Способ изготовления соединения высокотемпературных сверхпроводящих кабелей Российский патент 2024 года по МПК H01B12/12 

Область техники.

Изобретение относится к высокотемпературным сверхпроводящим (ВТСП) кабелям, а именно к изготовлению соединения для трубчатых сверхпроводящих кабелей с проточным охлаждением, предназначенных для создания импульсных магнитных полей. Для ускорителей заряженных частиц, индуктивных накопителей энергии, а также перспективных медицинских ускорителей и МРТ необходимы импульсные поля в несколько Тл (2 Тл и выше) в значительных объемах. Как правило для создания таких полей изготавливаются многослойные, многосекционные обмотки, которые необходимо соединять между собой, либо вводить ток в обмотку при помощи прижима или спая. Такие спаи должны:

1. Иметь предельно низкое сопротивление, порядка нескольких нано-Ом на токе 10 кА.

2. Иметь возможность многократного использования спая (многократные циклы отпайки/припайки).

3. Не иметь в конструкции магнитных материалов, а также массивных проводящих частей, во избежание нагрева в режимах, когда возникают сильные вихревые токи.

4. Иметь достаточно эффективное распределенное охлаждение.

Уровень техники.

Прототипом изобретения является "Superconducting cable connections and methods» US 2016/0352027 A1, 01.12.2016, [1] в котором решается подобная задача, а именно соединение/подключение к источнику тока высокотемпературного сверхпроводящего кабеля.

Сверхпроводящий кабель представлен на рисунке 1 и состоит из трубки 1 (формера), по которой циркулирует хладогент (жидкий гелий/азот/неон), в качестве сверхпроводника используются ВТСП- ленты 2-ого поколения 2, намотанные под углом в несколько слоев, финальным слоем кабеля являются слои каптоновой ленты 3 и препрега 4, выполняющих функцию электрической изоляции, а также придания жесткой формы кабелю после термообработки.

Особая многослойная структура ВТСП-ленты второго поколения предусматривает завод тока в ленту только с одной стороны, т.к. буферные слои, имеющиеся в структуре ленты не способны проводить ток, а служат для формирования особой структуры сверхпроводника.

В работе [1] автор решает задачу, используя два одинаковых медных терминала цилиндрической формы, которые в дальнейшем торцами спаиваются друг с другом. Ленты кабеля подготавливают: снимают изоляцию на том участке кабеля, который затем помещают в сборный цилиндрический медный терминал. После этого ленты заливают припоем. А затем, терминалы спаивают друг с другом.

Такой способ имеет существенные недостатки:

1. Количество меди, используемого для одного соединения слишком велико, при работе с током в быстро-циклирующих режимах, из-за этого неизбежно будут возникать потери на нагрев меди под влиянием вихревых токов.

2. Из-за большого пути, по которому течет ток через медь и припой двух соединенных цилиндрических терминалов, предлагаемых автором в [1], возникает дополнительное сопротивление.

Сущность изобретения.

Технической задачей изобретения является создание низкоомного соединительного звена, для любых изделий, использующих трубчатый кабель с проводником в виде 2G ВТСП-ленты, с принудительным охлаждением жидким или газообразным гелием, жидким неоном, азотом или водородом.

Техническая задача решается за счет того, что вначале осуществляют раскладку лент кабеля внутри плоского терминала, представляющего собой подложку с выемкой под кабель и отверстиями для заливки припоя и крышку с загибом. Ленты кабеля раскладывают на подложке, предварительно залуженной припоем с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия, в один слой, затем укладывают подготовленную часть кабеля в выемку на подложке. Ленты покрывают флюсом и прижимают крышкой с загибом. После этого производят герметизацию терминала по периметру высокотемпературным герметиком. Затем, через отверстия в подложке, ленты кабеля заливают припоем с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия, а после остывания вышеупомянутого припоя до температуры кристаллизации, два одинаковых терминала соединяют вместе со стороны подложек при помощи пайки таким образом, чтобы подготовленные участки кабелей в вышеупомянутых терминалах были параллельны друг другу, а совмещение площадей подложек было максимальным, при этом, при пайке используют низкотемпературный припой с температурой плавления не выше 110 градусов Цельсия.

Отличительными признаками изобретения являются:

- Подложка имеет плоскую форму с загибом под подготовленный участок кабеля. Такая конструкция позволяет изготавливать терминал из листовой меди, что позволяет уменьшить потери на нагрев, вследствие протекания тока через резистивный участок, между лентами соединяемых терминалов.

- ВТСП-ленты раскладываются на терминал в один слой, тем самым обеспечивая эффективное перетекание тока между терминалами.

- Терминал с зажатыми крышкой лентами герметизируется высокотемпературным герметиком по периметру для гарантированной заливки всех лент между подложкой и крышкой, с целью наиболее эффективного теплосъема.

- Соединение терминалов таким образом, чтобы подготовленные участки кабелей в вышеупомянутых терминалах были параллельны друг другу, а совмещение площадей подложек было максимальным, также позволяет обеспечить эффективное перетекание тока между терминалами.

- Использование припоя с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия для заливки лент кабеля в терминале позволяет избежать распайки лент, подложки и крышки с загибом при последующей пайке двух одинаковых терминалов при помощи низкотемпературного припоя с температурой плавления не выше 110 градусов

- За счет минимизации количества меди соединение имеет меньший (чем у прототипа) нагрев вихревыми токами в переменном магнитном поле.

Перечень фигур:

Фиг. 1 - Трубчатый ВТСП-кабель. 1 - трубка, 2 - ленты ВТСП 2G, 3 - каптоновая изоляция, 4 - Препрег.

