное поле с большой точностью на протяжении всего времени прохождения эксперимента. Последний вариант криогенного магнитного детектора КМД-3 эксплуатируется в институте уже более пяти лет без каких-либо серьезных проблем, связанных с эксплуатацией сверхпроводящего магнита. Даже после потери сверхпроводимости («срыва»), что, как правило, является малопредсказуемым явлением, магнитная система не выходила из строя и через небольшой промежуток времени снова могла быть включена в работу. Срыв сверхпроводящего состояния в сверхпроводящем магните не приводит к аварийной ситуации и рассматривается сегодня экспериментаторами как обычная «штатная ситуация» в процессе его эксплуатации.

Известен способ захолаживания объекта криостатирования (см. авторское свидетельство SU №17778461 A1, F25B 9/00, 1992 г.), включающий постоянный контроль расхода основного хладагента и его температур на входе и выходе из криостатируемого объекта и подключение дополнительных блоков охлаждения с целью снижения энергозатрат и времени захолаживания в процессе криостатирования.

Однако при всей своей привлекательности и достаточно серьезной проработке данный способ обладает рядом существенных недостатков, которые не позволили его использование для вышеуказанной системы криостатирования сверхпроводящего магнита. Контроль основных параметров используемых криоагентов, как и постоянное определение хладопроизводительности на их основе, является весьма трудоемкой и затратной процедурой. К тому же надежность такой системы в процессе эксплуатации, особенно при радиационной нагрузке, также весьма низка и малоприменима для установок данного класса.

Известен другой способ криостатирования протяженного объекта (см. авторское свидетельство SU №887889, F25D 3/10, 1981 г.), включающий охлаждение объекта с помощью движущегося (протока) хладагента, подвергаемого предварительному охлаждению, и поддержания с его помощью объекта в заданном интервале температур за счет его повторного возврата в холодильную машину.

Однако и данный способ малоприменим для криостатирования сверхпроводящих магнитов со строгой фиксацией магнитного поля в течение длительного периода времени. К тому же устройство дополнительного криостата для охлаждения хладагента, как и магистрали возврата хладагента в холодильную машину при низкой температуре, сложны в реализации и малоэффективны в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу и устройству является система криостатирования сверхтекучим гелием (см. авторское свидетельство SU №1816068, F17C 3/00, F25D 3/10, 1995 г.), содержащая объект охлаждения и криостат с экранно-вакуумной изоляцией и охлаждающими экранами, в котором размещены емкости для Не-I и Не-II и охлаждающий контур Джоуля-Томсона, включающий дроссельный низкотемпературный клапан, теплообменник и испаритель. При этом объект охлаждения и криостат соединены между собой посредством теплоизолированного трубопровода подачи жидкого гелия со специальной высокотеплопроводной заглушкой с газосбросным клапаном на ее торце.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что он так же, как и ранее описанные способы, трудоемок в реализации и весьма сложен в процессе эксплуатации и к тому же малоэффективен с экономической точки зрения. Установка высокотеплопроводной заглушки на подающем гелий трубопроводе для контактной передачи холода к охлаждаемому объекту не только усложняет конструкцию гелиевого трубопровода, но и не гарантирует его эффективность при передаче холода к охлаждаемому объекту. Другим усложняющим систему объектом и снижающим ее надежность является наличие гелиевой емкости в криостате со сложной системой - дроссельным клапаном и низкотемпературным теплообменником-переохладителем. Само расположение одной гелиевой емкости в другой с целью снижения теплопритоков не только сильно усложняет всю систему в целом, но и не обеспечивает соответствующую надежность в процессе эксплуатации без профилактической регенерации.

Задачей заявляемой группы изобретений является устранение вышеперечисленных недостатков способа и устройства для криостатирования охлаждаемого объекта.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении нового более эффективного и простого в процессе эксплуатации способа криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя, исключающего использование дорогостоящего и сложного в процессе эксплуатации оборудования.

Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается известным способом криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя, включающим режим захолаживания, ввод тока в сверхпроводящую обмотку и его удержание. Отличием данного способа является то, что захолаживание сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя осуществляют за счет принудительного протока жидкого гелия, а ввод тока и удержание магнитного поля обеспечивают с помощью сверхпроводящего преобразователя тока, который располагают между накопительной емкостью с жидким гелием и сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, при этом накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя располагают в разных криостатах и соединяют между собой с помощью коаксиальных каналов, внутри которых располагают гелиевые магистрали и токоподводы.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что жидкий гелий прокачивают через сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя только с одного из ее торцов, а сверхпроводящее состояние обеспечивают за счет теплопроводности ее корпуса и шунтов из гипертеплопроводного материала, преимущественно из алюминия высокой степени его очистки.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что прокачку жидкого гелия через камеру охлаждения сверхпроводящего преобразователя тока и камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя обеспечивают за счет избыточного давления в накопительной емкости с жидким гелием и разности плотностей жидкого гелия в подводящей и отводящей гелиевых магистралях.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что камеру охлаждения сверхпроводящего преобразователя выполняют в виде полого горизонтального цилиндра, а камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя выполняют в виде полого тора, расположенного на одном из ее торцов, которые гидравлически соединяют с подводящей и отводящей магистралями жидкого гелия.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что накопительную емкость с жидким гелием, охлаждающую камеру сверхпроводящего преобразователя тока и охлаждающую камеру сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя защищают от лучистой составляющей теплопритоков с помощью охлаждаемых газообразным гелием экранов, которые гидравлически связывают между собой и паровым пространством накопительной емкости с жидким гелием.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что контроль уровня жидкого гелия в накопительной емкости с жидким гелием осуществляется с помощью сверхпроводящего гелиевого уровнемера, который располагают внутри накопительной емкости с жидким гелием и электрически связывают через стабилизатор тока с управляющим компьютером.

Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что входной конец подводящей гелиевой магистрали располагают внутри накопительной емкости с жидким гелием ниже ее минимального уровня жидкого гелия, а выходной конец отводящей гелиевой магистрали располагают внутри накопительной емкости с жидким гелием выше ее максимального уровня жидкого гелия и смещают в сторону относительно центральной вертикальной оси накопительной емкости с жидким гелием.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся методов и средств, использованных в процессе захолаживания и ввода тока в сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя, как и обеспечение соответствующей надежности всей системы криостатирования в процессе выхода ее из сверхпроводящего состояния за счет использования трех криостатов и минимизации объема жидкого гелия в камере охлаждения.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя достигается известным устройством, включающим сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя, накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока, источник питания и управляющий компьютер. Отличием предлагаемого устройства является то, что накопительная емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя заключены в свои отдельные криостаты, которые расположены соответственно друг над другом цугом (последовательно) вдоль вертикальной оси и соединены между собой при помощи коаксиальных каналов, внутри которых размещены гелиевые магистрали и токоподводы, при этом гелиевая магистраль, питающая сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя жидким гелием, расположена внутри гелиевой магистрали, предназначенной для вывода отработанного жидкого гелия из сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя обратно в накопительную емкость с жидким гелием, а сильноточные токоподводы, соединяющие сверхпроводящий преобразователь тока со сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, закреплены на внешней поверхности выходной гелиевой магистрали в виде двухзаходной спиральной ленты.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также тем, что сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя, сверхпроводящий преобразователь тока и накопительная емкость с жидким гелием окружены с внешней поверхности охлаждаемыми газообразным гелием экранами, охлаждающие змеевики (каналы) которых гидравлически соединены по газу между собой и паровым пространством накопительной емкости с жидким гелием.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается также тем, что внутри накопительной емкости с жидким гелием установлен сверхпроводящий гелиевый уровнемер, выполненный из тонкого сверхпроводника, установленного вдоль ее вертикальной оси и подключенного к блоку стабилизации тока и управляющему компьютеру.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся установки сверхпроводящего преобразователя тока между накопительной емкостью с жидким гелием и сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, как и их взаимной связи. А также не выявлено каких-либо известных решений, касающихся конструкции камеры охлаждения сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, как и камеры охлаждения сверхпроводящего преобразователя тока, а также того, что входящая и выводящая гелиевые магистрали расположены одна в другой соответствующим образом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой группы изобретений, как для объекта-способа, так и для объекта-устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги для способа и устройства заявляемой группы, характеризующейся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам как способа, так и устройства заявляемой группы изобретений.

