СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КАБЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01B12/12 H01B12/10 

Настоящее изобретение относится к полому сверхпроводящему кабелю с наружной трубчатой оболочкой, имеющей круглое внутреннее поперечное сечение и соответственно цилиндрическую внутреннюю стенку. Кроме того, такой полый сверхпроводящий кабель имеет центральный канал охлаждения с круглым поперечным сечением, меньшим внутреннего поперечного сечения наружной трубчатой оболочки. Между внутренней стенкой наружной трубчатой оболочки и каналом охлаждения расположены профилированные сверхпроводящие проводники. Подобные сверхпроводящие проводники включают в себя по меньшей мере один сверхпроводник (сверхпроводящее волокно) и имеют в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов.

Профилированные сверхпроводящие кабели с поперечным сечением в форме замкового камня известны из публикации US 6675623 В2. К уровню техники также относится публикация US 2003/0024730. Известные сверхпроводящие кабели, имеющие в сечении форму замкового камня, состоят из скрученных сверхпроводящих проводов круглого сечения, которым после их скручивания с помощью профилирующих валков придается трапециевидная форма.

Конструкция полого сверхпроводящего кабеля типа "Нуклотрон" с круглыми (стандартный вариант выполнения, фиг.16) или профилированными (улучшенный вариант выполнения кабеля типа "Нуклотрон", фиг.17) сверхпроводящими проводниками известна из публикации Г.Ходжибагияна и др. "Разработка и испытание нового полого сильноточного ниобий-титанового кабеля для быстрых магнитов синхротрона" ("Design and Test of New Hollow High Current NbTi Cable For Fast Ramped Synchrotron Magnets"), материалы Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости EUCAS 2003, г.Сорренто, сентябрь 2003 г. В известном полом кабеле сначала выполняется канал охлаждения, для чего подготавливают компактную внутреннюю металлическую трубку из медно-никелевого сплава. На наружной боковой поверхности этой трубки в продольном направлении проложены или намотаны профилированные сверхпроводящие проводники с поперечным сечением в форме замкового камня. Для фиксации сверхпроводящих проводников на компактной внутренней трубке поверх последних в радиальном направлении или по спирали намотана проволока из хромоникелевого сплава. Защитная наружная оболочка кабеля образована каптоновой лентой, намотанной поверх проволоки из хромоникелевого сплава. Электрическая изоляция полого сверхпроводящего кабеля обеспечивается намотанной поверх наружной оболочки последнего лентой из стекловолокна.

Преимущество имеющего такую конструкцию полого сверхпроводящего кабеля заключается также в том, что он способен компенсировать высокие динамические нагрузки, обусловленные лоренцовыми силами в импульсных магнитах с высокой частотой импульсов и высокой напряженностью магнитных полей. Внутренний канал охлаждения, образованный компактной внутренней трубкой, способен обеспечить при работе кабеля в непрерывном режиме весьма эффективное охлаждение источников тепла, возникновение которых обусловлено воздействием переменных полей, вихревых токов, гистерезисных циклов, механических полей напряжений и иных, внешних факторов (например, ионных пучков). Достаточно большая площадь поперечного сечения компактной внутренней трубки, а также гладкая поверхность последней позволяют обеспечить высокую пропускную способность по охлаждающей среде с малым сопротивлением трения и в соответствии с этим с малой разностью между давлениями в двухфазном потоке гелия. Кроме того, все сверхпроводящие проводники расположены абсолютно симметрично и в соответствии с этим эксплуатируются в идентичных рабочих условиях, что позволяет практически полностью предотвратить усиливающееся с увеличением электромагнитной нагрузки рассеивание критического тока кабеля.

Наряду с этим такое расположение сверхпроводящих проводников позволяет обеспечить малую индуктивность кабеля и благодаря этому (в числе прочих факторов) уменьшить накапливаемую в кабеле энергию.

Другой тип кабеля предпочтительно используется в тех случаях, когда создаваемая система катушек не должна работать в режимах с очень высокой частотой импульсов, однако для этого должна накапливать высокую индуктивную энергию, которая должна выходить короткими высокоэнергетическими и стохастическими тепловыми импульсами. В этом случае непрерывное обеспечение высокой эффективности охлаждения является вторичным, а первичным требованием является по возможности быстрая, измеряемая миллисекундами передача тепловой энергии за счет теплоемкости гелия, которым охлаждаются сверхпроводящие проводники. Для решения этой задачи были разработаны показанные на фиг.14 известные полые кабели типа "CICC" (сокр. от англ.: "cable-in-conduit conductor"), или "кабель в оболочке".

Однако поскольку на практике такие кабели в большинстве случаев должны также выдерживать высокие механические и тепловые нагрузки, в результате их дальнейшего усовершенствования был получен сильноточный кабель типа "CICC", имеющий дополнительные конструктивные элементы и сложную систему охлаждения с двумя принципиально разными контурами охлаждения, причем в наружном контуре охлаждения используется сверхкритический гелий, а в центральном канале охлаждения - двухфазный гелий.

Такая сложная конструкция не только имеет технологические и экономические недостатки, но и автоматически влечет за собой уменьшение средней плотности электрического тока, протекающего по полому кабелю. Подобный кабель, соответствующий существующему уровню техники, показан на фиг.15 и известен как кабель "POLO" (например, см. "CHATS", FzK, Карлсруэ, сентябрь 2002, автор L.Bottura и др.). Этот кабель является прототипом для настоящего изобретения, более подробно поясненного ниже.

В основу настоящего изобретения положена задача преодоления недостатков, присущих уровню техники, и разработки полого сверхпроводящего кабеля, который обеспечивал бы интенсивное охлаждение сверхпроводящих компонентов, а также высокую плотность тока для кабеля типа "кабель в оболочке" с одновременным обеспечением компактности и механической стабильности конструкции полого кабеля. Необходимо предложить технические решения, которые в максимальной степени преодолевали бы недостатки, присущие кабелю типа "CICC" по сравнению с кабелем типа "Нуклотрон", и позволили бы объединить в одном новом полом сверхпроводящем кабеле преимущества кабелей обоих типов.

Указанная задача решается совокупностью существенных признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.

Предлагаемый в изобретении полый кабель имеет наружную трубчатую оболочку с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой. В центре полого сверхпроводящего кабеля расположен центральный канал охлаждения с многоугольным или круглым поперечным сечением, меньшим внутреннего поперечного сечения наружной трубчатой оболочки. Между внутренней стенкой наружной трубчатой оболочки и каналом охлаждения расположены профилированные сверхпроводящие проводники или жилы. Эти профилированные сверхпроводящие проводники включают в себя по меньшей мере одно сверхпроводящее волокно (обычно находящееся в медной матрице). Кроме того, сверхпроводящие проводники имеют в поперечном сечении форму замкового камня.

Контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет наружный изогнутый участок, согласованный с круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки. Кроме того, контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет внутренний изогнутый участок, который, в свою очередь, согласован с круглым поперечным сечением канала охлаждения. И, наконец, контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет боковые кромки, ориентированные по направлению к центру канала охлаждения. При этом профилированные сверхпроводящие проводники расположены по внутренней стенке наружной трубчатой оболочки и своими внутренними участками контура поперечного сечения образуют канал охлаждения полого сверхпроводящего кабеля.

Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что предлагаемый в изобретении сверхпроводящий кабель имеет три основных элемента, обеспечивающих рассмотренные ниже преимущества. Во-первых, в нем сведено к минимуму количество сверхпроводящих волокон, что позволяет уменьшить эффект Мейснера и диэлектрические потери (потери энергии переменного тока). Во-вторых, максимально большое число волокон заделано в металлическую матрицу, обеспечивающую механическую стабилизацию волокон и имеющую высокую теплопроводность. В-третьих, в сверхпроводящем кабеле скомбинировано определенное количество сверхпроводящих проводников, для которых обеспечиваются как механическая стабилизация, так и контакт с охлаждающей жидкостью. Будучи электрически изолированы друг от друга, предлагаемые в изобретении сверхпроводящие проводники вместе со своими резистивными барьерами представляют собой исходный материал для изготовления конкретных элементов катушек. Поскольку сверхпроводящие проводники не соединены друг с другом сваркой или не приплавлены друг к другу, соответствующие катушки и/или кабели обладают высокой гибкостью.

Такой предлагаемый в изобретении полый сверхпроводящий кабель имеет, в числе прочих, следующие преимущества.

Профилированные сверхпроводящие проводники расположены, плотно прилегая друг к другу, и подогнаны к внутренней стенке наружной трубчатой оболочки таким образом, что они могут без известной из уровня техники внутренней трубки сохранять свое взаимное положение за счет геометрического и силового замыкания, образуя цилиндрическое тело, внутренняя полость которого образует канал охлаждения. То есть изобретение позволяет отказаться от использования дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих механическую фиксацию сверхпроводящих проводников с внутренней стороны. Наряду с экономией материала за счет исключения элемента конструкции такой сверхпроводящий проводник имеет то преимущество, что за счет увеличения проходного сечения канала охлаждения уменьшается сопротивление потоку охлаждающей среды. Благодаря этому может быть увеличена эффективность охлаждения. В другом варианте высвободившийся объем может быть отведен под размещение сверхпроводящих проводников с увеличенной площадью поперечного сечения, за счет чего можно повысить среднюю плотность электрического тока.

Наконец, охлаждающая среда или канал охлаждения контактирует непосредственно с профилированными сверхпроводящими проводниками. Хотя такого рода контакт обеспечивается и в описанных выше известных кабелях типа "CICC", предусмотренные в таких кабелях протоки для прокачки охлаждающей среды создают существенное сопротивление потоку охлаждающей среды, а теплоемкость малого количества сверхкритического гелия является весьма ограниченной, вследствие чего по сравнению с такими кабелями предлагаемый в изобретении полый кабель способен обеспечить более эффективное охлаждение во всех режимах (короткие тепловые импульсы и длительная нагрузка). Симметричное расположение всех сверхпроводящих проводников позволяет придать всему кабелю дополнительную устойчивость к тепловым импульсам, характерную для описанных выше известных кабелей типа "Нуклотрон". С точки зрения криотехники предлагаемый в изобретении кабель имеет существенно упрощенную по сравнению с прототипом систему охлаждения, что является дополнительным важным преимуществом изобретения, поскольку оно позволяет отказаться от использования двух или более разных по эффективности контуров охлаждения и одновременно с этим на несколько порядков увеличить эффективность охлаждения во всех режимах - от режима работы с короткими тепловыми импульсами до режима работы с постоянной длительной нагрузкой.

Профилированные сверхпроводящие проводники расположены, плотно прилегая своими наружными изогнутыми участками контура поперечного сечения к внутренней стенке наружной трубчатой оболочки, а своими радиально ориентированными боковыми кромками - друг к другу таким образом, что они своими внутренними изогнутыми участками контура поперечного сечения поддерживают центральный канал охлаждения при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля. Поскольку подобный полый сверхпроводящий кабель во время работы испытывает очень большие перепады температур (от комнатной до нескольких градусов по Кельвину), за счет плотного прилегания друг к другу профилированных сверхпроводящих проводников, имеющих в сечении форму замкового камня, несмотря на перепады рабочих температур достигается поддержание центрального канала охлаждения. С этой целью сумма значений ширины радиальных зазоров, которые могут возникать во время работы между профилированными сверхпроводящими проводниками, при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля меньше разности Δl длин наружного и внутреннего изогнутых участков контура поперечного сечения отдельного профилированного сверхпроводящего проводника. При этом Δl определяется выражением:

Δl=2π(r_a-r_i)/n,

где n - число профилированных сверхпроводящих проводников, распределенных по внутренней стенке наружной трубчатой оболочки кабеля, r_a - внутренний радиус наружной трубчатой оболочки, a r_i - радиус проточного канала. Поскольку длина l_ak дуги, имеющей радиус наружного изогнутого участка, равна

l_ak=2πr_а/n,

а длина l_ik дуги, имеющей радиус внутреннего изогнутого участка профилированного сверхпроводящего проводника, равна

l_ik=2πr_i,

при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля должны выполняться следующие условия:

n·s<Δl или

n·s<l_ak-l_ik,

и соответственно необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

s<2π(r_a-r_i)/n²,

необходимого для поддержания центрального канала охлаждения. В соответствии с этим количество профилированных сверхпроводящих проводников зависит от точности их изготовления и предпочтительно должно быть по возможности малым, с тем чтобы ширина s зазора между этими сверхпроводящими проводниками оставалась в допустимых пределах при любом лежащем в пределах производственных допусков разбросе размеров сверхпроводящих проводников. Как правило, для уменьшения воздействия вихревых токов оба основных размера сечения профилированных сверхпроводящих проводников не должны слишком сильно отличаться друг от друга. Выполнение сверхпроводящих проводников соединенными друг с другом с геометрическим замыканием, при необходимости с предварительным сжатием, позволяет свести к минимуму также нежелательный нагрев, обусловленный механическими полями напряжений и деформационными полями.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения профилированные сверхпроводящие проводники имеют профилированные боковые кромки, находящиеся в зацеплении друг с другом. Если в рассмотренном выше варианте центральный канал охлаждения образован профилированными сверхпроводящими проводниками, поперечное сечение которых имеет прямолинейные боковые кромки, сходящиеся к центру полого кабеля, то в рассматриваемом другом варианте эти боковые кромки являются профилированными, а не лежащими целиком на линиях, пересекающихся в центре полого кабеля, что позволяет дополнительно увеличить надежность поддержания центрального канала охлаждения. В этом варианте к вышеуказанной разности Δl суммарных длин s·n всех зазоров s добавляется излом профилированных боковых кромок, т.е. глубина их взаимного вхождения друг в друга. Наличие такого излома величиной v определяет условие допустимой ширины s зазора выражением:

s<(Δl+v)/n.

