ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ КРИОГЕННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2018 года по МПК F16L59/75 

Настоящее изобретение относится к линии передачи криогенной текучей среды.

В частности, изобретение относится к линии передачи криогенной текучей среды, содержащей кожух в виде трубчатой наружной рубашки, по меньшей мере две внутренние трубы передачи текучей среды и теплозащитный экран, образующий изолирующую стенку, расположенную вокруг внутренних труб, причем наружная рубашка содержит боковое отверстие для откачки, соединенное с насосным элементом, предназначенным для образования вакуума в наружной рубашке.

Линии передачи криогенной текучей среды обычно содержат кожух в виде наружной рубашки, внутри его вакуумированного внутреннего объема одну или несколько труб, транспортирующих текучую среду при криогенной температуре (например, 4-80 K), и термоизоляционную систему.

Документы FR2803898A1 и EP1020678A1 иллюстрируют примеры деталей линий передачи криогенной текучей среды.

Система для термоизоляции таких линий обычно содержит теплозащитный экран (иногда именуемый также «холодным экраном»), содержащий проводящую стенку (изготовленную из алюминия или подобного материала), расположенную вокруг трубы или труб и охлажденную («термализованную»), например, путем контакта с холодной трубой (при температуре 80 K, например).

Кроме того, термоизоляционная система обычно содержит многослойную термоизоляцию, расположенную между теплозащитным экраном и наружной рубашкой.

Теплозащитный экран удерживается по центру в наружной рубашке посредством распорных элементов, расположенных с равными интервалами по всей его длине, и удерживается на одной из труб, которая используется для его термализации с помощью точек, распределенных по длине. Подобным образом, труба или трубы передачи текучей среды удерживаются на месте с помощью неподвижных или скользящих точек, расположенных поперечно в наружной рубашке.

Для того чтобы создать вакуум в наружной рубашке 2, последняя обычно содержит боковое отверстие 5 для откачки, соединенное с насосным элементом 6.

Таким образом, откачка вытягивает газ:

- из пространства, содержащегося между многослойной изоляцией и наружной рубашкой,

- через многослойную изоляцию,

- между зазорами в теплозащитном экране (наличие которых объясняется тем фактом, что конструкция теплозащитного экрана изготовлена из частей, собранных торец к торцу).

Поэтому откачка из внутреннего объема холодного экрана (где должны находиться трубы, переносящие текучую среду) существенно замедляется и ограничивается падениями давления и проводимости в изолирующем слое и между соединениями теплозащитного экрана. Это может оказывать сильное влияние на предельные тепловые характеристики линии передачи, поскольку при этом в некоторых точках не обязательно достигается требуемый минимальный уровень давления, причем независимо от мощности откачки.

Целью настоящего изобретения является устранение всех или некоторых из вышеупомянутых недостатков известного уровня техники.

С этой целью предлагаемая линия передачи, в других аспектах в соответствии с ее родовым определением, приведенном в преамбуле выше, по существу отличается тем, что теплозащитный экран содержит отверстие, расположенное рядом с отверстием, и оптическое покрытие, причем оптическое покрытие расположено обращенным к указанному отверстию и в плоскости, другой, чем плоскость стенки теплозащитного экрана, чтобы предотвратить или ограничить прямое тепловое излучение от наружной рубашки на внутренние трубы.

Таким образом, это отверстие образует благоприятный путь для откачиваемого газа, позволяя повысить теплопроводность через теплозащитный экран и, следовательно, повысить эффективность откачки и, следовательно, вакуум и предельные тепловые характеристики криогенной линии.