Следовательно, каждый объект группы изобретений соответствует условию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки каждого объекта группы изобретений условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы.

Результаты анализа показали, что каждый объект заявляемой группы изобретений не вытекает явным образом для специалиста из известного уровня техники, поскольку не вытекает из него логически и мог быть получен только при глубоком всестороннем изучении вопроса.

Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя (в разрезе).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.

Заявляемый способ криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя предусматривает, что для охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя используется в качестве хладагента только жидкий гелий, получаемый непосредственно от холодильной машины или транспортной емкости. А запитку сверхпроводящей обмотки током осуществляют от внешнего источника тока, соединенного электрически с управляющим компьютером и сверхпроводящим преобразователем тока. При этом сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя выполняют известным способом, например, как она описана в статье (см. A.V. Bragin, L.M. Barkov et al. "Performance of the Thin Superconducting Solenoid of the CMD-3 Detector", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 20, №5, pp. 2336-2340, October 2010). Сверхпроводящий преобразователь тока также может быть выполнен известным способом, например, как он описан в статье (см. S.V. Karpov, A.V. Bragin, А.А. Ruban and Y.S. Popov "Superconducting Power Supply for Thin Superconducting Solenoid of the CMD-3 Detector", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 16, №2, pp.1642-1645, June 2006). Это не исключает и другие варианты их исполнения, но только при условии их охлаждения тоже только за счет непосредственного контакта с жидким гелием. Это не только упрощает процесс охлаждения при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя, но и гарантирует высокую степень надежности в процессе эксплуатации. При гелиевых температурах теплоемкости обычных конструктивных элементов крайне малы (в сотни и даже тысячи раз ниже их значений при комнатной температуре), поэтому даже незначительного тепловыделения может быть достаточно для разогрева сверхпроводника до температуры выше критической, что сопровождается неконтролируемым переходом сверхпроводника в нормальное состояние и, как следствие, даже его выгоранием. В предлагаемом способе криостатирования при запитке сверхпроводящий преобразователь тока, как и сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя, помещают в отдельные друг от друга криостаты, которые уже соединяют между собой при помощи гелиевых магистралей. Такой подход исключает их взаимосвязь при «срыве» сверхпроводимости и, как следствие, гарантирует их нормальную работу вне зависимости друг от друга. То есть при «срыве» сверхпроводящего преобразователя тока сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя может оставаться в сверхпроводящем состоянии (рабочем) и, наоборот, при срыве сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя сверхпроводящий преобразователь тока остается в своем рабочем режиме и может выполнять свои функции по запитке, как только сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя вновь будет охлаждена до соответствующей температуры. Поэтому, чтобы «срыв» сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя не влиял на работу накопительной емкости с жидким гелием и на работу сверхпроводящего преобразователя тока, камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя выполняют в виде полого тора, с минимально возможно малым внутренним объемом, и располагают на одном из ее торцов, а поддержание сверхпроводящего состояния обеспечивают за счет теплопроводности ее корпуса и шунтов из гипертеплопроводящего материала, например алюминия высокой степени очистки. При этом, чтобы теплопритоки к сверхпроводящей обмотке индукционного накопителя были минимальными, ее окружают многослойной экранно-вакуумной рубашкой и охлаждаемым газообразным гелием экраном, гидравлически связанным с паровым пространством накопительной емкости. При этом для более полного использования энтальпии выходящего из экрана сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя газообразного гелия его направляют сначала в охлаждаемый газообразным гелием экран сверхпроводящего преобразователя тока, а далее в охлаждаемый газообразным гелием экран накопительной емкости с жидким гелием, и только затем выводят и направляют в холодильную машину или гелиевый газгольдер для его сохранения и последующего использования в данном процессе. Для обеспечения бесперебойного протока однофазного жидкого гелия через камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя входящую гелиевую магистраль располагают внутри отводящей гелиевой магистрали, которые гидравлически соединяют с накопительной емкостью, при этом выходной конец отводящей гелиевой магистрали располагают выше максимального уровня жидкого гелия, а входной конец подводящей гелиевой магистрали располагают ниже минимального уровня жидкого гелия. Следует отметить, что для контроля уровня жидкого гелия в накопительной емкости устанавливают сверхпроводящий уровнемер, который электрически связывают через стабилизатор тока с управляющим компьютером. Причем подлив жидкого гелия в накопительную емкость осуществляют либо автоматически, либо с помощью оператора при помощи переливного устройства, гидравлически связанного с холодильной машиной или транспортной емкостью для жидкого гелия.

