CN101536123B - 用于冷却超导磁体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷却至少一个超导磁体的方法。根据本发明，这个或这些超导磁体的冷却仅仅借助于一个或多个处于至少两个温度水平的氦流进行。

Description

用于冷却超导磁体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于冷却至少一个超导磁体的方法。

背景技术

超导磁体及其低温恒温器迄今为止通常以如下方式进行冷却：为了避免高的材料应力，对低温恒温器容腔缓慢地供入液氮并且通过这种方式使其冷却到大致80K的温度。接着将包含的液氮去除，其方式是这样长时间地吹入处于环境温度的氦，直到不仅液氮而且气态氮——尽管不完全地——去除掉为止。在此，磁体和低温恒温器的温度平均值重新升高到大致100至110K。现在，在低温恒温器容腔接着被填充液氮之前，借助于也是计量地输送的液氮使该装置冷却到4.5K的温度。

然而所述方法的缺点在于，特别是液氮的消耗由于由过程导致的大温度差而相对高并且此外所使用的氦的一个显著的份额总是损失掉，因为其溢出到周围环境或者大气中。因为世界范围内的氦资源是紧缺的并且由此导致价格升高，所以在消耗氦的过程上存在一个需求，其中可回收尽可能多的氦。

液氮的“直接使用”和与此相关的污染导致：即使通过用氦进行吹洗也不能彻底地去除液氮。然而该事实现在对于超导磁体的特性具有不期望的影响，即其失超倾向增高，也就是说突然又表现为欧姆阻抗。此外，上述方法的缺点在于，由于出现的温度差——环境温度与液氮温度，冷却过程不仅在使用液氮而且在使用氦时在热力学上并且由此也在经济上极大地无效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种所述类型的、用于冷却至少一个超导磁体的方法，该方法避免了上述缺点。

为了实现所述目的，提出了一种用于冷却至少一个超导磁体的方法，该方法的特征在于，这个或这些超导磁体的冷却仅仅借助于一个或多个处于至少两个温度水平的氦流进行。

根据本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法的一个有利的构型，相应的始流温度通过一些温度不同的氦流或氦流部分的混合产生：在此，在第一步骤中将处于液氮温度水平和处于环境温度水平的氦混合，而在第二步骤中将处于液氮温度水平的氦和处于大致10K温度水平的氦混合。

根据本发明，为了冷却磁体现在仅仅使用氦。液氮必要时间接地作为部分的初级冷源使用，特别是用于预冷却氦。由此产生(以相应的预净化为先决条件)一个具有可忽略的剩余杂质的低温恒温器容腔。这导致相应被冷却的超导磁体的失超倾向显著降低。由此又导致迄今为止显著的氦损失的明显降低，所述氦损失必然与失超效应的出现相关。

此外，在本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法中，冷却流或冷却介质与待冷却磁体之间的温度差相对小，这在热力学上是有利的。同时，氦气中的传热系数可保持相对高，其方式是选择相应高的气体流量。磁体的所述较平缓的冷却允许一个加速的冷却过程、即允许生产过程的显著较短的循环时间。

本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法允许借助于仅仅一个氦制冷设备来冷却和填充磁体。因此，不再需要磁体的低温恒温器相对于大气的不期望的打开。此外，通过使用液氮-泵可以相对快速地对磁体填充液氮。此外，本发明的方法还允许液氮显著节省，该液氮在属于现有技术的方法中必须被收集、被净化并且接着再被液化。此外，显著降低了最终损失到大气中的氦份额。

根据本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法的一个有利的构型，以如下方式进行这个或这些超导磁体的冷却：将由处于环境温度水平的氦流和处于液氮温度水平的氦流组成的第一混合物并且接着将由处于液氮温度水平的氦流和处于大致10K温度水平的氦流组成的第二混合物输送给所述待冷却的磁体。

附图说明

下面借助于附图中所示的实施例详细解释本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法以及该方法的其他有利的构型，这些有利构型是从属权利要求的主题。

具体实施方式

为了清楚起见，在附图中没有示出一些需要的调节阀。但基于下面的方法说明，对于本领域技术人员来说这些调节阀的图示是多余的。

附图示意性示出一个氦制冷回路，该氦制冷回路用于冷却两个超导磁体M1和M2。借助于一个单级或多级的压缩机单元C(在此优选使用螺杆压缩机系统)吸入大致环境压力的氦并且将其压缩到大致13至20巴之间的压力(高压)。在图中未示出必要时连接在压缩机单元C后面的(水)冷却器和油分离器。

高压氦流通过管路1被输送给第一换热器E1并且在该第一换热器中逆着中压氦流和低压氦流以及逆着通过管路2被引导通过换热器E1的液氮冷却到大致80K，下面还将对所述中压氦流和低压氦流进行描述。

接着进行被冷却了的高压氦流的优选吸附式构造的净化A。在该净化级A中进行必要时存在的、不期望的残余杂质例如空气的分离。吸附单元A优选冗余地构成并且此外具有用于使负载了的吸附介质再生的装置。