На прилагаемых фиг.2 и 4 показаны два варианта осуществления изобретения, предусматривающие использование профилированных сверхпроводящих проводников, имеющих профилированные боковые кромки, выполненные с возможностью их вхождения друг в друга на глубину излома v.

В еще одном варианте осуществления изобретения наружная трубчатая оболочка является двухслойной. Первый слой образован стяжной проволокой, намотанной по спирали в один или несколько заходов на пучок прилегающих друг к другу сверхпроводящих проводников. Второй слой представляет собой электроизолирующий и герметизирующий наружный слой. Применение стяжной проволоки имеет то преимущество, что можно непрерывным методом изготавливать полые сверхпроводящие кабели любой длины.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения профилированные сверхпроводящие проводники имеют закрученные или витые сверхпроводящие волокна. Варианты выполнения подобных профилированных сверхпроводящих проводников поясняются ниже со ссылкой на фиг.6, 7 и 8. Сверхпроводящие волокна имеют пластичную металлическую сердцевину и пластичную металлическую оболочку, что необходимо для обеспечения возможности деформационного профилирования сверхпроводящих проводников. Кроме того, профилированные сверхпроводящие проводники имеют металлическую матрицу (с металлической, обычно медной, сердцевиной), а также при необходимости дополнительные промежуточные слои высокого сопротивления, например из медно-никелевых сплавов, служащие для подавления вихревых токов. Сами сверхпроводящие волокна состоят, например, из свитых или закрученных ниобий-титановых проводов. В оболочке предпочтительно также используется медно-никелевый сплав.

В другом варианте осуществления изобретения профилированные сверхпроводящие проводники выполнены с применением керамических или высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Преимущество таких высокотемпературных сверхпроводящих проводников (ВТСП) заключается в том, что их критическая температура гораздо выше, чем у металлических сверхпроводящих проводников. Критическая температура металлических сверхпроводящих материалов находится ниже 20°К. В случае же ВТСП критические температуры иногда превышают 80°К, за счет чего обеспечивается преимущество, заключающееся в возможности использования гораздо более дешевых охлаждающих жидкостей и достижения более высоких значений напряженности магнитного поля при более низких температурах. Хотя процесс изготовления профилированных сверхпроводящих проводников путем обработки высокотемпературных сверхпроводящих материалов достаточно сложен, необходимо учитывать, что сверхпроводящие материалы на основе так называемой YBCO-керамики, а именно на основе Y₃О₃, ВаСО₃ и СuО с добавками оксидов серебра, платины или церия, вполне могут обрабатываться соответствующими методами плавления и термообработки, позволяющими получить из них профилированные сверхпроводящие проводники. Так называемые BSCCO-сверхпроводники, которые состоят из оксидов висмута, стронция, кальция и меди и могут содержать добавки оксидов свинца, также представляют собой материал с ромбической структурой, до 90% которого обладают сверхпроводимостью и который также допускает его переработку в профилированные сверхпроводящие проводники.

Наружная трубчатая оболочка полого сверхпроводящего кабеля выполнена из металлического или неметаллического материала, например из медно-никелевого сплава, высококачественной стали, пластмассы, армированной стекловолокном, или органического материала, и может иметь наружный контур поперечного сечения круглой, квадратной или трапециевидной или любой иной необходимой формы. Снаружи наружная трубчатая оболочка может обматываться соответствующими обеспечивающими электрическую изоляцию каптоновыми лентами и/или лентами из стекловолокна. Преимущество наружного контура квадратной формы заключается в том, что внутри соответствующей наружной трубчатой оболочки могут быть предусмотрены продольные каналы охлаждения, благодаря которым для охлаждения профилированных сверхпроводящих проводников с поперечным сечением в форме замкового камня может использоваться не только центральный канал охлаждения, непосредственно граничащий со сверхпроводящими проводниками, но и в дополнение к этому наружная трубчатая оболочка, соответственно предусмотренные в последней продольные каналы охлаждения. Это относится и к наружным контурам трапециевидной формы, также позволяющим предусмотреть непосредственно в материале наружной трубчатой оболочки, например, четыре дополнительных канала охлаждения.

Наружные каналы охлаждения могут быть открытыми вдоль внутренней стенки наружной трубчатой оболочки на конечной ширине, примерно равной l_ak.

Витые профилированные сверхпроводящие проводники пересекают эти каналы под не очень острым углом, в соответствии с чем их наружные участки с шагом в четверть витка дополнительно охлаждаются за счет непосредственного контакта с охлаждающей жидкостью.

Таким образом, в этом варианте все сверхпроводящие проводники также работают в абсолютно идентичных электромагнитных, механических и тепловых условиях.

В зависимости от технологии изготовления (от использования или неиспользования предварительного механического сжатия), а также в зависимости от условий эксплуатации в качестве материала для изготовления наружной трубчатой оболочки может использоваться материал, имеющий по сравнению с материалом профилированных сверхпроводящих проводников больший или меньший коэффициент теплового расширения. Свойства материала наружной трубчатой оболочки при необходимости согласуют со свойствами сверхпроводящего материала проводников таким образом, чтобы обеспечить неизменность формы и постоянство иных параметров центрального канала охлаждения. Еще одним существенным критерием для выбора материала для изготовления наружной трубчатой оболочки является его высокое электрическое сопротивление вихревым токам в сочетании с достаточно высокой механической прочностью.

Способы изготовления полого сверхпроводящего кабеля могут включать несколько стадий, осуществляемых в различной последовательности. Кроме того, способ изготовления предлагаемого в изобретении полого сверхпроводящего кабеля зависит от возможностей изготовления профилированных сверхпроводящих проводников.

