CN107564657B - 低温恒温器组件和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有低温恒温器壳(2)的低温恒温器组件(1)和系统，该低温恒温器壳(2)限定真空室(3)，在该真空室(3)中布置有用于热隔绝的存放的超导体主体(4)。根据本发明，低温恒温器组件(1)包括布置在真空室(3)中的封装结构(5)，该封装结构(5)将超导体主体(4)相对于真空室(3)密封地包围。

Description

低温恒温器组件和系统
技术领域
本发明涉及一种带有低温恒温器壳的低温恒温器组件，该低温恒温器壳限定真空室，在该真空室中布置有用于热隔绝的存放的超导体主体。
背景技术
超导体是这样的材料，其在所谓的转变温度或所谓的转变温度之下从正常传导的状态转化成超导的状态。转变温度对于已知的超导体是非常低的。对于一系列的陶瓷的超导体该转变温度为大约-200℃。
为了维持超导的状态超导体必须持久地冷却到该较低的转变温度或该较低的转变温度之下。对此超导体通常存放在低温恒温器中，该低温恒温器使超导体相对周围环境温度隔绝。为了实现尽可能良好的热隔绝，超导体布置在真空室中，从而该超导体被隔绝真空围绕。
真空的质量在此是对于低温恒温器的隔绝能力重要的参数。在真空室中残留的剩余气体的压力越低，归因于剩余气体的到超导体主体上的热输入就越小。追求的是，将剩余气体的压力保持在确定的工作压力之下并且尽可能长久地阻止该剩余气体的压力超过工作压力。持续时间(该持续时间剩余气体的压力可被保持在工作压力之下)也称作真空寿命。
发明内容
本发明的任务是，改善开头提及的类型的低温恒温器组件的真空寿命。
本任务通过在一种带有低温恒温器壳的低温恒温器组件解决，所述低温恒温器壳限定有真空室，在所述真空室中布置有用于热隔绝的存放的超导体主体。根据本发明低温恒温器组件包括布置在真空室中的封装结构，该封装结构将超导体主体相对于真空室密封地包围。
超导体主体因此被封装结构完全地容入或封入。以该方式尤其防止了，来自超导体主体的气体排出到达真空室中并且在那里导致压力提高。
在测量时可确定，尤其在冷却和加热超导体主体时突然出现显著的气体排出。这些气体排出可能归因于在超导体主体的置入和/或超导体主体中的细裂纹的打开。这些细裂纹然后使在通常多孔的例如陶瓷的超导体的内部的表面暴露。YBaCuO陶瓷(其经常用作超导体)例如具有单晶体密度的95%的密度。这又意味着，体积的5%以气体填充并且因此呈现了用于气体排出的极大的潜力。
通过根据本发明由封装结构密封地包围超导体主体阻止了，气体排出到达真空室中。以该方式在真空室中的压力能够保持在工作压力之下更长的时间(真空寿命因此提高)。
优选地，封装结构由金属(尤其由铜)制造。
通过应用金属(尤其铜)，对于封装结构能够得到特别密封的封入。
封装结构适宜地是真空密封的。
优选地，封装结构是几乎完全密封的。适宜地封装结构也能够具有小于10-5mbarl/s(尤其小于10-6mbar l/s)的泄漏率。
根据一种优选的设计方案，封装结构包括壳状的后部分以及伸到壳状的后部分中的壳状的前部分。
如此设计的封装结构能以简单的方式安装。
根据一种优选的设计方案超导体主体包括陶瓷的超导体，优选地YBaCuO超导体。
如在测量时确定的那样，尤其陶瓷的超导体(例如YBaCuO超导体)在在低温恒温器中冷却或加热时倾向于突然的气体排出。因此对于这些超导体根据本发明的封入是特别地有利的。
适宜地，超导体主体至少部分地(优选地完全地)置入到粘合剂中。
粘合剂在此优选地设置在超导体主体和封装结构之间。粘合剂例如是低温粘合剂，优选地是双组分粘合剂，如其可例如在商标Stycast下买到。适宜地，粘合剂是合成树脂，尤其环氧树脂。
通过将超导体主体置入到粘合剂中能够实现超导体主体到封装结构处的改善的热联结。那么尤其重要的是，在封装结构处装设有用于冷却超导体主体的冷却指。此外通过将超导体主体置入到粘合剂中得到了这样的优点，即能够在超导体主体中实现非常均匀的温度分布。优选地超导体主体完全地置入在粘合剂中。
优选地封装结构具有前侧和后侧并且封装结构在前侧处的壁厚比在后侧处更薄。
如果在此(如在下文还详细地解释的那样)封装结构的前侧面向与超导体主体交互作用的磁体设备，则通过在前侧处的壁厚的更薄的设计方案提供了更小的构造上的气隙的可能性。同时通过在后侧上设置的更大的厚度得到了良好的机械的稳定性以及良好的热传导能力。
优选地前侧是对立于后侧的一侧。
优选地低温恒温器组件包括冷却指，该冷却指尤其装设在封装结构的一或该后侧处。
适宜地，冷却指通过在低温恒温器壳中的被密封的开口从其中引导出来并且在低温恒温器壳外热联结到冷却设备处。冷却设备构造成，提供足够低的温度，从而超导体主体由于热联结到封装结构处以及装设在封装结构处的冷却指处而被冷却到其转变温度或其转变温度之下。
低温恒温器组件尤其包括布置在真空室中的用于反射热辐射的热保护膜，其中热保护膜围绕封装结构，然而优选地不设置在封装结构的前侧的区域中。
适宜地，热保护膜实施成多层的，这样以便特别良好地保护超导体主体或封装结构免于热辐射。在此热保护膜几乎完全地围绕封装结构(该热保护膜优选地设置在封装结构的除了前侧外的所有的侧面处)。如在上文已经解释的那样，应当在前侧上适宜地确保相对于磁体设备的尽可能小的构造上的气隙。由于在前侧上适宜地不设置热保护膜，得到这样的尽可能小的构造上的气隙变得更容易。
