КРИОСТАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКЕ Российский патент 1997 года по МПК B60L13/04 

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, внутренний низкотемпературный сосуд которого с жидким хладагентом и расположенным в нем сверхпроводящим магнитом герметично закрыт при работе криостата.

В этом криостате происходит постепенное и непрерывное повышение давления в сосуде и температуры кипения жидкого хладагента, что приводит к снижению критических электромагнитных параметров сверхпроводящего магнита. Длительность работы криостата ограничена допустимым давлением в криостате и ростом температуры хладагента. Применение массивного сосуда нежелательно с точки зрения весовых характеристик криостата для транспорта.

Известна 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 теплообменники, по которым циркулирует жидкий хладагент.

Для данного криостата необходимы внешние резервуары с жидким хладагентом, а также специальная система регулирования подачи и контроля хладагента на входе и выходе теплообменников.

Известна также конструкция криостата для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащего 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 низкотемпературным сосудом, а второй конец соединен с выходным патрубком криостата.

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

Однако в данном криостате испарившийся хладагент безвозвратно уходит из сосуда. При этом внутренние источники тепла, например, потери в сверхпроводящем магните при движении экипажа над дискретной путевой структурой, лишь увеличивают скорость выхода хладагента из криостата, что приводит к уменьшению длительности работы криостата от однократной заливки хладагента.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому изобретению является криостат для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащий внешний 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, причем, в сосуде горизонтально установлена перегородка, разделяющая его на камеры, в перегородке вмонтированы связывающие камеры дроссельный вентиль, обратный клапан и запорный вентиль, конец входного патрубка криостата размещен в нижней камере, а конец трубчатого теплообменника в верхней камере.

В данном криостате герметизация нижней камеры с жидким хладагентом приводит к постепенному нарастанию в ней давления хладагента за счет испарения жидкости. Поступая через дроссельный вентиль из нижней камеры с повышенным давлением в верхнюю камеру с атмосферным давлением газ, дросселируясь охлаждается, частично ожижаясь, а частично идет на охлаждение нижней камеры с более высокой температурой. После накопления жидкости в верхней камере открывают запорный вентиль. При этом происходит сброс давления в нижней камере, после чего открывают обратный клапан и жидкость из верхней камеры сливается в нижнюю.

Однако известный криостат требует автоматическую систему управления и регулирования вентилями и клапанами. Кроме того, в начальный момент после герметизации нижней камеры, эффективность процесса дросселирования газа мала, так как перепад давлений между камерами мал. Сброс давления в нижней камере через запорный вентиль приводит к нерациональному использованию выбрасываемого газа, что ухудшает эксплуатационные характеристики криостата, в частности, из-за снижения длительности работы от однократной заливки хладагентом.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в криостате для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащем вакуумный кожух, размещенный 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 соединен с выходным патрубком, а второй введен в низкотемпературный сосуд, в котором горизонтально установлена разделяющая его на камеры перегородка, в которую вмонтирован соединяющий камеры дроссельный вентиль, в верхней камере установлен с возможностью горизонтального перемещения приводом герметизированный поршень, разделяющий верхнюю камеру на штоковую и подпоршневую полости, причем дроссельный вентиль установлен в подпоршневой полости, а в перегородке выполнены впускные отверстия.

Кроме того, на введенном в низкотемпературный сосуд конце теплообменника установлен дроссельный вентиль, расположенный в подпоршневой полости верхней камеры. На стенке сосуда между ним и экраном со стороны подпоршневой полости установлен трубчатый теплообменник. Привод поршня содержит двигатель и связанный с ним и с поршнем кривошипно-шатунный механизм. Привод выполнен в виде рычага, шарнирно соединенного одним концом с поршнем, и рукоятки, жестко соединенной с другим концом рычага. Двигатель выполнен шаговым.

