КРИОСТАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКЕ Российский патент 1996 года по МПК B60L13/04 

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

Известна конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подушке, содержащего внутренний низкотемпературный сосуд, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух и расположенный между ними экран. Для увеличения длительности работы криостата над криостатом расположен резервуар с жидким хладагентом, соединяющийся с внутренним низкотемпературным сосудом. Однако данный криостат обладает значительными габаритами, что плохо для экипажа транспортного средства.

Известна конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подушке, содержащего внутренний низкотемпературный сосуд, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух и расположенный между ними экран, причем сверхпроводящий магнит и экран содержат теплообменники, 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 подушке, содержащий внутренний низкотемпературный сосуд с жидким хладагентом, в котором расположен сверхпроводящий магнит, внешний вакуумный кожух, расположенный между ними экран с трубчатым тепломобменником, один конец которого соединен с внутренним низкотемпературным сосудом, а второй конец соединен с выходным патрубком криостата, и входной патрубок криостата, конец которого размещен во внутреннем низкотемпературном сосуде.

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 внешнего вакуумного кожуха к внутреннему сосуду, тем самым, обеспечивает снижение испаряемости жидкого хладагента в сосуде, а значит, и увеличивает длительность работы криостата от однократной заливки хладагентом.

Однако указанная длительность работы криостата недостаточно 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 гелий безвозвратно уходит из внутреннего сосуда, т.е. не участвует в дальнейшей работе криостата. Особенно неблагоприятны для данного криостата мощные источники тепла, например, тепловыделения в сверхпроводящем магните из-за воздействия переменных полей от путевых контуров подвески, поскольку при этом скорость удаления испарившегося хладагента из криостата резко возрастает, а длительность работы криостата от однократной заливки хладагентом сильно уменьшается.

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

Достигается это тем, что в криостате для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащем вакуумный кожух, размещенный в нем низкотемпературный сосуд с жидким хладагентом, 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 криостата, конец которого размещен в низкотемпературном сосуде, в низкотемпературном сосуде горизонтально установлена перегородка, разделяющая его на камеры, в перегородке вмонтированы связывающие камеры дроссельный вентиль, обратный клапан и запорный вентиль, причем конец входного патрубка криостата размещен в нижней камере, а конец трубчатого теплообменника в верхней камере.

Кроме того, нижняя камера низкотемпературного сосуда охвачена трубчатым теплообменником.

Разделение низкотемпературного сосуда криостата перегородкой на две камеры позволяет нижнюю камеру со сверхпроводящим магнитом после наполнения жидкого хладагента, например гелия, загерметизировать, например, при помощи входного запорного вентиля на входном патрубке криостата, закрытом запорным вентилем и таким образом, длительное время эксплуатировать криостат на экипаже транспортного средства на магнитной подушке. В дальнейшем из-за различных внешних теплопритоков и внутренних тепловыделений, жидкий хладагент будет испаряться и в нижней камере будет возрастать давление газа и температура жидкого хладагента. Поступая через дроссельный вентиль из нижней камеры с высоким давлением в верхнюю камеру с низким (почти атмосферным) давлением "теплый" газ дросселируясь, охлаждается, частично ожижаясь, а частично, выходя из верхней камеры в "холодном" состоянии по трубчатому теплообменнику, охлаждает нижнюю камеру с более высокой температурой, затем экран и выходит из криостата по выходному патрубку. После накопления жидкости в верхней камере до определенного уровня, запорный вентиль, открываясь, сбрасывает давление в нижней камере. Обратный клапан при этом закрывается, и жидкость из верхней камеры сливается в нижнюю камеру со сверхпроводящим магнитом; температура жидкости в нижней камере снижается, а уровень жидкости возрастает, что способствует увеличению длительности работы криостата транспортного средства.

Таким образом, в предлагаемом криостате более полно используется холодопроизводительность хладагента за счет адиабатического расширения газа без совершения внешней работы. При этом мощные источники тепла, например, тепловыделения в сверхпроводящем магните, в отличие от устройства-прототипа, не приводят к сильному выбросу хладагента из внутреннего сосуда, а значит и к резкому сокращению длительности работы криостата, поскольку при этом возрастает эффективность дросселирования и часть ушедшего газа из нижней камеры возвратится в виде жидкости из верхней камеры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый криостат отличается наличием перегородки во внутреннем низкотемпературном сосуде, дроссельного и запорного вентилей и обратного клапана между частями (камерами) внутреннего сосуда, а также трубчатым теплообменником, охватывающим часть данного низкотемпературного сосуда.

На чертеже схематически изображен криостат для транспортного средства на магнитной подвеске, поперечный разрез.

Криостат для транспортного средства на магнитной подвеске состоит из внутреннего низкотемпературного сосуда 1, внешнего вакуумного кожуха 2 и экрана 3, расположенного между сосудом и кожухом криостата в вакуумной полости. Внутренний низкотемпературный сосуд 1 разделен перегородкой 4 на нижнюю 5 и верхнюю 6 камеры с жидким хладагентом, например жидким гелием, соответственно 7 и 8. В нижней камере 5 расположен сверхпроводящий магнит 9. Верхняя 6 и нижняя 5 камеры сосуда 1 соединены между собой дроссельным вентилем 10, обратным клапаном 11 и запорным вентилем 12.

На входном патрубке 13 криостата установлен входной запорный вентиль 14, причем конец входного патрубка размещен у днища нижней камеры 5.

