ТОКОВВОД НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к устройствам для работы в составе криогенных гелиевых систем.
Известен токоввод, предназначеный для работы в составе криогенных гелиевых систем (Supercond. Sci. Technol. 11 (1998) 1091-1054). Он состоит из двух отдельных частей, которые в рабочем состоянии электрически и механически соединяются между собой:
- несверхпроводящая (медная) часть
- сверхпроводящая часть, изготовленная на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов 1-го поколения, изготовленных из сверхпроводника Bi-2223 в серебряной матрице. В качестве механической основы используется стальной стержень, к которому крепятся стальные диски. К дискам с помощью болтов крепятся ВТСП ленты. «Холодный» контакт токоввода выполнен из меди, электрический контакт между, «холодным» терминалом и ВТСП лентами обеспечивается с помощью медных проводов. Сверхпроводящая часть токоввода охлаждается потоком газообразного гелия.
Для работы токоввода требуется дополнительное охлаждение несверхпроводящей части жидким азотом для поддержания температуры верхней точки сверхпроводящей части (или нижней точки несверхпроводящей части) ниже температуры сверхпроводящего перехода при полном расчетном токе.
Наиболее близким устройством по технической сущности и достигаемому эффекту является токоввод для работы в составе криогенных гелиевых систем, охлаждаемый потоком газообразного гелия
криогенных гелиевых систем, охлаждаемый потоком газообразного гелия без дополнительного охлаждения жидким азотом (www.cryomagnet.ru, каталог, 2006 г., стр.25). Токоввод содержит механическую основу (трубка из нержавеющей стали), теплообменные элементы, а также два токовых терминала (контакты). Теплообменные элементы в виде медных колец припаяны к механической основе, в прорези колец впаяна проводящая часть - токонесущие элементы токоввода. Использование колец позволяет интенсифицировать теплообмен между потоком газообразного гелия и проводящей частью токоввода, также кольца служат местами локального увеличения теплоемкости и уменьшения теплопроводности, что защищает токоввод от перегрева в случае перехода его сверхпроводящей части в нормальное состояние. Проводящая часть (токонесущие элементы) представляет собой латунные полоски, на которые напаяны высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) ленты 1-го поколения на основе сверхпроводника Bi-2223 в серебряно-золотой матрице, причем как ВТСП ленты так и латунные полоски припаяны по всей длине токоввода.
Токоввод имеет следующие технические параметры:
- рабочий ток - 200 А;
- максимальный ток 300 А;
- теплоприток к жидкому гелию при токе 200 А (в расчете на 1 токоввод) - 0,15 Ватт.
Известное техническое устройство токоввод имеет следующие недостатки.
Ввиду того, что проводящая часть выполнена в виде параллельного соединения ВТСП ленты 1-го поколения и латунного стабилизатора по всей длине токоввода, существует излишний теплоприток к жидкому гелию по латунному стабилизатору, в
использовании которого в нижней (холодной) части токоввода нет необходимости, поскольку весь ток течет по ВТСП лентам.
Ввиду того, что проводящая часть выполнена в виде параллельного соединения ВТСП ленты 1-го поколения и латунного стабилизатора по всей длине токоввода, то в рабочем состоянии температура ВТСП ленты варьируется от 4,2 К в нижней части токоввода до 300 К в верхней части токоввода. Известно, что температура сверхпроводящего перехода для ВТСП проводов 1-го поколения на основе Bi-2223, которые используются в известном техническом устройстве токоввод, не превышает 110 К. Следовательно использование ВТСП лент выше температуры сверхпроводящего перехода экономически не выгодно, поскольку стоимость 1 м ВТСП провода 1-го поколения составляет порядка 3000 руб (100 долл. США).
В известном техническом устройстве поток газообразного гелия охлаждает только внешнюю поверхность механической основы, выполненной в виде трубки из нержавеющей стали, а охлаждение внутренней поверхности механической основы потоком газообразного гелия отсутствует, что является причиной излишнего теплопритока к жидкому гелию.
В известном техническом устройстве критический ток используемых ВТСП лент 1-го поколения на основе соединения Bi-2223 значительно снижается во внешнем магнитном поле (фиг.1), что ухудшает технические характеристики токоввода, поскольку в большинстве случаев токовводы используются для подвода тока к сверхпроводящим магнитам и подвергаются воздействию внешнего магнитного поля. На фиг.1 представлена зависимость критического тока от внешнего магнитного поля.
Где СС - сверхпроводник второго поколения (coated conductor), Bi-2223 - сверхпроводник первого поколения, изготовленный по методу "порошок в трубе".
Задачей полезной модели является разработка токоввода с низким теплопритоком, устойчивым к воздействию внешнего магнитного поля на основе высокотемпературных сверхпроводящих проводов 1-го и 2-го поколения.
Поставленная задача решается заявляемым токовводом на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала, содержащим механическую основу, "холодный" и "теплый" токовые терминалы, теплообменные элементы, токонесущие элементы из проводящего и сверхпроводященго материалов, в котором механическая основа выполнена из устойчивого к криогенным температурам электропроводящего или непроводящего материала, токонесущие элементы оптимизированы по длине механической основы и состоят из трех находящихся в механическом и электрическом контакте между собой частей - несверхпроводящей, сверхпроводящей и комбинированной, при этом несверхпроводящая и сверхпроводящая части токонесущего элемента припаяны к "теплому" и "холодному" токовым терминалам соответственно, а комбинированная часть образована параллельным соединением несверхпроводящей и сверхпроводящей частей, сверхпроводящая часть выполнена из провода на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала первого поколения, изготовленного по методу "порошок в трубе" в матрице из серебра или его сплавов, или второго поколения, изготовленного с использованием "пленочной технологии".
