ОПОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ КОНТУР КРИОГЕННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
SUPPORT ELEMENT, CORRESPONDING CRYOGENIC FLUID CIRCUIT AND CORRESPONDING METHOD

Настоящее изобретение относится к опорному элементу для контура криогенной текучей среды, а также контуру и способу, включающим такой опорный элемент.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к опорному элементу для контура криогенной текучей среды, включающему множество отверстий, предназначенных для пропускания соответствующих труб для перемещения криогенной текучей среды, причем вышеупомянутый опорный элемент включает, по меньшей мере, один тепловой путь, образованный между двумя соседними отверстиями, причем тепловой путь включает слепой канал, образованный между двумя соседними отверстиями, причем канал ограничивается двумя расположенными на расстоянии друг от друга стенками, причем каждая стенка проходит между двумя концами в продольном направлении, перпендикулярном плоскости отверстий, причем первые концы стенок присоединяются к двум соседним отверстиям, соответственно, вторые концы двух стенок соединяются друг с другом посредством концевой стенки.
Чтобы впускать газ или жидкость в криогенные контуры и выпускать их, существует известная практика использования тепловых путей (также называемых термином ʺтепловые барьерыʺ).
Эти механические устройства образуют путь механического соединения между двумя механически соединенными точками, которые находятся при различных температурах. В этих тепловых путях используются сварные трубы, которые поддерживают промежутки между двумя точками, подлежащими механическому соединению.
Когда контур включает несколько труб, имеющих различные температуры, оказывается необходимым, чтобы отдельные выпуски присутствовали в таком же количестве, как тепловые пути. Для этого требуется изготовление многочисленных отверстий в соответствующих перегородках. Механическая прочность конструкции при этом ухудшается. Это объясняется тем, что сопротивление изгибающему моменту одного или нескольких тепловых путей является относительно низким.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить все или некоторые из недостатков предшествующего уровня техники, которые упоминаются выше.
Для этой цели опорный элемент согласно настоящему изобретению, который в остальном находится в соответствии с общим определением, приведенным выше в вводной части, отличается, в основном, тем, что он включает первый набор отверстий окруженный первым тепловым путем и второй набор отверстий, причем первый тепловой путь располагается между первым набором отверстий и вторым набором отверстий, т. е. к первому тепловому пути термически и механически присоединяются все отверстий первого набора отверстий, с одной стороны, и все отверстий второго набора отверстий, с другой стороны.
Такая конструкция позволяет группировать трубы (соответствующие отверстия) на одном и том же опорном элементе, образуя группы, имеющие близкие температуры, и при этом уменьшая число тепловых путей. Эта конструкция также делает возможным уменьшение числа отверстий по сравнению с конструкциями предшествующего уровня техники, а также увеличение механической прочности сборки.
Кроме того, данная конструкция является менее дорогостоящей в производстве и менее громоздкой. Эта конструкция также делает возможным ограничение тепловых потерь по сравнению с конструкциями предшествующего уровня техники.
Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут включать один или несколько из следующих отличительных признаков:
- опорный элемент включает второй тепловой путь, причем второй тепловой путь располагается между вторым набором отверстий и периферической границей опорного элемента, причем ко второму тепловому пути термически и механически присоединяются все отверстия второго набора отверстий, с одной стороны, и периферическая граница опорного элемента, с другой стороны,
- второй тепловой путь представляет собой единственный тепловой путь, расположенный между вторым набором отверстий и периферической границей опорного элемента,
- первый тепловой путь представляет собой единственный тепловой путь, расположенный между первым набором отверстий и вторым набором отверстий,
- первый набор отверстий включает отверстия, число которых составляет от 2 до 10, и второй набор отверстий включает отверстия, число которых составляет от 2 до 10,
- две расположенные на расстоянии друг от друга стенки каждого теплового пути, которые проходят в продольном направлении, являются цилиндрическими,
- опорный элемент включает отверстие, предназначенное для сообщения объемов, расположенных на каждой стороне опорного элемента,
- опорный элемент включает или состоит, по меньшей мере, из одного материала, в качестве которого выбираются нержавеющая сталь, металлический сплав никеля и хрома или сверхпрочный сплав, т. е. сплав, продаваемый под товарным наименованием Inconel (инконель),
- по меньшей мере, часть периферической границы опорного элемента прикрепляется к рукаву или кольцу, образующему устройство сопряжения для установки опорного элемента на конструкционный элемент, причем вышеупомянутый опорный элемент помещается, по меньшей мере, частично в вышеупомянутом кольце.
