СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ ВРАЩАЮЩАЯСЯ МАШИНА, ИМЕЮЩАЯ ОХЛАДИТЕЛЬ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ОБМОТКИ РОТОРА
SUPERCONDUCTIVE ROTATING MACHINE WITH COOLER FOR SUPERCONDUCTIVE ROTOR WINDING

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, а конкретнее к вращающимся машинам со сверхпроводящей обмоткой ротора.
С 1987 года стали известны металло-сверхпроводящие материалы, имеющие критическую температуру более 77 K. Эти материалы называют высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП).
Существует проблема охлаждения до криогенных температур вращающейся сверхпроводящей обмотки ротора электрической машины. Для такого охлаждения необходимо отобрать тепло от вращающейся сверхпроводящей обмотки ротора и передать тепло к криогенному охлаждающему устройству.
В настоящее время охлаждение вращающейся сверхпроводящей обмотки ротора осуществляются конвективным теплообменом с помощью криогенного хладагента, который циркулирует между вращающейся охлаждающей оправой ротора, на которой намотана сверхпроводящая обмотка, и неподвижным криогенным охлаждающим устройством. Конвективный теплообмен осуществляется с помощью криогенного хладагента (сжиженный газ, например неон или газ с криогенной температурой), который циркулирует между вращающимся ротором со сверхпроводящей обмоткой и неподвижным криогенным охлаждающим устройством.
Из существующего уровня техники известны устройства, описанные в следующих патентах №JP 2010178486, JP 2010093886, JP 2008301665, US 20110062806, US 2005/0088048, US 2010/0148601, в которых используется принцип конвективного теплообмена с помощью криогенного хладагента (газ с криогенной температурой или сжиженный газ), циркулирующего между вращающимся ротором и неподвижным криогенным охладителем.
Устройство «Machine device having superconducting winding and thermosiphon cooling of winding» (Механическое устройство, имеющее сверхпроводящую обмотку и термосифонное охлаждение этой обмотки) по патенту №US 2005/0088048 А1, МПК Н02K 9/00, опубл. 28.04.2005 г., которое состоит из механического устройства 2 и связанного с ним криогенного охлаждающего устройства с охлаждающей головкой 16 (здесь приводятся номера позиций согласно описанию этого патента). Механическое устройство 2 имеет фиксированный внешний корпус 3, имеющий комнатную температуру, обмотки статора 4, ротор 5, окруженный обмоткой статора 4 и установленный на подшипниках 6, на которых он может вращаться. Часть вала 5а ротора имеет прочность, достаточную для передачи крутящего момента, например, от турбины к ротору или от ротора к силовому агрегату.
Противоположный конец вала 5b ротора предназначен для потока криогенного хладагента, который проходит по коаксиально расположенным трубам 20 - подается по внутренней и отводится по внешней трубе. Хладагент омывает внутреннюю поверхность 12 ротора 5, тем самым обеспечивая необходимое охлаждение сверхпроводящей обмотки 10 через теплопроводящие части ротора 5. Особо необходимо отметить, что труба 20, проводящая криогенный хладагент между охлаждающей головкой 16 и ротором 5, не вращается. Для герметизации зазора между вращающимся валом 5b ротора и неподвижной трубой 20 имеется уплотнительное устройство 21, например, в виде ферромагнитной жидкости.
Недостатками данного технического решения являются:
1. Наличие труб для циркуляции криогенного хладагента между неподвижным криогенным охлаждающим устройством и вращающимся ротором ведет к тепловым потерям;
2. Необходимость развитой внутренней поверхности ротора для организации эффективного конвективного теплообмена между хладагентом и внутренней поверхностью ротора со сверхпроводящей обмоткой, что усложняет конструкцию;
3. Уплотнительное устройство между вращающимся валом и неподвижной трубой с криогенным хладагентом, которое должно работать при высоком вакууме и очень низкой температуре, является уязвимым и ненадежным.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство «Superconducting rotating machine having cooler for rotator» (Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охлаждаемый ротор) по патенту №US 2010/0148601 A1, МПК Н02K 9/20, опубл. 17.06.2010 г.