Кроме того, некоторые варианты осуществления изобретения могут иметь один или несколько из следующих признаков:

- оптическое покрытие выполнено точно по размерам и расположено относительно отверстия таким образом, чтобы перехватывать все прямые оптические лучи, начинающиеся от наружной рубашки и направляющиеся на внутренние трубы через отверстие, то есть, под любым углом зрения наружная рубашка не может быть прямо видна для внутренних труб через отверстие,

- оптическое покрытие содержит слой термоизоляционного материала, в частности, многослойную структуру (МСИ),

- оптическое покрытие содержит лист из теплопроводящего материала, в частности, из металла, такого, как медь или алюминий, и при этом указанный лист термализуется, а именно, охлаждается за счет контакта и проводимости с холодной частью линии передачи, используемой для термализации теплозащитного экрана,

- теплозащитный экран термализуется, а именно охлаждается за счет контакта и тепловой проводимости с одной из внутренних труб,

- оптическое покрытие содержит лист из теплопроводящего материала, термализованный теплозащитным экраном, а именно охлажденный за счет контакта и тепловой проводимости с теплозащитным экраном,

- в направлении, поперечном линии, оптическое покрытие расположено между теплозащитным экраном и внутренними трубами,

- в направлении, поперечном линии, оптическое покрытие расположено между теплозащитным экраном и наружной рубашкой,

- сечение отверстия имеет площадь, составляющую 0,8-5 площадей сечения бокового отверстия,

- пространство, расположенное между оптическим покрытием и теплозащитным экраном, может иметь сечение, в 1-5 раз превышающее сечение отверстия,

- в направлении, поперечном линии, отверстие теплозащитного экрана расположено напротив отверстия наружной рубашки или в зоне, прилегающей к части теплозащитного экрана, расположенной напротив указанного отверстия,

- оптическое покрытие охлаждается за счет контакта и проводимости с теплозащитным экраном через по меньшей мере один соединительный жгут, изготовленный из теплопроводящего материала, в частности, по меньшей мере из одного, выбранного из меди и алюминия,

- оптическое покрытие жестко соединено с теплозащитным экраном с помощью по меньшей мере одного соединительного стержня,

- теплозащитный экран термализуется при температуре 50-100 K, предпочтительно при 70-90 K,

- оптическое покрытие термализуется при температуре 50-100 K, предпочтительно при 70-90 K,

- теплозащитный экран содержит цилиндрическую стенку, образованную из трубчатых частей или трубчатых половин частей, установленных и удерживаемых в наружной рубашке посредством распорных элементов,

- линия содержит элементы для удерживания по меньшей мере одной внутренней трубы, причем удерживающие элементы расположены поперечно в наружной рубашке и содержат соответствующий проход для по меньшей мере одной внутренней трубы,

- линия проходит в продольном направлении,

- в направлении, поперечном линии, оптическое покрытие расположено в плоскости, отличной от по меньшей мере одного слоя термоизоляции, и расположено, в частности, в плоскости, параллельной продольному направлению линии,

- в направлении, поперечном продольному направлению линии, оптическое покрытие расположено между по меньшей мере одним слоем термоизоляции и по меньшей мере одной трубой или между наружной рубашкой и по меньшей мере одним слоем термоизоляции,

- слой термоизоляции представляет собой многослойную структуру, в частности, содержащую несколько слоев экрана и промежуточных слоев.

Изобретение может относиться и к любому альтернативному способу или устройству, содержащему любую комбинацию признаков, перечисленных выше или ниже.

Дополнительные признаки и преимущества станут очевидными после прочтения описания, приведенного далее со ссылками на графический материал, на котором:

- фиг. 1 представляет собой схематический и частичный вид в продольном разрезе, иллюстрирующий один пример структуры и работы части предлагаемой линии передачи криогенной текучей среды,

- фиг. 2 представляет собой схематический и частичный вид в разрезе, иллюстрирующий деталь линии, показанной на фиг. 1, в соответствии с первым вариантом осуществления отверстия, предусмотренного с теплозащитным покрытием,

- фиг. 3 представляет собой схематический и частичный вид в разрезе, иллюстрирующий деталь линии, показанной на фиг. 1, в соответствии со вторым вариантом осуществления отверстия, предусмотренного с теплозащитным покрытием.

Фиг. 1 иллюстрирует один пример секции линии передачи криогенной текучей среды.

Этот устройство обычным образом содержит кожух в виде трубчатой наружной рубашки 2, в этом примере несколько внутренних труб 3, предназначенных соответственно для транспортировки криогенных текучих сред. Эта часть линии, проиллюстрированная как пример, не ограничивающий объем изобретения, содержит три внутренние трубы 3, поддерживаемые параллельными с помощью неподвижных или скользящих удерживающих элементов 12 (например, листов, установленных поперечно и содержащих проходы для приема труб 3). Термин «поперечно» означает направление, перпендикулярное «продольному» направлению, которое параллельно продольной оси линии и труб (направлению, в котором протекают текучие среды).