В предлагаемом криостате после заполнения жидким хладагентом низкотемпературного сосуда закрывают входные и выпускные вентили. Затем поршень приводом переводят вперед, сжимая газ в подпоршневой полости верхней камеры. За счет того, что во всем остальном объеме сосуда давление понижается, уменьшается температура кипения жидкого хладагента, что увеличивает критические электромагнитные параметры, а значит и надежность сверхпроводящего магнита. Газ из подпоршневой полости высокого давления через дроссельные вентили за счет эффекта дросселирования выходит с пониженной температурой. При этом часть газа ожижается и возвращается в нижнюю камеру, а часть, охлаждая подпоршневую полость, повышает эффективность ожижения при дросселировании, поступает на охлаждение экрана, токовводов, силовых опор и др. элементов криостата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематически изображен криостат для транспортного средства на магнитной подвеске, у которого
на фиг. 1 привод выполнен в виде шагового электродвигателя, соединенного через кривошипно-шатунный механизм с поршнем;
на фиг. 2 привод выполнен в виде рычага, у которого один конец шарнирно соединен со штоком поршня, а другой конец соединен с рукояткой управления.

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, жидким гелием. На дне сосуда расположен сверхпроводящий магнит 4. Между вакуумным кожухом 1 и низкотемпературным сосудом 2, а второй конец соединен с выходным патрубком 8 криостата. В сосуде 2 горизонтально расположена перегородка 9, разделяющая сосуд на верхнюю 10 и нижнюю 11 камеры. В верхней камере 10 герметично установлен поршень 12 с возможностью перемещения приводом. На фиг. 1 привод выполнен в виде шагового двигателя 13, соединенного через кривошипно-шатунный механизм 14 с герметизированным поршнем 12 На фиг. 2 привод выполнен в виде рычага 15, один конец соединен с рукояткой управления 17. (В последнем случае возможно ручное управление криостатом). Подпоршневая полсть 18 верхней камеры 10, обращенная к поршню 12, соединена с нижней камерой 11 через дроссельный вентиль 19, вмонтированный в перегородку 9. При максимальном объеме полости 10, последняя с нижней камерой 11 дополнительно соединена и через впускные отверстия 20 в перегородке 9. На перегородке имеются вспомогательные отверстия 21, выходящие в штоковую полость верхней камеры 10. Конец 7 трубчатого теплообменника 6, введенный в низкотемпературный сосуд 2, снабжен дроссельным вентилем 22 и расположен в подпоршневой полости 18, которая охвачена трубчатым теплообменником. Конец 7 теплообменника дополнительно снабжен выпускными трубками 23 с запорным вентилем 24. Кроме того, криостат содержит входной патрубок 25 с запорным вентилем 26 и теплоизоляционные опоры 27, поддерживающие низкотемпературный сосуд 2, экран 5 относительно вакуумного кожуха 1.

Работа криостата осуществляется следующим образом.

Жидкий хладагент 3 заливается в низкотемпературный сосуд 2 через входной патрубок 25 при открытом вентиле 26. При этом поршень 12 находится в нерабочем положении (показан штриховыми линиями), запорный вентиль 24 открыт, что позволяет через отверстия 20 и 21 в перегородке 9 и выпускные трубки 23 сбрасывать из сосуда газообразный хладагент, который, проходя по трубчатому теплообменнику 6, охлаждает экран 5 и выбрасывается из криостата через выходной патрубок 8.

После заполнения сосуда 2 жидким хладагентом 3 запорные вентили 26 и 24 закрываются. Затем при помощи привода, осуществляя либо подачу сигнала управления на шаговый двигатель 13 (фиг. 1), либо поворот рукоятки управления 17 (фиг. 2), герметизированный поршень 12 переводится в рабочее положение (показан сплошными линиями) вперед по ходу. Объем подпоршневой полости 18 при этом становится минимальным. В таком состоянии осуществляется длительная эксплуатация криостата на экипаже транспортного средства на магнитной подвеске.

