УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ОБМОТКИ ГАЛЕТНОГО СОЛЕНОИДА

Область техники
Полезная модель относится к криогенной и электроизоляционной технике и может быть использована для охлаждения обмотки сверхпроводящего электромагнита соленоидного типа, изготовленного из серии плоских обмоток (галет) из ленточных высокотемпературных сверхпроводников.
Уровень техники
На сегодняшний день одним из наиболее перспективных видов сверхпроводящих соленоидов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для создания сильных магнитных полей считаются соленоиды галетного (дискового) типа, поскольку обладают высокой ремонтоспособностью (путем замены галет) и соответствуют форм-фактору проводов (тонкие ленточные сверхпроводящие провода, типичной толщиной 0,1-0,2 мм и шириной 4-12 мм). Плоские обмотки (галеты) выполнены из ленточного провода, у которого наружное покрытие изготовлено из меди (толщина медного покрытия 0,02-0,03 мм). Для улучшения термомагнитной устойчивости сверхпроводящие ленты не покрываются электроизоляционным материалом, что улучшает условия охлаждения обмотки до криогенных температур при использовании косвенного охлаждения (охлаждение криорефрижератором за счет теплопередачи по материалам соленоида). В рабочем режиме ток в обмотке соленоида идет по сверхпроводящему слою провода и отсутствие электроизоляции соседних витков в галете не влияет на создаваемое соленоидом магнитное поле. Однако, соседние галетные обмотки должны быть электрически изолированными для сокращения времени ввода тока в соленоид. Таким образом, при косвенном охлаждении электрических устройств теплоотводящие элементы одновременно должны иметь высокий коэффициент теплопроводности и обеспечивать электрическую изоляцию.
В существующих конструкциях (прототипах) эти требования выполняются за счет применения медных теплопроводящих элементов и тонких диэлектрических пленок (политетрафторэтилен, полиимид и др.)
Известен способ охлаждения сверхпроводящей катушки и фиксации соседних пластин (патент на изобретение JP 6355914), где в качестве изолирующего материала между ВТСП лентами используется пленка из политетрафторэтилена (ПТФЭ), эпоксидной смолой пропитывают торцевые поверхности сверхпроводящей катушки, намотанной совместно с пленкой ПТФЭ, боковые пластины и сверхпроводящая катушка, намотанные вместе с пленкой из ПТФЭ, прикреплены друг к другу. Однако данный метод электроизоляции способствует снижению эргономичности конструкции соленоида, так как для необходимой фиксации пленки, которая составляет порядка 50-100 мкм, дополнительно применяется слой эпоксидной смолы.
Известно решение, описанное в статье (T. Takematsu et al., Physica С, Vol. 470, p. 674-677), в котором в качестве изоляции теплопроводящего материала между высокотемпературной сверхпроводящей катушкой и металлической частью галеты используется эпоксидная смола. Однако, по приведенным в статье данным, эпоксидная смола приводит к деградации критического тока ВТСП катушки за счет сильных механических напряжений, вызванных разницей коэффициентов температурного расширения использованных материалов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является способ изготовления высокотемпературной сверхпроводящей катушки (Заявка на изобретение JP 2018011078), в которой ВТСП провода изолированы друг от друга лентообразной политетрафторэтиленовой (ПТФЭ) пленкой, торцевые поверхности ВТСП-катушки пропитаны эпоксидной смолой и, таким образом, фиксируются к охлаждающим пластинам.
Недостаток данного способа заключается в том, что слой эпоксидной смолы деформируется, а также низкая теплопроводность ПТФЭ пленок и эпоксидной смолы (0,25 Вт/(м*K) и 0,59 Вт/(м*K), соответственно), что ухудшает температурный режим работы соленоида.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение электроизоляции обмоток соленоида без увеличения толщины конструкции галетного соленоида и при высокой эффективности теплопередачи.