На нижней камере 5 сосуда 1 и на экране 3 расположен трубчатый теплообменник 15 один конец 16 которого соединен с верхней камерой 6 сосуда 1, а другой конец соединен с выходным патрубком 17 криостата. Внешний вакуумный кожух 2, экран 3 и внутренний низкотемпературный сосуд 1 соединены между собой при помощи теплоизоляционных опор 18.

Работа криостата осуществляется следующим образом. Жидкий хладагент 7 заливается в нижнюю камеру 5 низкотемпературного сосуда 1 через входной патрубок 13 криостата при открытом входном запорном вентиле 14. При этом обратный клапан 11 закрыт, а открыт запорный вентиль 12, через который газообразный хладагент эвакуируется из камеры 5 в камеру 6, оттуда через теплообменик 15, охлаждая экран 3, удаляется из криостата через выходной патрубок 17. После заполнения камеры 5 сосуда 1 жидкостью до определенного уровня запорные вентили 12 и 14 закрываются и осуществляется длительное функционирование криостата на экипаже транспортного средства. В дальнейшем, из-за различных теплопритоков, например, по опорам 19, посредством излучения и др, а также из-за внутренних тепловыделений, например, потерь в сверхпроводящем магните 9 от переменных полей обмоток путевых контуром транспортного средства (на фиг. не показаны), происходит испарение жидкости 7 в нижней камере 5, сопровождаемое ростом давления и незначительным повышением температуры жидкости. Поскольку обратный клапан 11 не пропускает газ из нижней камеры 5 в верхнюю камеру 6, то газ через дроссельный вентиль 10 проходит из нижней камеры 5 с высоким давлением в верхнюю камеру 6 с низким (практически атмосферным) давлением. При этом происходит процесс дросселирования, сопровождаемый понижением температуры газа и частичным его ожижением, т.е. накоплением жидкого хладагента 8 в верхней камере 6 низкотемпературного сосуда. Холодный газ из верхней камеры 6 выходит через конец 16 трубчатого теплообменника 15, последовательно охлаждает нижнюю камеру 5 сосуда 1, а значит и находящуюся там жидкость 7 с повышенной температурой, экран 3 и выходит через выходной патрубок 17 из криостата в газгольдерную емкость (на фиг. не показана). После накопления жидкости 8 в верхней камере 6 до определенного уровня происходит открытие запорного вентиля 12, и происходит сброс давления газа в нижней камере 5 сосуда 1. При этом давление в нижней камере 5 становится равным давлению в верхней камере 6. Обратный клапан 11 открывается и жидкость 8 из верхней камеры 6 сливается в нижнюю камеру 5, уровень жидкости 7, обеспечивающей охлаждение сверхпроводящего магнита, в нижней камере возрастает, а ее температура понижается. Затем запорный вентиль 12 снова закрывается. Давление в нижней камере возрастает и процесс повторяется, т.е. носит циклический характер.

Запорный вентиль 12 позволяет также предотвратить чрезмерное (аварийное) повышение давление в нижней камере внутреннего низкотемпературного сосуда, т. е. выполняет защитные функции криостата. Верхняя камера при этом служит резервной емкостью для сброса испарившегося хладагента, например, при переходе сверхпроводящего магнита в нормальное состояние.

Таким образом, за счет дросселирования газа во внутреннем низкотемпературном сосуде 1 криостат обладает свойствами холодопроизводительности. Фактически предлагаемый криостат частично выполняет функции криогенной ожижительной установки с дроссельным циклом, что позволяет длительное время эксплуатировать криостат на экипаже транспортного средства на магнитной подушке от однократной заливки жидким хладагентом. При этом можно вообще отказаться от установки на экипаже криогенной ожижительной установки для криостата, что резко снизит массогабаритные параметры технического оборудования на экипаже, уменьшит потребление энергии для его функционирования, а также повысит его надежность. Заправку же криостата жидким хладагентом можно осуществлять на стоянках экипажа через длительные промежутки времени, например, раз в день.

Использование: в левитационных устройствах транспортных средств на магнитной подвеске. Сущность изобретения: внутренний низкотемпературный сосуд 1 разделен перегородкой на нижнюю 5 со сверхпроводящим магнитом 9 и верхнюю 6 камеры, соединенные между собой дроссельным вентилем 10, обратным клапаном 11 и запорным вентилем 12, при этом конец входного патрубка 13 криостата размещен в нижней камере, а конец трубчатого теплообменника, который охватывает экран и нижнюю камеру, соединен с верхней камерой. Это позволяет за счет дросселирования газа во внутреннем низкотемпературном сосуде осуществить ожижение газа, поступающего из нижней камеры, накопление жидкого хладагента в верхней камере и последующий сброс жидкости через обратный клапан из верхней камеры в нижнюю камеру. При этом возрастает уровень жидкости в нижней камере, обеспечивающей охлаждение сверхпроводящего магнита, а температура ее понижается. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. КРИОСТАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКЕ, содержащий вакуумный кожух, установленный в нем низкотемпературный сосуд с жидким хладагентом для размещения в нем сверхпроводящего магнита, расположенный между кожухом и сосудом экран с трубчатым теплообменником, один конец которого введен в низкотемпературный сосуд, а другой соединен с выходным патрубком, и входной патрубок, один конец которого размещен в низкотемпературном сосуде, а другой выведен наружу через отверстие в кожухе, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, в низкотемпературном сосуде горизонтально установлена перегородка, разделяющая его на камеры, в перегородке вмонтированы связывающие камеры дроссельный вентиль, обратный клапан и запорный вентиль, причем первый конец входного патрубка размещен в нижней камере, а концы трубчатого теплообменника в верхней камере. 2. Криостат по п.1, отличающийся тем, что нижняя камера низкотемпературного сосуда охвачена трубчатым теплообменником.