CN100354992C - 具有一超导磁铁和一制冷单元的超导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超导装置，其具有包含至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，制冷单元，以及用于将所述至少一个绕组传热连接到所述制冷单元上的管道系统，该管道系统具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质用的封闭管道，其中，所述制冷单元具有：至少一个冷却头；以及所述至少一根带有小于10cm2的用于容纳所述冷却介质的管道横截面的管道在其端部处封闭。

Description

具有一超导磁铁和一制冷单元的超导装置
技术领域
本发明涉及一种超导装置，其具有
-一个包含至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，
-一个具有至少一个冷却头的制冷单元，以及
-一些用于传热地将所述至少一绕组连接到所述至少一个冷却头上的装置。
背景技术
一些相应的超导装置例如可从“Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.[ICEC16]”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science，1997，第1109页至1132页中获知。
除了长期以来已公知的金属超导材料、例如具有低的跃变温度TC以及因此被称为低跃变温度超导材料或低温超导材料的NbTi或Nb3Sn外，从1987年以来已知一些具有高于77K跃变温度的金属氧化物超导材料。这些材料也被称为高跃变温度的超导材料或高温超导材料。
人们还尝试利用这样的高温超导材料制造超导的磁性绕组。因为迄今已知的导线在磁场中，尤其是在磁通区域内基于感应只具有比较小的载流能力。所以通常这样绕组的导线尽管本身所采用的材料具有高的跃变温度，但是还应保持在一低于77K的温度水平上、例如界于10K与50K之间，以便可以在例如几特斯拉的更高场强时承载较大的电流。
为了冷却具有高温超导导线的绕组，在上述温度范围内优选采用一些带有封闭的氦压力气体循环回路的所谓低温制冷器形式的冷却单元。这样的低温制冷器尤其是Gifford-McMahon或Stirling型制冷器或所谓的脉管制冷器。此外，这些相应的制冷单元具有的优点是，提供制冷功率以及对使用者来说省去了运用深冷却液体。在采用这样一些冷却单元时，例如一超导磁性线圈绕组只通过向一制冷机的冷却头传热而间接地被冷却，亦即可以无冷却介质(也可参见ICEC 16中的相关段落)。
尤其对于磁共振成像设备的超导磁性系统的冷却在目前对于磁铁采用氦冷却的情况下，通常设计为冷却池式冷却(Badkühlung)(参见US 6246,308B1)。为此需要相对大量的、例如几百升的液态氦作为储备。该储备在所述磁铁的冷却过程中、亦即在从其绕组的首先超导部分向普通传导状态过渡时导致在一必需的低温恒温器中产生所不希望的压力。
对于低温超导磁铁已经采用在一相应制冷单元的冷却头与所述磁铁的超导绕组之间例如或许还是柔性设计的铜管形式的良好传热连接来实现制冷机冷却(参见ICEC 16中的相关段落，尤其是第1113页至1116页)。视所述冷却头与所述待冷却对象之间的间距情况，所述用于良好传热连接所需要的大横截面却可能导致显著增大冷却介质量。这一情况尤其对于应用于磁共振成像的通常空间扩展的磁性系统来说由于冷却时间延长而十分不利。
作为这样一种通过传热固体将所述至少一个绕组传热连接在所述至少一个冷却头上的替代方式，也可以采用一种氦气流在其中循环的管路系统(参见例如US 5,485,730)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种超导装置，在该超导装置中降低了用于冷却超导绕组的成本。
按照本发明，上述技术问题通过如下措施得以解决：即提供一种超导装置，其具有包含至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，制冷单元，以及用于将所述至少一个绕组传热连接到所述制冷单元上的管道系统，该管道系统具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质用的封闭管道，其中，所述制冷单元具有：至少一个冷却头；以及所述至少一根带有小于10cm2的用于容纳所述冷却介质的管道横截面的管道在其端部处封闭。
