ПРОВОД ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, МОНОЛИТНАЯ ОБМОТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H01B12/02 

Описание патента на изобретение RU2687277C1

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к проводам из высокотемпературного проводника и монолитным обмоткам на их основе, а также к технологии их получения и может быть использовано в производстве составных частей магнитных систем различного назначения таких, как электродвигатели, генераторы, ускорительная техника, магнитные томографы, системы магнитного подвеса и др.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

Из предшествующего уровня техники известен ряд технических решений, относящихся к получению сверхпроводящих проводов и изготовленных из них монолитных обмоток. Среди найденных технических решений можно выделить решения, относящиеся к «мокрой намотке» проводов с клеящими веществами, намотки проводов с последующим импрегнированием, а также к решениям, в которых осуществляется намотка сверхпроводящего провода с изолирующим покрытием на основе термопластичных полимеров, где скрепление между витками в обмотке осуществляется за счет нагрева полученной обмотки и пр.

Так, в RU 2254633 раскрывается способ изготовления сверхпроводящих обмоток («мокрая намотка»), в котором в процессе намотки витки сверхпроводника укладывают вплотную друг к другу и промазывают жидкой эпоксидной смолой с наполнителями, предотвращающими растрескивание последней при охлаждении, где в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида с аномально высокой теплоемкостью, а промазанные витки покрывают слоем электрической изоляции.

Эпоксидный компаунд с мелкодисперсным порошком редкоземельных интерметаллидов значительно повышает устойчивость обмотки к механическим возмущениям.

Однако по данной технологии сложно контролировать пористость эпоксидного компаунда, процесс намотки лимитирован по времени скоростью полимеризации смолы, во время процесса эпоксидной смолой загрязняется стенд, и сама смола мешает визуальному контролю процесса намотки.

В патенте RU 2573645 обмотку получают путем намотки ВТСП оксидного провода в виде ленты, который обмотан встык полиимидной лентой с нанесенным на полиимидную ленту покрытием из фторкаучука. Затем осуществляют пропитку намотанного провода смолой. Данная пропитка обеспечивает механическую прочность получаемой обмотки, а в целом, данное решение обеспечивает структуру, в которой подавляется ухудшение сверхпроводимости.

Однако, данный способ требует сложной оснастки для вакуумной пропитки, не проникает между витков проводника в форме ленты, а также не позволяет осуществлять пропитку смолой с наполнителем.

Наиболее близким техническим решением к известному является способ по заявке JPH 0794318.

В данной заявкой раскрывается сверхпроводящий провод, представляющий собой сверхпроводник с изоляционным слоем, состоящем из слоя армированной волокном смолы и нанесенного на этот слой термопластичного адгезионного слоя.

Из данного сверхпроводника изготавливают монолитные обмотки путем навивки провода и последующей термической обработки полученных витков для термической связи витков друг с другом.

В заявке поясняется, что витки сцепляются друг с другом. Обмотка получается достаточно прочной и провод в обмотке не разрушается.

Технической проблемой при реализации данного технического решения может быть следующее. В качестве исходного проводника для обмотки уже используется сложное изделие, представляющее собой несколько сверхпроводящих проводов, заключенных в общую оболочку из смолы армированной волокном. На сами сверхпроводящие провода слой термопласта не наносится, что может не обеспечить надежной их фиксации от механических воздействий, вызванных в частности переменными магнитными полями и токами, по ним протекающими. Также использование достаточно толстого отдельного от проводников слоя изоляции из смолы армированной волокном снижает инженерную плотность тока в обмотке и повышает габариты изделия.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Задачей изобретения является устранение данной технической проблемы, а именно создание монолитной сверхпроводящей обмотки из лент ВТСП 2-го поколения с высокой плотностью тока, устойчивых к термоциклированию от комнатной температуры до температуры жидкого азота.

Данная техническая проблема устраняется проводом из высокотемпературного сверхпроводника с нанесенным на него электроизоляционным слоем из термопластичного полимерного материала, в котором в качестве высокотемпературного сверхпроводника он содержит высокотемпературный сверхпроводник второго поколения, а электроизоляционный слой выполнен из полилактида.

