УСТРОЙСТВО ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ С ОДНИМ СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КАБЕЛЕМ
DEVICE WITH AT LEAST ONE SUPERCONDUCTING CABLE

Изобретение относится к устройству по меньшей мере с одним сверхпроводящим кабелем и окружающим его первым криостатом для прохождения первого охлаждающего вещества, который состоит по меньшей мере из одной теплоизолированной трубы и который на протяжении всей своей длины охватывает полое пространство, в котором расположен кабель и через который при работе устройства проводится первое охлаждающее вещество (ЕР 2 234 122 В1).
Сверхпроводящий кабель имеет электрический проводник из материала, который при достаточно низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление постоянному току соответствующего созданного проводника при достаточном охлаждении равно нулю, пока не превысится определенная сила тока, критическая сила тока. Подходящими материалами являются, например, оксидные материалы на основе редкоземельных элементов (ReBCO), в частности YBCO (иттрий-барий-медь-оксид), или BSCCO (висмут-стронций-кальций-медь-оксид). Достаточно низкие температуры, чтобы приводить такого рода материал в сверхпроводящее состояние, находятся например, между 67 К и 110 К. Подходящими охлаждающими веществами являются, например, азот, гелий, неон и водород или смеси этих веществ. Когда указанные температуры находятся явно выше абсолютного нуля - 273,16°C=0 К, проводники из соответствующих материалов называются высокотемпературными сверхпроводниками (HTS-проводниками). Это относится также к другим сверхпроводящим материалам, как например, диборид магния, который при температурах около 39 K или ниже, которые также явно находятся выше 0 K, переходит в сверхпроводящее состояние.
Из вначале упомянутого EP 2 234 122 B1 следует устройство, при котором один сверхпроводящий кабель расположен в одном криостате. Криостат состоит из двух концентрических расположенных на расстоянии друг от друга труб из металла, которые заключают между собой теплоизоляцию, выполненную в качестве вакуумной изоляции. В качестве сверхпроводящих материалов использованы уже упомянутые оксидные материалы на основе редкоземельных элементов. Для охлаждения кабеля используется, например, жидкий азот, который с помощью обычного, вакуумно-изолированного криостата может сохраняться при достаточно низкой температуре охлаждения в течение большего периода времени. Для более низких температур, которые находятся ниже 63 K, жидкий азот не может использоваться, потому что при таких температурах он переходит в твердое состояние. Кроме того, должны вызываться повышенные затраты для находящегося при соответственно низкой температуре охлаждающего вещества, чтобы сохранять его также достаточно холодным в течение большего периода времени.
В основе изобретения лежит задача разработать вначале описанное устройство так, что оно применено в простом виде и способе также для сверхпроводящих материалов, которые для достижения сверхпроводящего состояния должны охлаждаться до температуры 39 K или ниже.
Эта задача решается согласно изобретению за счет того,
- что в качестве сверхпроводящего материала применен диборид магния,
- что в качестве первого охлаждающего вещества используется жидкое или газообразное охлаждающее вещество, охлажденное до температуры 39 К или менее, и
- что вокруг первого криостата соосно и на расстоянии от него сформирован второй криостат для прохождения второго охлаждающего вещества, который состоит из двух соосных и расположенных на расстоянии друг от друга труб, заключающих между собой теплоизоляцию и через который во время работы устройства проводится сжиженный газ с температурой 112 К или менее.
При таком устройстве в качестве сверхпроводящего материала может использоваться недорогой по сравнению с оксидными сверхпроводящими материалами диборид магния. Этот материал имеет, кроме того, по сравнению с оксидными материалами повышенную допустимую токовую нагрузку. Устройство создано в целом относительно просто. Первый криостат в простейшем варианте осуществления состоит только из одной теплоизолированной трубы, а второй криостат может формироваться обычным в технике образом вокруг первого криостата. Второй криостат уже сам имеет значение для повышенной защиты охлаждающего вещества, проходящего в первом криостате против поступления тепла снаружи. Это экранирующее действие второго криостата существенно увеличивается благодаря сжиженному газу, который во время работы устройства проводится через него. В качестве сжиженного газа используется с преимуществом жидкий азот. Второй криостат имеет вследствие этого в целом действие теплового щита для первого криостата, так что проходящее в нем охлаждающее вещество на относительно длинном расстоянии, вдоль которого уложено устройство, может сохраняться при достаточно низкой температуре охлаждения.
Предпочтительно во второй криостат установлена устойчивая к высокому напряжению изоляция, которая окружает первый криостат и расположена, например, на его теплоизоляции или на охватывающей его трубе. Эта изоляция омывается или пропитывается жидким азотом и получает вследствие этого существенно повышенные диэлектрические значения.
Один пример осуществления предмета изобретения изображен на чертежах.
Показаны:
на фиг. 1 - схематично путь передачи электрической энергии с устройством в соответствии с изобретением,
на фиг. 2 - поперечный разрез устройства в соответствии с изобретением на увеличенном изображении,
на фиг. 3 - по сравнению с фиг. 2 дополненный вариант осуществления устройства также в разрезе.
В качестве первого охлаждающего вещества пригодны, например, жидкий водород с температурой охлаждения около 20,28 K, жидкий неон с температурой охлаждения около 27,07 K и газообразный гелий с температурой охлаждения 39 K или ниже. В дальнейшем учитывается в качестве первого охлаждающего вещества газообразный гелий, замещающий все пригодные охлаждающие вещества.