Один из предлагаемых в изобретении способов изготовления полого сверхпроводящего кабеля включает следующие стадии. Сначала изготавливают компактную наружную трубчатую оболочку с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической, как можно более гладкой внутренней стенкой. Кроме того, изготавливают профилированные сверхпроводящие проводники, которые в поперечном сечении имеют форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов. Для этого контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет наружный изогнутый участок, согласованный с круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки. Кроме того, контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет внутренний изогнутый участок, согласованный с круглым поперечным сечением канала охлаждения. Наконец, контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет боковые кромки, которые в результате профилирования сверхпроводящего проводника ориентированы по направлению к центру центрального канала охлаждения, образуемого сверхпроводящими проводниками.

После изготовления обоих вышеуказанных основных элементов предлагаемого в изобретении полого кабеля профилированные сверхпроводящие проводники сначала собирают в продольно вытянутый и круглый в сечении пучок, внутренняя полость которого образует центральный канал охлаждения. При соединении сверхпроводящих проводников в пучок могут использоваться вспомогательные средства, например клеи, которыми может быть обеспечено неразъемное соединение профилированных сверхпроводящих проводников между собой. Затем этот круглый в сечении пучок профилированных сверхпроводящих проводников втягивают в компактную наружную трубчатую оболочку полого сверхпроводящего кабеля. Преимущество этого способа заключается в том, что полый кабель можно собирать из двух компонентов, изготавливаемых независимо друг от друга.

В другом варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа наружная трубчатая оболочка изготавливается не в виде одного компактного элемента, а из двух половинок. Тогда при сборке полого сверхпроводящего кабеля заранее изготовленные профилированные сверхпроводящие проводники укладываются в эти половинки наружной трубчатой оболочки. Затем эти половинки с размещенными в них профилированными сверхпроводящими проводниками соединяются и свариваются друг с другом. Преимущество этого способа заключается в том, что после сварки наружная трубчатая оболочка может дать усадку, что одновременно приводит к уплотняющему обжатию расположенных в ней профилированных сверхпроводящих проводников.

В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа пучок профилированных сверхпроводящих проводников обматывают по спирали стяжной проволокой, предпочтительно против направления закрутки сверхпроводящих проводников. Затем поверх слоя стяжной проволоки наносят электроизолирующий и герметизирующий наружный слой. Преимущество такого варианта осуществления предлагаемого в изобретении способа заключается в том, что он позволяет изготавливать непрерывным методом полый сверхпроводящий кабель с профилированными сверхпроводящими проводниками, имеющий неограниченную длину.

В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа выполненную в виде компактного элемента наружную трубчатую оболочку нагревают, а пучок профилированных сверхпроводящих проводников, образующих центральный канал охлаждения, охлаждают. Затем наружную трубчатую оболочку надевают на пучок сверхпроводящих проводников, либо этот пучок вставляют в наружную трубчатую оболочку. После этого наружная трубчатая оболочка усаживается, обжимая имеющий в сечении форму кольца продольно удлиненный пучок профилированных сверхпроводящих проводников и прижимая их друг к другу таким образом, что они образуют стенки центрального канала охлаждения. Преимущество этого способа заключается в том, что он позволяет облегчить втягивание круглого в сечении пучка сверхпроводящих проводников, образующих стенки центрального канала охлаждения, вовнутрь компактной наружной трубчатой оболочки. При этом можно либо только нагревать компактную наружную трубчатую оболочку, либо только охлаждать пучок профилированных сверхпроводящих проводников.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа изготовления профилированных сверхпроводящих проводников их изготавливают следующим образом. Сначала обычным методом изготавливают многожильные сверхпроводящие проводники круглого сечения, которые имеют оптимизированную под предполагаемые условия эксплуатации микроструктуру, при необходимости с резистивными барьерами. Затем путем профилирования из проводников круглого сечения получают профилированные сверхпроводящие проводники. Профилирование может осуществляться самыми различными методами.

Так, например, для этого могут использоваться соответствующие профилирующие валки, позволяющие придать проводнику в сечении форму замкового камня с соответствующими внутренним и наружным изогнутыми участками, а также с боковыми поверхностями требуемого профиля. При профилировании могут использоваться профилирующие валки, способные обеспечить излом боковых кромок, чтобы профилированные сверхпроводящие проводники при сборке в пучок лучше сцеплялись, входя друг в друга. Вместо профилирующих валков для профилирования может применяться волочение сверхпроводящего проводника через соответствующую волоку, позволяющую придать сверхпроводнику требуемую форму в поперечном сечении. В другом варианте требуемую форму профиля сверхпроводнику придают ковкой.

Как показано на фиг.13, вместо компактной наружной трубчатой оболочки может применяться оболочка, выполненная путем спиральной намотки на профилированные сверхпроводящие проводники стяжной проволоки, например, из хромоникелевого сплава. Затем поверх такой оболочки, например полимеризацией, выполняется электроизолирующий и герметизирующий наружный слой.

Таким образом, объектом изобретения является полый сверхпроводящий кабель, содержащий:

- наружную трубчатую оболочку (2) с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой (3),

- центральный канал (4) охлаждения с многоугольным или круглым поперечным сечением, меньшим внутреннего поперечного сечения наружной трубчатой оболочки (2), и

- профилированные сверхпроводящие проводники (5), расположенные между внутренней стенкой (3) и каналом (4) охлаждения, включающие в себя по меньшей мере одно сверхпроводящее волокно (6) и имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов,

отличающийся тем, что контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7), согласованный с многоугольным или круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки (2), внутренний изогнутый участок (8), согласованный с круглым поперечным сечением канала (4) охлаждения, и боковые кромки (9, 10), в результате профилирования проводника ориентированные по направлению к центру (11) канала (4) охлаждения, причем профилированные сверхпроводящие проводники (5) расположены по внутренней стенке (3) наружной трубчатой оболочки (2) и своими внутренними изогнутыми участками (8) контура поперечного сечения образуют канал (4) охлаждения полого сверхпроводящего кабеля (1).

Предлагаемый в изобретении полый сверхпроводящий кабель может отличаться тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) расположены, плотно прилегая своими наружными изогнутыми участками (7) к внутренней стенке (3) наружной трубчатой оболочки (2) полого сверхпроводящего кабеля (1), а своими радиально ориентированными боковыми кромками (9, 10) - друг к другу таким образом, что при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля (1) они поддерживают центральный канал (4) охлаждения своими внутренними изогнутыми участками (8) контура поперечного сечения.

Такой полый сверхпроводящий кабель может отличаться тем, что сумма значений (s) ширины возможных радиальных зазоров между профилированными сверхпроводящими проводниками (5) при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля (1) меньше разности (Δl) длин наружного (7) и внутреннего (8) изогнутых участков контура поперечного сечения отдельного профилированного сверхпроводящего проводника.