Настоящее изобретение также предлагает контур криогенной текучей среды, включающий множество труб для перемещения одной или нескольких криогенных текучих сред при заданных соответствующих температурах, причем вышеупомянутые трубы проходят через соответствующие отверстия опорного элемента, причем опорный элемент находится в соответствии с каким-либо из отличительных признаков, приведенных выше или ниже.
Согласно другим возможным отличительным признакам:
- трубы, проходящие через отверстия первого набора отверстий, предназначаются для перемещения криогенных текучих сред при температурах, которые являются относительно ниже, чем температуры криогенных текучих сред, предназначенных для перемещения по трубам, проходящим через отверстия второго набора отверстий,
- трубы, проходящие через отверстия первого набора отверстий, предназначаются для перемещения криогенных текучих сред при близких температурах, другими словами, для которых разность температур составляет от 0 до 50 K, и предпочтительно при температурах от 2 до 10 K.
- трубы, проходящие через отверстия второго набора отверстий, предназначаются для перемещения криогенные текучих сред при близких температурах, другими словами, для которых разность температур составляет от 0 до 200 K, и предпочтительно при температурах от 80 до 110 K,
- трубы для перемещения текучих сред находятся в вакууме в объеме, ограниченном наружным корпусом, причем опорный элемент располагается в поперечном направлении в вакууме в объеме, и трубы прикрепляются к вышеупомянутому опорному элементу,
- опорный элемент прикрепляется к перегородке, которая разделяет два объема, находящиеся при одинаковых или различных давлениях, в частности, к перегородке холодильного блока или блока распределения криогенной текучей среды.
Настоящее изобретение также предлагает способ удерживания множества криогенных труб, проходящих через перегородку, посредством опорного элемента, включающего отверстия, предназначенные для пропускания соответствующих труб, причем способ включает стадию группировки первого набора труб, по которому перемещаются текучие среды при первых температурах, у первого набора соответствующих отверстий опорного элемента, и стадию группировки второго набора труб, по которому перемещаются текучие среды при вторых температурах, у второго набора соответствующих отверстий опорного элемента, причем первый тепловой путь располагается между первым и вторым наборами отверстий опорного элемента (1), и второй общий тепловой путь располагается вокруг второго набора отверстий (2) опорного элемента, причем первые температуры составляют менее чем вторые температуры.
Настоящее изобретение может также относиться к любому альтернативному способу или устройству, включающему любое сочетание отличительных признаков, представленных выше или ниже.
Дополнительные отличительные признаки и преимущества становятся очевидными при ознакомлении со следующим описанием, в котором содержатся ссылки на чертежи, в числе которых:
- фиг. 1 представляет схематический и частичный перспективный вид сверху опорного элемента согласно примерному варианту осуществления, расположенного в перегородке или контуре криогенной текучей среды,
- фиг. 2 представляет изображение продольного сечения вдоль линии AA опорного элемента на фиг. 1,
- фиг. 3 представляет перспективное изображение продольного сечения вдоль линии AA опорного элемента на фиг. 1,
- фиг. 4 представляет перспективное, схематическое и частичное изображение примерного использования опорного элемента согласно настоящему изобретению в контуре, включающем несколько криогенных труб, изолированных в вакууме.
Опорный элемент 1 на фиг. 1 устанавливается, например, в перегородке 13, которая разделяет два отдельных объема, имеющих температуры и давления, которые могут быть различными или одинаковыми.
Перегородка 13 может представлять собой, например, перегородку холодильного блока или блока распределения криогенной текучей среды холодильника и/или ожижителя, или какого-либо другого соответствующего устройства.
Опорный элемент 1 для контура криогенной текучей среды, представленный на фиг. 1-3, включает множество отверстий 2, 3, каждое из которых предназначается для пропускания соответствующей трубы для перемещения криогенной текучей среды (см. фиг. 4). Отверстия 2, 3 предпочтительно располагаются в одной и той же плоскости или в параллельных плоскостях.
Более конкретно, опорный элемент 1 включает первый набор центральных отверстий 2, окруженный первым тепловым путем 5, и второй набор периферических отверстий 3, расположенный между первым тепловым путем 5 и вторым тепловым путем 4.
Второй тепловой путь 4 располагается вокруг второго набора отверстий 3, между вторым набором отверстий 3 и (например, круглой) периферической границей опорного элемента 1. Определения ʺпервыйʺ и ʺвторойʺ не подразумевают хронологический порядок переноса тепла или холода. Определения ʺпервыйʺ и ʺвторойʺ для обозначения тепловых путей 5 и 4 выбраны условно в соответствии с их концентрической последовательностью (в радиальном направлении от центра к периферии опорного элемента 1 в плоскости отверстий 2, 3).
