CN100424906C - 具有低温系统和超导开关的超导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有一低温系统(3)的超导技术装置(2)，该低温系统(3)中的低温冷却介质(M)与至少一个超导装置(7a至7d)以及一个与电连接该超导装置的超导开关(15)的超导连接线段(16)热耦合，其中，该超导连接线段(16)可借助一加热器件(17)被热激活。在所述至少一个超导装置(7a至7d)的一个冷却剂腔室(9)上应当连接一管道(20)，所述超导连接线段(16)热耦合在该管道(20)的一端。为了确保在激活该加热器件(17)时能可靠地加热所述超导连接线段(16)，该管道(20)具有一个阻碍与所述冷却剂腔室(9)进行热交换的横断面缩窄处(23)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有一低温系统的超导技术装置，该低温系统中的可被一制冷装置冷却的低温冷却介质与至少一个超导装置的超导体以及与该超导体电连接的一个超导开关的超导连接线段(supraleitende Schaltstrecke)热耦合，其中，该超导连接线段配置有加热器件，后者用于受控制地将该连接线段的超导材料过渡转变到普通导电状态。
背景技术
一种相应的带有这样一种低温系统的超导技术装置可从欧洲专利申请EP0074030A2中了解到。
在超导开关中可利用有控制地从超导状态过渡到普通导电状态的物理效应来实现尤其在下述情况下的一种开关功能，即，当不要求直接用本来的开关过程来实现电流隔离时。与之相应的开关尤其可在用于医疗诊断的核自旋层析扫描(即所谓的磁共振成像MRI)领域中用作用于超导磁铁的所谓的持续电流开关或短路开关。为了能够给这样的仪器/磁铁的一些超导磁线圈提供电流，必须将所述短路开关的用于桥接这些超导磁线圈的超导连接线段断开。在这样的情况下，可通过提高在该连接线段处的温度使之超过临界跃变温度以及通过提高此处的电流密度和/或磁场强度来取消该处的超导状态。超导开关的一些相应的可受热控制的连接线段早已为人们所公知。为此可参见前面提到的EP0074030A2或美国专利申请US 3255335 A或US 4602231A。
通常超导开关位于具有低温冷却介质的一个低温系统内。该低温冷却介质也被用于冷却一个象例如一个电磁线圈那样的超导装置的超导体或超导导线(为此可参见EP0074030A2)。这导致，在该开关的温暖的普通导电状态下，该开关会将大量的热量带入到所述低温系统的低温冷却介质中。这样的热量在一个MRI磁铁的液氦池中可达到好几个瓦特。这样的热量输入通常是不能被接受的。尤其对于重复冷凝的封闭式低温冷却系统来说更是如此。在这样的重复冷凝的封闭式低温冷却系统中由一个例如所谓的低温冷却机形式的制冷装置的一个冷却头来提供产冷量。这样的低温冷却机尤其可设计成Gifford McMahon或斯特林类型或设计成所谓的脉冲管冷却机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是对本文前言所述类型的一种超导技术装置作进一步改进，以确保该超导开关的受热激活的连接线段有可靠的开关功能。
上述技术问题通过一种具有一低温系统的超导技术装置来解决，该低温系统中的可被一制冷装置冷却的低温冷却介质与至少一个超导装置的超导体以及与该超导体电连接的一个超导开关的超导连接线段热耦合，其中，该超导连接线段配置有加热器件，后者用于受控制地将该连接线段的超导材料过渡转变到普通导电状态，按照本发明，为冷却所述至少一个装置的超导体，在所述低温冷却介质的一个冷却剂腔室上连接有一管道，所述超导开关的超导连接线段热耦合在该管道的一端，该管道具有这样一个横断面缩窄处，使得在激活所述加热器件时所产生的能量耗散大于所述制冷装置借助于在所述冷却剂腔室中的低温冷却介质通过该横断面缩窄处所传输的产冷量。
