Способ изготовления сверхпроводящего кабеля

Способ изготовления сверхпроводящего кабеля

Реферат

Изобретение относится к способу изготовления сверхпроводящего кабеля, который снабжен средствами для компенсации обусловленных температурой изменений длины, возникающих при охлаждении кабеля от комнатной температуры до рабочей температуры и обратно, в котором используют сверхпроводящий кабель с центральной, трубчатой подложкой, окруженной по меньшей мере одним сверхпроводящим проводом, причем в подложке по всей ее длине расположена по меньшей мере одна стойкая на растяжение стренга.

Такой кабель известен, например, из US 2010/0285968.

Сверхпроводящий кабель имеет электрический провод из материала, который при достаточно низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление постоянному току выполненного соответствующим образом провода при достаточном охлаждении равно нулю, пока не превышена определенная сила тока, т.е. критическая сила тока. Подходящие сверхпроводящие материалы представлены, например, оксидными материалами на основе редкоземельных элементов (ReBCO), в частности YBCO (оксидное соединение иттрия, бария и меди) или BSCCO (оксидное соединение висмута, стронция, кальция и меди). Достаточно низкие температуры, которые позволяют привести такой материал в сверхпроводящее состояние, находятся, например, в диапазоне от 67 К до 110 К. Однако есть также сверхпроводящие материалы, как, например, диборид магния, которые необходимо охладить до еще более низких температур, чтобы они могли перейти в сверхпроводящее состояние. Подходящими средствами охлаждения для всех этих материалов являются, например, азот, гелий, неон и водород или смесь этих веществ.

При работе устройства по меньшей мере с одним сверхпроводящим кабелем последний помещают в известном способе в криостат, который состоит по меньшей мере из одной теплоизолированной трубки, через которую проходит подходящее для используемого сверхпроводящего материала средство охлаждения, предпочтительно одно из вышеприведенных средств охлаждения. Для достижения сверхпроводящего состояния кабель глубоко охлаждают внутри криостата, так что вследствие термической усадки он укорачивается. Чтобы обеспечить работоспособность токопроводящего устройства, необходимо принять меры, при помощи которых укорочение кабеля может быть компенсировано таким образом, что оно не создает помехи для криостата или кабеля, с одной стороны, и для подключенных к криостату или кабелю агрегатов, с другой стороны.

В способе согласно ЕР 1720176 В1 сверхпроводящий кабель при комнатной температуре настолько деформируется крестообразной сетью из стойких на растяжение проволок, выполненных, например, из инварстали и точечно соединенных с кабелем, что проходит в форме гофра. Сверхпроводящий кабель в этой гофрообразной форме помещен в состоящий из двух расположенных концентрически друг с другом труб, между которыми предусмотрена вакуумная изоляция, криостат, по которому при эксплуатации соответствующего устройства пропускается средство охлаждения. Ставший короче при охлаждении кабель переходит в вытянутую форму, без того чтобы при этом возникла механическая нагрузка на криостат или подсоединенные агрегаты. Этот способ может быть реализован практически, однако сопряжен с большими издержками.

В упомянутом вначале документе US 2010/0285968 А1 описан способ, который позволяет компенсировать тепловую усадку сверхпроводящего кабеля. Кабель снабжен трубчатой подложкой, вокруг которой расположены два разделенных изоляционным слоем сверхпроводящих провода. В подложку помещена стойкая на растяжение стренга, которая при прокладке кабеля фиксируется, например, на обоих концах скобами. Посредством стренги концы кабеля так сжаты в осевом направлении, что провода на этих концах простираются гофрообразно с соответствующим укорочением.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить сверхпроводящий кабель, который может быть выполнен просто и недорого, так что позволяет компенсировать изменения его длины, обусловленные температурой.

Эта задача решается согласно изобретению тем, что кабель вначале вместе со стренгой наматывают при комнатной температуре на катушку, затем на обоих концах кабеля фиксируют стренгу на нем без возможности смещения и затем кабель сматывают с катушки.

Этот способ может быть реализован просто и без больших монтажных издержек. Требуется лишь сверхпроводящий кабель, который независимо от своей конструкции и, в частности, независимо от числа его сверхпроводящих проводов имеет центральную трубчатую подложку. В подложку вначале протягивают по меньшей мере одну стренгу, которая без особой размерной точности должна быть такой длины, чтобы она простиралась до обоих концов кабеля. Стренга может быть изготовлена, например, из стали или из стойкого на растяжение пластика. Снабженный стойкой на растяжение стренгой кабель наматывают затем обычными устройствами на состоящую из сердечника и двух ограничивающих его с боков фланцев катушку. При этом стренга прилегает к обращенной к сердечнику катушки поверхности подложки. Вследствие этого на обоих концах сверхпроводящего кабеля стренга прочно и без возможности скольжения закреплена на нем, предпочтительно на подложке кабеля.

