ДЕРЖАТЕЛЬ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ЛЕНТЫ

Область техники.
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к токопроводящим устройствам с использованием высокотемпературных сверхпроводящих проводов (ВТСП) в виде многослойных лент, в частности к изолирующим держателям этих проводов, используемым, например, в межвитковой изоляции.
Уровень техники.
ВТСП лента является сложным композиционным материалом и в зависимости от методов получения подразделяется на ленты 1-го и 2-го поколения. Разделение на два типа строится на основе методов получения: ленты первого поколения получают металлургическим путем, а второго - физико-химическим (осаждение).
2
-8
-7
ВТСП ленты 2-го поколения проявляют сверхпроводящие свойства уже при температурах ниже 95°K, обладают высокой токонесущей способностью (плотность тока свыше 500 А/мм), а также большое удельное сопротивление в нормальном состоянии (10 - 10 Ом⋅м).
2
3
7
Под ВТСП лентами 2-го поколения понимаются сложные композитные структуры, основными компонентами которых являются металлическая подложка, нанесенные на нее буферные слои и сверхпроводящий материал RBaCuO (где R - редкоземельный элемент). Могут быть нанесены дополнительные слои на основе серебра или меди, припоя и других материалов в зависимости от назначения ВТСП ленты и условий производства.
В настоящее время начинается активное использование ВТСП лент как 1, так и 2 поколения в различных электротехнических устройствах, например, в токоограничителях (KEPRI 154 кВ, SuperLimiter 115 кВ производства Siemens, Augsburg 12 кВ, и др.), силовых кабелях (проект AmpaCity в городе Эссен, Германия, проект LIPA в США, и др.), магнитах (производства Sumitomo Electric Industries, Babcock Noell Gmbh, и др.), двигателях (36,5 МВт двигатель для судов производства AMSC), и множество перспективных проектов по созданию сверхпроводящих индукционных накопителей (СПИН) и ветрогенераторов на основе ВТСП лент (например, общеевропейский проект Suprapower).
Использования ВТСП лент в электротехнических устройствах зачастую предполагает их электрическую изоляцию друг от друга, а также для безупречной работы устройств необходимо точное позиционирование лент.
Для этих нужд в уровне техники, например, в токоограничителях со сверхпроводниками, уложенными в бифиляры, используется межвитковая изоляция, в которой осуществляется позиционирование ВТСП лент с использованием различных держателей, выполненных из электроизоляционного и стойкого в криогенных средах материала. Последнее требование обусловлено необходимостью омывания ВТСП ленты криогенной средой - жидким азотом.
Одним из решений обеспечения необходимой одновременной фиксации ВТСП лент и электрической изоляции является использование электроизоляционной ленты, наклеенной на ВТСП ленту со стороны подложки через препрег на основе синтетических смол с микрокристаллическим наполнителем с высокой теплопроводностью (RU 154188).
Авторы данной полезной модели заявляют, что при такой геометрии устройства обеспечивается надежная фиксация ВТСП ленты и почти полное ее омывание жидким азотом со стороны защитного слоя.
При использовании такого держателя в сверхпроводящих ограничителях тока улучшает теплоотдачу от ВТСП ленты, что способствует более быстрому восстановлению сверхпроводящего состояния из нормального, и позволяет повторное использование ограничителя тока уже через несколько секунд.
В результате жесткого крепления двух материалов (электроизоляционной ленты и препрега на основе синтетических смол) при захолаживании происходит сжатие материалов с разной интенсивностью и на разные величины, что с большой вероятностью может привести к механическим изломам сверхпроводника, губительным для него и для всего устройства в целом.
В заявке US 2009264294 раскрывается наиболее близкое техническое решение к предложенному. В заявке на сверхпроводящий ограничитель тока описывается держатель для ВТСП ленты. Держатель содержит плоскую полоску и гофрированную полоску, расположенную на плоской и соединенные вместе, например, посредством адгезии. Гофрированная полоска выполнена с выемками по центру полоски, границы которых образуют «ложе» для ВТСП ленты - ВТСП лента укладывается в выемки и надежно фиксируется в них на некотором расстоянии от плоской полоски. В заявке отмечается, что такой держатель ленты за счет наличия выемок обеспечивает очень точное позиционирование ленты.
Однако, известная конструкция держателя имеет следующий существенный недостаток.  В процессе эксплуатации устройств со сверхпроводящими проводами, например, в токоограничивающих устройствах, возможно возникновение резких скачков тока. При возникновении резкого скачка тока сверхпроводящий провод переходит в нормальное состояние с большим сопротивлением, которое ограничивает ток и защищает устройства цепи. Время перехода в нормальное состояние составляет менее 2 мсек, и таким образом происходит крайне быстрый нагрев сверхпроводящего провода, и вытекающая из этого нагрева за счет теплового расширения деформация. Наличие выемок с острыми кромками в верхней гофрированной части держателя, на которые опирается сверхпроводящий провод в известном держателе позволяет ленте изгибаться по ним с маленькими радиусами изгиба, что приведет к острым изгибам. Как известно, деформации (диаметр изгиба менее 6 мм для ВТСП 2-го поколения и менее 30 мм для ВТСП 1-го поколения) пагубно влияют на сверхпроводящие провода без возможности восстановления. Кроме того, известная конструкция, предполагающая наличие верхней гофрированной ленты с выемками, представляет собой достаточно сложную в изготовлении конструкцию.
