RU196997U1 - COOLING COOLER COOLING UNIT - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к криогенной и электроизоляционной технике. Техническим результатом полезной модели является обеспечение электроизоляции катушки из высокотемпературного сверхпроводящего провода (ВТСП) при обеспечении высокой теплопроводности от металлических элементов галетного соленоида. Для достижения технического результата предложено устройство охлаждения галетного соленоида, состоящего из диска и кольца, высокотемпературной сверхпроводящей катушки с медным покрытием, с нанесенным на ее боковую поверхность фиксирующим слоем «Apezon N», в качестве обмоточного материала используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия, покрытого электроизолирующим слоем оксида алюминия. 2 ил.The utility model relates to cryogenic and electrical insulating technology. The technical result of the utility model is to provide electrical insulation of the coil from a high-temperature superconducting wire (HTSC) while ensuring high thermal conductivity from the metal elements of the biscuit solenoid. To achieve a technical result, a cooling device for a biscuit solenoid consisting of a disk and a ring, a high-temperature superconducting coil with a copper coating and a fixing layer “Apezon N” deposited on its side surface is proposed, an uninsulated tape superconducting wire is used as a winding material, and as heat-conducting discs and rings uses a hybrid material in the form of an array of aluminum coated with an electrically insulating layer of aluminum oxide. 2 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к криогенной и электроизоляционной технике и может быть использована для охлаждения обмотки сверхпроводящего электромагнита соленоидного типа, изготовленного из серии плоских обмоток (галет) из ленточных высокотемпературных сверхпроводников.The utility model relates to a cryogenic and electrical insulating technique and can be used to cool the windings of a superconducting electromagnet of the solenoid type made of a series of flat windings (biscuits) of tape high-temperature superconductors.

Уровень техникиState of the art

На сегодняшний день одним из наиболее перспективных видов сверхпроводящих соленоидов на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для создания сильных магнитных полей считаются соленоиды галетного (дискового) типа, поскольку обладают высокой ремонтоспособностью (путем замены галет) и соответствуют форм-фактору проводов (тонкие ленточные сверхпроводящие провода, типичной толщиной 0,1-0,2 мм и шириной 4-12 мм). Плоские обмотки (галеты) выполнены из ленточного провода, у которого наружное покрытие изготовлено из меди (толщина медного покрытия 0,02-0,03 мм). Для улучшения термомагнитной устойчивости сверхпроводящие ленты не покрываются электроизоляционным материалом, что улучшает условия охлаждения обмотки до криогенных температур при использовании косвенного охлаждения (охлаждение криорефрижератором за счет теплопередачи по материалам соленоида). В рабочем режиме ток в обмотке соленоида идет по сверхпроводящему слою провода и отсутствие электроизоляции соседних витков в галете не влияет на создаваемое соленоидом магнитное поле. Однако, соседние галетные обмотки должны быть электрически изолированными для сокращения времени ввода тока в соленоид. Таким образом, при косвенном охлаждении электрических устройств теплоотводящие элементы одновременно должны иметь высокий коэффициент теплопроводности и обеспечивать электрическую изоляцию.Today, one of the most promising types of superconducting solenoids based on high-temperature superconductors (HTSC) for creating strong magnetic fields are considered to be biscuit (disk) type solenoids, since they have high repair ability (by replacing biscuits) and correspond to the form factor of wires (thin tape superconducting wires , a typical thickness of 0.1-0.2 mm and a width of 4-12 mm). Flat windings (biscuits) are made of ribbon wire, in which the outer coating is made of copper (the thickness of the copper coating is 0.02-0.03 mm). To improve thermomagnetic stability, superconducting tapes are not coated with an insulating material, which improves the cooling conditions of the winding to cryogenic temperatures using indirect cooling (cooling by a cryorefrigerator due to heat transfer through the materials of the solenoid). In the operating mode, the current in the solenoid winding flows through the superconducting layer of the wire and the absence of electrical insulation of adjacent turns in the biscuit does not affect the magnetic field created by the solenoid. However, adjacent winding windings must be electrically isolated to reduce the time it takes for the current to enter the solenoid. Thus, with indirect cooling of electrical devices, the heat-removing elements must simultaneously have a high coefficient of thermal conductivity and provide electrical insulation.