因此，在按照本发明的超导装置的低温系统中，所述超导开关通过位于所述管道中的低温冷却介质与冷却超导装置的超导体的那部分低温冷却介质热耦合。在这样的情况下，一方面可以在开关内的功率耗散较小的情况下实现具有非常好的热耦合特性的冷却(相当于冷却池冷却)；另一方面通过选择所述管道在其缩窄处的横断面大小可有效限制可传输到所述开关上的产冷量，其中，减少了所述被激活的现在开始具有阻抗的连接线段所产生的热量流流动到与所述管道相连的冷却剂腔室中。由此实现所述开关以比较低的耗散损失U2/R(其中，U表示在所述变得有阻抗的连接线段上所产生的电压降，R则表示该连接线段当前的电阻值)保持在普通导电状态下。这样的能量耗散可明显低于已公知的受热连通的开关的热量(瓦特)级。一个或许存在于所述开关中的多余的损耗功率随后会导致处于被激活状态/具有阻抗的连接线段持续被加热。因此可有利地确保一种可靠的开关状态并在这样的情况下将所述低温系统或其制冷装置的产冷量限制到所需的值。
一般在所述横断面缩窄处的横断面积在0.5mm2至100mm2之间、优选在7mm2至30mm2之间时就可实现按照所期望的那样限制热量流到所述冷却剂腔室中的低温介质内。从而一方面保证对于所述连接线段充分良好的冷却，另一方面不会导致有太多的热量传递到所述冷却剂管道系统中。
所述横断面缩窄处优选位于所述管道的一段面朝所述超导开关的管道段内，以阻止热量传输到更多的低温冷却介质中。
所述冷却剂腔室有利地是一个冷却剂管道系统的一部分，该冷却剂管道系统带有经过或穿过所述至少一个超导装置的冷却路径。由此可将所述低温冷却介质限制到所必需的量。
在这样的情况下，比较有利地是使所述低温冷却介质按照所谓的热虹吸效应在所述冷却剂管道系统中循环。为此可参照例如WO 03/098645 A1。
优选借助至少一个制冷装置的至少一个冷却头可将所述产冷量输入在所述冷却剂管道系统中循环流动的低温冷却介质中。由于按照本发明采用带有缩窄处的管道限制了输入到低温冷却介质中的热量，因此可应用已公知的具有有限产冷量的制冷装置。
所述至少一个超导装置和所述超导开关可设置在一个共同的真空腔室中。这样，在所述连接线段和所述超导装置的超导体之间的超导连接导线可有利地无需特别昂贵的冷却措施地延伸通过该真空腔室。
所述低温冷却介质也可有利地按照热虹吸效应在所述管道中循环。
所述低温冷却介质一般情况下是氦。尤其当所述超导技术装置的超导部件具有所谓的低温超导材料(LTC超导材料)时，需要以氦作为低温冷却介质。当采用氧化的高温超导材料(HTC超导材料)时，当然也可采用其他类型的低温冷却介质。
所述超导开关可按业已公知的方式设计成持续电流开关或短路开关。相应的开关尤其适用于不需要从外界持续输入电流而使超导性电磁线圈持续工作的情况。
相应的电磁线圈可优选是一种磁共振成像用磁铁。
所述至少一个超导装置的超导体可具有金属的低温超导材料或氧化的高温超导材料。
附图说明
下面借助于附图简略示出的按照本发明的低温系统的一优选实施方式对本发明予以详细说明。附图中：
图1极简略地表示一个具有按照本发明设计的低温系统的超导技术装置的纵向断面；
图2为图1所示装置的超导开关的详细示图。
两附图中相互对应的部件以相同的附图标记表示出。
具体实施方式
按照本发明设计的低温系统本身可用于任意一种超导技术装置，这些超导技术装置为其至少一个超导装置要求至少一个超导开关。所述超导装置或超导仪器例如可以是一个电磁铁、一台电机或一个变压器，也可以是一种超导电缆，优选是一个磁共振成像用电磁铁或一个相应的电磁铁组，该电磁铁组借助至少一个用于运行状态的超导性持续电流开关可被短接。下面就从这样一种实施方式出发开始具体描述。
