КРИОСТАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКЕ Российский патент 1994 года по МПК F25D3/10 B61B13/08 

Изобретение относится к левитационным устройствам для транспортных средств, а именно к криостатам для сверхпроводящих магнитов, предназначенных для высокоскоростных наземных транспортных средств на магнитной подвеске.

Известна конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащего внутренний низкотемпературный сосуд с жидким хладагентом, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух и расположенный между сосудом и кожухом экран [1] . Для увеличения длительности работы над криостатом расположен резервуар с жидким хладагентом, соединяющийся с внутренним сосудом.

Недостатком данного криостата являются большие габариты системы в целом, что нежелательно для экипажа транспортного средства на магнитной подвеске.

Известна конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подвеске, внутренний низкотемпературный сосуд которого с жидким хладагентом и расположенным в нем сверхпроводящим магнитом герметично закрыт при работе криостата [2] . В данном криостате происходит при работе постепенное и непрерывное повышение давления в сосуде и температуры кипения жидкого хладагента, что обуславливает применение сверхпроводников с высокими критическими параметрами для магнитов. Длительность работы криостата ограничена допустимым давлением в криостате и ростом температуры кипения жидкости, охлаждающей сверхпроводящий магнит. Кроме того, при мощных источниках тепловыделений давление во внутреннем сосуде может возрасти до критического, что чревато повреждением криостата. Применение же массивного внутреннего сосуда также нежелательно с точки зрения весовых характеристик транспортного криостата.

Известна также конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащего внутренний низкотемпературный сосуд, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух и размещенный между сосудом и кожухом экран, причем сверхпроводящий магнит и экран содержат теплооб- менники, по которым циркулирует жидкий хладагент. Однако для данного криостата необходимы внешние резервуары с жидким хладагентом, а также специальная система регулирования подачи хладагента в теплообменники.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является криостат для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащий внутренний низкотемпературный сосуд с жидким хладагентом, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух, размещенный между сосудом и кожухом экран с трубчатым теплообменником, один конец которого соединен с внутренним низкотемпературным сосудом, а второй конец соединен с выходным патрубком криостата.

В этом криостате испарившийся из-за внешних теплопритоков или внутренних тепловыделений во внутреннем сосуде жидкий хладагент попадает на вход трубчатого теплообменника, последовательно проходя по нему, охлаждает экран, после чего выходит через выходной патрубок криостата. Охлажденный экран уменьшает теплопритоки от вакуумного кожуха к низкотемпературному сосуду, тем самым, обеспечивая снижение испаряемости жидкого хладагента в сосуде, а значит и увеличивает длительность работы криостата от однократной заливки хладагентом.

Однако все-таки длительность работы криостата при этом не достаточно велика. Дело в том, что низкотемпературные хладагенты, например жидкий гелий, обладают низкой теплотой парообразования, т. е. даже малые теплопритоки приводят к сильному выкипанию жидкости. При этом испарившийся хладагент безвозвратно уходит из низкотемпературного сосуда. Особенно неблагоприятны мощные источники тепла, например, тепловыделения в сверхпроводящем магните из-за воздействия переменных магнитных полей от путевых электропроводящих контуров и обмоток линейного электродвигателя, поскольку при этом резко возрастает скорость удаления испарившегося хладагента из криостата, а длительность работы криостата от однократной заливки хладагентом сильно уменьшается.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик за счет увеличения длительности работы криостата от однократной заливки хладагентом.

Поставленная цель достигается тем, что в криостате для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащем вакуумный кожух, установленный в нем низкотемпературный сосуд для жидкого хладагента, на дне которого размещен сверхпроводящий магнит, расположенный между кожухом и сосудом экран с трубчатым теплообменником, один конец которого введен в низкотемпературный сосуд, а второй соединен с выходным патрубком в кожухе, криостат снабжен расположенной внутри низкотемпературного сосуда камерой, выходной патрубок которой соединен с расположенным в сосуде концом трубчатого теплообменика, а входной патрубок сообщен с полостью сосуда в верхней ее зоне и на этом патрубке установлен дроссельный вентиль.

Кроме того, камера расположена в верхней части низкотемпературного сосуда для обеспечения конденсации паров хладагента в нем. Камера выполнена в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита. Камера выполнена так, что сверхпроводящий магнит размещен между ее стенками. Камера выполнена из теплоизоляционного материала. Кроме того, на входном патрубке между камерой и дроссельным вентилем установлен запорный вентиль.