Путь передачи в соответствии с фиг. 1 имеет два окончания 1 и 2, между которыми помещено устройство 3 по меньшей мере с одним сверхпроводящим кабелем 4 (фиг. 2 и 3). Путь передачи может иметь длину от, например, 600 м. В его прохождении может быть также помещено по меньшей мере одно соединительное место для соединения соответственно двух устройств 3. В окончаниях 1 и 2 присоединен сверхпроводящий кабель 4 известным в технике образом к электрическим элементам. Окончание 2 соединено в представленном примере осуществления с двумя запасными емкостями 5 и 6, каждая из которых содержит охлаждающее вещество. В запасной емкости 5 находится предпочтительно газообразный гелий, в то время как запасная емкость 6 содержит предпочтительно жидкий азот. Охлаждающие вещества проводятся через трубопроводы 7 и 8 в окончание 2 и известным в технике образом проводятся посредством насосов под давлением в два криостата K1 и K2 (фиг. 2 и 3), которые окружают кабель 4.
Запасные емкости охлаждающих веществ могут также иметься на окончании 1 и при необходимости на соединительном месте. Для соблюдения или поддержания низкой температуры газообразного гелия целесообразно используется подходящее устройство охлаждения, и газообразный гелий перемещается предпочтительно по циркуляционному контуру через устройство.
В устройстве на фиг. 2 схематично показан сверхпроводящий кабель 4, структура которого известна в основном любой и в многообразном исполнении. В качестве сверхпроводящего материала в кабеле 4 для его проводника и при необходимости также для экрана применен диборид магния. Кабель 4 может служить для передачи электрической энергии в области среднего напряжения (приблизительно от 1 кВ) и в области высокого напряжения (приблизительно от 80 кВ).
Кабель 4 окружен первым криостатом К1, который состоит из трубы 10, окруженной теплоизоляцией 9. Теплоизоляция 9 должна защищать внутреннее пространство первого криостата К1 от поступления тепла снаружи. Она может состоять из обычных материалов, служащих для теплоизоляции, с возможно гладкой и закрытой внешней поверхностью, чтобы при необходимости не могла проникать влага. Это имеет значение, например, также для вспененного материала, который затем должен быть выполнен с закрытой наружной поверхностью, так называемой «кожей». Труба 10 может состоять из металла, но также из устойчивого пластика. Над изоляцией 9 может помещаться дальнейшая труба, также состоящая из металла или пластика. Изоляция 9 обходится тогда без гладкой внешней поверхности. В первом криостате К1 могут быть расположены также два или более сверхпроводящих кабеля.
Первый криостат К1 окружает полое пространство HR, в котором расположен кабель 4 и через которое во время работы устройства из запасной емкости 5 выкачивается газообразный гелий. При работе устройства охлаждается сверхпроводящий материал, диборид магния, до температуры 39 К или меньше.
При соблюдении концентрического промежутка 11 помещен вокруг первого криостата К1 второй криостат К2, который состоит из двух концентрических и расположенных с расстоянием друг к другу труб 12 и 13 из металла, которые окружают между собой вакуумную изоляцию 14. Между двух труб 12 и 13 находится также распорка.
Через второй криостат К2, таким образом, через промежуток 11 качается во время работы устройства из запасной емкости 6, например, жидкий азот в качестве второго охлаждающего вещества. Промежуток 11 охлаждается вследствие этого, например, от около 67 K до 77 K. В качестве второго охлаждающего вещества могут также использоваться сжиженный природный газ, который охлажден минимум до 112 K или жидкий кислород, который охлажден минимум до температуры в 90 K. Второе охлаждающее вещество, предпочтительно жидкий азот, который принимается во внимание в дальнейшем, представляет собой вместе со вторым криостатом K2 тепловой щит для первого криостата K1, так что проходящий через него газообразный гелий защищен от слишком быстрого нагрева посредством поступающего снаружи тепла.
Изоляция или диэлектрик кабеля 4 может быть помещен в принципе непосредственно вокруг его проводника. Но также возможно с преимуществом расположить изоляцию 15 или диэлектрик кабеля 4 в промежутке 11, а именно, например, в качестве полностью окружающего первый криостат K1 слоя из изолирующего материала, устойчивого к высокому напряжению, который расположен на теплоизоляции 9 первого криостата K1 или на окружающей ее трубе. В качестве изолирующего материала для изоляции 15 могут использоваться, например, бумага или пластик, покрытый слоем бумаги.
Изоляция 15 в промежутке 11 омывается жидким азотом и при соответствующем осуществлении также пропитывается им, вследствие чего получается ее повышенная диэлектрическая сопротивляемость. Все элементы из металла, окруженные изоляцией 15, находятся на потенциале с повышенным напряжением, предпочтительно на потенциале высокого напряжения. Если сверхпроводящий кабель 4 используется со сверхпроводящим экраном, тогда располагается экран над изоляцией 15 в промежутке 11. Для экрана используются предпочтительно оксидные сверхпроводящие материалы.
Если для устойчивой к высокому напряжению изоляции 15 используется материал, который имеет одновременно также теплоизолирующие свойства, тогда представленные в примерах осуществления устройства изоляции 9 и 15 могут состоять также только из одного слоя, который в таком случае лежит на трубе 10 первого криостата K1.