СПОСОБ КРИОСТАТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2022 года по МПК F25B45/00 F17C13/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам криостатирования объектов, созданных на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и может использоваться при испытаниях таких объектов, в частности, в ракетно-космической технике, медицине и других областях техники, где требуется поддержание с высокой точностью температуры криостатируемого объекта в течение длительного времени.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Под криостатированием в уровне техники понимается поддержание постоянной криогенной температуры.

Одним из наиболее эффективных методов криостатирования является принудительная циркуляция криоагента, осуществляемая циркуляционным насосом.

В настоящее время предпринимаются попытки снизить температуру криоагентов, в частности, путем переохлаждения криогенных жидкостей ниже температуры насыщения.

В частности, в патенте RU147549 раскрывается установка для криостатирования сверхпроводника, снабженного криостатной оболочкой, содержащая связанные трубопроводом азота циркулярный насос, теплообменный аппарат и накопительную емкость переохлажденного азота, при этом теплообменный аппарат связан с ожижителем-рефрижератором, подводящим и отводящим трубопроводами гелия.

Накопительная емкость переохлажденного азота может быть снабжена змеевиком-охладителем, расположенным в ее паровой зоне и связанным с ожижителем-рефрижератором дополнительными подводящим и отводящим трубопроводами гелия.

Криостатирование сверхпроводника осуществляется следующим образом.

Перед началом работы трубопровод азота заполняют жидким азотом. Циркуляция жидкого азота обеспечивается насосом в следующей последовательности: сначала азот поступает в теплообменный аппарат, переохлаждается в нем до требуемой температуры за счет теплообмена с гелием из ожижителя-рефрижератора.

Из теплообменного аппарата переохлажденный азот поступает в накопительную емкость, которая служит резервным хранилищем переохлажденного азота, обеспечивающим его запас, необходимый для криостатирования сверхпроводника.

Для стабилизации температуры, уменьшения испарения и потерь переохлажденного жидкого азота в накопительной емкости также пропускается гелий из ожижителя-рефрижератора.

Из накопительной емкости переохлажденный азот подается в криостатную оболочку.

К недостаткам данного технического решения относится сложность устройства, заключающаяся в использовании ожижителя-рефрижератора, подводящего и отводящего трубопроводами гелий. Это усложняет также и технологию криостатирования в связи с необходимостью использования в работе не только азота, как основного хладагента, но и гелия, за счет которого и осуществляется переохлаждение азота.

В патенте RU2616147, являющимся наиболее близким к предложенному техническому решению, система криообеспечения, а в описании к патенту - способ криообеспечения.

Система криообеспечения содержит расходный криостат, выполненный с трубопроводом дренажа криостата и трубопроводом подачи криогенной жидкости в ВТСП ротор сверхпроводниковой электрической машины, электромагнитный клапан, размещенный на трубопроводе подачи криогенной жидкости и подключенный к выходу блока интеллектуальной системы управления, электромагнитный клапан, а также дополнительную дренажную магистраль с установленным вентилем, подогревателем паров азота и вакуумным насосом, систему подачи газообразного гелия в криостат и его барботирования через криогенную жидкость в емкости. Также система содержит датчик уровня криогенной жидкости, размещенный в криостате и подключенный к входу блока системы управления, возвратную магистраль, датчик сплошности среды, установленные на возвратной магистрали и датчик давления.

В расходном криостате может быть установлен теплообменник криорефрижератора, а выдача криогенной жидкости осуществляется с помощью установленного на магистрали подачи криогенного насоса с устройством забора жидкости.

К недостаткам известного технического решения можно отнести также сложность как самого устройства, так и реализуемой им технологии криостатирования необходима отдельная система подачи газообразного гелия в криостат с его барботированием через криогенную жидкость в емкости.

Общим недостатком цитированных известных технических решений является то, что переохлаждение криоагента достигается достаточно сложными средствами с применением газообразного гелия, что требует установки дополнительного оборудования и усложняет как технологию криостатирования, так и конструкцию установки для криостатирования высокотемпературного сверхпроводящего устройства.

Данные недостатки создают определенные технические проблемы для криостатирования высокотемпературных сверхпроводящих устройств при их испытаниях.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является устранение недостатков известных технических решений, а именно простое и эффективное криостатирование ВТСП устройств, обеспечивающее увеличение индукции магнитного поля, а также уменьшение падения напряжения на сверхпроводнике при том же подаваемом постоянном токе за счет поддержания стабильного равномерного, без локальных перегревов ВТСП, заданного уровня температур при испытаниях ВТСП устройств путем переохлаждения криоагента ниже температуры насыщения, не требующее сложного оборудования.

