Концевая муфта сверхпроводящего электрического кабеля
Концевая муфта для сверхпроводящего электрического кабеля, который имеет, по меньшей мере, сверхпроводящий проводник, окруженный служащим для проведения хладагента трубчатым криостатом, который на своем конце окружен корпусом (G). Корпус (G) имеет две стенки (7, 8), отделенные друг от друга промежуточным пространством (9) и состоящие из изолирующего материала, при этом в промежуточном пространстве размещена содержащая газ теплоизоляция. Давление в промежуточном пространстве (9) корпуса (G) регулируется до величины от 10-9 до 1000 мбар, и с промежуточным пространством (9) соединены устройство (12) измерения давления и вакуумный насос (11), которые служат для регулирования преобладающего в промежуточном пространстве (9) корпуса (G) давления. Изобретение обеспечивает высокие электрические и тепловые требования к концевой муфте. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к концевой муфте сверхпроводящего электрического кабеля, который имеет по меньшей мере одну сверхпроводящую жилу, окруженную трубчатым криостатом, служащим для направления хладагента, и который на своем конце окружен корпусом, содержащим хладагент, через который направляется электрическое соединение с внешним пространством для его электрического соединения (ЕР 1617537 В1).
Сверхпроводящий кабель имеет по меньшей мере одну электрическую жилу из материала, который при достаточно низких температурах переходит в состояние сверхпроводимости. Электрическое сопротивление постоянному току соответственно сконструированной жилы равно нулю при достаточно низких температурах при условии, что не будет превышен определенный ток, т.е. критический ток. Подходящими материалами, например, являются оксидные материалы на основе редкоземельных элементов (ReBCO), в частности, YBCO (оксид иттрия-бария-меди) или BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди). Достаточно низкими температурами для приведения такого вещества в состояние сверхпроводимости являются, например, от 67 К до 110 К. Другим подходящим материалом является, например, диборид магния, который переходит в состояние сверхпроводимости при температурах приблизительно 39 К или ниже. Подходящими хладагентами являются, например, азот, гелий, неон и водород или смеси этих материалов.
При эксплуатации сверхпроводящего кабеля этот кабель размещают в криостате, через который пропускают один из вышеописанных хладагентов. Криостат состоит по существу из по меньшей мере одной теплоизолированной трубы. В известной технологии криостат имеет, например, две выполненные из металла трубы, расположенные концентрически относительно друг друга на расстоянии друг от друга с вакуумной изоляцией, расположенной между этими двумя трубами. Кабель направляется на конце канала передачи к концевой муфте, с которой также соединен криостат. По меньшей мере одна жила сверхпроводника у концевой муфты подвергается воздействию хладагента. Кроме того, она выполнена с возможностью электрического соединения с помощью прохода (выводной втулки) от концевой муфты.
Согласно вышеупомянутому ЕР 1617537 В1, концевая муфта включает в себя корпус, соединенный с криостатом, который окружает конец сверхпроводящей жилы кабеля, расположенного в криостате. Сверхпроводящая жила подключена к электрическому проводнику, простирающемуся из корпуса, окруженного участком трубы, изолированным вакуумной изоляцией, которая соединена с корпусом. Этот источник не упоминает ничего в отношении конструкции корпуса.
Изобретение основано на задаче создания вышеупомянутой концевой муфты таким образом, чтобы удовлетворялись все электрические и тепловые требования.
Согласно изобретению, эта задача достигается:
- тем, что корпус имеет две стенки, которые разделены друг от друга и состоят из изолирующего материала, в чьем промежуточном пространстве расположена содержащая газ теплоизоляция,
- тем, что давление в промежуточном пространстве в корпусе регулируется до величины от 10-9 мбар до 1000 мбар, и
- тем, что с промежуточным пространством соединены устройство для измерения давления и соединенный с ним вакуумный насос, которые служат только для регулирования давления в промежуточном пространстве корпуса до заданной величины.
Корпус такой концевой муфты состоит, по электрическим причинам, из изолирующего материала, например, армированного стекловолокном синтетического материала. Две стенки корпуса преимущественно выполнены, по производственным причинам, из по меньшей мере двух частей, расположенных рядом друг с другом. Корпус дополнительно соединен через уплотнительные соединительные элементы с криостатом, окружающим сверхпроводящий кабель. Наконец, также для проведения сверхпроводящей жилы сквозь стенки корпуса обеспечиваются соответствующие уплотняющие средства. В результате отсутствия герметичности уплотняющего средства газ может достигать всех вышеописанных положений в промежуточном пространстве корпуса или, возможно, даже может выходить из корпуса. Это, в частности, также справедливо для окружающего сверхпроводящую жилу хладагента, который может быть, например, сжатым жидким азотом, который может затем перейти в газообразное состояние, когда выходит из охлаждаемого пространства, или выпускается от внутренней стенки корпуса и проходит в промежуточное пространство.
