Кріостат для надпровідних магнітів

Реферат: Кріостат для надпровідних магнітів з азотним та гелієвим резервуарами, охопленими радіаційними екранами і розділеними між собою вакуумним простором, розташовані в вакуумному кожусі. При цьому гелієві горловини об'єднано колектором, а азотні горловини мають кришки з отворами, направленими вниз, надпровідні магніти мають теплі вертикальні канали і всі вони розміщені в одному спільному резервуарі. UA 89429 U (12) UA 89429 U UA 89429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області конструювання та застосування в техніці низьких температур і, конкретно, для кріостатування надпровідних магнітів. Корисна модель може знайти застосування як удосконалена конструкція кріостату для кріомагнітної сепарації по збагаченню магнітних корисних копалин, глибокому очищенню коксуючогося енергетичного вугілля або для кріомагнітних генераторних ламп. Відома конструкція кріостата, що працює при гелієвих температурах з використанням зрідженого азоту для захисту гелієвого резервуару від підвищеного випаровування, фірми JANIS RESEARCH CO (http://www.ianis.com/Produ) - 10CNDT. Кріостат такого типу являє собою циліндричний резервуар із зрідженим гелієм, оточений резервуаром із зрідженим азотом, що розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Азотний резервуар розташовано над гелієвим. Такі кріостати широкогорлі, об'єкт для дослідження (надпровідний магніт) і пристрої для поповнення кріоагента вводять та виводять в одну спільну горловину гелієвого резервуара, занурюючи в зріджений гелій. Більша частина теплової енергії, яка випаровує рідкий гелій, поступає по горловині. Тому цей кріостат простий по конструкції та в користуванні, але має значно більші витрати рідкого гелію порівняно з вузькогорлими кріостатами, а також в ньому розташовують тільки один надпровідний магніт і є відсутнім вертикальний канал кімнатної температури (теплий канал). Відома конструкція кріостата з вертикальним теплим каналом, що працює при гелієвих температурах з використанням зрідженого азоту для захисту гелієвого резервуару від підвищеного випаровування, фірми JANIS RESEARCH CO (http://www.ianis.com/Produ) - Room Temperature Bore Systems. Кріостат такого типу являє собою циліндричний резервуар із зрідженим гелієм, оточений резервуаром із зрідженим азотом, що розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі, але в ньому розташовують тільки один надпровідний магніт. Відома конструкція вузькогорлого гелієвого кріостата з малими витратами рідкого гелію та прискореним охолодженням об'єкта дослідження (надпровідного магніту) А.С. СРСР №1325263 А1 (51)4 F25D3/10 Бюл. №27 23.07.87 "Криостат для захолаживания приборов". Кріостат являє собою резервуар із зрідженим гелієм, над яким розміщено резервуар із зрідженим азотом, що розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Гелієвий та азотний резервуари закріплено своїми горловинами до верхнього фланця. В кріостаті об'єкт для охолодження постійно знаходиться в резервуарі із зрідженим гелієм та має локальний резервуар. Локальний резервуар розташовано вдовж осі вертикального теплого каналу, охоплює надпровідний магніт і призначено тільки для прискорення його охолодження, а в гелієвому резервуарі тільки один надпровідний магніт. Відома конструкція вузькогорлого гелієвого кріостата з вертикальним теплим каналом, малими витратами рідкого гелію для надпровідного магніту (Литвинов В.К., Постол П.Н., Папаянин С.И., Дорошева О.В. "Криостат для сверхпроводящих магнитов" "Приборы и техника эксперимента" №3, 1987). Кріостат являє собою резервуар із зрідженим гелієм, оточений резервуаром із зрідженим азотом, що розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Гелієвий та азотний резервуари закріплено трьома своїми горловинами до верхнього фланця. Гелієві горловини не пов'язані між собою колектором, кріостат не розрахований на роботу під кутом до горизонту. Відома конструкція вузькогорлого гелієвого кріостата з малими витратами рідкого гелію (Патент України на корисну модель № 64099 F17С13/00 Бюл. №20, 2011 "Кріостат"). Кріостат являє собою резервуар із зрідженим гелієм, над яким розміщено резервуар із зрідженим азотом, що розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Гелієві горловини об'єднано колектором, а на азотних горловинах розміщено кришки з отворами, направленими вниз, що запобігає прониканню конденсату парів води в азотний резервуар, але кріостат не розрахований на роботу під кутом до горизонту. Найближчим по технічній суті до пристрою, що заявляється, є гелієвий кріостат, що має два і більше надпровідних магніти з теплими каналами, виставленими під заданим кутом до горизонту (А.