Фиг. 2 - Подложка с разложенными лентами кабеля и подготовленным участком кабеля и прижимная медная крышка с загибом перед установкой на подложку с выемкой под кабель. 1 - трубка, 2 - ленты ВТСП 2G, 5 - Подложка с выемкой под кабель, 6 - Прижимная медная крышка с загибом, 7 - Подготовленный участок кабеля.

Фиг. 3 - Медный терминал герметизированный высокотемпературным герметиком и с залитым через отверстия припоем с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия. 8 - Высокотемпературный герметик, 9 - Отверстия для подачи припоя.

Фиг. 4 - Зависимость сопротивления от тока для соединения высокотемпературного сверхпроводящего кабеля. По оси X - Ток, [Амперы], по оси Y - Сопротивление, [Омы].

Фиг. 5 - Варианты соединения двух терминалов вместе в разрезе. 2 - ленты ВТСП 2G, 5 - Подложка с выемкой под кабель, 6 - Прижимная медная крышка с загибом, 10-Низкотемпературный припой с температурой плавления не выше 110 градусов Цельсия, 7 - Подготовленный участок кабеля.

Фиг. 6 - 3D-модель вариантов исполнения соединения. 5 - Подложка с выемкой под кабель, 6 - Прижимная медная крышка с загибом, 7 - Подготовленный участок кабеля.

Осуществление изобретения

Соединение состоит из двух спаянных вместе одинаковых терминалов. Основные детали терминалов - это медная подложка с выемкой под кабель, медная крышка с загибом и ВТСП-кабель, которые после соединения представляют собой терминал. Как пример исполнения, детали терминала изготавливали из листовой меди толщиной 1 мм. ВТСП-кабель предварительно подготавливается, а именно выполняется удаление каптоновой изоляции (3) и препрега (4). Затем, ВТСП-ленты кабеля раскладывают в один слой на подложке. После укладки лент, подготовленный участок кабеля (7) устанавливается на подложку с выемкой под кабель (5) таким образом, чтобы ВТСП-слой каждой ленты был обращен в сторону подложки на плоскость, предварительно залуженную припоем с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия. Ленты покрываются флюсом и прижимаются медной крышкой с загибом (б). Затем наносят высокотемпературный герметик (8) по периметру терминала. После его высыхания, через отверстия (9), сделанные в подложке, подается припой с температурой плавления не ниже 180 градусов Цельсия. Припой подается до тех пор, пока внутренние пустоты между подложкой и крышкой полностью не заполнятся. Таким же образом изготавливается второй терминал. Далее, два одинаковых терминала соединяют вместе со стороны подложек при помощи пайки таким образом, чтобы кабели в вышеупомянутых терминалах были параллельны друг другу, а совмещение площадей подложек было максимальным, при этом, при пайке используют низкотемпературный припой (10) с температурой плавления не выше 110 градусов Цельсия. Варианты соединения двух терминалов вместе представлены на фиг. 5 и фиг. 6.

Результаты испытаний полученного соединения приведены на графике Фиг. 4. Испытания проводились на криогенном участке корпуса 217 и корпуса 203а, ЛФВЭ ОИЯИ, г. Дубна, Московской обл.

После остывания получившегося соединения и охлаждения до температур 4.5 К, соединение обладает сопротивлением в пределах 2 нОм (фиг. 4) для кабеля из 16 лент и токе 10 кА. Для кабелей с большим количеством лент сопротивление уменьшается прямо пропорционально количеству лент.

Изобретение относится к высокотемпературным сверхпроводящим (ВТСП) кабелям, а именно к изготовлению соединения для трубчатых сверхпроводящих кабелей с проточным охлаждением, предназначенных для создания импульсных магнитных полей. Осуществляют раскладку лент кабеля в плоском терминале. Терминал представляет собой подложку с выемкой под кабель и отверстиями для заливки припоя и крышку с загибом. Ленты кабеля раскладывают на подложке, предварительно залуженной припоем с температурой плавления не ниже 180°C, в один слой. Затем укладывают подготовленную часть кабеля в выемку на подложке, ленты покрывают флюсом и прижимают крышкой с загибом. Производят герметизацию терминала по периметру высокотемпературным герметиком, а затем через отверстия в подложке ленты кабеля заливают припоем с температурой плавления не ниже 180°C. После остывания вышеупомянутого припоя до температуры кристаллизации два одинаковых терминала соединяют вместе со стороны подложек при помощи пайки. При пайке используют низкотемпературный припой с температурой плавления не выше 110°C. Изобретение позволяет создать низкоомное соединительное звено для изделий. 6 ил.

Способ изготовления соединения высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, включающий подготовку лент кабеля, заливку их припоем в медном терминале и соединение двух одинаковых терминалов вместе при помощи пайки, отличающийся тем, что вначале осуществляют раскладку лент кабеля внутри плоского терминала, представляющего собой подложку с выемкой под кабель и отверстиями для заливки припоя и крышку с загибом, следующим образом: ленты кабеля раскладывают на подложке, предварительно залуженной припоем с температурой плавления не ниже 180°С, в один слой, затем укладывают подготовленную часть кабеля в выемку на подложке, ленты покрывают флюсом и прижимают крышкой с загибом; после этого производят герметизацию терминала по периметру высокотемпературным герметиком; затем через отверстия в подложке ленты кабеля заливают припоем с температурой плавления не ниже 180°С, а после остывания вышеупомянутого припоя до температуры кристаллизации два одинаковых терминала соединяют вместе со стороны подложек при помощи пайки таким образом, чтобы подготовленные участки кабелей в вышеупомянутых терминалах были параллельны друг другу, а совмещение площадей подложек было максимальным, при этом при пайке используют низкотемпературный припой с температурой плавления не выше 110°С.