Далее, предлагаемый в изобретении полый сверхпроводящий кабель может отличаться тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) имеют профилированные боковые кромки (12, 13), находящиеся в зацеплении друг с другом.

Полый сверхпроводящий кабель может также отличаться тем, что для уменьшения эффектов, обусловленных вихревыми токами, а также для уменьшения тепловых потерь профилированные сверхпроводники (5) снабжены на поверхности специальным покрытием или частично покрыты оболочками высокого сопротивления.

Полый сверхпроводящий кабель может отличаться также тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) закручены вокруг центрального канала охлаждения.

Полый сверхпроводящий кабель может отличаться также тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) выполнены с применением керамических или высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Полый сверхпроводящий кабель может отличаться также тем, что наружная трубчатая оболочка (2) имеет круглый, квадратный или трапециевидный наружный контур (17) поперечного сечения.

Полый сверхпроводящий кабель может отличаться также тем, что наружная трубчатая оболочка (2) имеет проходящие в продольном направлении каналы (18) охлаждения.

Полый сверхпроводящий кабель может отличаться также тем, что коэффициент теплового расширения материала компактной наружной трубчатой оболочки (2) больше коэффициента теплового расширения профилированных сверхпроводящих проводников (5).

Объектом изобретения является также способ изготовления полого сверхпроводящего кабеля (1), в соответствии с которым:

- изготавливают наружную трубчатую оболочку (2) с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой (3),

- изготавливают профилированные сверхпроводящие проводники (5), имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов, причем контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7), согласованный с круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки (2), и внутренний участок (8), согласованный с многоугольным или круглым поперечным сечением центрального канала (4) охлаждения, а также боковые кромки (9, 10), которые в результате профилирования сверхпроводящего проводника ориентированы по направлению к центру (11) образуемого сверхпроводящими проводниками центрального канала (4) охлаждения,

- профилированные сверхпроводящие проводники (5) собирают вокруг центрального канала (4) охлаждения в продольно вытянутый и круглый в сечении пучок (28), и

- полученный круглый в сечении пучок (28) с образованным в нем центральным каналом (4) охлаждения втягивают в наружную трубчатую оболочку (2).

В другом варианте осуществления предлагаемый в изобретении способ изготовления полого сверхпроводящего кабеля (1) включает в себя следующие стадии:

- изготавливают профилированные сверхпроводящие проводники (5), имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов, причем контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7), согласованный с круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки (2), и внутренний участок (8), согласованный с многоугольным или круглым поперечным сечением центрального канала (4) охлаждения, а также боковые кромки (9, 10), которые в результате профилирования сверхпроводящего проводника ориентированы по направлению к центру (11) образуемого сверхпроводящими проводниками центрального канала (4) охлаждения,

- профилированные сверхпроводящие проводники (5) собирают вокруг центрального канала (4) охлаждения в продольно вытянутый и круглый в сечении пучок (28),

- полученный пучок (28) по спирали обматывают по меньшей мере одной стяжной проволокой, и

- намотанную стяжную проволоку закрывают электроизолирующим и герметизирующим наружным слоем полого сверхпроводящего кабеля.

В еще одном варианте осуществления предлагаемый в изобретении способ изготовления полого сверхпроводящего кабеля (1) включает в себя следующие стадии:

- изготавливают две половинки компактной наружной трубчатой оболочки (2) с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой (3),

- изготавливают профилированные сверхпроводящие проводники (5), имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов, причем контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7), согласованный с круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки (2), и внутренний участок (8), согласованный с многоугольным или круглым поперечным сечением центрального канала (4) охлаждения, а также боковые кромки (9, 10), которые в результате профилирования сверхпроводящего проводника ориентированы по направлению к центру (11) образуемого сверхпроводящими проводниками центрального канала (4) охлаждения,

- профилированные сверхпроводящие проводники (5) собирают вокруг центрального канала (4) охлаждения в продольно вытянутый и круглый в сечении пучок (28),

- поверх пучка (28) сверхпроводящих проводников собирают из половинок компактную наружную трубчатую оболочку (2) полого сверхпроводящего кабеля.

Эти способы изготовления профилированных сверхпроводящих проводников для полого сверхпроводящего кабеля могут включать дополнительную стадию профилирования сверхпроводящих проводников (5) стандартного круглого сечения.

Профилирование может осуществляться с помощью профилирующих валков.

Профилирование может также осуществляться волочением с помощью соответствующей волоки.

Профилирование может также осуществляться ковкой.

Профилированные сверхпроводящие проводники могут дополнительно частично покрываться оболочками путем нанесения металлического покрытия.

Ниже изобретение более подробно описано на примере различных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий первому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.2 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий второму варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.3 - схематично изображенный в поперечном разрезе фрагмент полого сверхпроводящего кабеля, показанного на фиг.2,

на фиг.4 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий третьему варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.5 - схематично изображенный в поперечном разрезе сверхпроводник в его исходном, предшествующем профилированию состоянии;

на фиг.6 - схематично изображенный в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле, соответствующем первому, показанному на фиг.1 варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.7 - схематично изображенный в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле, соответствующем второму, показанному на фиг.2 варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.8 - схематично изображенный в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле, соответствующем третьему варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.9 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий четвертому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.10 - схематично изображенные в поперечном разрезе два варианта полого сверхпроводящего кабеля, соответствующего пятому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.11 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий шестому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.12 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий седьмому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.13 - схематично изображенный в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель, соответствующий восьмому варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.14 - фотография (фиг.14а) и схематичное изображение (фиг.14б) стандартного варианта выполнения полого сверхпроводящего кабеля типа "CICC",

на фиг.15 - фотография (фиг.15а) и схематичное изображение (фиг.15б) в поперечном разрезе полого сверхпроводящего кабеля типа "CICC", соответствующего уровню техники (кабель "POLO"),

на фиг.16 - фотография (фиг.16а) и схематичное изображение (фиг.16б) стандартного варианта выполнения полого сверхпроводящего кабеля типа "Нуклотрон", и

на фиг.17 - схематичное изображение в поперечном сечении полого сверхпроводящего кабеля типа "Нуклотрон" улучшенной конструкции.