Для осуществления заявляемого способа криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя предлагается устройство.

Данное устройство включает: сверхпроводящую обмотку 1 (Фиг. 1) индукционного накопителя; криостат 2 для размещения сверхпроводящей обмотки 1; сверхпроводящий преобразователь тока 3, установленный в криостате 4; накопительную емкость 5 с жидким гелием, расположенную в криостате 6; коаксиальные каналы 7 и 8; сверхпроводящий уровнемер 9, электрически соединенный через стабилизатор тока 10 с управляющим компьютером 11; источник питания 12, электрически подключенный к сверхпроводящему преобразователю тока 3; охлаждаемые газообразным гелием экраны 13, 14, 15, установленные соответственно в криостатах 2, 4, 6; подводящую гелиевую магистраль 16, соединяющую накопительную емкость 5 со сверхпроводящей обмоткой 1 и расположенную внутри отводящей гелиевой магистрали 17; сильноточные токоподводы 18, соединяющие сверхпроводящую обмотку 1 со сверхпроводящим преобразователем тока 3; гипертеплопроводящие шунты 19; многослойную вакуумную изоляцию 20, расположенную на поверхности сверхпроводящей обмотки 1 индукционного накопителя.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Всю работу данного устройства можно разделить на ряд этапов: режим захолаживания, стационарный режим, режим при «срыве» сверхпроводящей обмотки, то есть при переходе ее в нормальное состояние, и режим повторной ее запитки током. В режиме захолаживания, который осуществляется практически не чаще чем один раз в год, экономическими соображениями можно пожертвовать и осуществлять процесс охлаждения данного устройства только за счет использования жидкого гелия. Однако это не исключает использования для этой цели других хладагентов или непосредственно холодильной машины, если таковая может быть установлена в непосредственной близости от предлагаемого устройства. Независимо от способа предварительного охлаждения последующий сценарий работы данного устройства следующий. Жидкий гелий из холодильной машины или транспортной гелиевой емкости поступает через переливное устройство в накопительную емкость 5 (Фиг. 1). В процессе его испарения холодный пар опускается на дно накопительной емкости 5 и далее через входящую гелиевую магистраль 16 в камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки 1, а перегретый пар скапливается в верхней части накопительной емкости 5 и поступает далее в охлаждаемый газообразным гелием экран 13, расположенный в криостате 2 между его теплым корпусом и сверхпроводящей обмоткой 1. Из криостата 2 газообразный гелий через охлаждаемый экран коаксиального канала 7 поступает в охлаждаемый газообразным гелием экран 14, расположенный в криостате 4 между его теплым корпусом и сверхпроводящим преобразователем тока 3. Из криостата 4 газообразный гелий через охлаждаемый экран коаксиального канала 8 поступает в охлаждаемый газообразным гелием экран 15, расположенный в криостате 6 между его теплым корпусом и накопительной емкостью 5. Из криостата 6 газообразный гелий через охлаждаемый экран узла подвеса накопительной емкости 5 уже выводится из устройства и направляется в холодильную машину или гелиевый газгольдер для дальнейшего его использования. В это время холодный пар из камеры охлаждения сверхпроводящей обмотки 1 поступает сначала в камеру охлаждения сверхпроводящего преобразователя тока 3, а затем уже вновь возвращается через отводящую гелиевую магистраль 17 в накопительную емкость 5. При этом процесс перелива жидкого гелия из транспортной гелиевой емкости или холодильной машины, как правило, осуществляется под небольшим избыточным давлением (РИЗ≈0.15÷0.25 ати), что препятствует его резкому вскипанию в накопительной емкости 5 и фактически является своеобразным регулятором его расхода. При возрастании давления в накопительной емкости 5 слив жидкого гелия автоматически прекращается, а внутреннее давление в ней тут же возвращается в свое исходное состояние за счет выхода газообразного гелия и резкого