图1中总体上用2表示的超导技术装置具有一个带有一个低温恒温器4的低温系统3。在该低温恒温器4的内腔中为了实现热隔绝，有一个辐射屏蔽板5，后者形成一个真空腔室6。在该真空腔室中安设有用于一个MRI的磁铁系统的四个超导性电磁铁7a至7d作为超导装置。为了用一种低温冷却介质M、例如氦冷却这些磁铁的超导体，设有一个冷却剂管道系统8。它的冷却路径延伸经过或穿过这些磁铁。所述冷却管道系统8包括一个冷却剂腔室9，所述低温冷却介质在穿流过所述磁铁7a至7d后聚集在该冷却剂腔室下侧。所述低温冷却介质M优选按照热虹吸效应在所述冷却剂管道系统8中流动，也就是说，在此放弃了公知的冷却池冷却方式。为此，所述低温冷却介质M在所述冷却剂管道系统8中的上侧与一个制冷装置10的冷却头11热耦合。在那里，气态的氦气GHe(反复)冷凝成液态的氦LHe。必要时也可按照业已公知的方式将所述管道系统8设计成一个单管系统(为此可参见前面已提到的WO 03/098645 A1)。在这样的管道系统中，既有更冷的冷却介质流向所述冷却剂腔室9并因此进一步流向有待冷却的连接线段16，也有被加热后的冷却介质在同一根管道中流回所述冷却头11。
所述电串联的各电磁铁7a至7d的端部通过电连接线13a和13b与一个位于所述低温恒温器之外的电源连接。在所述真空腔室6内，在该电源的电连接线之间连接有一个本身已知的热持续电流开关或短路开关15。利用该开关可使所述前后串联的各电磁铁7a至7d相互短接。为此，所述开关15具有一个超导性连接线段16，后者在需要时可借助于一个可受外面控制的电加热器件17从超导状态过渡转变成普通导电状态，例如在其上的电压降U为大约10V时具有一个在20至30欧姆之间的电阻R。
为了冷却该连接线段16，所述开关15不直接集成组合到带有所述低温冷却介质M的冷却剂管道系统8中，而是通过一根单独的管道20连接到所述管道系统8下侧的冷却剂腔室9上。所述低温冷却介质M通过这根管道20可一直流到所述开关15。为了使该开关15与所述管道20的下侧闭合端部热耦合，采用一个由一种良好导热性的材料例如铜制成的一块板21形式的热量汇流线(
-Bus)。这块板21与所述开关15的内部电绝缘，但却足够良好地导热连接，并因此也与所述连接线段16良好传热地连接。为此例如可采用一种带有例如商标名称为“Stycast”(美国的Emerson and Cuming公司制)的一种适当的环氧树脂粘胶的粘接剂22，所述粘胶必须能充分适用于低温状态下。
此外，从图2中可以看到，所述管道20在其朝向所述铜板21的一端和所述冷却剂腔室9之间具有一预定的横断面缩窄处23。该横断面缩窄处优选设置在朝向所述铜板21的那一半管道的下部。所述横断面缩窄处23的横断面面积F在此应当这样选择，即，使得在激活所述加热器件17时所引起的、通过图中一条箭头线表示的流入所述冷却剂腔室9中的低温冷却介质M内的热量流W被限制到最低程度。这意味着，在激活加热器件时所引起的损耗功率U2/R应当大于由位于所述冷却剂腔室中的低温冷却介质穿过所述缩窄处所提供的产冷量或制冷量。
对于已公知的磁共振成像用(MRI)磁铁组和热短路开关来说，所述横断面缩窄处23的直径在大约0.8mm至11.2mm之间，这样其横断面面积F就大约在0.5mm2至100mm2之间。所述横断面面积F优选在7mm2至30mm2之间，相应地其横断面直径也优选在2mm和10mm之间。由此可以在激活加热器件17的情况下和/或通过沿所述连接线段产生的热功率(U2/R普通导电)使所述开关15仅仅以一个在0.1W至好几个0.1W间的耗散功率保持在普通导电状态下。借助所述横断面缩窄可限制(所谓的“夹带限制(Entrainment-Limit)”)所述冷却剂管道系统8以及进而所述制冷装置10所需提供的产冷量。按照这样的观点所需具体选择的横断面面积F的数值可通过简单的试验来确定。
在上述实施方式中出发点是：所述带有电磁铁7a至7d的超导技术装置2的超导体要借助一个冷却剂管道系统8进行冷却，在该管道系统8中必要时要使所述低温冷却介质按照热虹吸效应进行循环流动。当然也有其他适用的冷却方式可将导体保持在其超导材料的临界跃变温度之下。
不言而喻，按照本发明构造的用于一个超导技术装置的低温系统也可应用在这样一些超导装置上，即，它们的导体也允许在高于液氦温度的温度下进行冷却。在此，这样的导体尤其涉及一种所谓的其临界跃变温度高于液氮的沸点77K的高(临界)温(度)超导材料。对于所述开关的超导连接线段可选择一种相应的材料。但也可想象，为此采用另一种具有不同的临界跃变温度的超导材料。