据此，所述至少一个绕组连接与所述至少一个冷却头之间的传热连接装置应该设计为一个具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质用的管道的管道系统。在此一个冷却头应理解为一个制冷单元的各个任意的冷却面，通过这些冷却面直接或间接地向冷却介质提供冷却功率。
一个这种管道系统具有至少一根在所述冷却头与超导绕组之间延伸的具有一坡度的封闭管道。其中，所述坡度至少在所述管道的一些部段内大体上相对于水平面为大于0.5°，优选大于1°。处于该管道内的冷却介质在所述制冷单元或冷却头的冷却面上重新冷凝并且从那里到达所述超导绕组的区域内，在该区域内介质变热并同时基本上被汽化。如此被汽化的冷却介质又在所述管道内流回到冷却头的冷却面的区域内。因此冷却介质的相应循环是基于一种所谓的“温差环流效应”来实现的。
通过采用这样一种用于将冷却功率传递到绕组上的温差环流(如所描述的一相应的管道系统那样)，与池冷却方式相比，所需要的低温冷却介质的环流量显著减小，例如减小大约100倍。由于冷却液体另外只在直径相对小的、一般处于几厘米数量级的管道内循环，因此在冷却时可在技术上顺利地控制压力的产生。系统中液态冷却介质量的减小，尤其在采用氦或氖作为冷却介质时，除了安全性方面，还具有节约成本的显著优点。此外，与利用传热连接体实行冷却相比，一温差环流还另外具有如下优点，即，能与所述冷却头与待冷却对象之间的空间距离无关地实现良好的传热连接。
所述管道系统可以具有两个或多个分别充有冷凝温度不同的不同冷却介质的管道。由此可以根据应用要求，实现相应分级的工作温度，以用于例如一种预冷却或一种似乎连续传热的连接，或者通过各冷却介质的相互重叠的温度区域来实现一种似乎连续传热的连接。其中，所述分系统可以或者连接在一共同的冷却头上，或者连接在一制冷单元的一些相互分隔开的冷却头上。
所述超导装置的超导磁铁可以特别有利地包括一具有高温超导材料并保持在一低于77K温度上的绕组。当然，按照本发明的超导装置也可以相对于低温超导磁铁来设计。
附图说明
下面借助于附图详细阐述按照本发明的超导装置的一些有利的实施方式。各附图分别以纵剖视图简略表示。
图1表示一种对于具有两个绕组的一磁共振成像设备磁铁的冷却方式，
图2表示一种对于具有四个绕组的磁共振成像设备磁铁的冷却方式。
具体实施方式
对于图1中以附图标记2泛泛标示出的超导装置下面仅就其对于本发明而言重要的细节予以阐述，它尤其是一磁共振成像设备的一组成部分。在此以本身已公知的具有一C形磁铁的实施方式为基础(参见：例如DE 19813 211 C2或EP 0 616 230 A1)。因此该设备包括一未详细阐述的优选超导的磁铁3，该磁铁具有一位于上方的处于一水平平面内的超导绕组4a和一与之平行设置的位于下方的超导绕组4b。这些绕组尤其可以用一些由例如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox那样的高温超导材料制成的导线构成，这样的材料由于具有高的载流能力能够保持在一低于77K的运行温度上。这些绕组具有一环形形状。它们分别安置在一相应的未示出的真空壳体中。
用于冷却所述绕组4a和4b的冷却功率由一未详细示出的具有至少一个位于其冷端的冷却头6的制冷单元提供。该冷却头具有一保持在一预定温度水平上的冷却面7或者与该冷却面传热地相连。在该冷却面处传热地连接一冷凝室8的内腔。所述冷却面7例如构成该内腔的腔壁。按照所示实施方式该冷凝室8的内腔分成两个分腔室9a和9b。在所述第一分腔室9a上连接一管道系统10的一管道10a。该管道从该分腔室9a导入到所述超导绕组4a的区域中，在那里它与该绕组良好传热地接触。该管道10a例如以螺旋形盘绕的形式在内侧上沿绕组导引。在所述内侧上安置并非必须；唯一重要的是，所述管道以恒定的坡度环绕所述绕组的整个圆周以及在那儿良好传热地连接在绕组的待冷却的构件或导线上。所述管道10a至少以其主要部段与水平面h构成一大于0.5°的坡度(或斜度)角α，优选大于1°。因此例如该坡度角α在所述绕组4a的区域内大约为3°。该管道10a然后导入到所述下方绕组4b的区域内，在那里它以相应的方式布置。该管道10a在其端部11处封闭。该管道10a的用于容纳冷却介质k1的横截面q可以有利地保持较小、尤其是小于10cm2。在所示实施方式中，q大约为2cm2。