В частных воплощениях изобретения провод может содержать изоляционный слой с толщиной 1-100 мкм.

Техническая проблема также устраняется монолитной сверхпроводящей обмоткой, которая содержит множество витков провода из высокотемпературного сверхпроводника в соответствии с п.п. 1-2 формулы, адгезионно связанных между собой по электроизоляционному слою.

Техническая проблема также устраняется способом изготовления указанной монолитной сверхпроводящей обмотки, по которому сначала изготавливают провод из высокотемпературного сверхпроводника путем нанесения на высокотемпературный сверхпроводник второго поколения слоя полилактида, затем осуществляют процесс навивки упомянутого провода с получением витков обмотки с последующей термической обработкой витков при температуре выше температуры размягчения для получения адгезионной связи между витками.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается способом, по которому слой полилактида наносят путем протягивания высокотемпературного сверхпроводящего проводника второго поколения через раствор полилактида в приемлемом апротонном растворителе с концентрацией полилактида от 5-10 масс. % с последующим удалением растворителя.

В этом случае можно использовать в качестве апротонного растворителя смесь ацетона и диоксана.

В частных воплощениях изобретения термическую обработку осуществляют в вакууме.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Предложенный провод выполнен из ВТСП проводника второго поколения с изолирующим слоем из полилактида.

Под полилактидом (ПЛА) в уровне техники понимают алифатический термопластичный полиэфир, мономером которого является молочная кислота.

Данный полимер относится к биоразлагаемым и биосовместимым, сырьем для его производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.

Было установлено, что полилактид обладает приличной электрической прочностью, что, видимо и позволило сделать попытку использовать ПЛА 8 электротехнике для создания изоляции для силовых кабелей (Thoru Nakatsuka, Polylactic Acid-Coated Cable, Fujikura Technical Review, 2011, p. 39-46).

Изоляцию при этом получали путем экструзии ПЛА, однако, авторами статьи было признано, что использование ПЛА при температурах окружающей среды недолговечно, поскольку полимер постепенно разлагается под действием тепла, влаги и света. Наши исследования ПЛА показали, что ПЛА может стабильно эксплуатироваться в криогенных средах, что позволяет использовать ПЛА для изоляции сверхпроводящих проводников, в частности, ВТСП проводников второго поколения от криогенной среды. Под высокотемпературными сверхпроводниками второго поколения (ВТСП) понимаются тонкие пленки сложного оксида RBa2Cu3O7 (R - редкоземельный элемент), нанесенные на металлическую ленту-подложку. Они обладают набором уникальных свойств, что позволяет их использовать в качестве основы для токоограничителя: высокая критическая температура (88-92 К), высокая токонесущая способность (свыше 500 А/мм2), высокое сопротивление в несверхпроводящем состоянии (порядка 10-8-10-7 Ом*м).

ВТСП проводники второго поколения могут иметь и более сложную архитектуру с большим количеством слоев: буферных, защитных, электроизоляционных и пр.

Поскольку ПЛА относится к группе термопластичных полимеров, то при повышении температуры он переходит в высокоэластичное и далее - в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования деталей из ПЛА различными методами.

В частности, слой ПЛА на ВТСП проводнике второго поколения может быть сформирован различными методами - экструзией, нанесением из раствора, печатью на принтере и т.д. Толщина нанесенного слоя зависит от многих факторов, например, чем толще ВТСП лента, тем толще должен быть слой ПЛА, и должна рассчитываться с учетом влияния различных факторов. Однако, имеются некоторые разумные ограничения: в нашем изобретении толщина слоя ПЛА опционально составляет от 1 до 100 мкм, что не приводит ни к каким проблемам технологического порядка.

Из заявленного ВТСП провода может быть сформирована монолитная обмотка, витки которой соединяются друг с другом с образованием адгезионной связи путем проведения термической обработки.