падения давления в момент образования жидкой фазы гелия на дне накопительной емкости 5. Дальнейшее накопление жидкой фазы гелия в накопительной емкости 5 происходит в результате охлаждения всей системы, включая и сверхпроводящую обмотку 1 индукционного накопителя. При этом после достижения соответствующих температур заправка накопительной емкости происходит практически мгновенно. При этом уровень жидкого гелия в накопительной емкости 5 оператор контролирует с помощью сверхпроводящего уровнемера 9, электрически соединенного через стабилизатор тока 10 с управляющим компьютером 11. После достижения максимального уровня жидкого гелия в накопительной емкости 5 подача жидкого гелия в нее прекращается и в работу включается сверхпроводящий преобразователь тока 3. Сверхпроводящий преобразователь тока 3 может работать в трех режимах: в режиме подъема, в режиме поддержания и в режиме вывода магнитного поля. В режиме подъема сверхпроводящий преобразователь тока 3 используется для подъема магнитного поля в сверхпроводящей обмотке 1 до необходимой величины, а в режиме поддержания - для компенсации потерь энергии при работе с короткозамкнутой сверхпроводящей обмоткой 1 (в режиме «замороженного потока»). После ввода рабочего тока в сверхпроводящую обмотку 1 режим подъема заканчивается и автоматически переходит в режим поддержания, то есть сверхпроводящий преобразователь тока 3 автоматически переключается на работу в режиме поддержания. При этом при помощи компьютера 10 оператор отслеживает всю текущую информацию, включая и понижение уровня жидкого гелия в накопительной емкости 5. При опускании уровня жидкого гелия до нижнего предельного значения, автоматически или с помощью оператора, вновь включается перелив жидкого гелия из транспортной емкости в накопительную емкость. А при падении магнитного потока, которое происходит при работе с короткозамкнутой сверхпроводящей обмоткой в режиме «замороженного потока», как правило, из-за несовершенства спаев сверхпроводников, автоматически вводится дополнительный ток. Следует заметить, что сопротивление этих спаев при температуре жидкого гелия ничтожно мало (~1×10-9 Ом), и поэтому подпитка сверхпроводящей обмотки 1 в стационарном режиме работы данного устройства не вызывает больших затруднений. Другая ситуация возникает, если сверхпроводящая обмотка 1 по тем или иным причинам переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние (мгновенный «срыв» сверхпроводимости). В этом случае вся энергия, запасенная в сверхпроводящей обмотке 1, выделяется в виде тепла. Жидкий гелий в камере ее охлаждения мгновенно испаряется, что, однако, не влияет на работу других устройств, так как объем жидкого гелия в ней весьма невелик по сравнению с объемом жидкого гелия в криостатах 4, 6. Сверхпроводящий преобразователь тока 3 и накопительная емкость 5 продолжают функционировать, независимо от ситуации со сверхпроводящей обмоткой 1, в своем нормальном режиме. Такая «форсмажорная» ситуация весьма редкое явление, но исключать ее нельзя. Другим «форсмажорным» обстоятельством может являться потеря сверхпроводимости в сверхпроводящем преобразователе тока 3. Однако и в этом данном случае его «срыв» не оказывает существенного влияния на работу других устройств. Сверхпроводящая обмотка 1 может оставаться в сверхпроводящем состоянии достаточно продолжительное время, вполне достаточное, чтобы вновь вернуть в рабочее состояние сверхпроводящий преобразователь тока 3. Следует отметить, что после «срыва» сверхпроводимости в сверхпроводящей обмотке 1 после непродолжительного промежутка времени она автоматически возвращается в свое рабочее состояние и в нее вновь можно вводить рабочий ток. Потери жидкого гелия после «срыва» сверхпроводящей обмотки 1 существенно возрастают, но они не являются в данном случае критичными для данной ситуации и, конечно, несопоставимы с теми потерями, которые бывают при «срыве» «купающихся» сверхпроводящих обмоток (обмоток, находящихся в ваннах с жидким гелием).