Первый тепловой путь 5 является общим для всех центральных отверстий 2 первого набора отверстий 2 и для всех отверстий 3 второго набора отверстий 3. Это означает, что два конца первого теплового пути 5 механически и термически присоединяются к первому набору отверстий 2 и ко второму набор отверстий 3, соответственно. ʺМеханическое соединениеʺ означает, например, что тепловой путь механически присоединяется (непосредственно, например, с помощью сварки) к части листа металла, в которой изготовлены рассматриваемые отверстия 2, 3. ʺТермическое соединениеʺ означает, например, что является возможным непосредственный теплоперенос между тепловым путем и частью материала, в которой изготовлены рассматриваемые отверстия 2, 3.
Аналогичным образом, второй тепловой путь 4 является общим для всех отверстий 3 второго набора отверстий 3. Это означает, что два конца второго теплового пути 4 механически и термически присоединяются ко второму набору отверстий 3 и к периферической границе опорного элемента 1, соответственно.
Это означает, что теплообмен посредством теплопроводности между каким-либо из первых (центральных) отверстий 2 и каким-либо из вторых (периферических) отверстий 3 обязательно проходит только через первый тепловой путь 5 (единственный тепловой путь между этими двумя наборами). Аналогичным образом, теплообмен посредством теплопроводности между каким-либо из вторых периферийных отверстий 3 и наружной поверхностью (периферией) опорного элемента 1 обязательно проходит только через второй тепловой путь 4 (единственный тепловой путь между этими двумя элементами).
Кроме того, теплообмен между каким-либо из первых отверстий 2 и наружной поверхностью (периферией) опорного элемента 1 обязательно проходит через первый тепловой путь 5 и второй тепловой путь 4.
Как можно видеть на фиг. 2 и 3, каждый тепловой путь 4, 5, образованный между двумя элементами, включает слепой канал, который ограничивается двумя параллельными расположенными на расстоянии друг от друга стенками 14, 24; 15, 25 и концевая стенка 34, 35.
Две расположенные на расстоянии друг от друга стенки 14, 24; 15, 25 одного и того же теплового пути проходят между двумя продольными конца концами перпендикулярно одной или двум плоскостям отверстий 2, 3. Например, для первого теплового пути 5, первые расположенные выше по потоку концы (направленные вверх на фиг. 1-3) двух расположенных на расстоянии друг от друга стенок 15, 25, соответственно присоединяются к двум соседним наборам отверстий 2, 3. Более конкретно, первые расположенные выше по потоку концы стенок 15, 25 могут присоединяться, соответственно, к двум пластинам материала (например, листам металла), которые включают первый и второй набор отверстий 2, 3, соответственно.
Вторые расположенные ниже по потоку концы (направленные вниз на фиг. 1-3) двух стенок 15, 24 соединяются друг с другом посредством поперечной концевой стенки 35.
Для второго теплового пути 4 первые расположенный выше по потоку концы (направленные вверх на фиг. 1-3) двух расположенных на расстоянии друг от друга стенок 14, 24 присоединяются к периферии опорного элемента и ко второму набору отверстий 3 (например, аналогичным образом, посредством пластины), соответственно.
Как проиллюстрировано в примере на фиг. 2, первый расположенный выше по потоку конец продольной стенки 14, расположенный на периферии, может присоединяться (например, с помощью сварки) к рукаву или наружному кольцу 16, окружающему опорный элемент. Это кольцо 16 (предпочтительно изготовленное из материала такого же типа, как опорный элемент) может придавать жесткость опорному элементу и может служить, в частности, в качестве устройства сопряжения для установки на конструкцию контура.
Вторые расположенные ниже по потоку концы (направленные вниз на фиг. 1-3) двух стенок 14, 24 соединяются друг с другом посредством поперечной концевой стенки 34.
Пары расположенных на расстоянии друг от друга стенок 14, 24; 15, 25 предпочтительно являются цилиндрическими и концентрическими. Поперечное расстояние между двумя стенками составляет, например, от 7 до 50 мм.
Опорный элемент 1 и его различные плиты и тепловые пути 4, 5 могут быть изготовлены из сварной нержавеющей стали или любого другого металлического материала или аналогичного материала, который является совместимым с криогенными температурами.
Предпочтительным и преимущественным образом, первый набор отверстий 2 предназначается для пропускания труб, по которым перемещаются одна или несколько относительно более холодных текучих сред при близких температурах. Например, разность температур между текучими средами, проходящими по трубам через различные первые отверстия 2, составляет от 0 до 50 K. Например, через первые отверстия 2 проходят трубы для текучих сред, имеющих температуры от 3  до 10 K.