Поставленная задача решается способом криостатирования высокотемпературного сверхпроводящего устройства при его испытаниях, включающем размещение упомянутого устройства в испытательной камере, его подсоединение к расходному криостату, заполнение расходного криостата криоагентом, откачку паров криоагента из расходного криостата для получения переохлажденного криоагента и последующее циркулирование переохлажденного криоагента между расходным криостатом и высокотемпературным сверхпроводящим устройством в процессе проведения испытаний упомянутого устройства, при этом при заполнении расходного криостата криоагентом и откачке паров криоагента осуществляют дополнительное циркулирование криоагента между расходным криостатом и высокотемпературным сверхпроводящим устройством.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается способом, в котором в качестве высокотемпературного сверхпроводящего устройства испытывают электрический ракетный двигатель, при этом подвод криоагента осуществляют к внешнему магнитному контуру двигателя.

В качестве криоагента может быть использован жидкий азот.

Откачку паров жидкого азота, как правило, осуществляют до значений разрежения не более минус 0,9 кгс/см².

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.

На фиг. 1 приведен график зависимости температуры криоагента (жидкого азота) от разрежения паров.

На фиг. 2 приведен график зависимости величин магнитного поля от подаваемого тока при различном разрежении.

На фиг. 3 приведен график зависимости величин падения напряжения от подаваемого тока при различном разрежении.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения состоит в следующем.

Способ криостатирования, соответственно, как и установка для его осуществления могут быть существенно упрощены в эксплуатации, если для достижения состояния переохлажденного криоагента выполняется возможность работы только с одним хладагентом без использования посторонних веществ, например, гелия.

Способ криостатирования в соответствии с изобретением разработан для испытаний ВТСП устройств в испытательных камерах. Устройство на основе ВТСП размещают в испытательной камере и подсоединяют к расходному криостату. Таким устройством в частных воплощениях изобретения может быть электрический ракетный двигатель, в частности, магнитоплазмодинамический двигатель с внешним магнитным полем. В этом случае подвод криоагента осуществляют к внешнему магнитному контуру двигателя, представляющему собой ускоритель заряженных частиц.

Расходный криостат заполняют криоагентом, а затем, для получения переохлажденного криоагента, проводят откачку (разрежение) паров криоагента из расходного криостата. Наличие расходного криостата позволяет иметь больший запас криоагента, что дает запас по теплоемкости при криостатировании, а также обеспечивает возможность дольше сохранять условиях некипения, и, соответственно, идеального равномерного охлаждения переохлажденным азотом элементов ВТСП устройства.

Технология криостатирования должна быть выстроена таким образом, чтобы избежать кипения криоагента в процессе его циркулирования либо максимально минимизировать его. Проблема кипения азота возникает в результате нахождения его при температурах равных или выше температур его кипения. Существует корреляция между значениями разрежения при проводимой откачке паров криоагента и температурой его кипения (см. фиг. 1), свидетельствующая об уменьшении температуры кипения криоагента в зависимости от степени разрежения его паров при откачке. Для устранения проблемы кипения откачку паров криоагента проводят до заранее определенных значений разрежения, соответствующих более низким температурам, чем температура испытаний (~ на 1-3К). Прекращение откачки несколько повышает давление внутри расходного криостата, а следовательно, и температуру криоагента до заданной температуры испытаний и устраняет его кипение, что, в свою очередь, позволяет провести более качественное и равномерное криостатирование ВТСП устройства - без локальных перегревов сверхпроводника за счет обеспечения устранения кипения хладагента. Величина степени разрежения при откачке паров ограничена только возможностями оборудования для откачки, а также недопущением откачки самого криоагента после достижения определенного уровня разрежения, что может привести как к выходу системы откачки из строя, так и неэффективному использованию хладагента.

В качестве криоагента чаще всего используют жидкий азот, температура кипения которого при нормальном давлении составляет 77К, хотя могут быть использованы и другие криоагенты. Для длительных испытаний ВТСП устройств, проводимых в среде жидкого азота, оптимальна температура криоагента 65-66К, что, как следует из графика на фиг. 1 достигается при разрежении минус 0,8 ÷ минус 0,9 кгс/см², однако, испытания могут проходить и при более низких или высоких температурах.

Весь процесс криостатирования, начиная с заполнения расходного криостата криоагентом, откачки паров криоагента, а также поддержания постоянной криогенной температуры переохлажденным криоагентом в процессе испытаний ВТСП устройства проходит в режиме его циркулирования, при этом, циркулирование криоагента на стадии заполнения криостата и откачки его паров позволяют провести предварительное охлаждение всех элементов системы, что положительно сказывается на испытаниях ВТСП устройств.

