Криогенный токоввод Советский патент 1982 года по МПК H01L39/06 

.Изобретение относится к хриогенной элвктрйтехийке и может быть использовано для подведеняя токав большой величимь к физическим и технологи1ческим установкам , с циркуляционной системой охлаждения 5 сверх1проводящи1Х ,н01С,ителей тока. -Известно криогенное токоподводящее устройство, выполнеиное в виде стуленчато-го стержня, аксиально .размещенного в трубе из нержавеющей стали, по которой .из ю криостата сверх1проводящей системы выходит хладагент. На стержень для увеличе- ния поверхности теплообмена спирально навита и укреплена на тепловой контакт медная лента. В результате значительно 15 снижается твплоприток по тбконесущему стержню в холодную зонуза счет уменьщения твп/|опербноса по м-ате риалу стержняи уменьшения джоулевь1.х тепловыделений в нем 1.;-20

Однако эта конструкция имеет ряд недостатков. Развитие поверхности теплообмена между токонесущим стержнами хладагентом создает дополнительное гидравлическое сопротивление хладагенту на выходе 25 из .сверхпро-водящей .системы. Кроме того, Отсутствует возможность перевода тока в сверхпроводник уже;ла токовводе. Г; . .;;.:

Одним из. основных требований к токовводам, используе.мым в современн.йх физи- 30

ко-тёхническйх установках,в которых применяется .сильноточная сверх1провоихимость (например, установки термоядерного синтеза, мощные све.рхлроводящие магниты, криогенные электрические маШИны и т. п.), я;вляется ми,ни|мизаиия теплодритока в холоднукэ зону дляснижения расхода хлад. агента. Мапнитные системы ловушек термоядерной плазмы затнтываются токами порядка сотен и тысяч ампер и используют сверх1проводящие Ьбмотки, охлаждаемые путем Прокачивания по соответствующим каналам хладагента. Используемые в таких системах трковводы, охлаждаемые отходящим из системы хладагентом, дают, как показывают экоперименты, до 40% теплопритока в 5солодную зону.