Сверхпроводящая вращающаяся машина включает в себя ротор 110 и статор 120, окружающий ротор 110 и отделенный от него на заданный зазор. Сверхпроводящая вращающаяся машина оснащена охладителем 140 охлаждения ротора 110. Ротор 110 соединен с блоком передачи крутящего момента 130 с заданной формой. Устройство передачи крутящего момента 130 может находиться под вакуумом. На ротор 110 намотана сверхпроводящая катушка 112, чтобы вызвать сильное электрическое поле, и устройство передачи крутящего момента 130 передает вращающую силу от сверхпроводящей катушки 112 в наружное пространство.
Охладитель 140 включает в себя охлаждающую головку 142, присоединенную к ротору 110, который имеет сверхпроводящую обмотку 112, компрессор 146, соединенный с охлаждающей головкой 142 и подающую трубу 144, позволяющую криогенному хладагенту циркулировать между охлаждающей головкой 142 и компрессором 146. Для эффективного охлаждения, охлаждающая головка 142 охладителя 140 непосредственно прикреплена к ротору 110, являющегося источником тепла. Охлаждающая головка 142 присоединена к охлаждающей оправе 125, окружающей ротор 110, так что она может охлаждать ротор 110 на принципе теплопроводности. Для охлаждения сверхпроводящей катушки 112 до температуры, близкой к температуре охлаждающей головки 142 охладителя 140, охлаждающая оправа 125 может быть сформирована из высокотеплопроводного материала, такого как медь.
Недостатком вышеперечисленных решений является наличие криогенного хладагента, что требует дополнительных уплотнительных и соединительных устройств, что вызывает усложнение конструкции, а следовательно повышение стоимости и снижение надежности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции, снижение стоимости и повышение надежности работы вращающейся сверхпроводящей машины.
Данная задача решается за счет того, что в сверхпроводящей вращающейся машине с охладителем для сверхпроводящей обмотки ротора, имеющей ротор со сверхпроводящей обмоткой, контактирующей с охлаждающей оправой ротора, статор, окружающий ротор и отделенный от него на заданный зазор, корпус, изолирующий сверхпроводящую вращающуюся машину от внешней среды, на котором закреплен неподвижный криогенный охладитель отделенный от ротора также на заданный зазор, характеризующаяся тем, что передача тепла от сверхпроводящей обмотки ротора к неподвижному криогенному охладителю осуществляется в разреженной среде (вакууме) путем теплового электромагнитного излучения в соответствии с законом Стефана-Больцмана о теплообмене излучением между двумя телами, разделенными прозрачной средой.
На охлаждающей оправе, охватывающей ротор и выполненной из высокотеплопроводного металла, например, меди могут быть закреплены два или более вращающихся теплоизлучающих элементов в форме дисков, а между ними могут быть установлены с зазором один или несколько неподвижных охлаждающих элементов криогенного охладителя, причем вращающиеся и неподвижные теплообменные элементы могут иметь излучающие свойства близкие к свойству «абсолютно черного тела».
Вращающиеся теплоизлучающие элементы могут быть в виде двух или более тонкостенных цилиндров, расположенных коаксиально, между которыми коаксиально установлены с зазором один или более неподвижных охлаждающих элементов криогенного охладителя также в форме тонкостенных цилиндров.
Вращающиеся и неподвижные теплообменные элементы могут иметь форму коаксиально расположенных тонкостенных конусов, вставленных друг в друга с зазором, причем каждая неподвижная коническая оболочка находится между двумя вращающимися коническими оболочками. Образующие конусов, как вращающихся, так и неподвижных теплообменных элементов, параллельны и могут иметь углы А при вершине от 10° до 179°.
Теплообменные элементы могут располагаться коаксиально на противоположных концах ротора.
Один из 2 валов ротора может располагаться внутри корпуса и не сообщаться с внешней средой.
Оба вала ротора могут располагаться внутри корпуса и не сообщаться с внешней средой, а снаружи корпуса может располагаться внешний вал, воспринимающий крутящий момент от ротора бесконтактным способом путем магнитного взаимодействия с одним из валов ротора, располагающихся внутри корпуса.
Оба вала ротора могут располагаться внутри корпуса и не сообщаться с внешней средой, а снаружи с противоположных сторон корпуса могут располагаться два внешних вала, воспринимающие крутящий момент от ротора бесконтактным способом путем магнитного взаимодействия с обоими валами ротора, располагающихся внутри корпуса.
Полость ротора со сверхпроводящей обмоткой и полость неподвижного криогенного охладителя могут быть изолированы от внешней среды и находиться под вакуумом, а их соединение может герметизироваться вращающимся уплотнением.