На фиг.1 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий первому варианту осуществления настоящего изобретения. Этот полый кабель 1 имеет центральный канал 4 охлаждения, окруженный профилированными сверхпроводящими проводниками 5, обычно представляющими собой витые многожильные сверхпроводящие проводники. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения эти профилированные сверхпроводящие проводники 5 образуют, если смотреть на их изображение в поперечном сечении, кольцо, непосредственно охватывающее центральный канал 4 охлаждения, и благодаря этому интенсивно охлаждаются потоком охлаждающей среды. Профилированные сверхпроводящие проводники 5 удерживаются вместе компактной наружной трубчатой оболочкой 2, имеющей внутреннюю стенку 3, к которой плотно прилегают профилированные сверхпроводящие проводники 5. В поперечном сечении эти профилированные сверхпроводящие проводники 5 имеют в сечении форму замкового камня римского моста или готического свода.

Контур поперечного сечения сверхпроводящих проводников имеет наружный изогнутый участок 7, согласованный по кривизне с внутренней стенкой 3 наружной трубчатой оболочки 2. Кроме того, контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников 5 имеет внутренний изогнутый участок 8, согласованный по кривизне с центральным каналом 4 охлаждения. В этом первом варианте осуществления изобретения профилированные сверхпроводящие проводники 5 имеют ровные боковые кромки 9 и 10, ориентированные по направлению к центру 11 центрального канала 4 охлаждения. Ширина s зазоров между боковыми кромками соседних сверхпроводящих проводников 5 не может увеличиваться беспредельно: иначе у работающего кабеля нарушится кольцевая структура профилированных сверхпроводящих проводников 5, соответственно будет разрушен канал 4 охлаждения. Поэтому сумма n·s всех значений s толщины зазоров должна быть меньше разности Δl длины l_ak наружного изогнутого участка 7 и длины

l_ik внутреннего изогнутого участка 8 профиля профилированных сверхпроводящих проводников 5.

Поскольку в рассматриваемом первом варианте осуществления изобретения предусмотрено двадцать профилированных сверхпроводящих проводников 5, допустимая ширина s зазора между боковыми кромками соседних сверхпроводящих проводников 5 весьма ограничена. Как было показано выше с опорой на формулы, это ограничение не в последней степени зависит и от разности внутреннего радиуса r_а наружной трубчатой оболочки 2 и радиуса r_i канала 4 охлаждения. Преимущество такого полого сверхпроводящего кабеля 1 заключается в том, что сопротивление потоку проходящей по каналу 4 охлаждения охлаждающей среды весьма низко, что позволяет обеспечить высокую эффективность охлаждения, а также высокую механическую стабильность. Дополнительное преимущество заключается в том, что охлаждающая среда находится в непосредственном контакте с профилированными сверхпроводящими проводниками 5, что позволяет дополнительно увеличить интенсивность охлаждения, в том числе в случае коротких тепловых импульсов. Еще одно преимущество рассматриваемого варианта выполнения полого кабеля заключается в том, что он в основном состоит всего из двух слоев или компонентов, а именно: из концентрического пучка профилированных сверхпроводящих проводников 5, имеющих в сечении форму замкового камня, и компактной наружной трубчатой оболочки 2. Кроме того, для обеспечения (дополнительной) электрической изоляции такой предлагаемый в изобретении полый сверхпроводящий кабель 1 может иметь как намотанную по наружному контуру 17 наружной трубчатой оболочки 2 каптоновую ленту, так при необходимости и дополнительные электроизолирующие слои, например из стекловолоконных лент. Это относится ко всем вариантам осуществления изобретения, представленным на фиг.1, 2, 4, 9, 10, 11 и 12.

Полый кабель 1, выполненный по второму варианту, отличается от полого кабеля 1, выполненного по первому варианту, профилированием сверхпроводящих проводников 5. В этом варианте профилированные сверхпроводящие проводники 5 не только имеют форму замкового камня в сечении, но и выполнены с (двойным) изломом боковых кромок их поперечного сечения величиной v, улучшающим зацепление между профилированными сверхпроводящими проводниками 5 и допускающим большие значения ширины s зазоров между соседними профилированными кромками 12 и 13 таких профилированных сверхпроводящих проводников 5. Более подробно взаимозависимость между возможной шириной s зазоров, разностью Δl длин наружного и внутреннего изогнутых участков и величиной v излома боковых кромок профилированных сверхпроводящих проводников была рассмотрена выше.

На фиг.3 схематично изображен в поперечном разрезе фрагмент полого сверхпроводящего кабеля 1, показанного на фиг.2. При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. На фиг.3 в увеличенном масштабе показано зацепление между профилированными сверхпроводящими проводниками 5, достигаемое за счет излома 19 соседних профилированных боковых кромок 12 и 13 контура их поперечного сечения.

На фиг.4 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Отличие этого третьего варианта осуществления изобретения от предыдущих вариантов заключается в том, что количество профилированных сверхпроводящих проводников 5 уменьшено с двадцати, как показано на фиг.1 и 2, до десяти, как показано на фиг.4. Зацепление профилированных сверхпроводящих проводников 5 усиливается за счет того, что профилированные боковые кромки 12 и 13 контура поперечного сечения сверхпроводящих проводников 5 имеют стреловидный профиль 20. Этот профиль 20 образует излом величиной v, который во взаимодействии с разностью Δl длин наружного и внутреннего изогнутых участков 7 и 8 контура поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников 5 увеличивает допуск на ширину s зазора, что позволяет кабелю работать с увеличенными зазорами, образующимися между профилированными сверхпроводящими проводниками, исключая разрушение структуры сверхпроводящих проводников 5, расположенных внутри наружной трубчатой оболочки 2.

На фиг.5 схематично изображен в поперечном разрезе сверхпроводящий многожильный сверхпроводник в стандартном варианте выполнения. Такие проводники имеют в поперечном сечении круглую форму и имеют описанные выше витые сверхпроводящие волокна, заключенные в более или менее сложную медную матрицу.

На фиг.6 схематично изображен в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник 5 после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле 1, соответствующем первому, показанному на фиг.1 варианту осуществления настоящего изобретения. Профилирование осуществляется путем воздействия на показанный на фиг.5 сверхпроводник валками разного профиля, что позволяет выполнить как наружный изогнутый участок 7, так и внутренний изогнутый участок 8. Далее путем воздействия на сверхпроводник валками, установленными под соответствующим углом друг к другу, на сверхпроводнике выполняются боковые кромки 9 и 10. Вместо обработки профилирующими валками может применяться волочение через волоку с отверстием соответствующего профиля. При волочении показанный на фиг.5 сверхпроводник круглого сечения деформируется требуемым образом при протаскивании через волоку, отверстие которой имеет в поперечном сечении требуемую форму.

На фиг.7 схематично изображен в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник 5 после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле 1, соответствующем второму, показанному на фиг.2 варианту осуществления настоящего изобретения. Вместо показанных на фиг.6 гладких боковых кромок у этого сверхпроводящего проводника путем профилирования, соответственно волочения выполнены профилированные боковые кромки 12 и 13. При этом возникли уступы 19, обеспечивающие возможность зацепления профилированных сверхпроводящих проводников друг с другом при сборке полого кабеля.

