КРИОСТАТ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОЛЕНОИДА Российский патент 1998 года по МПК F17C3/00 F25D3/10 

Изобретение относится к области криогенной техники и предназначено для хранения жидкого гелия в требуемом температурном диапазоне, обеспечивающем работу сверхпроводящего соленоида в части создания и поддержания магнитного поля заданной величины, и может быть использовано при решении ряда научно-технических и прикладных задач, например, для разгрузки накопленного кинетического момента инерционных исполнительных органов (ИИО) системы управления двигателей (СУД) космического корабля (КК).

Известен криостат для сверхпроводящего соленоида, взятый авторами за прототип [1], содержащий теплоизолированную гелиевую емкость с размещенными в ней сверхпроводящими соленоидами и трубопроводом отбора. При использовании такого криостата для работы на борту КК в него должно быть введено устройство, препятствующее выбросу жидкого геля из рабочего объема в окружающую среду, а именно к входному концу отборного трубопровода криостата должен быть подсоединен расположенный внутри гелиевой емкости теплообменник с дроссельным устройством на входном конце. По такой схеме отвода хранимого криогенного продукта выполняются все бортовые криостаты, из которых отвод осуществляется непосредственно в окружающую среду.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает заданное хранение гелия в требуемом для работы сверхпроводящего соленоида температурном диапазоне при эксплуатации его в условиях пониженной гравитации. Это связано с тем, что в этих условиях с одинаковой вероятностью на вход дроссельного устройства может попадать как жидкая, так и паровая фаза хранимого при докритическом давлении жидкого гелия. При попадании на вход паровой фазы гелия перепад давления на дроссельном устройстве при постоянном массовом расходе возрастает в несколько раз. Расход гелия из емкости определяется теплопритоками из окружающей среды через теплозащиту гелиевой емкости и по токовводам сверхпроводящего соленоида и для данной конструкции суммарный теплоприток к хранимому гелию является постоянной величиной, поэтому и массовый расход также постоянен. Давление в гелиевой емкости при отборе паровой фазы будет повышаться. При достаточно продолжительном нахождении у входа в дроссельное устройство паровой фазы температура жидкого гелия повысится до равновесной, соответствующей установившемуся давлению, при этом температура может достигнуть уровня, превышающего допустимый, выше которого сверхпроводящий соленоид выходит из сверхпроводящего состояния. При переходе соленоида из сверхпроводящего состояния в нормальное выделяется запасенная в нем электромагнитная энергия в виде тепловой энергии. Выделяемая тепловая энергия вызовет испарение и быстрый рост давления гелия в емкости. При повышении давления до предельного уровня произойдет срабатывание предохранительного устройства и выброс всего хранимого гелия, после чего дальнейшее функционирование соленоида будет невозможно.

Целью настоящего изобретения является обеспечение заданного времени хранения гелия в требуемом для работы сверхпроводящего соленоида температурном диапазоне при эксплуатации криостата в условиях пониженной гравитации.

Поставленная цель достигается тем, что в криостате для сверхпроводящего соленоида, содержащем теплоизолированную гелиевую емкость с размещенным в ней сверхпроводящим соленоидом и трубопроводом отбора, к входному концу которого подсоединен расположенный внутри упомянутой емкости теплообменник с дроссельным устройством на входе, в упомянутую емкость введено капиллярно-заборное устройство, выполненное в виде трубчатого каркаса, расположенного коаксиально внутренней поверхности емкости, отстоящего от нее с зазором, концы труб которого подсоединены к цилиндрическим втулкам, расположенным на противоположных полюсах емкости, каждая из которых одним своим торцом прикреплена к оболочке емкости, при этом на боковой поверхности одной из упомянутых втулок выполнены пазы, между которыми расположены пластины, причем каждые две пластины образуют между собой клин с вершиной у поверхности втулки, кроме того трубы в упомянутом каркасе расположены с одинаковым шагом, в них выполнены пазы, равномерно расположенные по длине трубы и их наружные поверхности, как и поверхность одной из упомянутых втулок с пазами заключены в материал, выполненный из мелкоячеистой капиллярной структуры, а к втулке без пазов подсоединен входной конец упомянутого дроссельного устройства.