Для этого достаточно зафиксировать обмотку и нагреть ее витки до температуры выше температуры размягчения.

Наилучший результат достигается при температуре термической обработки 140-160°С. Слой изоляции из ПЛА, как уже сообщалось, может быть выполнен различными методами, но самым простым и недорогим путем является нанесение данного слоя из раствора ПЛА в апротонном приемлемом растворителе.

Термин «приемлемый» означает возможность использования растворителя, в котором ПЛА растворяется. Как правило, специалист понимает, какие растворители приемлемы для растворения ПЛА либо может выяснить это из справочной литературы. В примерах осуществления изобретения мы использовали в качестве апротонного растворителя смесь ацетона и диоксана.

Процесс нанесения изоляционного слоя в предпочтительном воплощении изобретения осуществлялся путем протягивания высокотемпературного сверхпроводящего проводника второго поколения через раствор полилактида в приемлемом апротонном растворителе с концентрацией полилактида от 5 до 10 масс. % с последующим удалением растворителя. Данные параметры хорошо подходят для тонких ВТСП лент. При увеличении толщины ленты или использования стопки лент возможны другие концентрации раствора ПЛА.

Термическую обработку можно проводить в вакууме, что приводит к уменьшению пористости получаемого слоя ПЛА.

Пример реализации изобретения.

ВТСП-провод поперечным сечением 4*0,1 мм2, представляющий собой подложку из сплава Hastelloy С-276 с нанесенными на нее покрытиями из Al3O3, Y2O3, MgO, LaMnO3, GdBa2Cu3O7, Ag, и с внешним покрытием из меди и полиимида покрыли слоем полилактида посредством протягивания его через раствор полилактида (6%) в смеси диоксан-ацетон (в соотношении 3:1) со скоростью 30 м/ч и последующим удалением растворителей в трубчатой печи при температуре 120°С. Толщина слоя составила 3 мкм. Из провода с покрытием из полилактида была изготовлена обмотка с использованием процесса намотки ленты с постоянным натяжением с усилием 1,5 кг. Изготовленная обмотка фиксировалась и подверглась термической обработке в сушильном шкафу при температуре 160°С в течение 10 минут. В результате получена монолитная ВТСП-обмотка, устойчивая к термоциклированию между комнатной температурой и температурой работы сверхпроводниковых устройств (температура кипения азота и ниже), что было подтверждено десятью циклами охлаждения-нагрева и измерением критического тока обмотки, который составил 82 А до и после термоциклирования.

Изобретение упрощает процесс изготовления монолитных обмоток из проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), при этом значения тока остаются стабильными при термоциклировании.

Похожие патенты RU2687277C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА СВЕРХПРОВОДНИКИ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2017
  • Мартынова Ирина Александровна
  • Макаревич Артём Михайлович
RU2662801C1
МОДУЛЬ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА И ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА 2017
  • Мойзых Михаил Евгеньевич
  • Горбунова Дарья Александровна
  • Сотников Дмитрий Викторович
  • Устюжанин Пётр Андреевич
RU2664683C1
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИЛАКТИДА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКТА, ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО В КРИОГЕННЫХ СРЕДАХ, И ПРОДУКТ 2017
  • Мойзых Михаил Евгеньевич
  • Сотников Дмитрий Викторович
  • Горбунова Дарья Александровна
  • Самойленков Сергей Владимирович
  • Калитка Владислав Сергеевич
RU2667900C1
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД ТИПА "КАБЕЛЬ В ОБОЛОЧКЕ" (КАБЕЛЬ-КОНДУИТ) 2008
  • Джетымов Александр Михайлович
RU2413319C2
Установка для изготовления длинномерных стеков из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения 2018
  • Маркелов Антон Викторович
RU2703714C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ 2019
  • Кумаров Дамир Русланович
  • Сотников Дмитрий Викторович
  • Щербаков Владимир Игоревич
  • Горбунова Дарья Александровна
RU2731750C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛИРОВАННОГО ПЛОСКОГО ДЛИННОМЕРНОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ И ПРОВОД 2019
  • Мартынова Ирина Александровна
  • Макаревич Артём Михайлович
RU2707564C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СОЕДИНЕНИЙ 1995
  • Никулин А.Д.
  • Шиков А.К.
  • Антипова Е.В.
  • Акимов И.И.
RU2097859C1
Способ криостатирования сверхпроводниковых обмоток бесколлекторного двигателя постоянного тока 2020
  • Калитка Владислав Сергеевич
  • Самойленков Сергей Владимирович
  • Павленко Сергей Владимирович
  • Морозов Сергей Викторович
  • Щукин Александр Евгеньевич
  • Гурова Виктория Сергеевна
  • Тысячных Юрий Владимирович
RU2735953C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПРОВОДА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ И КОМПЛЕКС ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА 2020
  • Сабиров Ленар Робертович
  • Кумаров Дамир Русланович
  • Бабурин Кирилл Александрович
RU2746654C1