在以所述坡度铺设的管道10a中存在一种第一冷却介质k1，例如氖(Ne)。其中该冷却介质k1基于一种本身公知的温差环流效应在该管道10a、包括与之相连的分腔室9a中循环。在此，在分腔室9a中的冷却介质在所述冷却面7上冷凝并且以液态的形式流到所述超导绕组的区域内。在那里所述冷却介质受热而例如至少部分汽化，并且经管道10a又流回到所述分腔室9a中，在那儿被重新冷凝。
按照所示实施方式，所述管道系统10包括一与所述第一管道平行地导引的并且充有另一种冷却介质k2的第二管道10b。该冷却介质与所述第一种冷却介质不同，也就是说，它具有一不同的、优选更高的冷凝温度。例如选择氮(N2)作为第二种冷却介质k2。其中，所述管道10b连接在所述冷凝室8的(第二)分腔室9b上。第二种冷却介质k2同样基于一种温差环流效应在所述封闭的管道10b和分腔室9b中循环。在冷却所述磁性绕组时，首先第二种冷却介质k2冷凝，此时绕组在采用氮作为冷却介质k2的情况下可以预冷却到大约70K至80K。通过所述冷却面7的进一步冷却，所述具有相对更低冷凝温度的处于管道10a中的第一种冷却介质k1冷凝并因此导致进一步冷却到所规定的例如20K的运行温度(在采用氖作为第一种冷却介质k1的情况下)。所述第二种冷却介质k2在该运行温度时在所述分腔室9b的区域内冷冻凝固。
按照本发明的超导装置2当然也可以与图1所示的实施方式不同地只具有一个只有唯一一根管道的管道系统。如果设置大量的管道，那么多根管道也可以与一制冷单元的一些独立的冷却头或与处于不同温度水平上的冷却级传热连接。对于两级的冷却单元及冷却头，当其特别计划用于冷却传热护板时，为了通过另一充有例如N2和Ar的温差环流管道达到更快速的预冷却，可以将所述磁性绕组既传热地连接在所述第二冷却级上外，又传热地与所述第一(较热的)冷却级连接。
当然，上述温差环流冷却也可用于冷却具有垂直设置的绕组的磁铁。在图2中示出了一个按照本发明的带有相应绕组的超导装置的一实施例。以附图标记12标示出的超导装置包含一螺线管形的超导磁铁13，该磁铁具有例如四个沿轴向前后设置的超导绕组14j(j＝1...4)。所述各绕组在此例如分别在两端面处通过至少一些基本上垂直延伸的、例如充有冷却介质k1的管道15i(i＝1...8)冷却。这样的话，在该实施方式中就可以放弃如按照图1所示实施方式中的螺旋形状，以及所述坡度角α在以附图标记20共同标示出的管道系统的大部分区段中为大约90°。一冷凝室18和一冷却头通常设置在所述绕组的上方，以便确保所述必要的落差。每个绕组至少需要一根管道15i，因为与水平设置的绕组不同一根管道不能在保持所述坡度的情况下通达所有绕组。
为了确保每根管道15i都获得足够的再冷凝的冷却介质k1，所述整个由管道15i构成的管道系统20要么必须设计为一个由相互连通的管道组成的系统并且在绕组区域内完全灌注所述液态的冷却介质，这一情况在图2中通过对冷却介质k1更暗着色而对被汽化的冷却介质更亮地着色并以k1`表示来示出；要么每根管道15i在冷却头处必须具有一单独的冷凝(分)腔室。
当然，在图2所示的按照本发明的一超导装置的实施方式中也可以设置一个具有一些平行延伸的填充不同冷却介质(k1或k2)的管道的管道系统。
与所述实施方式不同，一按照本发明的超导装置也可以具有一个带有至少一根其中混合地存有由不同冷凝温度的两种冷却介质组成的混合物的管道的管道系统。因此在逐渐冷却时首先具有最高冷凝温度的气体冷凝并且在一待冷却的绕组处构成一用于传热的封闭回路。在将该绕组预冷却到该气体的三相温度时，该气体才在所述冷凝室的区域内凝固，接下来，所述具有更低冷凝温度的别的混合气体成分确保将待冷却的绕组进一步冷却到运行温度。
在实践中根据所述期望的工作温度考虑采用He、H2、Ne、O2、N2、Ar及不同的碳氢化合物作为冷却介质。这样选择当时所采用的冷却气体，即，使得在规定的运行温度时所述冷却介质同时呈现气态和液态。以这种方式确保在充分利用温差环流效应的情况下进行循环。为了在限定系统压力的同时相宜地调整冷却介质填充量，可在所述管道系统上设置一些热的和/或冷的补偿容器。
当然，所述冷却介质的选择也取决于所采用的超导材料。如果采用如Nb3Sn这样的低温超导材料的话，就只能采用He作为冷却介质。