С. СРСР №1552747 А1, F25D3/10 за 1989р. "Криостат для захолаживания сверхпроводящих магнитов"), вибраний як прототип. В цій моделі основний резервуар із зрідженим гелієм і радіаційний екран, яким оточений резервуар, знаходяться в вакуумному кожусі. Навколо нього розташовано контейнери, в кожному з яких знаходиться надпровідний магніт в локальному гелієвому резервуарі. Вдовж осі надпровідного магніту, в контейнері, знаходиться теплий канал, який разом з надпровідним магнітом виставляють під заданим кутом до горизонту. Локальний гелієвий резервуар з надпровідним магнітом оточено радіаційним екраном, який з'єднаний теплопровідним елементом з основним гелієвим резервуаром, і знаходяться в вакуумному кожусі контейнера. Локальний гелієвий резервуар з надпровідним 1 UA 89429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 магнітом закріплено теплоізоляційними елементами в своєму радіаційному екрані, який в свою чергу закріплено аналогічно в вакуумному кожусі контейнера. Вакуумний кожух основного резервуара фланцями з'єднується з контейнерами так, що вони мають спільний вакуумний простір і розрізнені гелієві резервуари. Фланцеві з'єднання, через які проходять теплопровідні елементи, дозволяють виставляти контейнери під заданим кутом, залишаючи основний резервуар нерухомим. Всі контейнери з надпровідними магнітами розташовано навколо основного резервуару на відстані, що дозволяє працювати без силової взаємодії їхніх магнітних полів між собою, і закріплено до основного резервуару фланцями та силовими тягами, створюючи просторову конструкцію рами. Робота цього кріостату полягає в тому, що після заповнення локальних гелієвих резервуарів з надпровідними магнітами рідким гелієм, його випаровування майже не відбувається, так як вся теплова енергія, що поступає із зовнішнього середовища, попадає на їхні радіаційні екрани, а звідти через теплопровідні елементи до основного резервуару із зрідженим гелієм. В такій конструкції основний запас зрідженого гелію міститься в центральному витратному резервуарі, а надпровідні магніти поміщені в невитратні локальні резервуари з теплими каналами і розташовані навколо нього під заданим кутом. Конструкція цього кріостата дає можливість проводити дослідження, маючи 2 і більше надпровідних магнітів з теплими каналами, виставленими під заданим кутом, але має недоліки, що обмежує його застосування: - розташування надпровідних магнітів в контейнерах навколо центрального резервуару збільшує його габарити; - потребує додаткових витрат на матеріали, що створюють просторову конструкцію рами для кріплення основного резервуару та контейнерів з надпровідними магнітами; - потребує додаткових витрат на кольорові метали, необхідних для виготовлення теплопровідних елементів та радіаційних екранів локальних резервуарів; - сумарна площа поверхні, що сприймає променеву теплову енергію об'ємом зрідженого гелію, надмірно розгалужена і складається: з площі поверхні основного гелієвого резервуару; - суми площ поверхонь радіаційних екранів, що охоплює кожен надпровідний магніт; та суми площ поверхонь теплопровідних елементів - це приводить до підвищених витрат зрідженого гелію; - змінювати кут теплого каналу відносно горизонту можливо тільки при відсутності зрідженого гелію в його резервуарах. Загальними ознаками кріостата по прототипу і корисній моделі, що заявляється, є: - наявність декількох резервуарів із зрідженими кріоагентами, розділених між собою спільним вакуумним простором; - наявність спільного вакуумного кожуха для всіх резервуарів кріостату; - наявність радіаційних екранів навколо кожного резервуару; - кріостат використовують для створення температури, що гарантує надійну роботу надпровідних магнітів; - наявність декількох надпровідних магнітів в одному кріостаті; - наявність теплих каналів в кожному з надпровідних магнітів; - можливість змінювати кут теплих каналів з їхніми надпровідними магнітами відносно горизонту. