Криогенный токоввод Советский патент 1982 года по МПК H01L39/02 

(54) КРИОГЕННЫЙ ТОКОВВОД

Изобретение относится к криогенной электротехнике и может быть использовано для подведения токов большой величины к физическим и технологическим установкам с циркуляционной системой охлаж- S дения сверхпроводящих, носителей тока.

Известно криогенное токоподводящее устройство, представляющее собой, токонесущие трубки с припаянными к ним на тепловой контакт СБерхйроводя1Щими кабе- Ю лями, подсоединяемыми к концевым частям обмотки сверхпроводящей системы 1. Токонесущие трубки через диэлектрические проставки подключены к охлаждающим каналам, по которым хладагент вывр- 18 дится после охлаждения им системы, и являются продолжением этих каналов. К наружным концам токонесущих трубок подводится ток от внешнего источника.

При использовании этой конструкции 20 увеличивается, расход хладагента, необходимого для захолаживания токоввода, вследствие того, что условия теплоотдачи в охлаждающих каналах сверхпроводящей системы и в подключенных к ним токоне- 25 сущих трубках токоввода не одинаковы. По охлаждающим каналам системы проходит жидкий хладагент, а токонесущие трубки охлаждаются парожидкостиой смесью с преимущественным (до 95-98%) содер- 30

жанием пара. Турбулентность потока в охлаждающем канале существенно выще, чем в токонесущей трубке из-за существенных различий между ними в длине, диаметре и конфигурации поперечного сечения.

В результате коэффициент теплоотдачи в токонесущих трубках токоввода значительно ниже, чем в охлаждающих каналах сверхпроводящей системы. Кроме того, наличие диэлектрических проставок между токонесущими трубками токоввода и охлаждающими каиалами системы приводит к понижению надежности и долговечности такого токоввода, в особенности при работе его в условиях повыщенной вибрации, что наблюдается, например, при использовании его для подведения тока к обмоткам мощных сверхпроводящих электрических мащин.

Основными требованиями к токовводам, применяемым в современных физико-технических установках, использующих сильноточную сверхпроводимость (например установки термоядерного синтеза, сверхпроводящие электрические мащины и магниты и т. п.), являются минимизация теплопритока в холодную зону для снижения расхода хладагента и высокая надежность в условиях многократно повторяемых циклов захолаживание - отогрев, ведущих к возникновению термомеханических напряжений в местах соединения материалов, различающихся коэффициентом термического расширения, а также в условиях возможных внешних механических воздействий типа вибрации,толчков, ударов.

Известен также криогенный токоввод для сверхпроводящих сильноточных систем, содержащий вакуумную камер у с размещенным в ней охлаждаемым радиационным экраном и крышкой с патрубками подачи хладагента и отвода его паров из расположенных в радиационном экране автономных сосудов, в каждом из которых установлена проходящая через крышку и днище сосуда и герметично соединенная с ними такоподводящая трубка с закрепленным на тепловой контакт с нею сверхпроводящим кабелем, соединенным с обмоткой сильноточной системы 2.

Помещение в сосуды с хладагентом токоподводящих трубок делает их охлаждение оптимальным, т. е. позволяет снизить расход Х|Ладагента и является достаточным для перевода прикрепленных к трубкам кабелей в сверхпроводящее состояние. Однако такой токоввод имеет недостаточную надежность в условиях длительной эксплуатации при значительных уровнях внешних механических воздействий вследствие использования мягкого припоя (например ПОС-30) для герметичного соединения днища автономного сосуда с токонесущей тру1бкой и навитым на нее сверхпроводящим кабелем.

Способы герметичного вакуумного соединения, обладающие более высокими прочностными характеристиками (пайка на твердый припой, сварка), неприемлемы изза недопустимости перегрева сверхпроводящего кабеля. Термоциклирование, т. е. многократно повторяемые захолаживание и отогрев, а также длительные механические воздействия на узел, образованный несколькими деталями, которые выполнены из материалов с различными значениями температурного коэффициента линейного расширения и жестко соединены мягким припоем, приводит к механическому разрушению припоя, образованию трещин - к нарушению герметичности соединения. Разгерметизация же сосуда с хладагентом ведет к утрате работоспособности не только токоБВОдом, но и сверхпроводящей сильноточной системой из-за срыва вакуума в них.

Целью изобретения является повышение надежности герметизации токоввода при термоциклировании и механических воздействиях.

Цель достигается тем, что криогенный токоввод для сверхпроводящих сильноточных систем, содержащий вакуумную камеру с размещенным в ней охлаждаемым радиационным экраном и крышкой с патрубками подачи хладагента и отвода его паров из расположенных в радиационном экране автономных сосудов, в каждом из которых установлена проходящая через крышку и днище сосуда и герметично соединенная с ними токоподводящая трубка с закрепленным на тепловой контакт с нею сверхпроводящим кабелем, соединенным с обмоткой сильноточной системы, снабжён каналом охлаждения, связанным с выходом паров хладагента криостата сильноточной системы и соединенным на тепловой контакт с радиационным экраном, токоподводящие трубки герметично соединены с крышками и днищами автономных сосудов посредством сварки, а каждый кабель размещен со стороны днища сосуда внутри своей токоподводящей трубки, противоположный конец которой расположен над крышкой вакуумной камеры в патрубке отвода паров хладагента и заглушен, причем кабели по всей длине до входа в трубки уложены через слои диэлектрика на поверхности канала охлаждения.