此外，上述实施方式是假设所述至少一个超导装置是一个MRI设备的磁铁。不言而喻，所述超导装置当然也可以是一个射束控制导向装置所用的磁铁或一个储能器设备中的磁铁。由于所述超导开关并不一定就是一个用于相应磁铁的短路开关，因此，所述超导装置也可以是一个变压器的绕组或一个电机的绕组或一段电缆。
Claims (13)
1. 一种具有一低温系统(3)的超导技术装置(2)，该低温系统(3)中的可被一制冷装置(10)冷却的低温冷却介质(M)与至少一个超导装置(7a至7d)的超导体以及与该超导体电连接的一个超导开关(15)的超导连接线段(16)热耦合，其中，该超导连接线段(16)配置有加热器件(17)，后者用于受控制地将该连接线段(16)的超导材料过渡转变到正常导电状态，其特征在于，为冷却所述至少一个超导装置(7a至7d)的超导体，在所述低温冷却介质(M)的一个冷却剂腔室(9)上连接有一供所述低温冷却介质(M)使用的管道(20)的第一端；
另一端与所述超导开关(15)的连接线段(16)热耦合；
所述管道(20)具有这样一尺寸确定的横断面缩窄处(23)，使得在激励所述加热器件(17)时所产生的能量耗散大于所述制冷装置(10)借助于在所述冷却剂腔室(9)中的低温冷却介质(M)通过上面说明的横断面缩窄处(23)所传输的产冷量。
2. 按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述横断面缩窄处(23)的横断面面积(F)在0.5mm2至100mm2之间。
3. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述横断面缩窄处(23)位于所述管道(20)的一段面朝所述超导开关(15)的管道段内。
4. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述冷却剂腔室(9)是一个冷却剂管道系统(8)的一部分，该冷却剂管道系统(8)带有经过或穿过所述至少一个超导装置(7a至7d)的冷却剂路径。
5. 按照权利要求4所述的装置，其特征在于，所述低温冷却介质(M)按照热虹吸效应在所述冷却剂管道系统(8)中循环。
6. 按照权利要求4所述的装置，其特征在于，借助至少一个制冷装置(10)的至少一个冷却头(11)可将所述产冷量输入位于所述冷却剂管道系统(8)中的低温冷却介质(M)中。
7. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少一个超导装置(7a至7d)和所述超导开关(15)设置在一个共同的真空腔室(6)中。
8. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述低温冷却介质(M)按照热虹吸效应在所述管道(20)中循环。
9. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述低温冷却介质(M)是氦。
10. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述超导开关(15)设计成持续电流开关。
11. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少一个超导装置(7a至7d)是磁共振成像用磁铁。
12. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少一个超导装置(7a至7d)的超导体具有金属的低温超导材料。
13. 按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少一个超导装置(7a至7d)的超导体具有氧化的高温超导材料。
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