СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КАБЕЛЯ
COOLING OF SUPERCONDUCTING CABLE

Изобретение относится к способу охлаждения по меньшей мере одного сверхпроводящего кабеля, установленного в имеющем по меньшей мере одну термически изолированную трубу криостате с охваченным трубой свободным пространством, в котором установлены кабель и по меньшей мере одно трубчатое устройство и через которое из находящейся на одном конце точки питания до отдаленного конца пропускается охлаждающее средство.
Такой способ известен, например, из европейского патента ЕР 2200048 А1.
Сверхпроводящий кабель имеет в современной технике электрические провода из композиционного материала, содержащего керамический материал, переходящий при достаточно низких температурах в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление постоянного тока соответственно сконструированного провода при достаточном охлаждении является нулевым до тех пор, пока не будет превышена определенная сила тока. Соответствующими керамическими материалами являются, например, материалы, легированные редкоземельными элементами, известными под названием ReBCO (оксид редкоземельного элемента-бария-меди), к которым, в частности, относится YBCO (оксид иттрия-бария-меди. Другим из этих сверхпроводящих материалов является, например, BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди). Достаточно низкие температуры для того, чтобы перевести такой материал в сверхпроводящее состояние, располагаются, например, между 67 К и 110 К. Соответствующими охлаждающими средствами являются, например, азот, гелий, неон и водород или смеси этих веществ.
Патент US 3800062 А описывает способ эксплуатации установки со сверхпроводящими кабелями. В установке в одном криостате присутствуют, например, три сверхпроводящих кабеля с трубчатой сердцевиной. Охлаждающее средство, поставляемое станцией охлаждения, с одного конца криостата подается в него и в виде нагретого охлаждающего средства с отдаленного конца криостата через отдельную трубу или через второй криостат возвращается обратно на станцию охлаждения. Нагретое охлаждающее средство может дополнительно возвращаться с помощью специальной системы труб через участки трубчатых сердцевин кабелей, которые с использованием заграждений, или стопоров, в разных местах соединены с отдельной трубой или со вторым криостатом.
Способ, описанный выше, вытекает, например, из европейского патента ЕР 2200048 А1. Эта публикация показывает установку со сверхпроводящим кабелем, который с включением свободного пространства для пропуска охлаждающего средства окружен криостатом, состоящим из двух установленных концентрично друг другу металлических труб, между которыми установлена вакуумная изоляция. Кроме того, в свободном пространстве криостата находится труба, через которую охлаждающее средство, подаваемое в криостат с ближнего конца, может возвращаться обратно с отдаленного конца установки. Охлаждающее средство нагревается уже на пути к отдаленному концу установки в свободном пространстве криостата. Его дальнейший нагрев происходит при возврате через трубу с соответствующим обратным воздействием на охлаждающее средство, подаваемое в криостат в точке подачи. В результате эффективность охлаждения в целом испытывает отрицательное воздействие.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности вышеописанного способа при охлаждении сверхпроводящего кабеля до рабочей температуры.
Эта задача согласно изобретению решается за счет того,
что охлаждающее средство до охлаждения кабеля до его рабочей температуры пропускается через криостат и трубчатое устройство исключительно в одном направлении, а на отдаленном конце отводится в окружающую среду, и
что охлаждающее средство по достижении рабочей температуры с отдаленного конца установки возвращается через трубчатое устройство обратно к точке подачи.
При использовании этого способа охлаждающее средство оказывается в полной мере эффективным, поскольку в результате подачи тепла извне оно нагревается лишь несущественно. Поэтому сверхпроводящий кабель весьма эффективно охлаждается до своей рабочей температуры настолько быстро, насколько возможно. Для этого охлаждающее средство может пропускаться через свободное пространство, окруженное криостатом. При этом трубчатое устройство остается неиспользованным. Однако возможно также, чтобы охлаждающее средство до достижения рабочей температуры кабеля дополнительно пропускалось через трубчатое устройство. При этом охлаждающее средство отводится в окружающую среду на отдаленном конце. По достижении рабочей температуры сверхпроводящего кабеля охлаждающее средство с отдаленного конца установки возвращается через трубчатое устройство обратно к точке подачи. В качестве трубчатого устройства может служить трубчатая сердцевина сверхпроводящего кабеля. Однако в качестве трубчатого устройства в криостате может быть установлена также отдельная труба.