Технической проблемой наиболее близкого аналога является сложность конструкции держателя, а именно, сложность выполнения гофрированной ленты, а также возможность повреждения ВТСП ленты в местах, где она опирается на стенки выемок.
Раскрытие сущности полезной модели
Данная техническая проблема устраняется заявленной полезной моделью, в соответствии с которой держатель для высокотемпературной сверхпроводящей ленты содержит, по меньшей мере, один лентообразный элемент, состоящий из плоской ленты и двух гофрированных лент, симметрично размещенных по краям плоской ленты в продольном направлении и скрепленных с плоской лентой, где упомянутые плоская и гофрированные ленты образуют канавку, обеспечивающую укладку в нее высокотемпературной сверхпроводящей ленты с зазором и выполнены из электроизоляционного материала, обладающего стойкостью к криогенным средам.
В частных воплощениях полезной модели держатель может содержать плоскую и гофрированную ленты, выполнены из полилактида.
Гофрированная лента в держателе может быть скреплена с плоской лентой с возможностью образования проходов для омывания высокотемпературной ленты криогенной средой.
Держатель может включать смотанный в рулон лентообразный элемент.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведена фотография держателя (общий вид), на фиг. 2 приведено схематическое изображение держателя в виде спирали.
Позиции означают следующее:
1. плоская лента
2. гофрированная лента
3. канавка
4. внешний проход
5. внутренний проход
Полезная модель реализуется следующим образом.
На фиг. 1 приведена фотография лентообразного элемента, состоящего из плоской ленты (1) и двух гофрированных лент (2). Под гофрированными лентами в уровне техники понимаются ленты с волнообразными складками.
Гофрированные ленты (2) прикреплены к плоской ленте (1) по ее краям и образуют канавку (3), в которую укладывается ВТСП лента (не показана).
Гофры в ленте (2) образуют проходы для подвода криогенной жидкости, при этом жидкость может омывать ленту по внешним проходам (4), образованным внешними сторонами гофр и по внутренним проходам (5), образованных внутренними сторонами гофр.
Гофры могут быть в сечении любой формы - трапециевидной, треугольной, синусоидальной и т.д. На качество омывания ленты криогенной средой форма гофр влияния оказывать не будет.
Важным, однако, для реализации настоящей полезной модели является то, что все составляющие держателя должны быть выполнены из стойкого к криогенным температурам электроизоляционного материала.
К таким материалам, в частности, относятся некоторые пластики - текстолит, пластик ABS и т.д.
Однако наилучших результатов по длительности использования мы достигли с использованием полилактида.
Полилактид представляет собой биоразлагаемый биосовместимый термопластичный алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.
Держатель может быть выполнен в виде лентообразного элемента, смотанного в рулон (см. фиг. 2).
Такое выполнение держателя может быть использовано для изготовления бифилярных катушек, используемых во многих сверхпроводящих устройствах.
Из данного рисунка видно, что такое выполнение держателя представляет его очень компактную форму: канавка (3) может быть выполнена любой неограниченной длины, а большое число проходов (4) и (5) позволяет организовать очень эффективное охлаждение ленты.
Данная форма держателя не является исчерпывающей для настоящей полезной модели.
В частности, держатель также может представлять из себя стопку установленных друг на друга лентообразных элементов. Данное воплощение полезной модели может быть использовано для увеличения токонесущей способности устройства при отсутствии необходимости создания дополнительных модулей, которые внесут дополнительные затраты и увеличат общие размеры устройства.
Для этих же целей в один держатель может быть установлена стопка ВТСП лент.
Пример.
Для испытаний эксплуатационных характеристик из пластика ПЛА были изготовлены несколько держателей ленты конечной длины на 3D принтере.
Для ВТСП ленты с шириной 12 мм характеристики держателя были следующими: толщина подложки 0.4 мм, толщина гофрированной ленты 0.2 мм, ширина подложки 30 мм, ширина гофрированной ленты 8 мм, общая высота всего держателя 3 мм, ширина канавки составила 14 мм и глубина 0,2 мм.
Несколько лент были уложены в стопку и размещены в одном держателе - если критический ток одной ленты шириной 12 мм порядка 500 А, то за счет небольшой толщины ВТСП лент (порядка 0.1 мм) стопка позволяет укладывать в те же держатели большее количество лент и повышать ток в устройстве, сохраняя электрическую прочность.
Собранная стопка была помещена в криостат с омывающей жидкостью. Испытания показали, что омывающая жидкость легко проникает к ленте и омывает ее со всех сторон, при этом при скачках тока не было замечено повреждений ленты.
Таким образом, как это следует из вышеприведенного описания полезной модели, она обладает следующими преимуществами: при той же омываемости сверхпроводящего провода, как и в известном патенте, держатель располагается ровной поверхностью вдоль сверхпроводящего провода, что при тепловом расширении не приводит к резким изгибам провода, и предотвращает губительные для сверхпроводников деформации. Кроме того, приведенный держатель прост в изготовлении, может производиться в больших количествах в короткие сроки, и по цене является значительно дешевле препрега, стеклотекстолита и тефлона, применяемые в аналогичных изделиях.