На фиг.8 схематично изображен в поперечном разрезе профилированный сверхпроводник 5 после придания ему путем профилирования формы профиля, необходимой для применения этого сверхпроводящего проводника в полом сверхпроводящем кабеле 1, соответствующем третьему, показанному на фиг.4 варианту осуществления настоящего изобретения. И этот вариант профилированного сверхпроводящего проводника, на боковой кромке 12 поперечного сечения которого предусмотрено острие 20 стреловидного профиля, может быть получен путем профилирования показанной на фиг.5 заготовки круглого сечения. Для придания сверхпроводнику 5 соответствующего профиля со всех четырех сторон могут использоваться либо четыре профилирующих валка с различными профилями рабочих поверхностей, либо волока с отверстием соответствующей формы. Преимущества профилированного сверхпроводящего проводника 5 по фиг.8 по сравнению с аналогичным сверхпроводником по фиг.7 заключаются в том, что изготовить такой стреловидный профиль боковой кромки 12 с острием 20 проще, чем показанный на фиг.7 профиль с уступом 19, а также в том, что сопряжение таких профилей соседних сверхпроводящих проводников способствует самоустановке профилированных сверхпроводящих проводников вокруг канала охлаждения.

На фиг.9 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. Отличие рассматриваемого варианта осуществления изобретения от предыдущих заключается в том, что в качестве компактной наружной трубчатой оболочки 2 используется трубка, имеющая цилиндрическую внутреннюю стенку 3 и при этом квадратный наружный контур 17 поперечного сечения, что, с одной стороны, увеличивает жесткость такой наружной трубчатой оболочки 2 и, с другой стороны, существенно упрощает изготовление компактных катушек.

На фиг.10 схематично изображены в поперечном разрезе два варианта выполнения полого сверхпроводящего кабеля 1, соответствующего пятому варианту осуществления настоящего изобретения. При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. Отличие этого пятого варианта осуществления настоящего изобретения от предыдущих заключается в том, что наружная трубчатая оболочка 2 имеет в поперечном сечении квадратный наружный контур 17, по углам которого предусмотрены дополнительные каналы 18 охлаждения, ориентированные продольно по отношению к такой трубчатой оболочке 2. Наличие таких каналов позволяет еще более повысить интенсивность охлаждения этого полого кабеля 1, как это было описано выше.

На фиг.11 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий шестому варианту осуществления настоящего изобретения. При этом позицией 5 обозначены профилированные сверхпроводящие проводники, позицией 2 - наружная трубчатая оболочка, а позицией 18 - предусмотренные в трубчатой оболочке 2 продольные каналы охлаждения. Посредством этих наружных каналов 18 охлаждения, проходящих вдоль внутренней стенки наружной трубчатой оболочки и имеющих со стороны пучка профилированных сверхпроводящих проводников продольное отверстие, которое уже наружного изогнутого участка профиля сверхпроводящего проводника, обеспечивается служащий для охлаждения сверхпроводящих проводников повторяющийся с шагом в четверть витка непосредственный контакт обращенной наружу поверхности витых профилированных сверхпроводящих проводников с охлаждающей средой. В том числе и в этом варианте все сверхпроводящие проводники работают в абсолютно идентичных электромагнитных, механических и тепловых условиях.

На фиг.12 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий седьмому варианту осуществления настоящего изобретения. Отличие седьмого варианта осуществления настоящего изобретения от предыдущих вариантов заключается в том, что наружный контур 17 поперечного сечения наружной трубчатой оболочки 2 имеет трапециевидную форму. Такая форма контура 17 предпочтительна в том случае, когда несколько таких полых сверхпроводящих кабелей 1 используются для получения круглой катушки, или же в тех случаях, когда требуется получить механически компактные и как можно более стабильные (жесткие) катушки особых геометрических форм.

На фиг.13 схематично изображен в поперечном разрезе полый сверхпроводящий кабель 1, соответствующий восьмому варианту осуществления настоящего изобретения. При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. В данном варианте наружная трубчатая оболочка имеет два слоя, первый из которых представляет собой намотанную по спирали стяжную проволоку 33, например из хромоникелевого сплава, а второй - электроизолирующий и герметизирующий наружный слой 34, выполненный, например, методом полимеризации. Как было указано выше, восьмой вариант осуществления настоящего изобретения отличается от предыдущих тем, что вместо компактной наружной трубчатой оболочки используется оболочка из намотанной на профилированные сверхпроводящие проводники по спирали стяжной проволоки, поверх которой нанесен электроизолирующий и герметизирующий наружный слой.

На фиг.14 приведены фотография (фиг.14а) и схематичное изображение (фиг.14б) стандартного варианта выполнения полого сверхпроводящего кабеля типа "CICC". При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. На фиг.14 показан пучок витых сверхпроводящих проводников 30, проходящий внутри герметичной наружной трубчатой оболочки 32.

На фиг.15 приведены фотография (фиг.15а) и схематичное изображение (фиг.15б) в поперечном разрезе полого сверхпроводящего кабеля типа "CICC", соответствующего уровню техники (кабель "POLO"). При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. В рассматриваемом варианте сверхпроводящие проводники 30 расположены по наружной поверхности сплошной внутренней трубки 21, выполняющей функцию опорной трубки, причем внутренний канал охлаждения рассчитан на двухфазный поток гелия, а непосредственно между сверхпроводящими проводниками 30 может протекать сверхкритический гелий, хотя эти сверхпроводящие проводники и оказывают высокое сопротивление потоку последнего.

На фиг.16 приведены фотография (фиг.16а) и схематичное изображение (фиг.16б) стандартного варианта выполнения полого сверхпроводящего кабеля типа "Нуклотрон". При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. На фиг.16 показан центральный канал охлаждения, образованный компактной внутренней трубкой 21 из медно-никелевого сплава, внутри которой протекает двухфазный гелий 35. На наружную поверхность внутренней трубки 21 намотаны сверхпроводящие проводники 30, удерживаемые вместе стяжной проволокой 33 из хромоникелевого сплава. Электрическая изоляция полого сверхпроводящего кабеля обеспечивается каптоновой лентой 24, а теплоизоляция кабеля - лентой 25 из стекловолокна.