Промежуточное пространство корпуса также содержит электрически изолирующую теплоизоляцию, которая содержит газ. По электрическим причинам давление в промежуточном пространстве должно быть максимально возможным, в то время как по тепловым причинам оно должно быть минимально возможным. Независимо от фактического давления, действующего в промежуточном пространстве, давление должно повышаться газообразными хладагентами, входящими в это пространство.
Принимая во внимание два желательных давления в описанном выше смысле, давление, согласно изобретению, в промежуточном пространстве корпуса регулируется до величины от 10-9 мбар до 1000 мбар. Преимущественно оно регулируется до приблизительно 400 мбар. Вакуумный насос поддерживает давление на заданной величине. Для этой цели давление постоянно измеряется посредством устройства измерения давления, соединенного с промежуточным пространством корпуса. В зависимости от герметичности корпуса, включающего все описанные соединительные положения, вакуумный насос включается по стадиям, разнесенным несколькими более короткими или более длинными интервалами.
Согласно предпочтительному варианту осуществления концевой муфты, промежуточное пространство корпуса соединено с резервуаром, объем которого больше по сравнению с объемом, который занимает газ в промежуточном пространстве корпуса. Резервуар преимущественно может быть расположен между корпусом концевой муфты или промежуточным пространством корпуса и вакуумным насосом. Объем резервуара должен быть, преимущественно, по меньшей мере в 10 раз больше объема промежуточного пространства корпуса. Резервуар существенно увеличивает количество газа, поддерживаемого при заданном давлении без создания любых дополнительных, возможно не герметичных, положений. Это позволяет реже включать вакуумный насос с более длительными интервалами.
Между корпусом и вакуумным насосом или между резервуаром и вакуумным насосом может быть установлен клапан, который открывается каждый раз в зависимости от включения вакуумного насоса.
Варианты осуществления предмета изобретения показаны на чертежах:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация конца тракта передачи со сверхпроводящим кабелем, содержащего концевую муфту.
Фиг. 2 - более точная схематическая иллюстрация концевой муфты по изобретению.
Фиг. 3 показывает вариант осуществления концевой муфты, которая дополнена по сравнению с фиг. 2.
Криостат, упомянутый в дальнейшем, может состоять только из теплоизолированной трубы из металла, предпочтительно из высококачественной стали. Однако он может также состоять из двух труб из металла, которые расположены концентрически и на расстоянии друг от друга с установленной между ними вакуумной изоляцией. Сверхпроводящий кабель имеет по меньшей мере одну сверхпроводящую жилу. Однако он также может иметь две или три сверхпроводящих жилы, между которыми расположена вакуумная изоляция. Сверхпроводящий кабель имеет по меньшей мере одну сверхпроводящую жилу. Однако он также может иметь две или три сверхпроводящих жилы, которые изолированы относительно друг друга и которые расположены преимущественно соосно относительно друг друга. Сверхпроводящий кабель также преимущественно может содержать электропроводный экран.
Для упрощения в последующем описании рассматривается кабель только с одной жилой. Стенки криостата и кожуха представлены только одной линией.
На фиг. 1 схематически показан криостат 1, который вмещает сверхпроводящий кабель 2, показанный штриховыми линиями. Криостат 1 перекрывается расширением 3, являющимся частью криостата. К расширению прикреплена концевая муфта 4, чью более подробную конструкцию можно увидеть на фиг. 2 и 3. Проход 5 схематически иллюстрирует криостат 1, который окружает сверхпроводящий кабель 2, показанный штриховыми линиями. Криостат 1 перекрывается расширением 3, к которому прикреплена концевая муфта 4, чья более подробная конструкция показана на фиг. 2 и 3. Проход 5, который выступает из концевой муфты 4, служит для электрического подключения сверхпроводящей жилы 6 (фиг. 2 и 3) кабеля 1.
Сверхпроводящая жила 6, освобожденная от всех окружающих слоев кабеля 1, простирается в концевую муфту 4. Она подвержена воздействию хладагента, например, сжатого жидкого азота, и пропускается через криостат во время работы тракта передачи.
Концевая муфта 4 имеет корпус G, который состоит из двух стенок 7 и 8, которые разнесены друг от друга промежуточным пространством 9. Соответствующие изображениям на фиг. 2 и 3, стенки 7 и 8 предпочтительно могут состоять из изолирующего материала, предпочтительно армированного стекловолокном синтетического материала. Они уплотнены и соединены с расширением 3 криостата 1. Охлаждающее средство размещено в пространстве, окруженном внутренней стенкой 7 концевой муфты 4. Проход (выводная муфта) 5 соединен со сверхпроводящим проводником 6. Он простирается сквозь обе стенки 7, 8 концевой муфты.
Содержащая газ изоляция, которая может также по большей части состоять из твердого тела или твердых тел, расположена в промежуточном пространстве 9 между двумя стенками 7, 8 корпуса G. Она также имеет хорошие электроизоляционные свойства. Изоляция может состоять, например, из вспененного изолирующего материала или из множества синтетических компонентов или других электроизоляционных материалов, таких как, например, стекла, выполненного, например, в виде сфер.