热保护膜优选地固定在垂直于封装结构的前侧取向的侧壁处。尤其热保护膜钉在和/或粘着在该侧壁处。适宜地，热保护膜包括开口，冷却指通过该开口被引导到封装结构。
附图说明
在下面参考附图描述一种示例性的实施方式。其中：
图1示出了与磁体设备一起的低温恒温器组件的示意性的截面图。
具体实施方式
在图1中示出的低温恒温器组件1具有低温恒温器壳2，该低温恒温器壳2示范性地构造成带有矩形的横截面。低温恒温器壳2例如是低温恒温器组件1的外壳。
低温恒温器壳2限定真空室3。在示出的例子中低温恒温器壳2以容器的形式实施并且真空室3是该容器的内室。低温恒温器壳2完全地围绕真空室3。尤其低温恒温器壳2将真空室3相对于周围环境密封地包围。
在真空室3中设置有隔绝真空。适宜地，所述隔绝真空是带有小于等于5*10-5mbar的压力的真空。
在真空室3中布置有封装结构5，在该封装结构5中布置有超导体主体4。在示出的例子中封装结构5布置在真空室中的中间。封装结构5间隔于低温恒温器壳2布置。在封装结构5和低温恒温器壳2之间的真空室3阻止了，周围环境热从低温恒温器壳2传递到封装结构5并且因此也传递到超导体主体4。
封装结构5将超导体主体4相对于真空室3密封地包围。以该方式阻止了，尤其在冷却和/或加热超导体主体4时气体排出从超导体主体到达真空室3中并且在那里提高压力。
因此能够通过封装结构5提高低温恒温器组件1的真空寿命。
超导体主体4尤其由陶瓷的材料制造。优选地超导体主体4是II型超导体。尤其超导体主体4是YBaCuO超导体。
在图1中此外示出了磁体设备12。磁体设备12尤其是永磁体或是永磁体和/或电磁体的组件。磁体设备12产生穿透超导体主体4的磁场。该磁场根据所谓的磁通钉扎效应(Flux-Pinning-Effekt或Flussverankerungseffekt)在一定程度上存储在超导体主体4中，从而通过在磁体设备12和超导体主体4之间的力作用提供了磁体设备12相对于超导体主体4的自稳定的磁性的支承。磁性的支承能够例如实施为点支承、线支承或旋转的磁体支承。如在图1示出的那样，磁体设备12优选地布置在低温恒温器壳2或真空室3的外部。
如在图1中表明的那样，超导体主体4优选地具有扁的基础外形。尤其该超导体主体在其纵向的一个上构造成比在垂直于该纵向的横向上显著地更长。在示出的例子中纵向平行于在图1中标出的x轴伸延。横向平行于在图1中标出的y轴伸延。如在图1中示出的那样，超导体主体4能够具有矩形的横截面。超导体主体4具有垂直于纵向取向的侧面16和17以及垂直于横向取向的侧面24和25。侧面24在此面向磁体设备12并且在下文也称作前侧。侧面25背离磁体设备12并且在下文也称为后侧。
封装结构具有面向磁体设备12的前侧7和背离磁体设备12的后侧8。如在图1中示出的那样，封装结构5的壁厚在前侧7处比在后侧8处更薄。
在封装结构5的内部中构造有带有矩形的横截面的内室。在内室中布置超导体主体4。在超导体主体4和封装结构5之间的中间室利用粘合剂6填满。
封装结构5例如由整块的铜组成。在示出的例子中封装结构5由壳状的前部分15和壳状的后部分14组成。前部分15和后部分14在此通过焊缝19彼此固定并且密封地封闭。在示出的例子中前部分15伸到后部分14中。前部分15布置在超导体主体4的面向磁体设备12的前侧上并且后部分14布置在超导体主体4的背离磁体设备12的后侧上。
前部分15在纵向(即平行于x轴)上构造成比后部分14更短。前部分15具有板形的基础区段20，该基础区段20平行于超导体主体4的纵向取向。边界区段21从板形的基础区段20平行于超导体主体4的横向朝向后部分14延伸。
后部分14具有板形的基础区段22，该基础区段22同样平行于超导体主体4的纵向取向。边界区段23从板形的基础区段22平行于超导体主体的横向朝向前部分15延伸。在此边界区段23在背离板形的基础区段22的一侧处具有凹处，该凹处容纳边界区段21的一部分。在两个边界区段21和23的接触位置处设置焊缝19。
后部分14的基础区段22例如构造为铜板并且提供了到在下文解释的冷却指9处的热联结。
前部分的基础区段21尤其在平行于横向的方向上(在图1中在y方向上)构造成比后侧的板形的基础区段22更薄。
示范性地，超导体主体4置入到粘合剂6(优选地Stycast双组分低温粘合剂)中。优选地粘合剂6是导热介质。粘合剂6优选地完全地包围超导体主体4。粘合剂6布置在超导体主体4和封装结构5之间并且因此尤其负责超导体主体4到封装结构5处的良好的热联结。
粘合剂6在此尤其设置在侧面16和17处。超导体通常具有各向异性的热学特性。在此热传导优选地在纵向上或平行于面向磁性的激励器(在此磁体设备12)的侧发生。由于粘合剂6设置在侧16和17处，给出了特别良好的侧面的热联结。
上文提到的焊缝19尤其通过激光焊接制造。为了得到真空密封的封装，焊缝尽可能在没有污染物的情况下制造。这尤其通过以下方式得到，即在焊接时防止激光直接碰到粘合剂6上。也就是说否则通过粘合剂6的蒸发将妨碍焊缝19的构建。