Claims (17)

1.一种超导装置(2)，其具有
包含至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组(4a，4b)的磁铁(3)，
制冷单元，以及
用于将所述至少一个绕组(4a，4b)传热连接到所述制冷单元上的管道系统(10)，该管道系统(10)具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质(k1，k1；k2)用的封闭管道(10a，10b)，其特征在于，所述制冷单元具有：
至少一个冷却头(6)；以及
所述至少一根带有小于10cm2的用于容纳所述冷却介质(k1，k1；k2)的管道横截面的管道(10a，10b)在其端部(11)处封闭。
2.如权利要求1所述的超导装置，其特征在于，所述管道系统(10)具有两根分别充有冷凝温度不同的不同冷却介质(k1，k2)的管道(10a，10b)。
3.如权利要求2所述的超导装置，其特征在于，所述两根管道(10a，10b)传热地连接在一共同的冷却头(6)上。
4.如权利要求2所述的超导装置，其特征在于，所述两根管道分别传热地连接在相互分隔开的冷却头上。
5.如上述任一项权利要求所述的超导装置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有相对于水平面(h)大于0.5°的坡度。
6.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有相对于水平面(h)大于1°的坡度。
7.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述超导绕组(4a，4b；14j)含有高温超导材料。
8.如权利要求7所述的超导装置，其特征在于，所述超导材料保持在低于77K的温度上。
9.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，作为所述冷却介质(k1，k2)设有一种由多种具有不同冷凝温度的冷却介质组成的混合物。
10.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述超导磁铁(3)是一磁共振成像设备的组成部件。
11.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有相对于水平面(h)大于0.5°的坡度，并且所述超导绕组(4a，4b；14j)含有高温超导材料。
12.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有相对于水平面(h)大于0.5°的坡度，并且作为所述冷却介质(k1，k2)设有一种由多种具有不同冷凝温度的冷却介质组成的混合物。
13.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述超导绕组(4a，4b；14j)含有高温超导材料，并且所述冷却介质(k1，k2)设有一种由多种具有不同冷凝温度的冷却介质组成的混合物。
14.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有相对于水平面(h)大于0.5°的坡度，并且所述超导磁铁(3)是一磁共振成像设备的组成部件。
15.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述超导绕组(4a，4b；14j)含有高温超导材料，并且所述超导磁铁(3)是一磁共振成像设备的组成部件。
16.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述冷却介质(k1，k2)设有一种由多种具有不同冷凝温度的冷却介质组成的混合物，并且所述超导磁铁(3)是一磁共振成像设备的组成部件。
17.如权利要求1-4之一所述的超导装置，其特征在于，所述超导绕组(4a，4b；14j)含有高温超导材料，并且所述冷却介质(k1，k2)设有一种由多种具有不同冷凝温度的冷却介质组成的混合物，并且所述超导磁铁(3)是一磁共振成像设备的组成部件。
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