Наиболее близким к изобретению является токоввод прокачного типа, Представляющий собой токонесущие трубки с припаянными к ним на тепловой контакт сверх проводящими кабелями, подсоединяемыми к концевьм частям обмотк:и сверхпроводящей системы 2. Медные трубки через диэлек-, трическую проставку подключены к охлаждающим каналам, по жоторым хладагент выводится после охлаждения им систейы, и являются продолжением этих каналов. К концам медных трубок, выводящих хлад-агент наружу из вакуумной камеры сверхпро-водящей системы, тодводится то.к. . .Эта конструкция имеет. существенные недостатки, увеличивающие .расход хладатента, нео бходямый для захолаживания -;токовв:ода, вследствие того, Что условия теплоотдачи по длине охлаждающих каналов системы, составной частью которых являются Медные трубки.токоввода, неоднородны. Коэффициент теплоотдачи между потоком и стен1кой канала -может быть; определен .по формуле: :р К D-G и 0,023 - Где и - коэффициент теплоотдачи между-vпотокоМ « поверхностью; ... .:.. .1 С р - удельная теплоемкость потока при постоянном давле1Н1ии; ----/ ц - вязкость газа; . - .... , G - массовый расход через единицу , площади поперечного сечения;-, К коэффициент те;плопровод«остй - -J газа; :v- -;: vr-.; ----v: :--a..7;:i - ;-::,. i, D - диаметр трубы. v V; :о.цйщгйы Чтобы не создавать-дополнительноЬосд- f- противления хладагенту на выходе йз7t /сверхпроводящей свстемы, дйа-м-етр медных 1Г трУбок токоВВода делают существенно больС шим 2шамеТ:раили эк1вИ1валентно;гр гидр ав-Т личеошгЬ радиуса (в случае некруглотю се6, - чения) охлаждающих каналов самой систе-. Р мы. Существующие райличияв длинё:икдн- фигу.ра.щии поперечного сечения междуйед-. Г -/ ным;и,трубками токоввода и охлаждающими; k- канала1йи;сверхпроводящей системы приво-; дят (в.совокупностисупомянутымйразли- -, Чиями их диаметров) к тому,чтостепень у|р-. булентности потока хладагента черёз медные - --трубки токоввода ииже/чем стеленьтур6у-,-: I лентностиnuTtma хладагёнтаГ Йдзще;го; I охлаждающ;и мканалам системы.Кроме то, магййтная.сйстёма 0хла йДается; в Ьс-; новном, жидким хладагентов,тогда какв f С. медные трубки токбввода подступает паро - жидкостная смесь;с преимущественным (до и , 95-98%) содержанием Дара; удельная теп- .лоемкОстькоторого ниже удельной теплоемкости жидкого ;хладагента. Все шышепе-, речисленные факторы делают;коэффициент теплоотдачи; ;iB медных трубках токоввода значительно уменьшим, чем в охлаждающих каналах сверх проводящей системы. В ре- зультате, для обеспечения охлаждения то-, конвода; достаточного для перевода йри- пая-нных кмедным трубкам кабелей в;; сверх,провОдящее сбстояние,Шр-йхЬдится бо искусственно ту.рбулизовать потрк хлад- fv . агента в. трубках токоввода, налример,у1С танавливая по ихЪси турбулизаторы, выполнениьте ;в виде штожов с за1Вих;рйтёйямн и приводом от электромоторов, либо, как видно из формулы (1), повышать массовый , расход хладагента, прокачиваемого по ©Сей сверхпроводящей системе, а значит и по токозводу. Применение ту1рбулизаторов .связано с определенными техническими . трудностями, создает дополнительный теп«тсприток в холодную зону и не всегда доет&точ Но эффективно. Делать расход хлад.агента большим, чем необходимо для за.холаживания сверхпроводящей системы, неэкономично..-Цель изобретения - уменьшение расхода хладагента, необходимого для захолаМвания тЬ-коввода. v Цель достигается тем, чтов известном .криогенном токовводе, содержащем токо. несущие трубки, подключаемые к охлаждающим каналам криостата сверхпроводящей системы, и сверхпро.водящие кабели, за1Крепле:нныена т.е плойой .контакт к ток.о;1Несуя1;им трубкам и подсоединяемые к конщам Обмотки сверхлро.водящей системы, .каждая из; то:конесуш,ихтрубок с закреп jiеннУм; наней .сверхпроводящим кабелем усташйлена внутри автономного сосуда с хладаг.ёнтом;так, что выступающие ;из со.суда конды трубки герметично соединены ;со ствн.ками сОС;уда. Находящиеся внутри сосуда учаетки трубок для улучшения условий. теплообмена быть выполнены ввйдез М€ёв ика. Между сосуд&МИ с хладагентом делесообразно установить электроиз6л.яцион.нь1ё йрокладки, так 1Ка;к .в случае йерё}(0да оверхпро.водящей системы в нормальное состояние корпуса «сосудов оказываются пЬдвысйким напряжением. . -. : Помещение всосуды с хладагентом тО-; конбсущих элементов токоввода делает .их охяажденйё оптимальным f и достаточным д;ляпере вода прикрёплен1НЬ1: к трубка-м кабелей в свё;рх,проводящее состояние. Аналогичные условия охлаждения ;токо;ввода, являющегося прототи1пом изобретения, дости; гались:тем,что количество хладагента, прокачиваемого ;по Охлаждающим .каиалам сверх.про.вОДя1цей системы,а затем по трубкам токоввода, делалось большим, чем ко;личество хладагента, требуемоё Для поддержания сильноточной системы в сверхпр01водящем состоянии,на величину, необЛходимую; для Охлажденйя токоввода: Условия теплообмена между трубками токовво да;и 6тх6дяш;имиз сверХПроводящей силь-; неточной системы xJiaiateirTOM значительно хуже условий теплообмена между трубка-1йИ,вйа:я;н.