Мощный криотрон Советский патент 1985 года по МПК H01L39/20 

Изобретение относится к области сильноточной электротехники и может быть использовано в качестве сверхпроводящих ключей преобразователей электрической энергии, работающих при сверхнизких температурах, напри мер, в бесдсонтактных устройствах за питки сверхпроводящих обмоток возбуж дения мощных криотурбогенераторов или в сверхпроводящих устройствах с гласования энергетического сверхпро водящего накопителя и энергосистемы Известен сверхпроводящий ключ, содержащий безындуктивную катушку ключевого элемента, образованную намоткой на кольцевой изоляционный каркас сверхпроводящей ленты, контактирующей по крайней мере с одной стороны на большей части своей длины с проницаемой для хладагента электроизолирующей стекловолоконной лентой, систему магнитного управления, содержащую кольцевую управляющую обмотку, охватывающую ключевой элемент и создающую магнитное поле, направленное параллельно плоскости сверхпроводящей ленты этого элемента, блок управления и источник пита ния (1 J. При заданной мощности системы управления сверхпроводящего ключа его быстродействие определяется вел чиной критического магнитного поля и полным объемом ключевого элемента Стремление увеличить быстродействие известных сверхпроводящих ключей с магнитным управлением обуславлива ет применение для изготовления ключевых элементов сверхпроводников с критическим магнитным полем Т. Такие сверхпроводники (ниобий, сплав свинца с висмутом) обладают низкой критическрй темпера турой т. и низкой удельной коммутируемой мощностью JK критическая плотность тока; f удельное сопротивление в нормальном состоянии при сверхкритическом магнитном поле, что при заданной коммутируемой мощности неизбежно приводит к большому расходу сверхпрово ника на изготовление ключевого элемента и обмотки управления, если последняя изготовлена из сверхпрово ника. Наиболее близким по технической сущности является мощный криотрон, включающий безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, .силовые выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент, выводы обмотки управления через блок управления 2. Подобные мощные криотроны использованы в сверхпроводящем выпрямителе мощностью 60 Вт при чисто омической нагрузке и общих криогенных потерях До 10%, использующем ток частотой 50 Гц. Обмотка управления создает в зоне ключевого элемента субкритическое постоянное магнитное поле ( 6с2 сверхпроводника ключевого элемента 0,85 Т), а общее магнитное поле управления колеблется от 0,6 до 0,88 Т, т.е. промышленная частота достигается, ценой недоиспользования сверхпроводника ключевого элемента, который в сверхпроводящем (открытом) состоянии работает при весьма высоком магнитном поле (0,6 т), приближающемся к критическому, что снижает токонесущую способность сверхпроводника и коммутируемую мощность криотрона. При возрастании коммутируемой мощности объем ключевого элемента, особенно с учетом изоляции и охлаждающих каналов, и расход сверхпроводника быстро растут. Растут и размеры обмоток управления. Кроме того, известные криотроны чувствительны к магнитным полям рассеяния и не могут работать при повышенных температурах в замкнутых дюарах. При изготовлении же ключевого элемента из сверхпроводящих материалов с высокой индукцией критического магнитного обладающих большой удельполя В ной разрывной мощностью Р (например, NbTi, NbgSn, .NbN, NbCN) размеры обмоток управления чрезмерно увеличиваются. Цель изобретения - снижение расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличение быстродействия и повьш1ение надежности его работы. Цель достигается тем, что в мощном криотроне, включающем безындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки, ключевой элемент выполнен ИЗ одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмотсеяния, пропорциональной малому зазору между обмотками 3 и 8, и происходит очень быстро. Вторичные токи, замыкающиеся в поперечных сечениях стенок трубок 8, перпендикулярны транспортному току, текущему вдоль стенок. Когда результирующий ток, протекающий в стенке трубки 8 и равный векторной сумме вторичного и транспортного токов, превзойдет по величине критическое.значение для трубки, последняя переходит в резистивное состояние. Рост вторичного тока замедляется, начинаетс нагрев трубок 8. Одновременно активная мощность начинает поступать и из силовой цепи через выводы 2. По мере роста температуры обмотки 1 ключевого элемента растет и его с6противление,. приближаясь к нормальному сопротивлению закрытого криотрона. При этом саморазогрев ключевого элемента за счет мощности силовой цепи усиливается, приближаясь к расчетному. Если нормальное сопротивление ключевого; элемента таково, что при номинальных параметрах силовой; цепи его саморазогрев обеспечивает поддержание температуры выше критической, то управляющее напряжение блоком управления может быть отключено. Интенсивность нагрева клчевого элемента за счет мощности системы управления при ограниченных размерах поперечного сечения трубок 8 и обмотки 3 усиливается за сч заполнения внутренней полости трубок 8 материалом с повышенной магнитной проницаемостью, играющего роль магнитопровода индуктивно связанных обмоток 3 и 8. В устройстве может быть предусмотрен обратный магнитопровод из того же или другого материала с высокой магнитной проницаемостью, расположенной в криостате 7 или вне его, и замыкающий магнитопроводы трубок 8. Труки 8 могут быть вьшолнены замкнутьми в магнитном отношении, то есть нх разноименные концы могут прилегать друг к другу через электрическую изоляцию. Включение мощного криотрона (переход из нормального состояния в сверхпроводящее) происходит во время перехода напряжения сиповой цепи через нуль при уменьшении саморазогрева ключевого элемента и/или за счет прекращения разогрева со стороны системы управления. Следукмцее отключение крио рона осуществляется при подключении к выводам 4 напряжения обратной полярности. При этом ток в обмотке управления изменяется (уменьшается)