Кроме того, с целью повышения эффективности охлаждения сверхпроводящего соленоида, дроссельное устройство выполнено в виде капиллярной трубки, закрепленной с тепловым контактом на каркасе, установленном на поверхности сверхпроводящего соленоида с зазором, при этом на поверхности упомянутого каркаса выполнены пазы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен криостат для сверхпроводящего соленоида, а на фиг. 2 - разрез по A-A фиг. 1. Упомянутый криостат состоит из следующих основных узлов и деталей: гелиевой емкости 1, заключенной в охлаждаемый отбираемым гелием экран 2, на который нанесена теплоизоляция, например, экранно-вакуумная теплоизоляция 3; внутри гелиевой емкости 1 размещен сверхпроводящий соленоид 4 и трубопровод отбора 5, к входному концу 6 которого подсоединен внутрибаковый теплообменник 7 с дроссельным устройством 8 на входе, дроссельное устройство выполнено в виде капиллярной трубки, которая закреплена с тепловым контактом на каркасе 9, установленным на поверхности соленоида 4 с образованием минимально возможного технологического зазора 10, при этом на поверхности упомянутого каркаса 9 выполнены пазы 11; внутри гелиевой емкости также размещено капиллярно-заборное устройство, выполненное в виде трубчатого каркаса 12, расположенного коаксиально внутренней поверхности емкости 1 и отстоящего от нее с минимально возможным технологическим зазором 13; концы труб каркаса 12 подсоединены к цилиндрическим втулкам 14, 15, расположенным на противоположных полюсах емкости 1; втулка 14 одним своим торцом 16 подсоединена к оболочке емкости 1, а втулка 15 торцом 17 также подсоединена к емкости 1; на боковой поверхности втулки 14 выполнены пазы 18, между которыми расположены пластины 19, причем каждые две соседние пластины образуют между собой клин 20 с вершиной у поверхности втулки 14; трубы в трубчатом каркасе 12 расположены с одинаковым шагом и в них выполнены пазы 21, равномерно расположенные по длине каждой трубы; наружные поверхности труб каркаса 12 и поверхность втулки 14 заключены в материал 22, выполненный из мелкоячеистой капиллярной структуры, например из мелкоячеистой сетки из нержавеющей стали с размером ячейки 40 мкм, входной конец 23 дроссельного устройства 8 подсоединен к втулке 15; заправка гелия осуществляется через заправочную горловину 24, в которую после окончания заправки вставляется заглушка 25.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Перед началом штатной эксплуатации криостата, время которой устанавливается заранее, исходя из тех задач, которые необходимо выполнить, производится заправка гелиевой емкости 1 жидким гелием через заправочную горловину 24. После окончания заправки в горловину устанавливается заглушка 25 и дренаж гелия из криостата осуществляется только через отборный трубопровод 5. К моменту вывода криостата в составе КК на борту в гелиевой емкости будет уже значительная паровая подушка, так как время после заправки криостата гелием и до момента вывода КК на орбиту может быть от одних до нескольких суток, что связано с проведением штатных наземных операций. При нахождении криостата на Землю в гелиевой емкости устанавливается давление:
P_уст = P_о.с + Δ P
где P_о.с - давление окружающей среды, на Земле оно равно 1 кгс/см² (абс), а на орбите P_о.с = 0; Δ P - гидравлическое сопротивление отборной магистрали, которое создается в основном сопротивлением дроссельного устройства.

Для нормального функционирования сверхпроводящего соленоида (СС) температура омывающего его гелия должна быть не выше 5 K. Такой температуре соответствует давление насыщения примерно 2 кгс/см² (абс). Это является одним из условий для выбора сопротивления дроссельного устройства. Согласно этому условию сопротивление дроссельного устройства надо стремиться выбирать меньше. Другим условием выбора сопротивления дроссельного устройства является то, чтобы за счет дросселирования получить перепад температур, который можно практически использовать во внутрибаковом теплообменнике 7 при испарении в нем отбираемого гелия, который туда поступает из дроссельного устройства 8 с температурой на Δ T меньше температуры хранимого в емкости гелия. Для практического использования Δ T должен быть не меньше 0,3 - 0,4^o, чему соответствует перепад давления примерно 0,3 - 0,4 кгс/см².

