SU1130148A1 - Мощный криотрон - Google Patents

Abstract

1. МОЩНЫЙ КРИОТРОН, включающий беэындуктивный сверхпровод щий ключевой элемент, силовые вьгооды ключевого элемента, систему управлени , содержащую обмотку управлени , охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки управлени , подключаемые блоком управлени , о т и ч а юни  расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличени  быстродействи  и повьшени  надежности его работы , ключевой элемент выполнен из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачиваетс  хладагент, параллельных одна другой и оси обмотки управлени , концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управлени . 2.Криотрон по п. 1, о т л ичающийс  тем, что внутренние полости трубок ключевого элемента заполнены материалом с повьппенной магнитной проницаемостью с продольны (Л ми каналами дл  хладагента. 3.Криотрон по пп. 1 и 2, отличающийс  тем, что трубки ключевого элемента выполнены из сверх- Е провод щих лент, соединени  краев которых снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одинакоBb&j шагом вдоль трубок. со Ni; 00

Description

Изобретение относитс  к области сильноточной электротехники и может быть использовано в качестве сверхпровод щих ключей преобразователей электрической энергии, работающих при сверхнизких температурах, напри мер, в бесдсонтактных устройствах за питки сверхпровод щих обмоток возбуж дени  мощных криотурбогенераторов или в сверхпровод щих устройствах с гласовани  энергетического сверхпро вод щего накопител  и энергосистемы Известен сверхпровод щий ключ, содержащий безындуктивную катушку ключевого элемента, образованную намоткой на кольцевой изол ционный каркас сверхпровод щей ленты, контактирующей по крайней мере с одной стороны на большей части своей длины с проницаемой дл  хладагента электроизолирующей стекловолоконной лентой, систему магнитного управлени , содержащую кольцевую управл ющую обмотку, охватывающую ключевой элемент и создающую магнитное поле, направленное параллельно плоскости сверхпровод щей ленты этого элемента , блок управлени  и источник пита ни  (1 J. При заданной мощности системы управлени  сверхпровод щего ключа его быстродействие определ етс  вел чиной критического магнитного пол  и полным объемом ключевого элемента Стремление увеличить быстродействие известных сверхпровод щих ключей с магнитным управлением обуславлива ет применение дл  изготовлени  ключевых элементов сверхпроводников с критическим магнитным полем Т. Такие сверхпроводники (ниобий, сплав свинца с висмутом) обладают низкой критическрй темпера турой т. и низкой удельной коммутируемой мощностью JK критическа  плотность тока; f удельное сопротивление в нормальном состо нии при сверхкритическом магнитном поле, что при заданной коммутируемой мощности неизбежно приводит к большому расходу сверхпрово ника на изготовление ключевого элемента и обмотки управлени , если последн   изготовлена из сверхпрово ника. Наиболее близким по технической сущности  вл етс  мощный криотрон, включающий безындуктивный сверхпровод щий ключевой элемент, .силовые выводы ключевого элемента, систему управлени , содержащую обмотку управлени , охватывающую ключевой элемент, выводы обмотки управлени  через блок управлени  2. Подобные мощные криотроны использованы в сверхпровод щем выпр мителе мощностью 60 Вт при чисто омической нагрузке и общих криогенных потер х До 10%, использующем ток частотой 50 Гц. Обмотка управлени  создает в зоне ключевого элемента субкритическое посто нное магнитное поле ( 6с2 сверхпроводника ключевого элемента 0,85 Т), а общее магнитное поле управлени  колеблетс  от 0,6 до 0,88 Т, т.е. промышленна  частота достигаетс , ценой недоиспользовани  сверхпроводника ключевого элемента , который в сверхпровод щем (открытом) состо нии работает при весьма высоком магнитном поле (0,6 т), приближающемс  к критическому , что снижает токонесущую способность сверхпроводника и коммутируемую мощность криотрона. При возрастании коммутируемой мощности объем ключевого элемента, особенно с учетом изол ции и охлаждающих каналов, и расход сверхпроводника быстро растут. Растут и размеры обмоток управлени . Кроме того, известные криотроны чувствительны к магнитным пол м рассе ни  и не могут работать при повышенных температурах в замкнутых дюарах. При изготовлении же ключевого элемента из сверхпровод щих материалов с высокой индукцией критического магнитного обладающих большой удельпол  В ной разрывной мощностью Р (например , NbTi, NbgSn, .NbN, NbCN) размеры обмоток управлени  чрезмерно увеличиваютс . Цель изобретени  - снижение расхода сверхпроводника на его изготовление , увеличение быстродействи  и повьш1ение надежности его работы. Цель достигаетс  тем, что в мощном криотроне, включающем безындуктивный сверхпровод щий ключевой элемент, силовые выводы ключевого элемента, систему управлени , содержащую обмотку управлени , охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки, ключевой элемент выполнен ИЗ одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачиваетс  хладагент, параллельных одна другой и оси обмотсе ни , пропорциональной малому зазору между обмотками 3 и 8, и происходит очень быстро. Вторичные токи, замыкающиес  в поперечных сечени х стенок трубок 8, перпендикул рны транспортному току, текущему вдоль стенок. Когда результирующий ток, протекающий в стенке трубки 8 и равный векторной сумме вторичного и транспортного токов, превзойдет по величине критическое.значение дл  трубки, последн   переходит в резистивное состо ние. Рост вторичного тока замедл етс , начинаетс нагрев трубок 8. Одновременно активна  мощность начинает поступать и из силовой цепи через выводы 2. По мере роста температуры обмотки 1 ключевого элемента растет и его с6противление ,. приближа сь к нормальному сопротивлению закрытого криотрона . При этом саморазогрев ключевого элемента за счет мощности силовой цепи усиливаетс , приближа сь к расчетному. Если нормальное сопротивление ключевого; элемента таково, что при номинальных параметрах силовой; цепи его саморазогрев обеспечивает поддержание температуры выше критической, то управл ющее напр жение блоком управлени  может быть отключено. Интенсивность нагрева клчевого элемента за счет мощности системы управлени  при ограниченных размерах поперечного сечени  трубок 8 и обмотки 3 усиливаетс  за сч заполнени  внутренней полости трубок 8 материалом с повышенной магнитной проницаемостью, играющего роль магнитопровода индуктивно св занных обмоток 3 и 8. В устройстве может быть предусмотрен обратный магнитопровод из того же или другого материала с высокой магнитной проницаемостью, расположенной в криостате 7 или вне его, и замыкающий магнитопроводы трубок 8. Труки 8 могут быть вьшолнены замкнутьми в магнитном отношении, то есть нх разноименные концы могут прилегать друг к другу через электрическую изол цию. Включение мощного криотрона (переход из нормального состо ни  в сверхпровод щее) происходит во врем  перехода напр жени  сиповой цепи через нуль при уменьшении саморазогрева ключевого элемента и/или за счет прекращени  разогрева со стороны системы управлени . Следукмцее отключение крио рона осуществл етс  при подключении к выводам 4 напр жени  обратной пол рности . При этом ток в обмотке управлени  измен етс  (уменьшаетс )