В существующих конструкциях (прототипах) эти требования выполняются за счет применения медных теплопроводящих элементов и тонких диэлектрических пленок (политетрафторэтилен, полиимид и др.)In existing designs (prototypes), these requirements are met through the use of copper heat-conducting elements and thin dielectric films (polytetrafluoroethylene, polyimide, etc.)

Известен способ охлаждения сверхпроводящей катушки и фиксации соседних пластин (патент на изобретение JP 6355914), где в качестве изолирующего материала между ВТСП лентами используется пленка из политетрафторэтилена (ПТФЭ), эпоксидной смолой пропитывают торцевые поверхности сверхпроводящей катушки, намотанной совместно с пленкой ПТФЭ, боковые пластины и сверхпроводящая катушка, намотанные вместе с пленкой из ПТФЭ, прикреплены друг к другу. Однако данный метод электроизоляции способствует снижению эргономичности конструкции соленоида, так как для необходимой фиксации пленки, которая составляет порядка 50-100 мкм, дополнительно применяется слой эпоксидной смолы.A known method of cooling a superconducting coil and fixing adjacent plates (patent JP 6355914), where a film of polytetrafluoroethylene (PTFE) is used as an insulating material between HTSC tapes, impregnate the end surfaces of a superconducting coil wound together with a PTFE film, side plates and a superconducting coil wound together with a PTFE film is attached to each other. However, this method of electrical insulation helps to reduce the ergonomics of the design of the solenoid, since for the necessary fixation of the film, which is about 50-100 microns, an additional layer of epoxy is used.

Известно решение, описанное в статье (T. Takematsu et al., Physica С, Vol. 470, p. 674-677), в котором в качестве изоляции теплопроводящего материала между высокотемпературной сверхпроводящей катушкой и металлической частью галеты используется эпоксидная смола. Однако, по приведенным в статье данным, эпоксидная смола приводит к деградации критического тока ВТСП катушки за счет сильных механических напряжений, вызванных разницей коэффициентов температурного расширения использованных материалов.The solution described in the article (T. Takematsu et al., Physica C, Vol. 470, p. 674-677) is known in which an epoxy resin is used to insulate the heat-conducting material between the high-temperature superconducting coil and the metal part of the biscuit. However, according to the data presented in the article, epoxy resin degrades the critical current of the HTSC coil due to strong mechanical stresses caused by the difference in the thermal expansion coefficients of the materials used.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является способ изготовления высокотемпературной сверхпроводящей катушки (Заявка на изобретение JP 2018011078), в которой ВТСП провода изолированы друг от друга лентообразной политетрафторэтиленовой (ПТФЭ) пленкой, торцевые поверхности ВТСП-катушки пропитаны эпоксидной смолой и, таким образом, фиксируются к охлаждающим пластинам.The closest in technical essence to the claimed utility model is a method of manufacturing a high-temperature superconducting coil (Application for invention JP 2018011078), in which HTSC wires are insulated from each other by a tape-like polytetrafluoroethylene (PTFE) film, the end surfaces of the HTSC coil are impregnated with epoxy resin and, thus are fixed to the cooling plates.

Недостаток данного способа заключается в том, что слой эпоксидной смолы деформируется, а также низкая теплопроводность ПТФЭ пленок и эпоксидной смолы (0,25 Вт/(м*K) и 0,59 Вт/(м*K), соответственно), что ухудшает температурный режим работы соленоида.The disadvantage of this method is that the epoxy layer is deformed, as well as the low thermal conductivity of PTFE films and epoxy (0.25 W / (m * K) and 0.59 W / (m * K), respectively), which worsens temperature regime of the solenoid.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение электроизоляции обмоток соленоида без увеличения толщины конструкции галетного соленоида и при высокой эффективности теплопередачи.The technical problem to be solved by the claimed utility model is the provision of electrical insulation of the solenoid windings without increasing the thickness of the biscuit solenoid structure and with high heat transfer efficiency.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в использовании гибридных алюминиевых элементов, покрытых тонким слоем оксида алюминия (Al₂O₃), выполненного методом анодирования, провод высокотемпературной сверхпроводящей катушки не изолирован.The technical result of the claimed utility model is the use of hybrid aluminum elements coated with a thin layer of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), made by the anodization method, the wire of the high-temperature superconducting coil is not insulated.

Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что в предложенном устройстве охлаждения галетного соленоида состоящего из диска и кольца, высокотемпературной сверхпроводящей катушки с медным покрытием, с нанесенным на ее боковую поверхность фиксирующим слоем Apezon N в качестве обмоточного материала используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия покрытого электроизолирующим слоем оксида алюминия.The technical result of the claimed utility model is achieved by the fact that in the proposed cooling device of a biscuit solenoid consisting of a disk and a ring, a high-temperature superconducting coil with a copper coating, with an Apezon N fixing layer deposited on its side surface, an uninsulated tape superconducting wire is used as a winding material, and in As the heat-conducting disks and rings, a hybrid material is used in the form of an array of aluminum coated with an electrically insulating layer of aluminum oxide.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:The combination of the above essential features leads to the fact that:

- электроизоляционный слой создается путем окисления поверхности алюминиевого диска и не приводит к увеличению общей толщины конструкции галетного соленоида, при этом достигается высокая эффективность теплопередачи за счет высокой теплопроводности как материала диска (алюминий), так и материала электроизоляционного покрытия (Al₂O₃).- the electrical insulating layer is created by oxidizing the surface of the aluminum disk and does not lead to an increase in the total thickness of the biscuit solenoid design, while high heat transfer efficiency is achieved due to the high thermal conductivity of both the disk material (aluminum) and the electric insulation coating material (Al ₂ O ₃ ).

- заявляемое решение в условиях криогенных температур обладает высокой электрической стабильностью и механической прочностью, после многократных термоциклических испытаний под рабочим давлением, смоделированном в условиях эксплуатации галетного соленоида.- the claimed solution in conditions of cryogenic temperatures has high electrical stability and mechanical strength, after repeated thermocyclic tests under operating pressure, simulated in the conditions of operation of a balet solenoid.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На Фиг. 1-2 показана схема устройства охлаждения галетного соленоида, где цифрами обозначены:In FIG. 1-2 shows a diagram of a device for cooling a biscuit solenoid, where the numbers indicate:

1 - диск галетного соленоида;1 - a disk of a biscuit solenoid;

2 - кольцо галетного соленоида;2 - a ring of biscuit solenoid;

3 - высокотемпературная сверхпроводящая катушка;3 - high temperature superconducting coil;

4 - изоляционный слой Al₂O₃;4 - an insulating layer of Al ₂ O ₃ ;

5 - фиксирующий слой Apezon N.5 - fixing layer Apezon N.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Устройство охлаждения галет соленоида на Фиг. 1-2 состоит из дисков 1 и колец 2, изготовленных из технического алюминия, покрытых слоем оксида алюминия 4. На кольцо 2 намотана катушка 3 из неизолированного ленточного сверхпроводящего провода для термомагнитной устойчивости. Торцевая поверхность сверхпроводящей катушки 3 покрыта тонким слоем теплопроводящей смазки 5 (Apezon N) толщиной 10-15 мкм для улучшения сцепления с поверхностью и теплового контакта.The solenoid biscuit cooling device of FIG. 1-2 consists of disks 1 and rings 2 made of industrial aluminum, coated with a layer of aluminum oxide 4. A coil 3 of an uninsulated tape superconducting wire for thermomagnetic stability is wound on ring 2. The end surface of the superconducting coil 3 is coated with a thin layer of heat-conducting grease 5 (Apezon N) with a thickness of 10-15 microns to improve adhesion to the surface and thermal contact.

Теплопроводящий электроизоляционный слой оксида алюминия 4 на поверхностях диска 1 и кольца 2 получен методом анодирования в сернокислой среде, толщина покрытия составляет 15-18 мкм. От толщины покрытия зависит пробивное напряжение слоя. При указанной толщине пробивное напряжение составляет 400-500 В, что достаточно для безопасной работы соленоида галетного типа при любых режимах эксплуатации.The heat-conducting electrical insulating layer of aluminum oxide 4 on the surfaces of the disk 1 and ring 2 was obtained by anodizing in a sulfate medium, the coating thickness is 15-18 microns. The breakdown voltage of the layer depends on the thickness of the coating. At the specified thickness, the breakdown voltage is 400-500 V, which is sufficient for the safe operation of the biscuit-type solenoid under any operating conditions.

Используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод с медным покрытием, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия покрытого тонким 15-18 мкм электроизолирующим слоем оксида алюминия.An uninsulated tape superconducting wire with a copper coating is used, and a hybrid material in the form of an aluminum array coated with a thin 15-18 μm electrically insulating layer of aluminum oxide is used as heat-conducting disks and rings.

Предложенное устройство в условиях криогенных температур обладает высокой электрической стабильностью и механической прочностью, после многократных термоциклических испытаний под рабочим давлением, смоделированном в условиях эксплуатации галетного соленоида.The proposed device under conditions of cryogenic temperatures has high electrical stability and mechanical strength, after repeated thermocyclic tests under operating pressure, simulated in the conditions of operation of a balet solenoid.

Диск галеты 1 (осуществляющий теплопередачу) является основным элементом косвенного охлаждения сверхпроводящей обмотки 3 (при работе в вакууме при использовании криорефрижертора для охлаждения соленоида). Он имеет максимальную теплопроводность в области температур 40-70 К, и позволяет создать непроводящее анодированное покрытие 4, которое предохраняет слои соседних галет от электрического замыкания. Теплопроводность анодированного покрытия составляет 25-30 Вт/м*K, что в десятки раз превышает теплопроводность других электроизоляционных материалов. При многократном термоциклировании галет свойства электроизоляционного покрытия не изменяются.The biscuit disk 1 (carrying out heat transfer) is the main element of indirect cooling of the superconducting winding 3 (when working in vacuum when using a cryorefrigerator to cool the solenoid). It has a maximum thermal conductivity in the temperature range of 40-70 K, and allows you to create a non-conductive anodized coating 4, which protects the layers of neighboring biscuits from electrical short circuit. The thermal conductivity of the anodized coating is 25-30 W / m * K, which is ten times higher than the thermal conductivity of other electrical insulating materials. With repeated thermal cycling of biscuits, the properties of the electrical insulating coating do not change.

При анодировании поверхности алюминиевого диска 1 и кольца 2 в качестве электролита используется серная кислота H₂SO₄ 200 г/л, плотность тока 2,5 А/дм², время проведения процесса 37 минут, температура электролита составляла Т=14-16°С, электрический режим анодный.When anodizing the surface of the aluminum disk 1 and ring 2, sulfuric acid H ₂ SO ₄ 200 g / l, current density 2.5 A / dm ² , the process time is 37 minutes, the electrolyte temperature was T = 14-16 ° C is used as the electrolyte The electric mode is anode.

При эксплуатации заявляемого устройства, отвод тепла из сверхпроводящей катушки 3 осуществляется через изоляционный слой Al₂O₃ 4 к диску 1 и далее на медный холодопровод к криорефрижератору (на Фиг. 1-2 не указан). Слой 4 обеспечивает электроизоляцию при сохранении высокой теплопроводности между боковой поверхностью обмотки 3 и диска 1.During operation of the inventive device, heat is removed from the superconducting coil 3 through an insulating layer of Al ₂ O ₃ 4 to disk 1 and then to a copper cold pipe to the cryorefrigerator (not shown in Fig. 1-2). Layer 4 provides electrical insulation while maintaining high thermal conductivity between the side surface of the winding 3 and the disk 1.

Claims (1)

Устройство охлаждения обмотки галетного соленоида, состоящее из диска и кольца галетного соленоида, высокотемпературной сверхпроводящей катушки с медным покрытием с нанесенным на ее боковую поверхность фиксирующим слоем «Apezon N», отличающееся тем, что в качестве обмоточного материала используется неизолированный ленточный сверхпроводящий провод, а в качестве теплопроводящих дисков и колец используется гибридный материал в виде массива алюминия, покрытого электроизолирующим слоем оксида алюминия.The device for cooling a biscuit solenoid winding, consisting of a disk and a biscuit solenoid ring, a high-temperature superconducting coil with a copper coating and a fixing layer “Apezon N” applied to its side surface, characterized in that an uninsulated tape superconducting wire is used as a winding material, and as heat-conducting discs and rings uses a hybrid material in the form of an array of aluminum coated with an insulating layer of aluminum oxide.

Images