ны1Йи всосуды, .и хладагентом, которым эти сосуды заполнены. В результате .одхладагента на:охлаждение;предл.агаемой конструкции меньше .да хлад а-гёнта; необходимого Для охлаждения TQKO; вводавпрототипе. На чертеже схематически изображен пример вьшолнения предлагаемого токо;;Ввода- . ТОКОВВО.Д оодержитгыполненный из .нержавеющей стали Х18Н10Т корпус 1 с крышкой 2. Токонесуодие злеМёйть токоввода образованы медными трубками 3 диаметром 10 мм, на которых с помощью индиевого припоя на тепловой .контакт припаяны -сверхпроводящие кабели 4 ,метpovi 1,5 мм, изготовленные из ниобийтитанового сплава НТ-50. Каждая из трубок 3 установлена внутри автономных сосудов 5 с хладагентом - жидким гелием, так, что выступающие из сосудов концы трубок герметично соединены со стенкамисосудов. Находящаяся влутрн сосуда часть трубок 3 выполнена в виде зм еекика для ,раз1ВИтия поверхности теплообмена Заливка хладагента, в сосуды 5 осуществляется через трубы 6, укрепленные на крышк е 2 посредством фторапласто,вых изоляторов 7. Парьг хладагента «з сЬсудсив 5 отводятся по трубам 8, укрбплен;ным на крыщ1ке 2 посредством фторопластовых .изоляторов 9. Для вывода токб несущйх элементов наруясу они а.к- сиально размещаются и крег ятся . .BHytpiir ,Tpiy6 S, дополнительно охлаждаясь при этой йарами хлйдагентаТ вьгходяЩймииз сосудов 5. Трубы 6 ,и 8 .изготовлены из материа ла с малой теплопроводностью («ержавеющая ста.яь Х18Н10Т), чтобы уменьщить теплопрИток к сосу|да,м 5. С этой же целью в пространстве между корпусом 1 .и сосуда- ми 5 расположен охлаждаемый жидким азотом радиа.и;И0:Н1ый экран 10, изготавленный из, :меди и снабженный емкостью 1 Г, с ,заливНбй трубкой 12, по которой поступает жидкий азот. В зоне патрубка 13 для подсоединения корпуса 1 к .криостату сверх- проводящей системы Ток6.несущ.иё мёдные трубки 3 через д;иэлетрическую проставку 14стыкуются с охлаждающими жанала.ми 15.криостата сверхпроводящей систе.мы, а оверхпро;водящие кабели 4- с ее концевы- ми частями 16. Чтобы ;не допустить электрический пробой ..между сосудами 5, которые оказываются под высоким напряжениам в. момёнт контроли.руем6гЬ или неконтролируе.мого перехода сверх,про,водяЩей системы, в нор;мальноесостояние,-между сосудами 5 установлены фторопластовые прокладки 17 толщиной 3 мм. : /Для подготовки токоввода к работе в емкость 11 заливают жидкий азот. Затем начинают з а олажи.вание сверхл зОводягЦей системь. В результате чего отходящий из нее по каналам 15 х.71адагент осуществляет предварительное охлаждение токо.несу1Цйх элементов 3 токоззода. После этого в сосуды .ваюг жидкий хладагент, (гелий). В таком зиле токозвод готов к работе. .Поданный от внешнего .источника ток .идет по стенка.г токоггесущггм меднь:х трубок - -- . С Г , Т - V -fx3, переходит в сверхпроводящие кабели 4, откуда попадает на концевые части 16 оверх1Проводящей системы. Как показали эксперименты на сверхпроводящей магнитной ловущке «Кристалл2 с токо.вводом-1прототи1пом, бхла.ждаемьш только отходящи/м из магнитной системы ; хладаге тб г; гелия, обусловленный теплонрйтокомпо такому тОковвбДу, сЪставляет при .рабочем токе - 600 А величину 6,0 л/час на О.ДИН токонесущий элемент. В предлагаемом ЧоковвоДё расход хладаген-;. та определяется двумя основнымифакторам;и: теплопритОжом по токонесущим медным трубкам (вместе с джоулевыми тепловыделениями) и теплопереносом излучением с радиа:цион шо экрана на сосуды с жидким гелнем. Расчеты показывают, что первый фактор при токе в 600 А вызывает расход хладагента 1,7 л/ч на один токанесущий элемент, авторой - 1,3 л/ч Следовательно, йсгг6лй Й1вШйё ГпрёХЭ1агаЩ1:то требует расхода хладагента 3 л.ч на один токонесущий элемент. Та.кимобразом, эконо-.: мия жидкого гелия, от использования пред- латаемого токбввода составляет 3 л/ч на .1саждыйток:оиесущий элемент. ,..;; Ф о р .мул а и 3 о б ре т е н и я Криогенный ТОКОВ.ВОД для сверхпроводящнх сильноточных систем, со1Дбржащий токонесущие труб1ки, подключаемые к охлаждающим каналам криостата оверхпроводящей системы, .и сверхироводящйе кабели, прикрёгглённые на тепло вомконтакте к токонесущим трубкам и подсоединяемые к концам обмотки свер.проводящей системы, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью уменьщения расхода хладагента на охлаждение токоввода, каждая .из токонесущих трубок с.закрепленным на ней сверхпроводящи.м кабелем установ.лена внутри авто«омного сосуда с хладагентом так, что вь1ступающие из сосуда концы трубки герметично соединены со стенка.ми сосуда. .. . : Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:. . .,- 1. .Буянов Ю. П. и др. Токовые вводы для кр.иогённы.х устройств. ПТЭ, 1974, № 4,с; 10. . . -- :- -... -п - 2. Отчет НИР ХФТИ АН УССР Хо 78.067Г «Соору/кенгге и исследование замкнутой сверхпроводящей магнитной ловушки «Крпсталл-2 с дивертором, Харьков, 1978 Споотот:- :). fi-xa i :, - - , ШййГ.-, ,7, : .кг-