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу зменшення габаритних розмірів та зниження витрат на матеріали при виготовленні кріостата і зрідженого гелію при експлуатації кріостата. Поставлена задача вирішується тим, що: 1. Надпровідні магніти (3 шт.) з теплими каналами розміщено в одному спільному резервуарі на мінімально близькій відстані з установленим між ними пристроєм, що компенсує силову взаємодію їхніх магнітних полів; за рахунок чого здійснено зменшення габаритів кріостату. Таке рішення дозволило зменшити витрати на матеріали для виготовлення локальних резервуарів з їхніми радіаційними екранами, теплопровідних елементів, що йдуть від кожного надпровідного магніту до центрального резервуару, та зовнішньої конструкції рами для кріплення основного резервуару з контейнерами, а також знизити трудовитрати на їх виготовлення. 2. Зменшено площу поверхні об'єму, де зберігається зріджений гелій, в порівнянні з прототипом за рахунок використання тільки одного гелієвого резервуару з щільно розміщеними в ньому надпровідними магнітами, оскільки площа поверхні одного гелієвого резервуару менша ніж розгалужена (площа поверхні кожного надпровідного магніту окремо та площа поверхні основного резервуару). Зменшення площі поверхні сприймання променевої теплової енергії, випромінюваної зовнішнім середовищем, пропорційне зменшенню витрат зрідженого гелію. 2 UA 89429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На кресленні представлено загальний вигляд кріостата в робочому стані під кутом а до горизонту. Кріостат містить наступні елементи: 1 - гелієвий резервуар, 2 - гелієвій екран, що охоплює гелієвий резервуар, 3 - азотний екран, 4 - азотний резервуар, 5 - проміжний активний радіаційний екран, 6 - кожух вакуумний, 7 - надпровідні магніти, 8 - теплий вертикальний канал, 9 - пристрій, що компенсує силову взаємодію магнітних полів надпровідних магнітів, 10 локальний резервуар, 11 - вихідний отвір в газову подушку гелієвого резервуару, 12 - заливна гелієва горловина, 13 - дренажна гелієва горловина, 14 - горловина азотного резервуару, 15 теплопровідний контакт, 16 - кришка з отворами, направленими вниз, 17 - колектор, 18 склопластикові опори гелієвого резервуару, 19 - склопластикові опори азотного резервуару, 20 перегородка, 21 - верхній фланець кріостата. В кріостаті гелієвий резервуар 1, виготовлений із сталі 12Х18Н10Т, охоплено гелієвим екраном 2, виготовленим із теплопровідного матеріалу (мідь М1). Гелієвий екран 2 закріплено теплопровідними контактами до гелієвих горловин 12, 13. Азотний екран 3 закріплено до дна азотного резервуару 4. Азотний резервуар 4, виготовлений із сталі 12Х18Н10Т, разом зі своїм азотним екраном 3 охоплено проміжним активним радіаційним екраном 5, виготовленим із теплопровідного матеріалу (мідь М1). Проміжний активний радіаційний екран 5 закріплено до азотних горловин 14 теплопровідними контактами 15. Гелієвий екран 2 та проміжний активний радіаційний екран 5 закріплено на горловинах своїх кріогенних резервуарів у розрахованих точках ефективного теплообміну. Така конструкція дозволяє використовувати відпрацьовані пари зріджених кріоагентів (гелію та азоту) для охолодження своїх екранів, зменшуючи променеву теплову енергію, що надходить із зовні до кріогенних резервуарів, а значить зменшує витрати та ефективно використовує кріоагенти. Гелієвий та азотний резервуари мають на своїх верхніх фланцях біля кожної горловини по дві протилежно направлені склопластикові опори. Горловини та склопластикові опори створюють силові вузли, що утримують кріогенні резервуари при роботі в горизонтальному та нахиленому положеннях верхнього фланця кріостата. В горизонтальному положенні верхнього фланця кріостата кріогенні резервуари утримуються на своїх горловинах, безпосередньо закріплених на