В предлагаемом устройстве при наличии любой паровой подушки в условиях пониженной гравитации на вход в дроссельное устройство 8 все время будет подаваться только жидкая фаза гелия. Это обеспечивает капиллярно-заборное устройство (КЗУ), выполненное в виде трубчатого каркаса 12, трубы которого расположены с одинаковым угловым шагом вдоль всей внутренней поверхности гелиевой емкости с образованием с этой поверхностью минимально возможного технологического зазора 13, в который за счет конфузорности будет под действием капиллярных сил поступать жидкость с других участков поверхности внутренней оболочки емкости 1, а на поверхности оболочки жидкий гелий будет находиться за счет сил поверхностного натяжения, так как гелий смачивает все металлические конструкции. Из этого зазора жидкость будет втягиваться капиллярной сеткой 22, окружающей трубы каркаса, которая за счет малых размеров ячеек обладает большими капиллярными силами. Капиллярно-пористый материал, в который заключены трубы каркаса будут втягивать жидкость из других объемов емкости, если жидкость там будет с ним соприкасаться. Затем жидкость из капиллярно-пористого материала через пазы 21, которые равномерно расположены по длине каждой трубы, попадает в полости труб каркаса 12. Пазы расположены равномерно, чтобы обеспечить равномерную подачу жидкости из ячеек капиллярно-пористого материала 22 в полости труб каркаса. В полости труб жидкий гелий поступает также из полости втулки 14. К поверхности этой втулки гелий поступает по стенкам пластин 19 за счет конфузорности (жидкость стремится к вершине клина), и далее она втягивается мелкоячеистой сеткой 22, в которую заключена поверхность втулки 14. Затем через пазы 18 жидкость попадает во внутреннюю полость втулки 14 и потом в полости труб каркаса 12, которые соединены с полостью этой втулки. По трубам трубчатого каркаса гелий подается в полость втулки 15, к которой подсоединены отборная магистраль, включающая последовательно расположенные по ходу движения гелия дроссельное устройство 8, внутрибаковый теплообменник 7, охлаждаемый экран 2 и участок отборного трубопровода 5. Движение гелия по такому тракту осуществляется за счет перепада давлений между давлением в емкости 1 и окружающей средой, при этом до тех пор пока хоть в одном месте имеется контакт между жидкой фазой гелия и поверхностью вышеупомянутого капиллярно-заборного устройства будет отбираться жидкость. В условиях пониженной гравитации жидкий гелий будет располагаться на стенках емкости и на всех других конструктивных поверхностях, расположенных внутри емкости, так как смачивает все металлические поверхности, а так как со всех этих поверхностей гелий отводится с помощью КЗУ в полости труб трубчатого каркаса 12, то жидкость будет отбираться до полной выработки гелия, т.е. в течение всего времени эксплуатации.

Проходя через дроссельное устройство 8 гелий дросселируется. После дросселирования давление гелия понижается на Δ P, а температура на Δ T и с такими параметрами он поступает во внутрибаковый теплообменник 7, где испаряется за счет подвода тепла от хранимого в емкости гелия, температура которого выше на Δ T. Из теплообменника 7 гелий уже в парообразном состоянии подается в охлаждаемый экран 2 и затем по трубопроводу 5 отводится в окружающую среду.

Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет организации подачи жидкой фазы гелия на вход в дроссельное устройство обеспечивается поддержание температуры гелия в емкости в требуемом для работы СС температурном диапазоне и исключается повышение давления до предельного уровня, при котором произойдет выброс гелия через предохранительное устройство криостата, что позволяет обеспечить работу СС в течение заданного времени.

В известном криостате, несмотря на установку в нем устройства (внутрибакового теплообменника с дросселем на выходном конце) препятствующего быстрому опорожнению емкости (если такого устройства не устанавливать, то при неопределенности расположения фаз в условиях невесомости пар может вытеснять жидкость в линию сброса, что приведет к быстрому ее опорожнению, поэтому в бортовых криостатах обычно устанавливаются такие устройства) не может быть обеспечено заданное время хранения гелия в требуемом для работы СС температурном диапазоне при эксплуатации его в условиях пониженной гравитации. Это связано с тем, что в известном криостате на вход в дроссельное устройство с одинаковой вероятностью может поступать как жидкость, так и паровая фаза гелия. При попадании паровой фазы перепад давления на дроссельном устройстве возрастет в несколько раз, что приведет к повышению давления, а при продолжительном отборе пара и температуры, которая установится равновесной давлению. И если температура повысится до уровня, при котором СС выйдет из сверхпроводящего состояния, то за счет выделения тепла при таком переходе произойдет быстрое повышение давления в емкости до предельного уровня и выброс гелия из емкости. Дальнейшая работа СС будет невозможна.