通过管路3从第一换热器E1中抽出的氦流现在可以分为三个分流4、11和15。首先提及的分流通过管路4被输送给一个膨胀透平X并且在该膨胀透平中减压到2至3巴之间的中压。接着，该中压氦流通过管路区段5至10被引导通过两个换热器E2和E1并且在该中压氦流输送给压缩机单元C之前在这些换热器中被加热到环境温度。

上述的第二氦分流通过管路11输送给第二换热器E2并且在该换热器中逆着待加热的过程流进一步冷却。该氦分流在通过了换热器E2之后通过管路12输送给第二膨胀透平X′并且在该第二膨胀透平中同样在产生冷量的情况下在大致10K的温度时减压到2至3巴之间的中压。在换热器E1中加热到环境温度之后，通过管路区段13、14、19至21和10将该中压氦流也输送给压缩机单元C。

上述的第三氦分流可通过管路区段15和7至10同样输送给压缩机单元C。

由此，三个中压氦流处于不同的温度水平。它们是：在第二膨胀透平X′中减压的、具有大致10K温度的氦流；位于换热器E1出口处的、具有大致80K温度的氦流；在管路8中的、在换热器E2和E1中加热到环境温度的氦流。

如已经提及的那样，附图示出一个氦制冷设备，该氦制冷设备用于冷却仅仅两个超导磁体M1和M2。磁体M1和M2的低温恒温器容腔在真正的冷却过程之前如果需要的话(多次)被抽真空、被吹洗并且通过被干燥的氦气的循环很大程度上去除不期望的残余物或杂质例如空气和湿汽。在附图中为了清楚起见未示出对此所需的装置。

在真正的冷却过程开始时，在阀a打开的情况下通过管路区段26和30将处于环境温度的中压氦气输送给这个或这些待冷却的磁体M1/M2。同时，在阀b打开的情况下通过管路区段24和30将具有大致80K温度的中压氦气输送给待冷却的磁体M1/M2。通过上述两个中压氦流的混合可以在环境温度与大致80K的温度之间调节出期望的任意始流温度(Vorlauf-temperatur)。由此实现磁体M1/M2的从环境温度直至大致80K温度的连续冷却。

在阀f打开的情况下，从磁体M1/M2抽出的、被加热了的返回气体通过管路区段31和25又被输送给换热器E1、在该换热器中被加热并且接着通过管路区段20、21和10输送给压缩机单元C。

一旦磁体M1/M2已经达到大致超过80K的温度(通过管路26的氦输入在这个时刻已经又关闭并且仅仅通过管路24输入氦)，则阀c打开，使得具有大致10K温度的中压氦气可通过管路区段16和30混入或输送给磁体M1/M2。借助于该方法步骤进一步降低了始流温度。

此外，离开磁体M1/M2的、被加热了的返回气体在阀f打开的情况下通过管路区段31和25被输送给第一换热器E1。但是，该回输仅仅进行这样长的时间，直到确定的温度(该温度在50与60K之间取值)被低于。然后使阀f闭合并且使阀g打开。现在，被加热了的返回气体可通过管路区段31和17输送给第二换热器E2。该返回气体从该第二换热器中通过管路区段18至21和10被输送给压缩机单元C。

如果从磁体M1/M2抽出的返回气体的温度达到了第二膨胀透平X′的出口温度，则使阀g闭合并且使阀h打开。现在，被加热了的返回气体通过管路区段31和23输送给换热器E2的冷端并且在其中被加热。该返回气体经由管路区段18至21和10通过换热器E1也被输送给压缩机单元C。

当从磁体M1/M2抽出的返回气体的温度与膨胀透平X′的出口温度之间的确定的温度差(该温度差优选取值为0.5至1K)被低于时，使阀c闭合并且使阀d打开。现在，磁体M1/M2通过管路区段28和30被供入来自杜瓦D的液氮、在此完全被置于饱和蒸汽温度并且被填充液氮。在此排挤出的冷氦气可被输送给压缩机单元C和/或用于冷却另外的磁体，这些另外的磁体的冷却过程在时间上错开地进行。对此替代地，该氦气也可以通过一个图中未示出的管路被回输到或被压到杜瓦D中；然而为此需要使用液氦-泵。

前述程序的流程可以——随着低温恒温器的净化而开始并且随着低温恒温器被填充液氮而结束——全自动地进行。这具有其优点：即可以排除人为的错误行为。

本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法特别是适用于在氦制冷设备中实现，该氦制冷设备用于并行地冷却超导MRI磁体和对低温恒温器填充液体。此外，当需要相对平缓的冷却、仅应该或允许出现相对小的温度差、必须对冷却速度进行控制、相对高的氦流量是有优点或期望的并且杂质是不期望的时，可以总是使用本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法。

本发明的用于冷却至少一个超导磁体的方法允许对一个或多个磁体进行并行的和时间上错开的冷却和填充，其中，待冷却磁体的数量原理上可任意地多。

Claims (1)

1.一种用于冷却至少一个超导磁体的方法，这个或这些超导磁体的冷却方式为：将由处于环境温度水平的氦流和处于液氮温度水平的氦流组成的第一混合物并且接着将由处于液氮温度水平的氦流和处于大致10K温度水平的氦流组成的第二混合物输送给所述待冷却的磁体。

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