ньому. Склопластикові опори гелієвого резервуару одним кінцем закріплено на верхньому фланці гелієвого резервуару, іншим - на дні азотного резервуару. Склопластикові опори азотного резервуару одним кінцем закріплено на верхньому фланці азотного резервуару, іншим - на верхньому фланці кріостата. Таким чином створено силовий просторовий ланцюг: гелієвий резервуар - верхній фланець кріостата. Горловини кріогенних резервуарів набагато довші, ніж склопластикові опори, тому більш гнучкі і при нахилі кріостата, прогинаючись, навантажують склопластикові опори, зменшуючи навантаження на себе. Така конструкція силових вузлів дозволяє для горизонтального положення верхнього фланця кріостата навантажити горловини; для нахиленого - склопластикові опори, не навантажуючи горловин, при цьому все силове навантаження сприймає верхній фланець кріостата, а не кожух вакуумний. Кожух вакуумний сприймає тільки навантаження атмосферного тиску, тому для зменшення маси кріостата його виготовлено із тонколистової сталі 12Х18Н10Т. Для протистояння атмосферному тиску на зовнішню поверхню оболонки кожуха вакуумного наварено ребра у вигляді швелера, виготовлені з того ж матеріалу, що і його оболонка. Дію атмосферного тиску на фланець кожуха та фланець кріостата компенсують теплі вертикальні канали, виготовлені теж з тонколистової сталі 12Х18Н10Т. В гелієвому резервуарі розміщено три надпровідні магніти 7 з пристроєм, що компенсує силову взаємодію магнітних полів, на мінімально близькій відстані один від одного. Спільний гелієвий резервуар мінімальних розмірів дозволив установити спільні радіаційні мідні екрани мінімальних розмірів (гелієвий, азотний, проміжний активний), а також спільний азотний резервуар і кожух, що дозволило зменшити: - габаритні розміри корисної моделі; - поверхню зрідженого гелію; - витрати зрідженого гелію; - кількість матеріалів на виготовлення кріостата; - трудові затрати при його виготовленні. Пристрій 9, що компенсує силову взаємодію магнітних полів надпровідних магнітів, - це матриця з отворами для розташування і кріплення надпровідних магнітів так, щоб їх силова взаємодія не навантажувала елементи конструкції кріостата при максимальному зближенню. Виготовлено цей пристрій з плит алюмінієвих сплавів, стягнутих між собою болтовим з'єднанням. 3 UA 89429 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Робота кріостата в нахиленому стані виводить верхній надпровідний магніт із зануреного положення в зріджений гелій, що приводить до аварійної ситуації. Тому верхній надпровідний магніт розміщено в локальний резервуар 10 з вихідним отвором в газову подушку гелієвого резервуару 11. Вихідний отвір локального резервуара знаходиться в найвищому місці нахиленого гелієвого резервуара, тому рівень зрідженого гелію також буде найвищим в нахиленому стані, не перетікаючи вниз. Наявність локального резервуара на швидкість випаровування спільного зрідженого гелію не впливає, так як його поверхня не збільшує сприймання зовнішньої теплової енергії і вони мають спільну верхню газову подушку, але дає можливість надійної роботи надпровідних магнітів в нахиленому стані (див. креслення). В азотному резервуарі герметично установлено поперечні перегородки 20, що розділяють його на частини, в кожній з яких в нахиленому стані затримується зріджений азот по поверхні дна. Тому температура дна та прикріпленого до нього екрана завжди постійна і дорівнює температурі рідкого азоту, що знаходиться в азотному резервуарі незалежно від його рівня та кількості. Така конструкція надійно захищає гелієвий резервуар від променевої теплової енергії, що поступає із зовнішнього середовища, тим самим зменшує витрати рідкого гелію. Поперечні перегородки азотного резервуара в нахиленому положенні дозволяють запобігати перетікання зрідженого азоту в один бік, що в свою чергу дозволяє: - зменшити витрати зрідженого азоту через занурені азотні горловини; - усунути перепад температур по дну азотного резервуару; - запобігати зміщення центра маси азотного резервуара та виникнення динамічних навантажень, які провокують підвищене випаровування зрідженого гелію. Горловини гелієвого