Наружная рубашка 2 содержит также теплозащитный экран 4, образующий изолирующую стенку вокруг внутренних труб 3. Теплозащитный экран 4 поддерживает трубы 3 укрытыми от наружного излучения при температуре 300 K. Теплозащитный экран 4 изготовлен, например, из цилиндрических частей или половин частей, собранных торец к торцу для образования цилиндрической оболочки вокруг труб. Теплозащитный экран 4 удерживается по центру, например, распорными элементами 10, упирающимися в наружную рубашку 2 и удерживающимися на одной из труб 3, которая используется для термализации (что означает «охлаждения») теплозащитного экрана 4, с помощью неподвижных и скользящих точек.

Теплозащитный экран 4 предпочтительно изготавливается из алюминия, меди или любого иного подходящего материала и предпочтительно термализуется, а именно охлаждается или поддерживается при определенной температуре за счет контакта и проводимости с источником холода, а именно с одной из передаточных труб 3. Например, теплозащитный экран поддерживается при температуре порядка 80 K.

Кроме того, внутри внутренней рубашки 2, а именно между теплозащитным экраном 4 и наружной рубашкой 2, предусмотрена термоизоляция 13. Эта изоляция 13, условно показанная на фигурах пунктирными линиями, может представлять собой многослойную структуру, известную per se (саму по себе – лат.) («МСИ» - «многослойная изоляция»), содержащую несколько чередующихся слоев алюминиевой фольги (экран) и промежуточных слоев бумаги или субмикронного стекловолокна, полиэфира и т.п.

Слои экрана могут быть типа, известного per se, а именно: алюминий, гибкий алюминированный лист, покрытый с двух сторон майларом (Mylar®) (полиэфиром), каптоном (Kapton®).

Промежуточные слои могут быть разного типа, включая полиэфирную сетку, лайдалл (Lydall®), декстар (Dextar®), боллор (Bolloré®).

Могут использоваться и другие подходящие изоляционные системы.

Обычно наружная рубашка 2 содержит боковое отверстие 5 для откачки, соединенное с насосным элементом 6, например с вакуумным насосом.

Насосный элемент 6 предназначен для создания вакуума во внутреннем объеме наружной рубашки 2.

В соответствии с одним преимущественным характерным признаком теплозащитный экран 4 содержит отверстие 14, примыкающее к отверстию 5 для откачки, предназначенное для обеспечения откачки и создания относительного вакуума во внутреннем объеме наружной рубашки 2.

Отверстие 14 предпочтительно выполнено в ряд (напротив) с отверстием 5 и канала откачки. Естественно, отверстие 14 может быть чуть смещено от отверстия 5 в продольном или поперечном направлении, но, предпочтительно, находится как можно ближе к отверстию 5. Это позволяет сократить продолжительность откачки, улучшить общий уровень давления в вакуумированной рубашке и, следовательно, общие тепловые характеристики криогенной линии.

Во избежание или для ограничения попадания тепла через это отверстие 14, в частности, посредством излучения от наружной рубашки 2 (которая находится, например, при температуре 300 K) на внутренние трубы 3, линия 1 предпочтительно содержит покрытие 7, именуемое «оптическим покрытием».

Как показано на фиг. 2, оптическое покрытие 7 расположено обращенным к отверстию 14 и предпочтительно в плоскости, другой, чем плоскость стенки теплозащитного экрана 4. Оптическое покрытие 7 образует барьер для предотвращения или ограничения прямого теплового излучения от наружной рубашки 2 на внутренние трубы 3.

В примере на фиг. 2 оптическое покрытие расположено между теплозащитным экраном 4 и наружной рубашкой 2.