В предлагаемом устройстве, как было сказано ранее, дроссельное устройство выполнено в виде капиллярной трубки (это позволяет повысить надежность работы криостата, так как если бы вместо капиллярной трубки сделать дроссельную шайбу, то ее диаметр при названных условиях должен быть 0,05 мм, что повышает вероятность засорения такого малого отверстия в процессе эксплуатации криостата), которая закреплена с тепловым контактом на каркасе, установленном на поверхности СС с минимально-возможным технологическим зазором и на поверхности этого каркаса выполнены пазы. В результате этого жидкость с поверхности каркаса за счет действия капиллярных сил через пазы втягивается в этот зазор и там удерживается в течение всего времени эксплуатации. В этом зазоре она охлаждается дросселируемым в капиллярной трубке гелием, которая имеет хороший тепловой контакт с каркасом, образующим зазор с поверхностью соленоида. Поэтому температура гелия в этом зазоре несколько ниже, чем в основном объеме емкости. Это повышает эффективность охлаждения СС, что улучшает его работоспособность.

Эффективность предлагаемого технического решения состоит в том, что оно, в отличие от известных, обеспечивает заданное время хранения гелия в требуемом для нормальной работы СС температурном диапазоне при эксплуатации криостата в условиях пониженной гравитации и исключает нерасчетные выбросы гелия за счет обеспечения отбора жидкой фазы гелия в течение всего времени эксплуатации.

Сущность изобретения: криостат содержит теплоизолированную гелиевую емкость с размещенным в ней сверхпроводящим соленоидом, снабженную заправочной горловиной и трубопроводом отбора гелия, к входному концу которого подсоединен расположенный внутри упомянутой емкости теплообменник с дроссельным устройством на входе. Дроссельное устройство выполнено в виде капиллярной трубки, закрепленной с тепловым контактом на каркасе, установленном на поверхности сверхпроводящего соленоида. Внутри упомянутой емкости также размещено капиллярно-заборное устройство, выполнено в виде трубчатого каркаса, расположенного коаксиально внутренней поверхности емкости и отстоящего от нее с зазором. Трубы каркаса расположены с одинаковым угловым шагом, в них имеются пазы и их наружные поверхности заключены в материал, выполненный из мелкоячеистой капиллярной структуры. Концы упомянутых труб подсоединены к втулкам, расположенным на противоположных полюсах гелиевой емкости и полость одной из этих втулок соединена с входным концом капиллярной трубки. Предлагаемое техническое решение обеспечивает при эксплуатации криостата в условиях пониженной гравитации заданное время хранения гелия в требуемом для нормальной работы сверхпроводящего соленоида температурном диапазоне, исключает повышение температуры и давления в гелиевой емкости до уровней, при которых может быть выход соленоида из сверхпроводящего состояния и выброс гелия в окружающую среду, за счет обеспечения непрерывной подачи жидкой фазы, хранимого в двухфазном состоянии гелия на вход в дроссельное устройство. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Криостат для сверхпроводящего соленоида, содержащий теплоизолированную гелиевую емкость с размещенным в ней сверхпроводящим соленоидом и трубопроводом отбора, к входному концу которого подсоединен расположенный внутри емкости теплообменник с дроссельным устройством на входе, отличающийся тем, что, с целью обеспечения заданного времени хранения гелия в требуемом для работы сверхпроводящего соленоида температурном диапазоне при эксплуатации криостата в условиях пониженной гравитации, гелиевая емкость снабжена капиллярно-заборным устройством, выполненным в виде трубчатого каркаса, расположенного коаксиально внутренней поверхности емкости с зазором от нее, концы труб каркаса подсоединены к цилиндрическим втулкам, расположенным на противоположных полюсах емкости, каждая из втулок одним своим торцом прикреплена к оболочке емкости, при этом на боковой поверхности одной из втулок выполнены пазы, между которыми радиально расположены пластины и каждые две пластины образуют между собой клин с вершиной у поверхности втулки, трубы в каркасе размещены равномерно, в них выполнены пазы, равномерно расположенные по длине труб, и наружные поверхности труб и втулки с пазами снабжены слоем материала мелкоячеистой капиллярной структуры, а к другой втулке подсоединен входной конец дроссельного устройства. 2. Криостат по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения сверхпроводящего соленоида, дросельное устройство выполнено в виде капиллярной трубки, закрепленной с тепловым контактом на каркасе, установленном на поверхности сверхпроводящего соленоида с зазором, при этом на поверхности каркаса трубки выполнены пазы.