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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Bulk-Supraleiters oder einer supraleitenden Spule einer Magnetresonanzeinrichtung, insbesondere einer Hauptfeldmagnetspule, umfassend eine Kälteeinheit mit einem Kaltkopf, der thermisch an eine Kondensoreinheit zur Kondensation eines Kühlmittels gekoppelt ist, wobei eine thermisch an den Bulk-Supraleiter und/oder die Spule gekoppelte Verdampfungseinheit zur Verdampfung des verflüssigten Kühlmittels zu gasförmigen Kühlmittel vorgesehen ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Magnetlager und eine Magnetresonanzeinrichtung.
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Zur Abkühlung von Supraleitern, insbesondere Bulk-Supraleitern oder supraleitenden Spulen in Magnetresonanzeinrichtungen, ist es bekannt, Kaltköpfe zu verwenden, die ein Kühlmittel kühlen und verflüssigen, welches zur Kühlung des Supraleiters in einer entsprechenden Verdampfereinheit verdampft. Beispielsweise kann der Kaltkopf thermisch über einen Thermosiphon (auch Heatpipe genannt) mit dem zu kühlenden Objekt verbunden sein. Der Thermosiphon ist dabei mit einem Kühlmittel, beispielsweise Neon, gefüllt. Das Kühlmittel wird am Kondensor durch den Kaltkopf gekühlt, verflüssigt, gelangt zum zu kühlenden Objekt, welches den Supraleiter umfasst, und verdampft dort, um erneut in der Kondensoreinheit verflüssigt zu werden.
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Durch die Siedetemperatur des verwendeten Kühlmediums wird die Betriebstemperatur des Kaltkopfes während der Abkühlung des Objekts bestimmt. Dabei ist die vom Kaltkopf gelieferte Kälteleistung stark temperaturabhängig und sinkt mit abnehmender Temperatur. Problematischerweise dauert die Abkühlung dann häufig sehr lange und ist ineffizient, da der Siedepunkt des verwendeten Kühlmittels bei der gewünscht niedrigen Betriebstemperatur des zu kühlenden Objekts, umfassend den Supraleiter, liegt.
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Wird eine beschleunigte Abkühlung gewünscht, so ist es bekannt, einen Gaswechsel vorzunehmen. Nach einer ersten Abkühlphase mit einem ersten Kühlmittel, beispielsweise Stickstoff, welches eine höhere Kondensationstemperatur hat, muss der Abkühlvorgang unterbrochen werden. Dann muss sichergestellt werden, dass das vorhandene erste Kühlmittel einphasig als Gas im gesamten Kühlsystem vorliegt, um es danach vollständig mit einer Vakuumpumpe zu entfernen. Danach wird das Kühlsystem mit einem zweiten Kühlmittel, beispielsweise Neon, gefüllt und die Abkühlung wird fortgesetzt. Dieser Vorgang ist extrem zeitaufwendig und auch fehleranfällig, nachdem im System verbleibendes erstes Kühlmittel gefrieren kann und gegebenenfalls Leitungen blockiert.
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Soll dieses Verfahren nicht eingesetzt werden, müssen sehr lange Abkühlzeiten, die beispielsweise im Bereich einer oder mehrerer Wochen liegen, toleriert werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für Bulk-Supraleiter und supraleitende Spulen einer Magnetresonanzeinrichtung anzugeben, bei der eine schnellere Abkühlung ohne großen logistischen- und Wartungsaufwand möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass als Kühlmittel ein Gemisch von wenigstens zwei Kühlmittel-Komponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen ist.
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Es wird demnach vorgeschlagen, gleichzeitig zwei oder mehr Arbeitsgase als Kühlmittel-Komponenten zu verwenden, die unterschiedliche Kondensationstemperaturen besitzen, beispielsweise Stickstoff mit einer Kondensationstemperatur von 77 K und Neon mit einer Kondensationstemperatur von 27 K. Dann wird beim Abkühlen in der durch den Kaltkopf gekühlten Kondensoreinheit zunächst die Kühlmittel-Komponente mit der höheren Kondensationstemperatur verflüssigt. Bei dieser höheren Temperatur liefert der Kaltkopf eine wesentlich höhere Kühlleistung als bei der niedrigeren zweiten Kondensationstemperatur. Solange die Kaltkopfleistung zur Kühlung des Supraleiters vollständig transferiert werden kann, wird sich in der Kondensoreinheit eine Zwischentemperatur einstellen. Danach, wenn also das zu kühlende Objekt mit dem Supraleiter vorgekühlt ist, sinkt die Kondensortemperatur von selbst weiter ab. Die verwendete erste Kühlmittel-Komponente wird fest und friert an der kältesten Stelle des gesamten Kühlsystems, also am Kondensor der Kondensoreinheit, fest. Der Kaltkopf kühlt weiter ab und schließlich wird im Kondensor die zweite Kühlmittel-Komponente, beispielsweise Neon, verflüssigt. Dadurch wird nun der zu kühlende Supraleiter weiter abgekühlt, um die angestrebte Betriebstemperatur zu erreichen.