С помощью моего изобретения решение проблемы охлаждения сверхпроводящей обмотки, т.е. передачи тепла от сверхпроводящей обмотки с охлаждающей оправой, находящейся на вращающемся роторе, к неподвижному криогенному охлаждающему устройству, осуществлено путем теплового электромагнитного излучения между вращающейся оправой ротора со сверхпроводящей обмоткой и неподвижным криогенным охлаждающим устройством. Это позволило значительно упростить техническое решение проблемы охлаждения вращающейся сверхпроводящей обмотки, исключив из него криогенный хладагент и устройства, обеспечивающие его циркуляцию и, имеющиеся в вышеназванных аналогах и прототипе.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является значительное упрощение конструкции сверхпроводящей вращающейся машины, имеющей охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора, а именно исключение криогенного хладагента из конструкции охлаждения ротора и исключение элементов, обеспечивающих его циркуляцию и герметизацию от его утечек.
Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг.1 концептуально иллюстрируется «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора» продольный разрез.
На фиг.2 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами в форме дисков.
На фиг.3 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами в форме дисков на противоположных концах ротора.
На фиг.4 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами цилиндрической формы.
На фиг.5 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами цилиндрической формы на противоположных концах.
На фиг.6 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами конической формы.
На фиг.7 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», с теплообменными элементами конической формы на противоположных концах ротора.
На фиг.8 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», у которой отсутствуют вращающиеся уплотнения валов и имеется один внешний вал.
На фиг.9 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», у которой отсутствуют вращающиеся уплотнения валов и имеются два внешних вала.
На фиг.10 представлен вариант моего изобретения «Сверхпроводящая вращающаяся машина, имеющая охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора», где полость ротора со сверхпроводящей обмоткой и полость неподвижного криогенного охладителя изолированы от окружающей среды и находятся под вакуумом, а их соединение герметизируется вращающимся уплотнением.
3.5. Описание варианта воплощения моего изобретения в соответствии с фиг.1
-6
Сверхпроводящая вращающаяся машина включает ротор 1 и статор 2, окружающий ротор 2 и отделенный от него определенным зазором. Ротор 1 соединен с трансмиссией 6, которая передает крутящий момент от ротора 1 к валу 8, термоизолирует ротор 2 от вала 8 и герметизирует зазор между валом и корпусом 5, внутри которого поддерживается вакуум не менее 5×10 мм рт. ст. Ротор 1 имеет сверхпроводящую обмотку 3, создающую сильное электромагнитное поле, и передает вращающую силу от сверхпроводящей обмотки 3 через ротор 1 к трансмиссии 6. Охлаждающая оправа 4, имеющая термический контакт со сверхпроводящей обмоткой 3, отбирает тепло от сверхпроводящей обмотки 3 и передает его путем теплового электромагнитного излучения через зазор А к неподвижному криогенному охладителю 10. Для эффективного охлаждения сверхпроводящей обмотки 3, охлаждающая оправа 4 может быть выполнена из высокотеплопроводного материала, такого как медь. Трансмиссия 7 также, как и трансмиссия 6 передает крутящий момент от ротора 1 к валу 8а, теплоизолирует ротор 1 от вала 8а и герметизирует зазор между валом и корпусом 5. Валы 8 и 8а соосны и вращаются на подшипниках 9.
Вариант изобретения, показанный на фиг.2, отличается тем, что охлаждающая оправа 4, имеющая термический контакт со сверхпроводящей обмоткой 3, отбирает тепло от сверхпроводящей обмотки 3 и передает его на принципе теплопроводности к теплоизлучающим элементам 11 в форме дисков. Далее тепло передается путем теплового электромагнитного излучения от вращающихся теплоизлучающих элементов 11, через разреженную среду, к неподвижным охлаждающим элементам 12, также имеющим форму дисков, криогенного охладителя 10. Вращающиеся теплоизлучающие элементы 11 и неподвижные охлаждающие элементы 12 установлены с соответствующим зазором между ними, позволяющим им вращаться друг относительно друга без какого-либо контакта. Для улучшения теплообмена излучением поверхности теплообменных элементов 11 и 12 согласно закону Кирхгофа-Больцмана имеют «теплоизлучающие» характеристики, близкие к характеристикам «абсолютно черного тела».