от максимального значения, набранного в предыдущем периоде работы криотрона, проходит через нуль и нарастает до максимального значения обратной полярности. Так, в открытом

состоянии сверхпроводящий ключевой элемент находится в управляющем магнитном поле, параллельном транспортному току. Поперечные разрезы 20 продольных соединений 19 краев 18

сверхпроводящих лент, из которых

изготовлены трубки 8, позволяют увеличить площадь этих соединений и уменьшить их сопротивление так, чтйбы тепловыделение на них при росте

вторичного тока не переводило преждевременно соединение 19 в нормальное состояние и не гасило вторичный ток, необходимый для нагрева сплошных стенок трубок 8 вне соединений 19.

Так как и нормальном состоянии обмотка 1 ключевого элемента нагрета . вьше критической температуры, то существенна теплоизоляция ее от обмотки 3 управления. Длительность включения мощного криотрона (и коммутационные потери) определяется толщиной стенок трубок 8 и интенсивностью теплоотпода от них. Поэтому важна интенсивная циркуляция хладагента по трубкам 8, обеспечиваемая циркуляционной системой рхлаждения ключевого элемента.

В предлагаемом мощном криотроне снижение расхода сверхпроводника на его изготовление достигается возможностью использования сверхпроводника с большими РП(значит и с большие BCJ) без необходимости в обмотке управления, создающей й.