Механическая основа заявляемого токоввода для криомагнитной системы выполнена из полимерных материалов с малым коэффициентом теплопроводности, например, стеклотекстолита, текстолита, углепластика, или из металлических или металлосодержащих материалов, например, сталь, цветные металлы и их сплавы.
В случае выполнения механической основы в виде полого тела, она имеет по своей длине перфорацию для дополнительного охлаждения внутренней поверхности основы.
Теплообменные элементы выполнены из токопроводящего или непроводящего материалов и представляют собой поперечное оребрение механической основы с переменным шагом с уменьшением его к "теплому" терминалу.
Терминалы токоввода выполнены из материала с высокой электропроводностью, при этом "холодный" терминал может быть выполнен конусообразным в виде байонетного зажима для обеспечения разъемного соединения с ответной частью в криостате.
В заявляемом токовводе для криомагнитной системы ВТСП ленты спирально навиты на механическую основу, что позволяет увеличить длину лент, тем самым снизив теплопроводность по твердому телу, а следовательно уменьшить теплоприток к жидкому гелию.
На фиг.2 представлено изображение заявляемого токоввода на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала. Токоввод состоит из "холодного" терминала (1), теплого терминала (3), которые соединены между собой механической основой (2). Кроме того, "холодный" и "теплый" терминалы соединены между собой токопроводящей частью, состоящей из сверхпроводящей части (4), комбинированной части (5), и несверхпроводящей части (6). К механической основе и проводящей части прикреплены (методом пайки, склейки или резьбового соединения и других типов присоединения) теплообменные элементы (7).
Механическая основа может быть выполнена как из электропроводящего так и из непроводящего материала, устойчивого к криогенным температурам, с низким коэффициентом теплопроводности. Механическая основа может быть выполнена как в виде полого тела (совокупности полых тел) - например, трубки, как показано на фиг.3 и
фиг 5, в этом случае она имеет по своей длине перфорацию для дополнительного охлаждения внутренней поверхности основы, так и в виде монолитного тела (или совокупности тел), как показано на фиг.4, где механическая основа представляет собой набор из четырех стальных цилиндров, или с совокупности полых и монолитных тел.
Несверхпроводящая часть может быть выполнена из стали и ее сплавов или из цветных металлов и их сплавов, в виде одного полого или монолитного тела, либо набора тел. Например, четыре латунных или медных проводника прямоугольного сечения (фиг.3), один проводник прямоугольного сечения (фиг.4), совокупность полых и монолитных проводников на фиг.5, где к латунной трубке, одновременно выполняющей роль механической основы в несверхпроводящей и комбинированной части токоввода, дополнительно припаяны 2 медных проводника прямоугольного сечения.
В комбинированной части токоввода сверхпроводящие ВТСП ленты первого или второго поколения параллельно электрически соединены с несверхпроводящим материалом. Причем, совокупность несверхпроводящих тел в комбинированной части может отличаться от совокупности несверхпроводящих тел в несверхпроводящей части токоввода для снижения теплопритока к жидкому гелию. Также совокупность ВТСП лент в комбинированной части токоввода может отличаться от совокупности ВТСП лент в сверхпроводящей части токоввода для снижения теплопритока к жидкому гелию. Например, в исполнении (фиг 5.) в комбинированной части, температура которой выше температуры сверхпроводящей части, а, следовательно, ниже токонесущая способность ВТСП лент, количество ВТСП лент составляет четыре (сверхпроводящая часть состоит из двух ВТСП лент). Кроме того, в исполнении (фиг.5) несверхпроводящая часть представлена совокупностью латунной трубки и двух медных проводников прямоугольного сечения, в комбинированной же части медные проводники
прямоугольного сечения не используются поскольку температура комбинированной части меньше температуры несверхпроводящей части, соответственно выше токонесущая несверхпроводящего материала.
Сверхпроводящая часть представляет собой ВТСП провода первого или второго поколения, причем использование ВТСП проводов второго поколения предпочтительней в силу описанных ниже причин. Применение в токовводах сверхпроводника 2-го поколения (пленочные ВТСП) позволит улучшить их технико-экономические характеристики. Так, например, существующие на сегодняшний день образцы пленочных ВТСП (2 - поколение) имеют критическую плотность тока выше, чем ВТСП проводов, изготовленных по методу "порошок в трубе" (первое поколение). При этом необходимо учесть, что пленочные ВТСП имеют более слабую зависимость критического тока от внешнего магнитного поля, перпендикулярного наибольшему размеру провода (см. фиг.1). (HTS Wire: Status and Prospects, Physica C, Vol.386 (15 April 2003)), что является важным параметром при создании ВТСП токовводов для криомагнитных систем с высоким значением рассеянного магнитного поля.
На фиг.1: СС - сверхпроводник второго поколения (coated conductor), Bi-2223 - сверхпроводник первого поколения, изготовленный по методу "порошок в трубе".
Кроме того, по оценкам специалистов, стоимость 1 кА*м ВСТП проводника 1-го поколения на порядок выше стоимости медных проводов, а при промышленном производстве стоимость 1 кА*м пленочных ВТСП проводов будет ниже стоимости 1 кА*м для меди (Черноплеков Н.А., "Сильноточная сверхпроводимость: физика, техника, экономика", сборник трудов 2ой международной конференции Фундаментальные Проблемы Сверхпроводимости (Звенигород, 2006 г.)).
Результаты испытаний показали, что теплоприток связанный с токовводами в расчете на один токоввод составляет не более 0,10 Ватт при 200 А.
Таким образом, заявляемый токоввод на основе высокотемпературного сверхпроводящего материала обладает с низким теплопритоком, является устойчивым к воздействию внешнего магнитного поля.