如在图1中示出的那样，低温恒温器组件1此外包括冷却指9。该冷却指9布置在封装结构的后侧8上并且装设在该处。在示出的例子中冷却指9平行于y轴取向并且通过被密封的开口18从低温恒温器壳2引导出来。在低温恒温器壳2外部能够例如设置有在图1中未示出的冷却设备，冷却指9热联结到该冷却设备处。该冷却设备能够例如构造成，促使超导体主体4通过经由粘合剂6、封装结构5以及冷却指9的热联结冷却到转变温度或转变温度之下。
在真空室3中此外设置有热保护膜11，该热保护膜11构造成用于反射热辐射。热保护膜11围绕封装结构5并且这样保护该封装结构5免于热辐射。热保护膜11尤其构造成多层。如在图1中示出的那样，热保护膜11围绕封装结构5，然而不设置在前侧7处。热保护膜11固定在封装结构5的侧面处(在示出的例子中在前部分的边界区段21的侧面处)。热保护膜11尤其构造成袋状并且将封装结构5套上。

Claims (18)

1.一种带有低温恒温器壳(2)的低温恒温器组件(1)，所述低温恒温器壳(2)限定有真空室(3)，在所述真空室(3)中布置有用于热隔绝的存放的超导体主体(4)，其特征在于布置在所述真空室(3)中的封装结构(5)，所述封装结构(5)将所述超导体主体(4)相对于所述真空室(3)密封地包围，其中所述超导体主体(4)至少部分地置入到粘合剂(6)中。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)由金属制造。
3.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)是真空密封的。
4.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)包括壳状的后部分(14)和伸到所述壳状的后部分(14)中的壳状的前部分(15)。
5.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述超导体主体(4)包括陶瓷的超导体。
6.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述超导体主体(4)完全地置入到粘合剂(6)中。
7.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)具有前侧(7)和后侧(8)并且所述封装结构(5)的壁厚在所述前侧(7)处比在所述后侧(8)处更薄。
8.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述低温恒温器组件(1)具有冷却指(9)。
9.根据权利要求1或2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述低温恒温器组件(1)具有布置在所述真空室中的用于反射热辐射的热保护膜(11)，其中，所述热保护膜围绕所述封装结构(5)。
10.根据权利要求2所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)由铜制造。
11.根据权利要求5所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述陶瓷的超导体为YBaCuO超导体。
12.根据权利要求8所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)具有前侧(7)和后侧(8)，其中所述冷却指(9)装设在所述封装结构(5)的所述后侧(8)处。
13.根据权利要求7所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述低温恒温器组件(1)具有冷却指(9)，所述冷却指(9)装设在所述封装结构(5)的所述后侧(8)处。
14.根据权利要求9所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述封装结构(5)具有前侧(7)和后侧(8)，其中所述热保护膜不设置在所述封装结构的前侧(7)的区域中。
15.根据权利要求7所述的低温恒温器组件(1)，其特征在于，所述低温恒温器组件(1)具有布置在所述真空室中的用于反射热辐射的热保护膜(11)，其中，所述热保护膜围绕所述封装结构(5)，然而不设置在所述封装结构的前侧(7)的区域中。
16.一种带有根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器组件(1)的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)具有用于生成穿透所述超导体主体(4)的磁场的磁体设备(12)。
17.根据权利要求16所述的系统(10)，其特征在于，所述封装结构(5)具有前侧(7)和后侧(8)，其中所述封装结构(5)的所述前侧(7)面向所述磁体设备。
18.根据权利要求16所述的系统(10)，其特征在于，所述磁体设备(12)和所述超导体主体(4)形成自稳定的磁体支承件。
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