от максимального значени , набранного в предыдущем периоде работы криотрона , проходит через нуль и нарастает до максимального значени  обратной пол рности. Так, в открытом

состо нии сверхпровод щий ключевой элемент находитс  в управл ющем магнитном поле, параллельном транспортному току. Поперечные разрезы 20 продольных соединений 19 краев 18

сверхпровод щих лент, из которых

изготовлены трубки 8, позвол ют увеличить площадь этих соединений и уменьшить их сопротивление так, чтйбы тепловыделение на них при росте

вторичного тока не переводило преждевременно соединение 19 в нормальное состо ние и не гасило вторичный ток, необходимый дл  нагрева сплошных стенок трубок 8 вне соединений 19.

Так как и нормальном состо нии обмотка 1 ключевого элемента нагрета . вьше критической температуры, то существенна теплоизол ци  ее от обмотки 3 управлени . Длительность включени  мощного криотрона (и коммутационные потери) определ етс  толщиной стенок трубок 8 и интенсивностью теплоотпода от них. Поэтому важна интенсивна  циркул ци  хладагента по трубкам 8, обеспечиваема  циркул ционной системой рхлаждени  ключевого элемента.

В предлагаемом мощном криотроне снижение расхода сверхпроводника на его изготовление достигаетс  возможностью использовани  сверхпроводника с большими РП(значит и с большие BCJ) без необходимости в обмотке управлени , создающей й.