Подсоединение расходного криостата к ВТСП устройству осуществляется трубопроводами слива и залива криоагента. Для создания разрежения в расходном криостате используется вакуумный спиральный насос, а для осуществления циркулирования переохлажденного криоагента используется циркуляционный насос.

Пример осуществления изобретения.

Внутреннюю емкость расходного криостата заполняли криоагентом жидким азотом. По мере наполнения криостата включали циркуляционный насос, обеспечивающий циркуляцию жидкого азота и не выключали его вплоть до окончания испытаний. Азот поступал через трубопровод залива в магнитный контур ВТСП электродвигателя, размещенного в испытательной камере. Излишки жидкого азота переливались через трубопровод слива обратно во внутреннюю емкость расходного криостата.

Расходный криостат наполняли до определенного уровня, позволяющего обеспечить теплоемкостный запас жидкого азота.

После заполнения расходного криостата до нужного уровня, отладки циркуляционного потока из криостата в магнитной контур электродвигателя и охлаждения всех поверхностей, контактирующих с криоагентом, для максимального уменьшения испарения азота, залив жидкого азота прекращали.

Расходный криостат герметизировали от окружающей среды, после чего приступали к переохлаждению криоагента.

Для этого включали вакуумный спиральный насос и откачивали пары жидкого азота. Откачку проводили до разрежения минус 0,87 кгс/см².

Через окно наблюдали за состоянием жидкого азота внутри внутренней емкости расходного криостата.

Далее выключали вакуумный насос - соответственно, давление в расходном криостате выравнивалось и поднималось до минус 0,85 кгс/см², температура переохлажденного жидкого азота составляла 65К и потому кипение жидкого азота прекращалось.

Испытания криогенного двигателя проходили при циркулировании переохлажденного азота с температурой 65К между расходным криостатом и магнитным контуром электрического ракетного двигателя.

В процессе подготовки к испытаниям и проведения испытаний отслеживали вес расходного криостата с жидким азотом, и, при необходимости, доливали в криостат необходимое количество жидкого азота. Также отслеживали кипение жидкого азота при откачке его паров, поскольку кипящий азот не может обеспечить равномерное охлаждение сверхпроводника.

Как следует из данных, приведенных на фиг. 1 переохлажденный азот позволяет проводить испытания при более низких температурах, а именно 65К вместо 77К при стандартном атмосферном давлении, что дает выигрыш 12К, что является достаточно ощутимым выигрышем.

Как следует из данных, приведенных на фиг. 2 и 3, при работе с магнитной системой на основе сверхпроводника, переохлажденный на 12К жидкий азот позволяет получать более сильное магнитное поле при том же подаваемом в магнит токе (в 1,33 раза), а также добиваться меньшего падения напряжения на сверхпроводящем кабеле, при том же подаваемом постоянном токе (в 1,44 раза).

Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться в ракетно-космической технике, медицине и других областях техники. Способ криостатирования высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) устройства при его испытаниях включает размещение упомянутого устройства в испытательной камере, его подсоединение к расходному криостату, заполнение расходного криостата криоагентом, откачку паров криоагента из расходного криостата для получения переохлажденного криоагента и последующее циркулирование переохлажденного криоагента между расходным криостатом и высокотемпературным сверхпроводящим устройством в процессе проведения испытаний упомянутого устройства. При заполнении расходного криостата криоагентом и откачке паров криоагента осуществляют дополнительное циркулирование криоагента между расходным криостатом и ВТСП устройством. Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильного, равномерного, без локальных перегревов ВТСП заданного уровня температур при испытаниях ВТСП устройств, не требующее сложного оборудования. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ криостатирования высокотемпературного сверхпроводящего устройства при его испытаниях, включающий размещение упомянутого устройства в испытательной камере, его подсоединение к расходному криостату, заполнение расходного криостата криоагентом, откачку паров криоагента из расходного криостата для получения переохлажденного криоагента и последующее циркулирование переохлажденного криоагента между расходным криостатом и высокотемпературным сверхпроводящим устройством в процессе проведения испытаний упомянутого устройства, при этом при заполнении расходного криостата криоагентом и откачке паров криоагента осуществляют дополнительное циркулирование криоагента между расходным криостатом и высокотемпературным сверхпроводящим устройством.

2. Способ по п. 1, в котором в качестве высокотемпературного сверхпроводящего устройства испытывают электрический ракетный двигатель, при этом подвод криоагента осуществляют к внешнему магнитному контуру двигателя.

3. Способ по п. 1, в котором в качестве криоагента используют жидкий азот.

4. Способ по п. 3, в котором откачку паров жидкого азота осуществляют до значений разрежения не более минус 0,9 кгс/см².