В предлагаемом криостате после заполнения жидким хладагентом низкотемпературного сосуда его можно загерметизи- ровать и длительное время эксплуатировать на экипаже транспортного средства. В дальнейшем по мере роста давления испарившегося газа последний будет поступать через дроссельный вентиль в камеру. Проходя через этот вентиль из сосуда с высоким давлением в камеру с относительно низким (почти атмосферным) давлением "теплый" газ дросселируясь, охлаждается и частично ожижается. Поскольку жидкость в камере холоднее, чем жидкость и газ в сосуде (из-за высокого давления), то при выполнении камеры в виде конденсационного теплообменника обеcпечиваетcя конденсация "теплого" газа в сосуде, т. е. частичное ожижение и охлаждение. Еще эффективней будет выполнение камеры в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита, поскольку при этом происходит непосредственное охлаждение магнита "холодной" жидкоcтью, т. е. повышается надежность сверхпроводящего магнита и охлаждается "теплая" жидкость в сосуде.

Расположение сверхпроводящего магнита внутри камеры позволяет магнит охлаждать только "холодной" жидкостью, особенно, если камера выполнена из теплоизоляционного материала.

Установка на входном патрубке между камерой и дроссельным вентилем запорного вентиля позволяет при открытом вентиле выпускать пары газа, например при заливке криостата или при аварийном сбросе давления.

В предлагаемом криостате более полно используется хладагент за счет адиабатического расширения газа без совершения внешней работы при дросселировании. Мощные тепловыделения и теплопритоки в сосуде не приводят к сильному выбросу хладагента из криостата, а наоборот, повышают эффективность дросселирования испарившегося газа.

На фиг. 1 камера выполнена в виде конденсационного теплообменника; на фиг. 2 - камера выполнена в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита; на фиг. 3 - сверхпроводящий магнит расположен внутри выполненной из теплоизоляционного материала камеры, последовательно соеди- ненной с конденсационным теплообменником.

Криостат для транспортного средства на магнитной подвеске состоит из внешнего вакуумного кожуха 1, в котором размещен внутренний низкотемпературный сосуд 2 с жидким хладагентом 3, например, гелием. На дне сосуда расположен сверхпроводящий магнит 4. Между вакуумным кожухом 1 и низкотемпературным сосудом 2 размещен экран 5 с трубчатым теплообменником 6, один конец 7 которого введен в сосуд 2, а второй конец 8 соединен с выходным патрубком 9 криостата. Внутри низкотемпературного сосуда расположена камера 10, которая выполнена в виде конденсационного теплообменника (фиг. 1), в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита 4 (фиг. 2), а на фиг. 3 камера выполнена из теплоизоляционного материала и внутри нее расположены сверхпроводящий магнит с жидким хладагентом.

Выходной патрубок 11 камеры 10 соединен с расположенным в сосуде концом 7 трубчатого теплообменника 6. На входном патрубке 12 камеры 10 установлен дроссельный вентиль 13, причем конец 14 входного патрубка 12 расположен в верхней части низкотемпературного сосуда 2. На входном патрубке 15 криостата установлен входной запорный вентиль 16, причем конец этого входного патрубка размещен у дна низкотемпературного сосуда 2. На входном патрубке 12 камеры 10 между камерой и дроссельным вентилем 13 размещен запорный вентиль 17. Внешний вакуумный кожух 1, экран 5 и низкотемпературный сосуд 2 соединены между собой при помощи теплоизоляционных опор 18.

Камера 10 (фиг. 1) в виде конденсационного теплообменника расположена в верхней части низкотемпературного сосуда 2. На фиг. 3 камера 10 последовательно соединена со вспомогательным конденсационным теплообменником 19. Для более полного контакта газообразного хладагента в сосуде с конденсационными теплообменниками на их внешней поверхности выполнено оребрение 20.

Работа криостата осуществляется следующим образом.

Жидкий хладагент 3 заливается в низкотемпературный сосуд 2 через входной патрубок 15 криостата при открытом входном запоpном вентиле 16. При этом вентиль 17 открыт, и через него газообразный хладагент поступает в камеру 10, затем в теплообменник 6, охлаждает их, после чего удаляется из криостата через выходной патрубок 9.

После заполнения сосуда 2 жидким хладагентом 3 до определенного уровня запорные вентили 17 и 16 закрываются и осуществляется длительное функционирование криостата на экипаже транспортного средства. В дальнейшем, из-за различных теплопритоков, например по опорам 18, посредством излучения и др. , а также внутренних тепловыделений, например потерь в сверхпроводящем магните 4 от переменных магнитных полей путевых электропроводящих контуров и обмоток транспортного средства на магнитной подвеске (не показаны), происходит испарение жидкого хладагента 3 в низкотемпературном сосуде 2, сопровождаемое ростом давления газа и повышением температуры кипения жидкости. Газообразный хладагент с повышенным давлением через дроссельный вентиль 13 проходит в камеру 10 с относительно низким давлением. При этом происходит процесс дросселирования, сопровождаемый понижением температуры газа и его ожижением. Поскольку "теплый" газ в сосуде 2 контактирует с "холодным" конденсационным теплообменником 10 (фиг. 1) и 19 (фиг. 3), то происходит конденсация газа в низкотемпературном сосуде 3, т. е. охлаждение газа и частичное восполнение испарившейся жидкости.