Варианты изобретения, показанные на фиг.3, 5, 7, отличаются тем, что теплообменные элементы 11 и 12 установлены на противоположных концах ротора.
Вариант изобретения, показанный на фиг.4, отличается тем, что вращающиеся теплоизлучающие элементы 11 имеют форму двух или более тонкостенных цилиндров, расположенных коаксиально, между которыми коаксиально установлены с зазором один или более неподвижных охлаждающих элементов 12 криогенного охладителя также в форме тонкостенных цилиндров.
Вариант изобретения показанный на фиг.6 отличается тем, что вращающиеся и неподвижные теплообменные элементы 11 и 12 имеют форму коаксиально расположенных тонкостенных конусов, вставленных друг в друга с зазором, причем каждая неподвижная коническая оболочка находится между двумя вращающимися коническими оболочками. Образующие конусов, как вращающихся, так и неподвижных теплообменных элементов, параллельны и могут иметь углы А при вершине от 10° до 179°.
Вариант изобретения, показанный на фиг.8, отличается тем, что валы 8 и 8а находятся внутри корпуса 5 в вакууме вместе с подшипниками 9. Это позволяет отказаться от такого ненадежного элемента, как вращающиеся уплотнения на обоих валах. Крутящий момент воспринимает внешний вал 16 путем взаимодействия магнитных сил магнитов 15 и 17, установленных соответственно на внутреннем и внешнем валах.
Вариант изобретения, показанный на фиг.9, отличается от варианта фиг.8 тем, что, для увеличения передаваемого магнитами крутящего момента, имеется два внешних вала 16 и 16а.
Вариант изобретения, показанный на фиг.10, отличается тем, что ротор заключен в вакуумный кожух 18, который соединен с неподвижной вакуумной камерой криогенного охладителя 10 через вращающееся уплотнительное устройство 14. Вращающееся уплотнительное устройство 14 работает при обычных (не криогенных температурах) и может представлять собой ферромагнитную жидкость.
Работает устройство следующим образом.
-6
Вращающаяся машина со сверхпроводящей обмоткой ротора эффективно работает, если обмотка 3 ротора 1 с высокотемпературным сверхпроводником (ВТСП) охлаждена до температуры около 77 K. При этом сверхпроводящая обмотка 3 возбуждается для создания сильного электромагнитного поля от внешнего источника. Взаимодействуя своим сильным магнитным полем с магнитным полем статора 2, сверхпроводящая обмотка ротора передает вращающую силу через трансмиссии 6 и 7 к валам 8 и 8а, которые вращаются на подшипниках 9. Трансмиссии 6 и 7 обеспечивают теплоизоляцию ротора 1 от валов 8 и 8а, передачу крутящего момента во внешнюю среду, а также герметизацию кольцевого зазора с корпусом 5. Охлаждение вращающейся обмотки 3 до необходимой температуры (77К) осуществляет неподвижный криогенный охладитель 10. Это охлаждение происходит следующим образом: тепловой поток от обмотки 3 идет по материалу с высокой теплопроводностью оправы 4 к вращающимся теплоизлучающим элементам 11, которые излучают тепло в разреженной среде через зазор в неподвижные охлаждающие элементы 12 криогенного охладителя 10, в котором поглощается все тепло, пришедшее от обмотки 3, и тем самым поддерживается необходимая температура сверхпроводящей обмотки. Корпус 5 создает замкнутый объем, в котором создается вакуум не менее 5×10 мм рт. ст., необходимый для предотвращения конвективного притока тепла от стенок корпуса 5 и других элементов, связанных с внешней средой, к сверхпроводящей обмотке 3. Для повышения надежности поддержания вакуума в корпусе 5, оба вала 8 и 8а (фиг.8, 9) находятся внутри корпуса 5, а крутящий момент от ротора передается к одному или двум внешним валам 16 и 16а через непроницаемую стенку путем магнитного взаимодействия магнитов 15 и 17. Для повышения эффективности охлаждения сверхпроводящей обмотки 3 ротор 1 помещен в замкнутый кожух 18 (фиг.10), который находится под вакуумом и соединен с вакуумной полостью криогенного охладителя 10 через вращающееся уплотнение 14.
Хотя примерные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в иллюстративных целях, для специалистов в данной области понятно, что различные модификации, дополнения и замены возможны, не отходя от объема и сущности изобретения, как описано в прилагаемой формуле изобретения.