При этом снижение индуктивности ключевого элемента и обмотки управлени  увеличивает быстродействие криотрона и повышает надежность его работы. ки.управлени , концы которых элект чески соединены между собой и с си ловыми выводами, а ключевой элемен теплоизолирован от обмотки управле ни , при этом внутренние полости трубок ключевого элемента могут быть заполнены материалом с повышен ной магнитной проницаемостью с продольными каналами дл  хладагента, а если трубки ключевого элемента выполнены из сверхпровод щих лент, то соединени  их краев снабжены узк ми поперечными раэрезами, расположенными с одниковым шагом вдоль тру бок . На фиг. 1 схематично изображен общий вид предлагаемого мощного криотрона; на фиг. 2 - сечение ключевого элемента и обмотки управлени ; на фиг. 3 - трубки ключевого элемента, изготовленные из сверхпро вод щих лент. Мощный криотрон содержит обмотку безындуктив.ного ключевого элемента 1, его силовые выводы 2, подключаемые к внешней цепи, обмотку 3 управлени , охватывающую обмотку 1, ее выводы 4, подключенные через блок 5 управлени  к , источнику 6 электрической мощности системы упра лени . Обмотки 1 и 3 помещены в кри остат 7,  вл ющийс  частью системы охлаждени . Ключевой элемент выполнен из тонкостенных сверхпровод щих трубок 8 одинакового сечени  (фиг. 1, показаны трубки пр моугольного сечени ) и одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу и направлению магнитной оси обмотки 3 управлени . Конщ. трубок электрически соединены между собой и с выводами 2 сверхпровод щими пер мычками 9 так, что в прилегающих друг к другу через электроизол цию 1 стенках соседних трубок электричаские токи направлены встречно и параллельно направлению управл ющего магнитного пол  (на фиг. 1 одноимен ные концы трубок 8 соединены через один). Перемычки-9 не должны экранировать управл ющее магнитное поле дл  чего они или размещены вне управл ющего пол  (вне обмотки 3), или их плоскость параллельна управл ющему полю, и вместе с трубками 8 они не образуют замкнутых электрических контуров, перпендикул рных управл ющему магнитному полю, Обмот 1484 ка 3 управлени  теплоизолирована и электроизолирована от обмотки 1 клюг чевого элемента, в систему охлаждени  введены гелиеподводы 11 и 12, подсоединенные к трубкам 8 и вместе с холодильной мащиной 13 образующие циркул ционную систему охлаждени  ключевого элемента. Обмотка 3 управлени  может иметь свою подсистему 14 охлаждени  и быть погружена в жидкий гелий, содержащийс  в криостате 7. Трубки 8 могут быть частично заполнены (должны остатьс  каналы дл  циркул ции хладагента) материалом с повьшенной магнитной проницаемостью в виде, например, проволок 15 или лент того или иного сечени  (на фиг.2 этот материал имеет вид проволок круглого сечени ). Распорки 16, расположенные между обмоткой 3 управлени  и обмоткой 1 ключевого элемента , обеспечивает электрическую и тепловую изол цию обмоток 1 и 3. При изготовлении трубок 8 из сверхпровод щих лент 17 (двух на фиг. 3) их кра  18 методом пайки, сварки (холодной сварки) соедин ютс  с образованием продольных соединений 19, чаще всего несверхпровод щих. Как сверхпровод щие, так и несверхпровод щие продольные соединени  должнь быть снабжены узкими поперечными разрезами 20, следующими вдоль трубок 8, с одинаковым шагом и обеспечивающими отсутствие электропроводности вдоль соединени  19. Распорки 16 могут быть заменены слоем вакуумной изол ции, а обмотка управлени , изготовленна , например, из криопроводника, может поддер иватьс  системой 14 охлаждени  При более высокой температуре. Мощный криотрон работает следую-. щим образом. Переключение обмотки 1 ключевого элемента из сверхпровод щего состо ни  в нормальное (отключение криотрона) осуществл етс  при подключении к выводам 4 обмотки 3 управлени  блоком 5 управлени  источника 6 электрической мощности системы управлени , работающего в режиме источника напр жени . Так как в момент подключени  напр жени  к обмотке 3 трубки 8, индуктивно св занные с обмоткой 3,  вл ютс  еще сверхпровод щими, то нарастание тока в первичной и вторично} обмотках . ограничено только индуктивностью рас

Фиг. 1

iZZZZZ ZZZZZZZi

жхху X yyifirjcxx

tA&S

Фиг. Z

15 15/ /

.fS

ia I uSnl,f notnl/ ИлМ.

16

fO 10 W

/ хххххухх;

РРОП КХМ «ООП

Фиг.З

Claims (3)

1. МОЩНЫЙ КРИОТРОН, включающий беэындуктивный сверхпроводящий ключевой элемент, силовые выводы ключевого элемента, систему управления, содержащую обмотку управления, охватывающую ключевой элемент и выводы обмотки управления, подключаемые блоком управления, отличаю щийся тем, что, с целью снижения расхода сверхпроводника на его изготовление, увеличения быстродей- [ ствия и повышения надежности его работы, ключевой элемент выполнен из одинаковых тонкостенных трубок, по которым прокачивается хладагент, параллельных одна другой и оси обмотки управления, концы которых электрически соединены между собой и с силовыми выводами, а ключевой элемент теплоизолирован от обмотки управления.

2. Криотрон по п. ^отличающийся тем, что внутренние полости трубок ключевого элемента заполнены материалом с повышенной магнитной проницаемостью с продольными каналами для хладагента.

3. Криотрон по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубки ключевого элемента выполнены из сверхпроводящих лент, соединения краев ко· торых снабжены узкими поперечными разрезами, расположенными с одинаковым шагом вдоль трубок.

SIL·.» 1130148