В завершение сверхпроводящий кабель вновь сматывают с катушки. Теперь он имеет более или менее прямолинейное положение. Стойкая на растяжение стренга в процессе размотки выравнивается. При этом между двумя неподвижными точками на концах кабеля она короче него, а именно на величину, которую определяет расстояние стренги от оси или нейтральной фазы кабеля. Поэтому при размотке кабеля с катушки стренга удерживает его концы, так что кабель из-за своей большей относительно стренги длине деформируется. Эта большая длина может быть преобразована, например, таким образом, что кабель между своими концами проходит более или менее гофрообразно.

Деформированный гофрообразно сверхпроводящий кабель может сразу же вслед за этим или непосредственно при размотке с катушки помещаться в криостат. Однако еще до фиксации стойкой на растяжение стренги он может быть помещен в криостат, который наматывают на катушку с заключенным внутри кабелем. Также в этой форме осуществления после намотки криостата на катушку стренга без возможности смещения закреплена на обоих концах кабеля.

Сверхпроводящий кабель при своем охлаждении от исходной комнатной температуры до рабочей температуры становится короче, например, в пределах между 0,3% и 0,5%. Это означает, например, что длина кабеля в 600 м укорачивается до 598 или 597 м. Соответствующие фактические изменения могут быть учтены, например, посредством диаметра подложки или ее условного прохода c переменным расстоянием стойкой на растяжение стренги от оси кабеля. Другая возможность состоит в том, чтобы стойкую на растяжение стренгу поместить с определенным люфтом в подложке, так что при размотке кабеля с катушки она лишь с некоторой заторможенностью переходит в свое прямолинейное положение.

Чтобы исключить заторможенность движения сверхпроводящего кабеля, которое может возникать при его охлаждении из-за стойкой на растяжение стренги, целесообразно отсоединить ее после смотки кабеля с катушки по меньшей мере на одном конце кабеля. Стренга после смотки кабеля с катушки предпочтительно удаляется из подложки. Обе эти манипуляции осуществляют преимущественно лишь тогда, когда кабель на своих концах подключен к агрегатам токопроводящего устройства.

Ниже способ согласно изобретению поясняется на основе чертежей в виде примера осуществления. При этом показаны:

фиг. 1 - поперечное сечение содержащего центральную трубчатую подложку сверхпроводящего кабеля в схематичном изображении,

фиг. 2 - катушка с намотанным сверхпроводящим кабелем,

фиг. 3 - конец подложки кабеля с фиг. 1,

фиг. 4 - схематичный вид подложки после размотки кабеля с катушки,

фиг. 5 - поперечное сечение криостата с находящимся внутри него сверхпроводящим кабелем,

фиг. 6 - также схематичный вид подложки после охлаждения кабеля.

На фиг. 1 схематично представлено поперечное сечение сверхпроводящего кабеля SK, содержащего центральную, трубчатую подложку 1. Элементы кабеля SK окружают подложку 1, при этом его самый внутренний слой прилегает к подложке 1. Конструкция кабеля SK варьирует в широких границах. Как кабель с теплым диэлектриком она должна содержать лишь один сверхпроводящий провод, а как кабель с холодным диэлектриком - один сверхпроводящий провод и окружающую его изоляцию (диэлектрик). Поэтому по конструкции кабеля уточняющие подробности не приводятся.

Подложка 1 выполнена из металла, например, стали или меди. В подложке 1 помещена стойкая на растяжение стренга 2, изготовленная, например из стали или стойкого на растяжение пластика. В подложке 1 могут быть помещены также две или большее число стойких на растяжение стренг. В дальнейшем описании рассматривается лишь вариант с одной стойкой на растяжение стренгой 2. Стренга 2 должна быть, по меньшей мере, такой же длинной, как и кабель SK, так чтобы она простиралась до обоих концов кабеля. Целесообразно иметь стренгу 2 длиннее, чем кабель SK, так чтобы она на обоих концах выступала из него.

Для реализации способа согласно изобретению кабель SK, например, с находящейся в подложке 1 стренгой 2 наматывают при комнатной температуре, по меньшей мере, в один слой на катушку SP, которая состоит из сердечника 3 и ограничивающих его с боков фланцев 4 и 5. На фиг. 2 изображен лишь один слой намотанного кабеля SK в форме кругов, при этом не приводятся уточняющие подробности. В зависимости от длины кабеля SK он может быть намотан на катушку SP в два или большее число уложенных друг на друга слоев. При намотанном на катушку SP кабеле SK стренга 2 прилегает к внутренней поверхности подложки 1, которая обращена к сердечнику 3 катушки SP. Поэтому она удалена от оси А на расстояние, которое зависит от диаметра или условного прохода подложки 1 кабеля.