Канал охлаждения не имеет электрического контакта с токонесущими частями (токоподводящими трубками, автономными бачками и сверхпроводящими кабелями) токоввода. В результате отпадает необходимость в установке диэлектрической проставки при подключении трубки к выходу охлаждающих каналов криостата сверхпроводящей системы.

Ввод сверхпроводящего кабеля в токонесущую трубку через ее открытый конец, выступающий из днища автономного сосуда, осуществляется уже после того, как сама токонесущая трубка герметично соединена с автономным сосудом. В результате появляется возможность это герметичное соединение делать не паяным на мягкий припой, а сварным, что повышает надежность самого соединения, а значит и всего токоввода.

На чертеже схематически изображен предлагаемый токоввод. Он содержит выполненную из нержавеющей стали камеру 1 с крышкой 2. Токонесущие элементы токоввода образованы медными токоподводящими трубками 3, герметично посредством сварки установленными в автономные сосуды 4, заполняемые хладагентом (жидким гелием) через патрубки 5. Конец трубки 3, выступающий из крышки камеры, заглущен и размещен в патрубке б, по которому пары хладагента выводятся из автономного сосуда, дополнительно при этом охлаждая трубку За той ее части, где она не погружена в жидкий хладагент. Через открытый конец трубки, выступающий нз днища автономного сосуда 4, в нее введен и укреплен на тепловой контакт сверхпроводящий кабель 7, подсоединенный к концу обмотки сверхпроводящей сильноточной системы. Он уложен через электрическую изоляцию 8 на медный канал 9 охлаждения, подключенный без диэлектрической проставки к выходу охлаждающих каналов криостата сверхпроводящей системы. Канал 9 в камере 1 токоввода образует змеевик, окружающий автономные бачки, а затем через крышку 2 выходит наружу. К змеевику на тепловой контакт прикреплен радиационный экран ilO, необходимый для уменьшения потерь хладагента в автономных бачках, обусловленных радиационным теплопереносом на них с теплых стенок камеры. Патрубки 5 и 6, имеющие электрический контакт с токонесущими частями токоввода, укреплены в крьгапже 2 через изоляторы 11.

Для подготовки предлагаемого токоввода к работе осуществляют его предварительное охлаждение парами хладагента, выходящими по каналу 9 охлаждения из криостата сверхпроводящей системы. После этого в автономные сосуды 4 заливают хладагент-жидкий гелий. В таком виде токоввод готов к работе. Поданный от внешнего источника ток идет по стенкам токоподводящих трубок 3, переходит в сверхпроводящие кабели 7, откуда попадает на концы обмотки сверхпроводящей системы.

Надежность предлагаемого токоввода повышается не только от повышения прочности герметичных соединений токоподводящих трубок с автономными сосудами, но и оттого, что устраняется необходимость в диэлектрической проставке между охлаждающими каналами криостата сверхпроводящей системы и каналом, выводящим пары хладагента из криостата, так как эта проставка тоже подвержена разрушению в условиях механи1чеоких воздействий на токоввод. Кроме того, в результате охлаждения радиационного экрана парами хладагента, выходящего из сверхпроводящей системы, отпадает необходимость в сцедиальной системе охлаждения радиационного экрана жидким азотом. Радиационный экран охлаждается до температур существенно более низких, чем температура кипения жидкого азота, что приводит к уменьшению теплопереноса издученнем на автономные .бачки и соответственно к уменьшению в них расхода хладагента.

U

Формула изобретения

Криогенный токоввод для сверхпроводящих сильноточных систем, содержащий Ю вакуумную камеру с размещенным в ней охлаждаемым радиационным экраном и крышкой с патрубками подачи хладагента и отвода его паров из расположенных в радиационном экране автономных сосудов,

5 в каждом нз которых установлена проходящая через крыщку и днище сосуда и герметично соединенная с ними токоподводящая трубка с закрепленным на тепловой контакт с нею сверхпроводящим кабелем,

0 соединенным с обмоткой сильноточной системы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности герметизации токоввода при термоциклировании и механических воздействиях, он снабжен каналом охлаждения, связанным с выходом паров хладагента криостата сильноточной системы и соединенным на тепловой контакт с радиационным экраном, токоподводящие трубки герметично соединены с

0 крыщками и днищами автономных сосудов посредством сварки, а каждый кабель размещен со стороны днища сосуда внутри своей токоподводящей трубки, противоположный конец которой расположен над

5 крыщкой вакуумной камеры в патрубке отвода паров хладагента и заглушен, причем кабели по всей длине до входа в трубки уложены через слои днаэлектрика на

поверхности канала охлаждения. 0 ,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Отчет по НИР ХФТИ АН УССР № 78067, Харьков, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР № 745319, кл. Н 01 L 39/02, 1978 (прототип).