Второй набор отверстий 3 может, со своей стороны, предназначаться для пропускания труб, по которым перемещается относительно более теплая текучая среда (по сравнению с первыми отверстиями 2). Например, разность температур между текучими средами, проходящими по трубам через различные вторые отверстия 3, составляет от 0 до 200 K. Например, через вторые отверстия 3 проходят трубы для текучих сред, у которых температуры составляют от 80 до 100 K.
Согласно предлагаемому решению, наиболее холодные трубы могут группироваться у центра опорного элемента 1 (первые отверстия 2), в то время как относительно более теплые трубы располагаются вокруг этого центра (вторые отверстия).
Таким образом, общий выпуск предназначается в опорном элементе 1 для всех текучих сред в группировке с близкими температурами. Каждая периферическая труба или трубка (второй набор отверстий 3) изолируется тепловым путем 4 (длинный путь для выравнивания температур), который может привариваться к опорной плите, где сгруппированы трубы, имеющие близкие температуры. Эта периферическая промежуточная плита сама устанавливается на тепловой путь 5, который соединяет ее с центральной соседней плитой, служащей опорой для труб с различными температурами (первый набор отверстий 2).
Первый набор отверстий 2 может включать отверстия 2, число которых составляет от 2 до 10 (например, 5 в примере на фиг. 1). Аналогичным образом, второй набор отверстий 3 включает отверстия 3, число которых составляет от 2 до 6 (например, 2 в примере на фиг. 1).
Как проиллюстрировано на фиг. 1, отверстие 11 может быть изготовлено в плите, где собирается второй набор отверстий 3. Это отверстие 11 не предназначается, чтобы принимать трубу для текучей среды, но может предназначаться, чтобы обеспечивать сообщение между объемами, расположенными на каждой стороне опорного элемента.
Как проиллюстрировано на фиг. 4, опорный элемент 1 может использоваться в криогенном контуре из одной или нескольких труб, изолированных в вакууме.
Опорный элемент 1, например, помещается в вакууме в объеме, который ограничивается наружным корпусом 12. Множество труб 6, 7, 8, 9, 10 для перемещения текучих сред помещаются в вакууме в объеме и присоединяются (предпочтительно жестко) к опорному элементу 1. Опорный элемент 1 располагается в поперечном направлении в вакууме в объеме и образует точку фиксации для труб 6, 7, 8, 9, 10.
Хотя опорный элемент 1 согласно настоящему изобретению имеет простую конструкцию и является дешевым, он делает возможным эффективное создание теплового пути между частями контура, имеющими различные температуры, таким образом, чтобы производить в меньшей степени неблагоприятное воздействие на температуры перемещаемых текучих сред. Кроме того, расположение труб согласно их температуре делает возможным помещение холодных труб, у которых температуры составляют от 300 до 80 K) между горячей периферией (например, при 300 K) опорного элемента, с одной стороны, и более холодными трубами первых отверстий 2, у которых температуры составляют, например, от 80 до 3 K.
Трубы, проходящие через вторые отверстия 3, могут, в частности, использоваться, чтобы ʺтермализоватьʺ, т. е. передавать холод системе между горячей периферической частью и более холодной центральной частью. Это делает возможным улучшение обеспечения температуры более холодных труб, проходящих через первые отверстия 2.
Конструкции, описанные выше, делают возможным, в частности, уменьшение тепловых потерь по сравнению с конструкциями предшествующего уровня техники.
Данная конструкция делает возможным создание температурной карты, на которой наиболее холодные трубы находятся в центре, а наиболее теплые трубы смещены в сторону периферии устройства. Это делает возможным создание температурного градиента, который сокращает до минимума неблагоприятные воздействия для различных контуров.
Кроме того, устройство, имеющее такую конструкцию, проявляет более высокую механическая прочность, в частности, более высокое сопротивление по отношению к аксиальным силам и к изгибающему моменту. Это обусловлено, в частности, за счет увеличения инертности оболочек (труб) тепловых путей 4, 5. Для такой конструкции требуется меньшее число отверстий в корпусе или наружной перегородке. Заявленная конструкция также делает возможным уменьшение стоимости изготовления устройства.
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается примером, который описывается выше. Например, оказывается возможным изготовление трех или более чем трех наборов отверстий, где два соседних наборы отделяются одним или несколькими общими тепловыми пути ми.
Аналогичным образом, концентрическое распределение различных труб в отверстиях может быть модифицировано по мере необходимости в группах, имеющих близкие температуры.