2
3
Технический результат заявленной полезной модели заключается в использовании гибридных алюминиевых элементов, покрытых тонким слоем оксида алюминия (AlO), выполненного методом анодирования, провод высокотемпературной сверхпроводящей катушки не изолирован.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что в предложенном устройстве охлаждения галетного соленоида состоящего из диска и кольца, высокотемпературной сверхпроводящей катушки с медным покрытием, с нанесенным на ее боковую поверхность фиксирующим слоем Apezon N в качестве обмоточного материала используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия покрытого электроизолирующим слоем оксида алюминия.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
2
3
- электроизоляционный слой создается путем окисления поверхности алюминиевого диска и не приводит к увеличению общей толщины конструкции галетного соленоида, при этом достигается высокая эффективность теплопередачи за счет высокой теплопроводности как материала диска (алюминий), так и материала электроизоляционного покрытия (AlO).
- заявляемое решение в условиях криогенных температур обладает высокой электрической стабильностью и механической прочностью, после многократных термоциклических испытаний под рабочим давлением, смоделированном в условиях эксплуатации галетного соленоида.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1-2 показана схема устройства охлаждения галетного соленоида, где цифрами обозначены:
1 - диск галетного соленоида;
2 - кольцо галетного соленоида;
3 - высокотемпературная сверхпроводящая катушка;
2
3
4 - изоляционный слой AlO;
5 - фиксирующий слой Apezon N.
Осуществление полезной модели
Устройство охлаждения галет соленоида на Фиг. 1-2 состоит из дисков 1 и колец 2, изготовленных из технического алюминия, покрытых слоем оксида алюминия 4. На кольцо 2 намотана катушка 3 из неизолированного ленточного сверхпроводящего провода для термомагнитной устойчивости. Торцевая поверхность сверхпроводящей катушки 3 покрыта тонким слоем теплопроводящей смазки 5 (Apezon N) толщиной 10-15 мкм для улучшения сцепления с поверхностью и теплового контакта.
Теплопроводящий электроизоляционный слой оксида алюминия 4 на поверхностях диска 1 и кольца 2 получен методом анодирования в сернокислой среде, толщина покрытия составляет 15-18 мкм. От толщины покрытия зависит пробивное напряжение слоя. При указанной толщине пробивное напряжение составляет 400-500 В, что достаточно для безопасной работы соленоида галетного типа при любых режимах эксплуатации.
Используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод с медным покрытием, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия покрытого тонким 15-18 мкм электроизолирующим слоем оксида алюминия.
Предложенное устройство в условиях криогенных температур обладает высокой электрической стабильностью и механической прочностью, после многократных термоциклических испытаний под рабочим давлением, смоделированном в условиях эксплуатации галетного соленоида.
Диск галеты 1 (осуществляющий теплопередачу) является основным элементом косвенного охлаждения сверхпроводящей обмотки 3 (при работе в вакууме при использовании криорефрижертора для охлаждения соленоида). Он имеет максимальную теплопроводность в области температур 40-70 К, и позволяет создать непроводящее анодированное покрытие 4, которое предохраняет слои соседних галет от электрического замыкания. Теплопроводность анодированного покрытия составляет 25-30 Вт/м*K, что в десятки раз превышает теплопроводность других электроизоляционных материалов. При многократном термоциклировании галет свойства электроизоляционного покрытия не изменяются.
2
4
2
При анодировании поверхности алюминиевого диска 1 и кольца 2 в качестве электролита используется серная кислота HSO 200 г/л, плотность тока 2,5 А/дм, время проведения процесса 37 минут, температура электролита составляла Т=14-16°С, электрический режим анодный.
2
3
При эксплуатации заявляемого устройства, отвод тепла из сверхпроводящей катушки 3 осуществляется через изоляционный слой AlO4 к диску 1 и далее на медный холодопровод к криорефрижератору (на Фиг. 1-2 не указан). Слой 4 обеспечивает электроизоляцию при сохранении высокой теплопроводности между боковой поверхностью обмотки 3 и диска 1.