После перевода поршня в рабочее положение происходит повышение давления газа в подпоршневой полости 18, сопровождаемое увеличением его температуры, а также снижение давления во всем остальном объеме камер 10 и 11 низкотемпературного сосуда, сопровождаемое понижением температуры кипения жидкого хладагента 3. Снижение температуры жидкости, охлаждающей сверхпроводящий магнит 4, приводит к повышению критических электромагнитных параметров магнита, а значит и к увеличению его надежности. Сжатый газ из подпоршневой полости 18 через дроссельный вентиль 19, вмонтированный в перегородку 9, поступает в нижнюю камеру 11 с пониженным давлением. За счет возникающего при этом эффекта дросселирования газа, последний, проходя через вентиль, охлаждается и частично ожижается, восполняя испарившийся под действием различных теплопритоков и внутренних тепловыделений жидкий хладагент 3 в низкотемпературном сосуде 2. Часть газа из подпоршневой полости 18 через дроссельный вентиль 22, дросселируясь, охлажденной поступает в трубчатый теплообменник 6. За счет того, что полость 18 охвачена трубчатым теплообменником, газ в полости охлаждается, что повышает эффективность ожижения газа. Проходя по теплообменнику, холодный газ охлаждает экран 5, затем токовводы сверхпроводящего магнита (на фиг. не показаны), теплоизоляционные опоры 27, после чего через выходной патрубок 8 выходит из криостата. Охлаждение указанных элементов приводит к уменьшению теплопритоков излучением и теплопроводностью к низкотемпературному сосуду 2. Указанное обстоятельство также способствует уменьшению испаряемости жидкого хладагента 3 в сосуде и приводит к увеличению длительности работы криостата от однократной заливки хладагентом.

Через определенное время, после того, как давление в подпоршневой полости 18 понизилось за счет выхода через дроссельные вентили 19 и 22, а давление в остальном объеме сосуда 2 повысилось до определенного уровня за счет испарения жидкого хладагента 3 в нижней камере 11 и поступления хладагента из подпоршневой полости, герметизированный поршень 12 под действием привода возвращается в нерабочее положение (штриховые линии). При этом объем полости 18 становится максимальным и открываются впускные отверстия 20 в перегородке 9, связывающие эту полость с нижней камерой сосуда. Газ через впускные отверстия 20 заполняет полость 18. После выравнивания давлений в сосуде 2 поршень 12 приводом возвращается в рабочее положение и повторяется описанный выше процесс.

Таким образом, в предлагаемом криостате для транспортного средства на магнитной подвеске улучшаются эксплуатационные характеристики за счет увеличения длительности работы от однократной заливки хладагентом, что достигается дросселированием газа и восполнением испарившегося жидкого хладагента, а также уменьшением теплопритоков к низкотемпературному сосуду. Повышение надежности сверхпроводящего магнита достигается за счет охлаждения его жидкостью с пониженной температурой кипения, что приводит к увеличению его критических электромагнитных параметров.

Использование: в системах левитации для транспортных средств. Сущность изобретения: криостат имеет сосуд 2, разделенный на две камеры перегородкой 9, и в верхней камере с возможностью перемещения установлен герметизированный поршень 12, разделяющий верхнюю камеру на две полости. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Криостат для транспортного средства на магнитной подвеске, содержащий вакуумный кожух, размещенный 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 соединен с выходным патрубком, а второй введен в низкотемпературный сосуд, в котором горизонтально установлена разделяющая его на камеры перегородка, в которую вмонтирован соединяющий камеры дроссельный вентиль, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, в верхней камере установлен с возможностью горизонтального перемещения приводом герметизированный поршень, разделяющий верхнюю камеру на штоковую и подпоршневую полости, причем дроссельный вентиль установлен в подпоршневой полости, а перегородка выполнена с впускными отверстиями. 2. Криостат по п.1, отличающийся тем, что на введенном в низкотемпературный сосуд конце теплообменника установлен дроссельный вентиль, расположенный в подпоршневой полости верхней камеры. 3. Криостат по п.1, отличающийся тем, что на стенке сосуда между ним и экраном со стороны подпоршневой полости установлен трубчатый теплообменник. 4. Криостат по п.1, отличающийся тем, что привод поршня содержит двигатель и связанный с ним и с поршнем кривошипно-шатунный механизм. 5. Криостат по п.1, отличающийся тем, что привод выполнен в виде рычага, шарнирно соединенного одним концом с поршнем, и рукоятки, жестко соединенной с другим концом рычага. 6. Криостат по п.4, отличающийся тем, что двигатель выполнен шаговым.