Технический эффект от использования данной группы изобретений состоит в следующем.

Предлагаемый способ криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя существенно упрощает систему в целом и позволяет ее применить при весьма жестких условиях эксплуатации. Данная система криостатирования обладает повышенной степенью безопасности при сравнении ее с другими аналогичными способами криостатирования.

Предложенное устройство для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя просто в изготовлении и для его реализации не потребовалось каких-либо экзотических материалов и дорогостоящих приборов и устройств как в процессе создания, так и в процессе его эксплуатации. Оно обеспечивает соответствующую безопасность вне зависимости от внешних факторов (отключение электричества или при «срыве» сверхпроводимости) и сравнительно простое в процессе эксплуатации.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемой группы изобретений выполняется следующая совокупность условий:

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя;

- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретений, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущества заявляемой группы изобретений состоят в том, что использование способа и устройства для криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя существенно снижает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокое качество и высокую эффективность в сочетании с высокой надежностью. Аналог данного способа и устройства был использован при модернизации детектора КМД-2 на комплексе VEPP-2000 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера и проработал уже более пяти лет без каких-либо аварийных ситуаций и сложных проблем. При его эксплуатации не требуются ни криогенщики высшей квалификации, ни дорогое и сложное в обслуживании криогенное оборудование.

Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №1778461 A1, F25B 9/00, 1992 г.

2. Авторское свидетельство SU №887889, F25D 3/10, 1981 г.

3. Авторское свидетельство SU №1816068 A1, F17C 3/00, F25D 3/10, 1995 г.

4. A.V. Bragin, L.M. Barkov et al. "Performance of the Thin Superconducting Solenoid of the CMD-3 Detector", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 20, №5, pp.2336-2340, October 2010.

5. S.V. Karpov, A.V. Bragin, A.A. Ruban and Y.S. Popov "Superconducting Power Supply for Thin Superconducting Solenoid of the CMD-3 Detector", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 16, №2, pp. 1642-1645, June 2006.

1. Способ криостатирования при запитке сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя, включающий режим захолаживания, ввод тока в сверхпроводящую обмотку и удержание магнитного поля, отличающийся тем, что захолаживание сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя осуществляют за счет принудительного протока жидкого гелия, а ввод тока и удержание магнитного поля обеспечивают с помощью сверхпроводящего преобразователя тока, который располагают между накопительной емкостью с жидким гелием и сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, при этом накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя располагают в разных криостатах и соединяют между собой при помощи коаксиальных каналов, внутри которых располагают гелиевые магистрали и токоподводы.

2. Способ криостатирования по п. 1, отличающийся тем, что жидкий гелий прокачивают через сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя только с одного из ее торцов, а сверхпроводящее состояние обеспечивается за счет теплопроводности ее корпуса и шунтов из гипертеплопроводящего материала, преимущественно из алюминия высокой степени его очистки.

3. Способ криостатирования по п. 1, отличающийся тем, что прокачку жидкого гелия через камеру охлаждения сверхпроводящего преобразователя и камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя обеспечивают за счет избыточного давления в накопительной емкости с жидким гелием и разности плотностей жидкого гелия в подводящей и отводящей гелиевых магистралях.

4. Способ криостатирования по п. 3, отличающийся тем, что камеру охлаждения сверхпроводящего преобразователя тока выполняют в форме полого горизонтального цилиндра, а камеру охлаждения сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя выполняют в форме полого тора, расположенного на одном из ее торцов, которые гидравлически соединяют с подводящей и отводящей магистралями жидкого гелия.

5. Способ криостатирования по п. 3, отличающийся тем, что накопительную емкость с жидким гелием, охлаждающую камеру сверхпроводящего преобразователя тока и охлаждающую камеру сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя защищают от лучистой составляющей теплопритоков с помощью охлаждаемых газообразным гелием экранов, которые гидравлическим образом связаны между собой и паровым пространством накопительной емкости с жидким гелием.