Выполнение "холодной" камеры 10 в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита 4 (фиг. 2) позволяет помимо механического крепления магнита осуществлять его охлаждение в наиболее напряженных по критическим параметрам частях (наибольшее магнитное поле у сверхпроводящего магнита на его внутренней поверхности).

Расположение сверхпроводящего магнита 4 внутри камеры 10 с "холодным" хладагентом (фиг. 3) позволяет существенно повысить надежность сверхпроводящего магнита. Так как эта камера выполнена из теплоизоляционного материала, то "холодный" хладагент в камере незначительно нагревается "теплой" жидкостью 3 низкотемпературного сосуда.

Так как часть газа стравливается из низкотемпературного сосуда через дроссельный вентиль 13, а часть ожижается, то давление в криостате стабилизируется на определенном уровне. Отсутствие непрерывного роста давления в сосуде позволяет увеличить длительность работы криостата и снизить вес сосуда за счет выполнения его тонкостенным.

Предлагаемый криостат обладает внутренней стабильностью за счет наличия обратной связи с источниками тепла. Так при повышении мощности тепловыделений в сосуде увеличивается давление газа в верхней части сосуда, что приводит к повышению эффективности дросселирования газа в дроссельном вентиле и накоплению холодной жидкости в камере 10. Вследствие этого осуществляется более эффективная конденсация газа и охлаждение жидкости в сосуде. Поэтому для предложенного криостата отсутствует необходимость в сложной системе управления и регулирования.

В случае аварийного (необратимого) роста давления в низкотемпературном сосуде 2, например при переходе сверхпроводящего магнита 4 в нормальное состояние, открывается отрегулированный на критичес- кое давление срабатывания запорный вентиль 17 и газ быстро эвакуируется из криостата.

Таким образом, за счет дросселирования газа в низкотемпературном сосуде 2 криостат обладает свойствами холодопроизводительности. Фактически предлагаемый криостат выполняет функции криогенной ожижительной установки с дроссельным циклом, что позволяет длительное время эксплуатировать криостат на экипаже транспортного средства на магнитной подвеске без дозаправки. За счет этого можно отказаться от размещения на экипаже криогенной ожижительной установки, что резко снижает массогабаритные параметры оборудования экипажа, уменьшает потребление энергии для его функционирования, а также повышает надежность экипажа в целом. Заправку же криостата жидким хладагентом можно производить на стоянках экипажа через длительное время, например один раз в день.

(56) 1. Electrotechnische Zеitschrift, 1975, В 96, N 9, с. 383-390.

2. Выложенная заявка Японии N 56-116555, кл. В 61 В 13/08, 1981.

Использование: в криостатах для сверхпроводящих магнитов, предназначенных для высокоскоростных наземных транспортных средств на магнитной подвеске. Сущность: приостат для транспортного средства на магнитной подвеске содержит вакуумный кожух, установленный в нем низкотемпературный сосуд для жидкого хладагента, на дне которого размещен сверхпроводящий магнит, расположенный между кожухом и сосудом экран с трубчатым теплообменником, расположенную внутри сосуда камеру, выходной патрубок которой соединен с концом трубчатого теплообменника, а входной патрубок сообщен с полостью сосуда в верхней ее зоне. Камера может быть расположена в верхней части низкотемпературного сосуда, может быть выполнена в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита или выполнена так, что магнит размещен между ее стенками. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. КРИОСТАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКЕ, содержащий вакуумный кожух, установленный в нем низкотемпературный сосуд для жидкого хладагента, на дне которого размещен сверхпроводящий магнит, расположенный между кожухом и сосудом экран с трубчатым теплообменником, один конец которого введен в низкотемпературный сосуд, а другой соединен с выходным патрубком в кожухе, отличающийся тем, что, с целью повышения длительности работы криостата при однократной заливке хладагентом, криостат снабжен расположенной внутри низкотемпературного сосуда камерой, выходной патрубок которой соединен с расположенным в сосуде концом трубчатого теплообменника, а выходной патрубок сообщен с полостью сосуда в верхней ее зоне и на этом патрубке установлен дроссельный вентиль. 2. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что камера расположена в верхней части низкотемпературного сосуда для обеспечения конденсации паров хладагента в нем. 3. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что камера выполнена в виде внутреннего каркаса сверхпроводящего магнита. 4. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что камера выполнена сверхпроводящий магнит размещен между ее стенками. 5. Криостат по п. 4, отличающийся тем, что камера выполнена из теплоизоляционного материала. 6. Криостат по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что на входном патрубке между камерой и дроссельным вентилем установлен запорный вентиль.