Способ согласно изобретению поясняется на примерах выполнения со ссылкой на чертежи, на которых
фиг.1 изображает схематично устройство для осуществления способа согласно изобретению,
фиг.2 и 3 изображают поперечные сечения двух устройств различной конструкции согласно фиг.1.
Устройство, изображенное на фиг.1 чисто схематично, имеет две концевые закрывающие муфты 1 и 2, между которыми установлен криостат 3. Криостат 3 охватывает по меньшей мере один сверхпроводящий кабель, изображенный на фиг.2 и 3. Концевая муфта 2 может быть также местом соединения, в котором соединены друг с другом два криостата, содержащие по меньшей мере по одному сверхпроводящему кабелю.
Криостат 3 изображен на фиг.2 и 3 только окружностью 4. В простой форме исполнения он может быть термически изолированной трубой, предпочтительно, состоящей из металла, в частности из высококачественной стали. Труба может состоять также из пластмассы. Снаружи она окружена по меньшей мере одним слоем термически активного изоляционного материала. В предпочтительной форме исполнения криостат 3 состоит из двух концентричных, дистанцированных друг от друга труб из металла, предпочтительно, из высококачественной стали, между которыми находятся распорка и вакуумная изоляция. Трубы в обеих формах исполнения криостата 3 могут быть гофрированными в направлении поперек своего продольного направления.
Согласно фиг.2 в криостате 3 установлен сверхпроводящий кабель 5, содержащий трубчатую сердцевину 6. Конструкция кабеля 5 является любой из всех возможных и известных форм исполнения. Поэтому такая структура более подробно не раскрывается. Криостат 3 охватывает для пропуска охлаждающего средства свободное пространство FR, в котором установлен кабель 5. В криостате 3 могут быть установлены также два или три сверхпроводящих кабеля, по меньшей мере один из которых содержит трубчатую сердцевину 6.
Способ согласно изобретению осуществляется с учетом фиг.1 и 2, например, следующим образом:
от концевой муфты 1 в направлении стрелки Р1 в устройство впускается охлаждающее средство, например холодный газообразный азот, который пропускается через свободное пространство FR криостата 3 до концевой муфты 2. Там охлаждающее средство в направлении стрелки Р2 отводится в окружающую среду. Этот принцип работы осуществляется до тех пор, пока сверхпроводящий кабель 5 не охладится до своей рабочей температуры, например до 77 К. Трубчатая сердцевина 6 кабеля 5 при осуществлении способа сначала в принципе остается неиспользованной. Однако для ускорения процесса охлаждения возможно и целесообразно также, чтобы охлаждающее средство пропускалось также через сердцевину 6 кабеля, а именно так же, как через свободное пространство FR от концевой муфты 1 до концевой муфты 2.
По достижении рабочей температуры кабеля 5 для его дальнейшего охлаждения охлаждающее средство пропускается от концевой муфты 1 до концевой муфты 2 только через свободное пространство FR, а от концевой муфты 2 до концевой муфты 1 возвращается обратно через сердцевину 6 кабеля 5. Там оно отводится и снова охлаждается до температуры, необходимой для охлаждения сверхпроводящего кабеля 5.
В форме исполнения устройства согласно фиг.3 наряду со сверхпроводящим кабелем 7 в криостате 3, или в его свободном пространстве FR, установлена отдельная труба 8. При осуществлении способа согласно изобретению с помощью устройства согласно фиг.3 по аналогии со способом, показанным на фиг.1, охлаждающее средство может пропускаться до охлаждения кабеля 7 до его рабочей температуры только через свободное пространство FR или одновременно также через трубу 8 от концевой муфты 1 до концевой муфты 2. При этой форме исполнения устройства в криостате 3 могут быть также установлены два или более сверхпроводящих кабеля. По достижении рабочей температуры кабеля 7 по аналогии со способом, показанным на фиг.2, охлаждающее средство может возвращаться от концевой муфты 2 к концевой муфте 1 по трубе 8.