Предпочтительно, оптическое покрытие 7 выполнено точно по размерам и расположено относительно отверстия 14 так, чтобы перехватывать все прямые оптические лучи 8, начинающиеся от наружной рубашки 2 и направляющиеся на внутренние трубы 3 через отверстие 14. Это означает, что под любым углом зрения наружная рубашка 2 предпочтительно прямо не видна для внутренних труб 3 через отверстие 14.

Например, сечение отверстия 14 имеет площадь, составляющую 0,8-5 площадей сечения отверстия 5, в частности, 1-4 площади сечения отверстия 5.

Подобным образом, кольцевое пространство, расположенное между оптическим покрытием 7 и теплозащитным экраном 4, может иметь сечение в 1-5 раз превышающее сечение отверстия 5. Это означает, что площадь сечения, находящегося между периферией оптического покрытия 7 и теплозащитным экраном 4, позволяющего газу достигать отверстия 14, предпочтительно в 1-5 раз больше сечения отверстия 5. Эта площадь сечения между оптическим покрытием 7 и теплозащитным экраном 4 определяется как расстояние между оптическим покрытием 7 и теплозащитным экраном 4, умноженное на периметр оптического покрытия 7.

Оптическое покрытие 7 может быть жестко соединено с теплозащитным экраном 4 с помощью по меньшей мере и предпочтительно двух соединительных стержней 9 и, предпочтительно, нескольких стержней 9, в частности, резьбовых стержней 9.

Оптическое покрытие 7 может содержать лист из теплопроводящего материала, в частности, изготовленный из металла, такого, как медь или алюминий, и этот лист предпочтительно термализуется, а именно охлаждается за счет контакта и проводимости с холодной частью линии передачи, а именно с теплозащитным экраном 4.

В дополнение к соединительным стержням 9 оптическое покрытие 7 может охлаждаться за счет контакта и проводимости с теплозащитным экраном 4 через один или несколько соединительных жгутов 11, изготовленных из теплопроводящего материала, в частности, по меньшей мере выбранного из одного из следующих материалов: меди и алюминия.

Подобным образом, оптическое покрытие 7 может иметь по меньшей мере одну толщину теплоизолятора, например того же типа, что и изолятор изоляционного слоя 13, расположенного между теплозащитным экраном 4 и наружной рубашкой 2.

Эта конструкция обеспечивает эффективную откачку (выпускное отверстие для откачиваемого газа показано стрелкой на фиг. 2), в то же время, ограничивая попадание тепла в вакуумированную изолированную линию 1.

На фиг. 1 несколькими стрелками показаны различные проходы для потока откачанного газа в сегменте криогенной линии 1.

Пример на фиг. 3 отличается от примера на фиг. 2 лишь тем, что оптическое покрытие 7 расположено между теплозащитным экраном 4 и внутренними трубами 3. Это означает, что оптическое покрытие 7 расположено внутри объема теплозащитного экрана 4. Для краткости элементы, идентичные описанным выше, обозначены теми же позициями и второй раз не описываются. Эти две альтернативы позволяют, в частности, располагать оптическое покрытие 7 в подходящем месте, доступном в линии 1.

Таким образом, ясно, что, представляя собой простую и недорогую конструкцию, изобретение позволяет преимущественно решить проблемы известного уровня техники.

Линия передачи криогенной текучей среды, содержащая кожух в виде трубчатой наружной рубашки (2), по меньшей мере две внутренние трубы (3) передачи текучей среды и теплозащитный экран (4), образующий изолирующую стенку, расположенную вокруг внутренних труб (3), причем наружная рубашка (2) содержит боковое отверстие (5) для откачки, предназначенное для соединения с насосным элементом (6), предназначенным для создания вакуума в наружной рубашке (2), отличающаяся тем, что теплозащитный экран (4) содержит отверстие (14), расположенное рядом с отверстием (5), и оптическое покрытие (7), причем оптическое покрытие (7) расположено обращенным к отверстию (14) и в плоскости, отличной от плоскости стенки теплозащитного экрана (4), чтобы предотвратить или ограничить прямое тепловое излучение от наружной рубашки (2) на внутренние трубы (3). 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Линия передачи криогенной текучей среды, содержащая кожух в виде трубчатой наружной рубашки (2), по меньшей мере две внутренние трубы (3) передачи текучей среды и теплозащитный экран (4), образующий изолирующую стенку, расположенную вокруг внутренних труб (3), причем наружная рубашка (2) содержит боковое отверстие (5) для откачки, предназначенное для соединения с насосным элементом (6), предназначенным для создания вакуума в наружной рубашке (2), причем теплозащитный экран (4) содержит отверстие (14), расположенное рядом с отверстием (5), причем линия содержит также по меньшей мере один слой (13) термоизоляции, расположенный внутри наружной рубашки (2), отличающаяся тем, что линия дополнительно содержит оптическое покрытие (7), отличное от по меньшей мере одного слоя (13) термоизоляции и расположенное обращенным к отверстию (14) и в плоскости, отличной от плоскости стенки теплозащитного экрана (4), чтобы предотвратить или ограничить прямое тепловое излучение от наружной рубашки (2) на внутренние трубы (3).