В промежуточном пространстве 9 корпуса G давление, которое составляет от 10-9 мбар до 1000 мбар, регулируется. Предпочтительно, получают давление 400 мбар. Для этой цели с промежуточным пространством 9 соединен вакуумный насос 11, который может быть подключен к промежуточному пространству 9 непосредственно или в соответствии с чертежами через трубопровод 10. Длина такого трубопровода 10 является изменяемой. Величина давления во время работы тракта передачи измеряется с помощью устройства 12 измерения давления, которое может подавать сигнал для включения и выключения вакуумного насоса 11. Если используется трубопровод 10, между корпусом G и вакуумным насосом 11 может быть установлен дополнительный клапан 13, который открывается и закрывается посредством сигнала устройства 12 измерения, которое может вырабатывать сигнал для включения и выключения вакуумного насоса 11. При использовании конструкции по фиг. 2, давление в промежуточном пространстве 9 корпуса G можно регулировать до заданной величины в узких пределах.
Согласно предпочтительному варианту осуществления промежуточное пространство 9 корпуса G соединено с резервуаром, который составляет дополнительный объем. Такой резервуар может быть соединен непосредственно с промежуточным пространством. Однако, в соответствии с показанным на фиг. 3 вариантом осуществления, резервуар также может быть присоединен в виде отдельного резервуара 14 к корпусу G концевой муфты 4, а именно, между корпусом G и вакуумным насосом 11. Однако, как показано на фиг. 3, резервуар 14 также может быть соединен, как показано на фиг. 3, непосредственно с промежуточным пространством 9 корпуса G через трубопровод 10. Резервуар 14 заключает объем, который больше относительно объема газов корпуса G, содержащихся в промежуточном пространстве 9. Объем резервуара 14 преимущественно больше объема газа, содержащегося в промежуточном пространстве 9, по меньшей мере в 10 раз. Соответственно, промежуточное пространство 9 и резервуар 14 соединены друг с другом через трубопровод 10 так, что газ, присутствующий в концевой муфте 4, имеет значительно увеличенный объем. Соответственно, небольшие количества газа, вводимого в корпус G концевой муфты 4 или образующегося в корпусе G в результате газификации материалов, оказывают уменьшенное влияние на преобладающее в промежуточном пространстве 9 давление, так что вакуумный насос 11 имеет уменьшенное влияние на преобладающее в промежуточном пространстве давление, следовательно, вакуумный насос 11 можно включать и выключать с существенно увеличенными интервалами. Кроме того, в этом варианте осуществления концевой муфты 4 в трубопроводе 16, который соединяет резервуар 14 и вакуумный насос 11, может быть расположен клапан 15.
Содержащийся в промежуточном пространстве 9 корпуса G газ преимущественно является газом, который соответствует хладагенту, пропускаемому в криостате 1 тракта передачи.
1. Концевая муфта для сверхпроводящего электрического кабеля, состоящая из корпуса, выполненного из двух стенок, отделенных друг от друга промежуточным пространством и состоящих из изолирующего материала, в чьем промежуточном пространстве предусмотрена содержащая газ изоляция, при этом кабель имеет по меньшей мере одну сверхпроводящую жилу, причем сверхпроводящий электрический кабель окружен трубчатым криостатом из металла, содержащим хладагент, и концевая муфта соединена через уплотнительные соединительные элементы с криостатом, отличающаяся тем, что:
- концевая муфта окружает конец сверхпроводящего электрического кабеля, корпус муфты находится в гидравлическом сообщении с криостатом и содержит хладагент, и окружает конец сверхпроводящего электрического кабеля, и сквозь этот корпус простирается наружу соединенная с жилой выводная втулка;
- давление в промежуточном пространстве корпуса установлено на величине от 10-9 до 1000 мбар,
- промежуточное пространство соединено с резервуаром, объем которого больше по сравнению с объемом содержащегося в этом промежуточном пространстве газа,
- устройство измерения давления и подключенный к нему вакуумный насос соединены с промежуточным пространством и служат для регулирования давления, преобладающего в промежуточном пространстве корпуса, до заданной величины, и
- резервуар расположен между корпусом и вакуумным насосом.
2. Концевая муфта по п. 1, отличающаяся тем, что объем резервуара больше объема содержащихся в промежуточном пространстве корпуса газов по меньшей мере в 10 раз.
3. Концевая муфта по п. 1, отличающаяся тем, что вакуумный насос соединен с промежуточным пространством через трубопровод.
4. Концевая муфта по п. 3, отличающаяся тем, что в трубопроводе расположен клапан.
5. Концевая муфта по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что промежуточное пространство корпуса содержит газ, который соответствует присутствующему в криостате хладагенту.
6. Концевая муфта по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что резервуар и вакуумный насос соединены друг с другом через трубопровод.
7. Концевая муфта по п. 6, отличающаяся тем, что в трубопроводе расположен клапан.
8. Концевая муфта по п. 7, отличающаяся тем, что промежуточное пространство корпуса содержит газ, который соответствует присутствующему в криостате хладагенту.