6. Способ криостатирования по п. 1, отличающийся тем, что контроль уровня жидкого гелия в накопительной емкости с жидким гелием осуществляют с помощью сверхпроводящего гелиевого уровнемера, расположенного внутри накопительной емкости с жидким гелием и электрически связанного через стабилизатор тока с управляющим компьютером.

7. Способ криостатирования по п. 3, отличающийся тем, что входной конец подводящей гелиевой магистрали располагают внутри накопительной емкости с жидким гелием ниже ее минимального уровня жидкого гелия, а выходной конец отводящей гелиевой магистрали располагают внутри накопительной емкости с жидким гелием выше ее максимального уровня жидкого гелия и смещают в сторону относительно центральной вертикальной оси накопительной емкости с жидким гелием.

8. Устройство для криостатирования при запитке током сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя, включающее сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя, накопительную емкость с жидким гелием, сверхпроводящий уровнемер, сверхпроводящий преобразователь тока, источник питания и управляющий компьютер, отличающееся тем, что накопительная емкость с жидким гелием, сверхпроводящий преобразователь тока и сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя заключены в свои отдельные криостаты, которые расположены соответственно друг над другом цугом (последовательно) вдоль вертикальной оси и соединены между собой при помощи коаксиальных каналов, внутри которых размещены гелиевые магистрали и токоподводы, при этом гелиевая магистраль, питающая гелием сверхпроводящую обмотку индукционного накопителя, расположена внутри гелиевой магистрали, предназначенной для вывода отработанного жидкого гелия из сверхпроводящей обмотки индукционного накопителя обратно в накопительную емкость с жидким гелием, а сильноточные токоподводы, соединяющие сверхпроводящий преобразователь тока со сверхпроводящей обмоткой индукционного накопителя, закреплены на внешней поверхности выходящей гелиевой магистрали в виде двухзаходной спиральной ленты.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что сверхпроводящая обмотка индукционного накопителя, сверхпроводящий преобразователь тока и накопительная емкость с жидким гелием окружены с внешней поверхности охлаждаемыми газообразным гелием экранами, охлаждающие змеевики (каналы) которых гидравлически соединены по газу между собой и паровым пространством накопительной емкости с жидким гелием.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что внутри накопительной емкости с жидким гелием установлен сверхпроводящий гелиевый уровнемер, выполненный из тонкого сверхпроводника, установленного вдоль ее вертикальной оси и подключенного к блоку стабилизации тока и управляющему компьютеру.



 

Похожие патенты:

Сверхпроводящий выключатель может быть использован для коммутации электрических цепей постоянного тока, в системах вывода энергии из индуктивных сверхпроводящих накопителей, для защиты крупных магнитных сверхпроводящих систем, работающих в режиме «замороженного» магнитного поля, сверхпроводящих обмоток электрических машин и в качестве токоограничителей в экспериментальных сверхпроводящих линиях электропередачи.

Изобретение относиться к области измерения параметров слабых потоков излучения и касается способа измерения параметров однофотонных источников излучения. Параметры источника излучения измеряются с помощью однофотонного сверхпроводникового детектора.

Изобретение относится к электротехнике, к средствам для использования эффекта сверхпроводимости, и может быть использовано в установках для активации высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Изобретение относится к электротехнике, в частности к сверхпроводящим размыкателям постоянного тока многократного действия. .

Изобретение относится к области сверхпроводниковой электротехники и может быть использовано для коммутации тока сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, сверхпроводящих кабелей и линий электропередачи.

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники, в частности к сверхпроводящим выключателям (СПВ) постоянного тока многократного действия, и может быть использовано, например, для коммутации тока сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии и сверхпроводящих магнитных систем, в системах защиты сверхпроводящих обмоток электрических машин, линий электропередачи и сверхпроводящих кабелей.

Изобретение относится к области сверхпроводящей электротехники и может быть использовано для коммутации электрических цепей постоянного тока. .

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. .

Изобретение относится к электротехнике, к криоэлектронике и может быть использовано для защиты электрических машин от токовых перегрузок. .

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении ремонта.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для криостатирования сверхпроводящих обмоток многофазных силовых трансформаторов с плоской магнитной системой.

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к области криогенной электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящей магнитной системы в физических , исследованиях или в ЯМР-томографии.
Наверх