На фиг.17 приведено схематичное изображение в поперечном разрезе полого сверхпроводящего кабеля 1 типа "Нуклотрон" улучшенной конструкции. При этом элементы, которые функционально аналогичны рассмотренным выше, обозначены теми же позициями, что и в предыдущем варианте, и повторно не рассматриваются. На фиг.17 показан центральный канал 4 охлаждения, образованный компактной внутренней трубкой 21 из медно-никелевого сплава. На наружную поверхность внутренней трубки 21 намотаны профилированные сверхпроводящие проводники 5, удерживаемые вместе стяжной проволокой 33 из хромоникелевого сплава. Поверх стяжной проволоки 33 нанесен электроизолирующий и герметизирующий наружный слой 34.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сверхпроводящему кабелю и способу его изготовления. Полый сверхпроводящий кабель (1) имеет наружную трубчатую оболочку (2) с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой (3), центральный канал (4) охлаждения с многоугольным или круглым поперечным сечением, меньшим внутреннего поперечного сечения наружной трубчатой оболочки (2). Между наружной трубчатой оболочкой (2) и каналом (4) охлаждения расположены профилированные сверхпроводящие проводники (5). Эти профилированные сверхпроводящие проводники (5) имеют в поперечном сечении форму, соответствующую форме замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов. Для этого контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников имеет, по меньшей мере, один наружный изогнутый участок (7) и внутренний участок (8), причем наружный изогнутый участок (7) согласован с внутренним радиусом наружной трубчатой оболочки (2), а внутренний изогнутый участок (8) - с каналом (4) охлаждения. Боковые кромки (12, 13) также могут быть либо прямолинейными, ориентированными по направлению к центру (11) канала (4) охлаждения, или профилированными с отклонением от такой прямолинейности. Предложенный кабель обеспечивает компактность и механическую стабильность конструкции при интенсивном охлаждении сверхпроводника. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Полый сверхпроводящий кабель (1), содержащий наружную трубчатую оболочку (2) с круглым внутренним поперечным сечением и цилиндрической внутренней стенкой (3), центральный канал (4) охлаждения с многоугольным или круглым поперечным сечением, меньшим внутреннего поперечного сечения наружной трубчатой оболочки (2), и профилированные сверхпроводящие проводники (5), расположенные между внутренней стенкой (3) наружной трубчатой оболочки (2) и каналом (4) охлаждения, включающие в себя по меньшей мере одно сверхпроводящее волокно (6) и имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов, причем контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7), согласованный с многоугольным или круглым внутренним поперечным сечением наружной трубчатой оболочки (2), и боковые кромки (9, 10), ориентированные по направлению к центру (11) канала (4) охлаждения, отличающийся тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) расположены по внутренней стенке (3) наружной трубчатой оболочки (2), контур их поперечного сечения имеет внутренний изогнутый участок (8), согласованный с круглым поперечным сечением канала (4) охлаждения, и профилированные сверхпроводящие проводники (5) своими внутренними изогнутыми участками (8) контура поперечного сечения образуют цилиндрический канал (4) охлаждения полого сверхпроводящего кабеля (1), причем профилированные сверхпроводящие проводники расположены, плотно прилегая своими радиально ориентированными боковыми кромками (9, 10) друг к другу, а своими наружными изогнутыми участками (7) - к внутренней стенке наружной трубчатой оболочки (2) таким образом, что они способны сохранять свое взаимное положение за счет геометрического и силового замыкания и поддерживают канал (4) охлаждения при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля (1).

2. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что сумма значений (s) ширины возможных радиальных зазоров между профилированными сверхпроводящими проводниками (5) при любых рабочих температурах полого сверхпроводящего кабеля (1) меньше разности (Δl) длин наружного (7) и внутреннего (8) изогнутых участков контура поперечного сечения отдельного профилированного сверхпроводящего проводника.

3. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) имеют профилированные боковые кромки (12, 13), находящиеся в зацеплении друг с другом.

4. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения эффектов, обусловленных вихревыми токами, а также для уменьшения тепловых потерь профилированные сверхпроводники (5) снабжены на поверхности специальным покрытием или частично покрыты оболочками высокого сопротивления.

5. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) закручены вокруг центрального канала охлаждения.

6. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что профилированные сверхпроводящие проводники (5) выполнены с применением керамических или высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

7. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что наружная трубчатая оболочка (2) имеет круглый, квадратный или трапециевидный наружный контур (17) поперечного сечения.

8. Полый сверхпроводящий кабель по п.1, отличающийся тем, что наружная трубчатая оболочка (2) имеет проходящие в продольном направлении каналы (18) охлаждения.

9. Полый сверхпроводящий кабель по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что коэффициент теплового расширения материала компактной наружной трубчатой оболочки (2) больше коэффициента теплового расширения профилированных сверхпроводящих проводников (5).

10. Способ изготовления полого сверхпроводящего кабеля (1), в соответствии с которым изготавливают профилированные сверхпроводящие проводники (5), имеющие в поперечном сечении форму замкового камня, как он известен в конструкции римских каменных мостов или крестовых сводов, причем контур поперечного сечения профилированных сверхпроводящих проводников (5) имеет наружный изогнутый участок (7) и внутренний участок (8), согласованный с многоугольным или круглым поперечным сечением центрального канала (4) охлаждения, а также боковые кромки (9, 10), ориентированные по направлению к центру (11) центрального канала (4) охлаждения, образуемого внутренними участками (8) контура поперечного сечения сверхпроводящих проводников, и собирают профилированные сверхпроводящие проводники (5) в продольно вытянутый и круглый в сечении пучок (28) таким образом, что боковые кромки (9, 10) контура поперечного сечения соседних профилированных сверхпроводящих проводников (5) прилегают друг к другу, а внутренние участки (8) образуют центральный канал (4) охлаждения, после чего либо круглый в сечении пучок (28) сверхпроводящих проводников с образованным в нем центральным каналом (4) охлаждения втягивают в наружную трубчатую оболочку (2), либо поверх пучка (28) сверхпроводящих проводников собирают из двух половинок компактную наружную трубчатую оболочку (2) полого сверхпроводящего кабеля, имеющую круглое внутреннее поперечное сечение и цилиндрическую внутреннюю стенку (3).

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что перед сборкой наружной трубчатой оболочки из половинок пучок (28) профилированных сверхпроводящих проводников обматывают по спирали по меньшей мере одной стяжной проволокой, поверх которой наносят электроизолирующий и герметизирующий наружный слой.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что сверхпроводящие проводники (5) стандартного круглого сечения подвергают профилированию.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводник профилируют с помощью профилирующих валков.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводник профилируют волочением.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводник профилируют ковкой.

16. Способ по одному из пп.10-13, отличающийся тем, что профилированные сверхпроводящие проводники дополнительно частично покрывают оболочками путем нанесения металлического покрытия.