2. Линия по п. 1, отличающаяся тем, что в направлении, поперечном линии, оптическое покрытие (7) расположено в плоскости, отличной от по меньшей мере одного слоя (13) термоизоляции, и расположено, в частности, в плоскости, параллельной продольному направлению линии.

3. Линия по п. 2, отличающаяся тем, что в направлении, поперечном продольному направлению линии, оптическое покрытие (7) расположено между по меньшей мере одним слоем (13) термоизоляции и по меньшей мере одной трубой или между наружной рубашкой (2) и по меньшей мере одним слоем (13) термоизоляции.

4. Линия по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что слой (13) термоизоляции представляет собой многослойную структуру, в частности, содержащую несколько слоев экрана и промежуточных слоев.

5. Линия по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) выполнено в точном соответствии с размерами и расположено относительно отверстия (14) таким образом, чтобы перехватывать все прямые оптические лучи (8), начинающиеся от наружной рубашки (2) и направляющиеся на внутренние трубы (3) через отверстие (14), а именно так, что под любым углом зрения наружная рубашка (2) не может быть прямо видна для внутренних (3) труб через отверстие (14).

6. Линия по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) содержит слой термоизоляционного материала, в частности, многослойную структуру (МСИ), отличный от слоя (13) термоизоляции, а именно отдельный от слоя (13) термоизоляции.

7. Линия по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) содержит лист из теплопроводящего материала, в частности, из металла, такого, как медь или алюминий, и тем, что указанный лист термализуется, а именно охлаждается за счет контакта и проводимости с холодной частью линии передачи, используемой для термализации теплозащитного экрана (4).

8. Линия по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что теплозащитный экран (4) термализуется, а именно охлаждается за счет контакта и проводимости с одной из внутренних труб (3).

9. Линия по пунктам 7 или 8, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) содержит лист из теплопроводящего материала, термализованный теплозащитным экраном (4), а именно охлажденный за счет контакта и проводимости с теплозащитным экраном (4).

10. Линия по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что в направлении, поперечном линии, оптическое покрытие (7) расположено между теплозащитным экраном (4) и внутренними трубами (3) или между теплозащитным экраном (4) и наружной рубашкой (2).

11. Линия по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что сечение отверстия (14) имеет площадь, составляющую 0,8-5 площадей сечения бокового отверстия (5).

12. Линия по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что пространство, расположенное между оптическим покрытием (7) и теплозащитным экраном (4), может иметь сечение, в 1-5 раз превышающее сечение отверстия 5.

13. Линия по любому из пп. 1-12, отличающаяся тем, что в направлении, поперечном линии, отверстие (14) теплозащитного экрана (4) расположено напротив отверстия (5) наружной рубашки или в зоне, прилегающей к части теплозащитного экрана (4), расположенной напротив указанного отверстия (5).

14. Линия по любому из пп. 1-13, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) охлаждается за счет контакта и проводимости с теплозащитным экраном (4) через по меньшей мере один соединительный жгут (11), изготовленный из теплопроводящего материала, в частности, по меньшей мере из одного, выбранного из меди и алюминия.

15. Линия по любому из пп. 1-14, отличающаяся тем, что оптическое покрытие (7) жестко соединено с теплозащитным экраном (4) с помощью по меньшей мере одного соединительного стержня (9).