Если кабель SK во всю свою длину намотан на катушку SP, стойкая на растяжение стренга 2 на обоих концах кабеля SK прочно и без возможности смещения соединена с ним, предпочтительно с его подложкой 1. Это обозначено на фиг. 3 для одного конца кабеля, при этом обозначены лишь подложка 1 и стренга 2. Место соединения 6 между обоими элементами обозначено на фиг. 3 лишь схематично. В зависимости от степени «волнистости» кабеля SK, которую он имеет после размотки с катушки SP, стренга 2 при креплении на кабеле SK может быть жестко стянута на его обоих концах, но помещена одновременно с определенным люфтом в подложке 1.

Если стренга 2 на обоих концах соединена с кабелем SK или его подложкой 1, кабель SK может быть смотан с катушки SP. Так как стренга 2 помещена в подложке 1 на расстоянии от оси А кабеля SK или его нейтральной фазы, то между двумя неподвижными точками на концах кабеля SK она короче, чем кабель. Поэтому она удерживает кабель SK на обоих концах при его размотке с катушки SP, так что кабель SK должен уместить свой возникающий при этом «излишек» длины за счет соответствующей деформации между двумя неподвижными точками. При этом в соответствии с изображением на фиг. 4 он деформирован преимущественно волнообразно. На фиг. 4 это обозначено лишь двумя волнообразными линиями, которые должны изображать подложку 1. Стренга 2 помечена на фиг. 4 в виде прямой.

Кабель SK в показанной на фиг. 4 форме может быть помещен, например, в схематично изображенный на фиг. 5 криостат KR. В форме осуществления с фиг. 5 криостат KR состоит двух расположенных концентрически друг с другой труб 7 и 8 из металла, в частности из специальной стали, между которыми предусмотрена вакуумная изоляция 9. Криостат KR также может быть изготовлен лишь из теплоизолированной трубы. Он может быть отформован вокруг гофрированного кабеля SK. Однако гофрированный кабель SK также может быть протянут или вставлен в предварительно изготовленный криостат.

Криостат KR содержит также вокруг кабеля SK полость HR, через которую при работе соответствующего устройства пропускается средство охлаждения. При этом кабель SK укорачивается настолько, что переходит в вытянутую форму, как это вновь обозначено на фиг. 6 только для подложки 1.

Чтобы движение кабеля SK при охлаждении полностью освободить от торможения со стороны стренги 2, которая при этом также охлаждается, целесообразно, по меньшей мере, на одном конце кабеля SK предварительно отсоединить стренгу 2 от кабеля или от его подложки 1. Предпочтительно, перед охлаждением кабеля SK стренгу 2 удаляют из него. Поэтому на фиг 6. она не показана. Оба варианта манипуляций со стренгой 2 осуществляют целесообразно лишь тогда, когда кабель SK на обоих своих концах подключен к агрегатам токопроводящего устройства.

Способ согласно изобретению может быть реализован в другой форме, так что кабель SK вместе с помещенной в подложке 1 стренгой 2 вначале пропускают в криостат KR. Укомплектованный таким образом криостат KR затем аналогично фиг. 2 наматывают на катушку. Прокладка стренги 2 на кабеле SK или на его подложке 1 и дальнейшие манипуляции согласно этой форме осуществления с помещенным уже в криостат KR кабелем SK осуществляют аналогично вышеприведенному описанию.

1. Способ изготовления сверхпроводящего кабеля (SK), снабженного средствами для компенсации обусловленных температурой изменений длины, возникающих при охлаждении кабеля от комнатной температуры до рабочей температуры и обратно, и содержащего центральную, трубчатую подложку (1), выполненную из металла и окруженную по меньшей мере одним сверхпроводящим проводом, при котором в трубчатой подложке (1) располагают по меньшей мере одну стойкую на растяжение стренгу (2), длина которой по меньшей мере равна длине кабеля (SK), наматывают кабель (SK) со стренгой (2) при комнатной температуре на катушку (SP) с прилеганием стренги (2) к внутренней поверхности подложки (1), которая обращена к сердечнику (3) катушки (SP), фиксируют стренгу на кабеле (SK) на его обоих концах без возможности смещения, сматывают кабель (SK) с катушки (SP), помещают смотанный кабель (SK) в трубчатый криостат (KR) и отсоединяют стойкую на растяжение стренгу (2) от кабеля (SK) по меньшей мере на одном его конце перед охлаждением кабеля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стойкую на растяжение стренгу (2) после смотки кабеля (SK) с катушки (SP) удаляют из подложки (1).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кабель (SK) фиксируют на его концах на агрегатах токопроводящего устройства лишь перед тем, как стойкая на растяжение стренга (2) отсоединена от кабеля (SK) или удалена из подложки (1).