При этом снижение индуктивности ключевого элемента и обмотки управления увеличивает быстродействие криотрона и повышает надежность его работы. ки.управления, концы которых элект чески соединены между собой и с си ловыми выводами, а ключевой элемен теплоизолирован от обмотки управле ния, при этом внутренние полости трубок ключевого элемента могут быть заполнены материалом с повышен ной магнитной проницаемостью с продольными каналами для хладагента, а если трубки ключевого элемента выполнены из сверхпроводящих лент, то соединения их краев снабжены узк ми поперечными раэрезами, расположенными с одниковым шагом вдоль тру бок . На фиг. 1 схематично изображен общий вид предлагаемого мощного криотрона; на фиг. 2 - сечение ключевого элемента и обмотки управления; на фиг. 3 - трубки ключевого элемента, изготовленные из сверхпро водящих лент. Мощный криотрон содержит обмотку безындуктив.ного ключевого элемента 1, его силовые выводы 2, подключаемые к внешней цепи, обмотку 3 управления, охватывающую обмотку 1, ее выводы 4, подключенные через блок 5 управления к , источнику 6 электрической мощности системы упра ления. Обмотки 1 и 3 помещены в кри остат 7, являющийся частью системы охлаждения. Ключевой элемент выполнен из тонкостенных сверхпроводящих трубок 8 одинакового сечения (фиг. 1, показаны трубки прямоугольного сечения) и одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу и направлению магнитной оси обмотки 3 управления. Конщ. трубок электрически соединены между собой и с выводами 2 сверхпроводящими пер мычками 9 так, что в прилегающих друг к другу через электроизоляцию 1 стенках соседних трубок электричаские токи направлены встречно и параллельно направлению управляющего магнитного поля (на фиг. 1 одноимен ные концы трубок 8 соединены через один). Перемычки-9 не должны экранировать управляющее магнитное поле для чего они или размещены вне управляющего поля (вне обмотки 3), или их плоскость параллельна управляющему полю, и вместе с трубками 8 они не образуют замкнутых электрических контуров, перпендикулярных управляющему магнитному полю, Обмот 1484 ка 3 управления теплоизолирована и электроизолирована от обмотки 1 клюг чевого элемента, в систему охлаждения введены гелиеподводы 11 и 12, подсоединенные к трубкам 8 и вместе с холодильной мащиной 13 образующие циркуляционную систему охлаждения ключевого элемента. Обмотка 3 управления может иметь свою подсистему 14 охлаждения и быть погружена в жидкий гелий, содержащийся в криостате 7. Трубки 8 могут быть частично заполнены (должны остаться каналы для циркуляции хладагента) материалом с повьшенной магнитной проницаемостью в виде, например, проволок 15 или лент того или иного сечения (на фиг.2 этот материал имеет вид проволок круглого сечения). Распорки 16, расположенные между обмоткой 3 управления и обмоткой 1 ключевого элемента, обеспечивает электрическую и тепловую изоляцию обмоток 1 и 3. При изготовлении трубок 8 из сверхпроводящих лент 17 (двух на фиг. 3) их края 18 методом пайки, сварки (холодной сварки) соединяются с образованием продольных соединений 19, чаще всего несверхпроводящих. Как сверхпроводящие, так и несверхпроводящие продольные соединения должнь быть снабжены узкими поперечными разрезами 20, следующими вдоль трубок 8, с одинаковым шагом и обеспечивающими отсутствие электропроводности вдоль соединения 19. Распорки 16 могут быть заменены слоем вакуумной изоляции, а обмотка управления, изготовленная, например, из криопроводника, может поддер иваться системой 14 охлаждения При более высокой температуре. Мощный криотрон работает следую-. щим образом. Переключение обмотки 1 ключевого элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное (отключение криотрона) осуществляется при подключении к выводам 4 обмотки 3 управления блоком 5 управления источника 6 электрической мощности системы управления, работающего в режиме источника напряжения. Так как в момент подключения напряжения к обмотке 3 трубки 8, индуктивно связанные с обмоткой 3, являются еще сверхпроводящими, то нарастание тока в первичной и вторично} обмотках . ограничено только индуктивностью рас

1. МОЩНЫЙ КРИОТРОН, включающий беэындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые вьгооды ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки управления, подключаемые блоком управления, о т и ч а юния расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличения быстродействия и повьшения надежности его работы, ключевой элемент выполнен из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмотки управления, концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управления. 2.Криотрон по п. 1, о т л ичающийся тем, что внутренние полости трубок ключевого элемента заполнены материалом с повьппенной магнитной проницаемостью с продольны(Л ми каналами для хладагента. 3.Криотрон по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубки ключевого элемента выполнены из сверх- Е проводящих лент, соединения краев которых снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одинакоBb&j шагом вдоль трубок. со Ni; 00

Фиг. 1

iZZZZZ ZZZZZZZi

жхху X yyifirjcxx

tA&S

Фиг. Z

15 15/ /

.fS

ia I uSnl,f notnl/ ИлМ.

16

fO 10 W

/ хххххухх;

РРОП КХМ «ООП

Фиг.З