Реферат патента 2019 года ПРОВОД ИЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, МОНОЛИТНАЯ ОБМОТКА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к проводам из высокотемпературного проводника и монолитным обмоткам на их основе, а также к технологии их получения и может быть использовано в производстве составных частей магнитных систем различного назначения таких, как электродвигатели, генераторы, ускорительная техника, магнитные томографы, системы магнитного подвеса и др. Провод на основе высокотемпературного сверхпроводника включает высокотемпературный сверхпроводящий проводник второго поколения с нанесенным на него изоляционным слоем из полилактида. Монолитная сверхпроводящая обмотка на основе данного провода содержит множество витков сверхпроводящего провода в соответствии, адгезионно связанных между собой по изоляционному слою. Изобретение упрощает процесс изготовления монолитных обмоток из проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников. 3 н. и 4 з.п. ф-лы.

Формула изобретения RU 2 687 277 C1

1. Провод из высокотемпературного сверхпроводника с нанесенным на него электроизоляционным слоем из термопластичного полимерного материала, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного сверхпроводника он содержит высокотемпературный сверхпроводник второго поколения, а электроизоляционный слой выполнен из полилактида.

2. Провод по п. 1, отличающийся тем, что он содержит электроизоляционный слой из полилактида с толщиной 1-100 мкм.

3. Монолитная сверхпроводящая обмотка, отличающаяся тем, что содержит множество витков провода из высокотемпературного сверхпроводника в соответствии с пп. 1 и 2 формулы, адгезионно связанных между собой по электроизоляционному слою.

4. Способ изготовления монолитной сверхпроводящей обмотки в соответствии с п. 3 формулы, отличающийся тем, что сначала изготавливают провод из высокотемпературного сверхпроводника путем нанесения на высокотемпературный сверхпроводник второго поколения слоя полилактида, затем осуществляют процесс навивки упомянутого провода с получением витков обмотки с последующей термической обработкой витков при температуре выше температуры размягчения для получения адгезионной связи между витками.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что слой полилактида наносят путем протягивания высокотемпературного сверхпроводника второго поколения через раствор полилактида в приемлемом апротонном растворителе с концентрацией полилактида от 5 до 10 мас.% с последующим удалением растворителя.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве апротонного растворителя используют смесь ацетона и диоксана.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в вакууме.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2687277C1

Воздухозаборное устройствоСиСТЕМ ВЕНТиляции и КОНдициОНи-РОВАНия ВОздуХА 1978
  • Синяков Анатолий Леонидович
  • Гирдюк Владимир Иванович
SU794318A1
ПРОВОД НА ОСНОВЕ ОКСИДНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА И СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КАТУШКА 2013
  • Даибо Масанори
RU2573645C1
ЗАМОК МАЛЫГИНА ДЛЯ КУТКА ТРАЛА 0
SU178606A1
WO 2014185484 A1, 20.11.2014.

RU 2 687 277 C1

Авторы

Калитка Владислав Сергеевич

Макаревич Артём Михайлович

Самойленков Сергей Владимирович

Даты

2019-05-13Публикация

2018-06-21Подача