резервуара сполучено на загальний колектор 17. Колектор усуває застояну зону в горловинах з різними перетинами, здійснюючи примусове охолодження всіх горловини, що в свою чергу зменшує теплопідвід по горловинах до рідкого гелію в середньому на 40 % (ВНИИкриогенмаш, отчет по работе "Испытание опытных образцов сосудов с экранами охлаждаемыми паром", 1968г.). Це особливо важливо при живленні надпровідних магнітів, коли в горловини вставляють силові та управляючі токовводи. Горловини азотного резервуару мають кришки 16 з отворами, направленими вниз, призначені для запобігання проникнення конденсату в азотний резервуар та зменшення теплової енергії, випромінюваної в рідкий азот. В кріостаті встановлено три мідні радіаційні екрани як паралельні поверхні, тому в них наводяться токи Фуко, які примушують їх до силової взаємодії та небажаних теплових контактів, збільшуючи витрати кріогенних рідин. Тому всі радіаційні екрани виготовлено з розрізами та скріплено в місцях розрізу ізоляційним матеріалом, що запобігає появі токів Фуко. Дослідження з застосуванням кріостата, що заявляється, здійснюються наступним чином. Спочатку відкачують з середини кожуха вакуумного 6 повітря до залишкового тиску не більше -4 ніж 1 × 10 мм рт. ст. Потім заповнюють азотний резервуар 4 зрідженим азотом, а гелієвий резервуар 1 - зрідженим гелієм. Кріостат підготовлено для роботи при кріогенних температурах. Далі вставляють силові та управляючі токовводи в гелієві горловини і з'єднують ними джерело живлення з надпровідними магнітами. Після виконання живлення надпровідних магнітів токовводи витягують назовні і доливають зріджений гелій в гелієвий резервуар. Кріостат підготовлено для роботи при кріогенних температурах. Кріостат на відміну від аналогів та прототипу має: - три надпровідні магніти, розміщені в одному гелієвому резервуарі на мінімально близькій відстані один від одного, що зменшує його масу та габарити як одного кріостата, замінюючи технічні характеристики трьох кріостатів; - силові вузли, які складаються з горловини та склопластикових опор, що утримують кріогенні резервуари при роботі в горизонтальному та в нахиленому положенні, не навантажуючи кожух вакуумний; - локальний резервуар з вихідним отвором в газову подушку гелієвого резервуару, що дає можливість надійної роботи надпровідних магнітів в нахиленому стані; - поперечні перегородки в азотному резервуарі, що в нахиленому положенні дозволяють запобігати перетікання зрідженого азоту в один бік. Такі конструктивні особливості в комплексі зменшують: габаритні розміри, витрати на матеріали при виготовленні кріостата, витрати зрідженого гелію при експлуатації; розширюють можливості та підвищують надійність в роботі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Кріостат для надпровідних магнітів з азотним та гелієвим резервуарами, охопленими радіаційними екранами і розділеними між собою вакуумним простором, розташовані в 4 UA 89429 U 5 10 15 вакуумному кожусі, при цьому гелієві горловини об'єднано колектором, а азотні горловини мають кришки з отворами, направленими вниз, надпровідні магніти мають теплі вертикальні канали, який відрізняється тим, що всі надпровідні магніти розміщені в одному спільному резервуарі. 2. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що гелієвий резервуар має пристрій, що компенсує силову взаємодію магнітних полів надпровідних магнітів. 3. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що гелієвий та азотний резервуари мають на своїх верхніх фланцях біля кожної горловини протилежно направлені по дві склопластикові опори. 4. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що надпровідний магніт, який в нахиленому стані знаходиться в верхній точці, охоплений герметичним локальним резервуаром з вихідним отвором в газову подушку гелієвого резервуару. 5. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що в азотному резервуарі установлені герметично поперечні перегородки. 6. Кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що всі радіаційні екрани виготовлені з розрізами, скріпленими ізоляційним матеріалом. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5