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Die einzelnen Komponenten lassen sich folglich so auswählen, dass letztlich eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Ausnutzung der Kälteleistung des Kaltkopfes zu realisieren ist. Vorteilhaft ist bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch hauptsächlich, dass der Kaltkopf zu Beginn der Abkühlung bei einer höheren Temperatur betrieben werden kann, was zu einer entsprechend größeren Kälteleistung und somit einer wesentlich kürzen Abkühlzeit führt.
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Zweckmäßigerweise kann dabei in der Kondensoreinheit ein Kondensor mit einer möglichst großen Oberfläche vorgesehen sein, so dass sich beim Auffrieren nur eine dünne Schicht der ersten Kühlmittel-Komponente bildet. Beispielsweise kann eine Kondensorfläche durch eine fingerartige Struktur des Kondensors gegeben werden.
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Das Mischungsverhältnis zwischen den beiden Kühlmittel-Komponenten kann dabei 1:1 sein, das bedeutet, es kann je die Hälfte des Kühlmittels einer Komponente entsprechen. Dabei sollte die Menge an Kühlmittel-Komponenten in der Mischung derart bemessen werden, dass jede Kühlmittel-Komponente allein in der Lage wäre, eine Kühlung auf die entsprechende Kondensationstemperatur zu bewirken.
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Zweckmäßigerweise kann ferner vorgesehen sein, dass das Kühlmittel unter Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts zwischen der Kondensoreinheit und der Verdampfereinheit förderbar ist. Dann ist keine Hilfsenergie erforderlich, um das Kühlmittel zu fördern. So kann beispielsweise das flüssige Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft in den Verdampferraum gelangen, von wo es in die Kondensoreinheit zurückströmt. Der Rückstrom wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in der Verdampfereinheit im Vergleich zu den als Kondensor wirkenden Teilen der Kondensoreinheit. Solche Kühlmittelströmungen sind von sogenannten „Heatpipes” her bekannt.
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Wie bereits erwähnt, können als Kältemittel-Komponenten Neon und Stickstoff verwendet werden. Möglich ist es aber auch, dass alternativ als Kältemittel-Komponenten Neon und Argon vorgesehen sind. Auch Helium und Wasserstoff sind als eine Kühlmittel-Komponente mit einer niedrigen Kondensationstemperatur denkbar.
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Als Kälteeinheit lassen sich praktisch alle Typen von Kältemaschinen verwenden, die einen auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau zu legenden Kaltkopf aufweisen. Bevorzugt werden Kryokühler insbesondere mit geschlossenem Helium-Druckgaskreislauf vorgesehen, da diese einen einfachen Aufbau aufweisen und für eine indirekte Kühltechnik, wie sie bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung verwendet wird, besonders geeignet sind. Entsprechende, auch als regenerative Kryokühler bezeichnete Kühler weisen einen Regenerator bzw. regenerativen Arbeitszyklus entsprechend der üblichen Klassifikation der Kryokühler auf.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass an der Kondensoreinheit eine Heizeinrichtung zur Einstellung einer definierten Temperatur, insbesondere einer oberhalb der Gefriertemperatur der die höhere Kondensationstemperatur aufweisenden Kühlmittel-Komponente liegende Temperatur, vorgesehen ist. In konkreter Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass eine Daten eines die Temperatur in der Kondensoreinheit messenden Temperatursensors empfangende Steuereinrichtung zur Regelung des Betriebs der Heizeinrichtung vorgesehen ist. Durch Verwendung einer solchen Heizeinrichtung kann der Kondensor also gezielt, insbesondere mit einem Regler wie beschrieben, auf einer bestimmten Arbeitstemperatur gehalten werden, so dass eine höhere Kondensortemperatur auch dann gehalten werden kann, wenn der Kälteleistungsbedarf des abzukühlenden Supraleiters geringer wird und unter das Leistungsvermögen des Kaltkopfes sinkt. Damit wird vermieden, dass bereits vor dem Erreichen der Kondensationstemperatur der Kühlmittel-Komponente mit der höheren Kondensationstemperatur am zu kühlenden Supraleiter bereits der automatische Übergang auf die Nutzung der weiteren Kühlmittel-Komponente erfolgt. Insgesamt ist es somit effizienter möglich, das zu kühlende Objekt und damit den Supraleiter auf die Kondensationstemperatur der ersten Kühlmittel-Komponente abzukühlen. Ein weiterer Temperatursensor kann an dem zu kühlenden Objekt, insbesondere an dem Supraleiter, vorgesehen werden, wobei die Heizeinrichtung beispielsweise bei zwei Kühlmittel-Komponenten so ansteuerbar sein kann, dass dann, wenn der Supraleiter die definierte Temperatur oder eine leicht oberhalb der definierten Temperatur, beispielsweise 1 K oberhalb dieser Temperatur, liegende Temperatur erreicht hat, das Halten der definierten Temperatur durch die Heizeinrichtung beendet wird und der Übergang zu der nächsten Kühlmittel-Komponente erfolgen kann. So wird eine weitere Automatisierung gewährleistet.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der Vorrichtung, insbesondere die Kondensoreinheit und/oder die Kälteeinheit und/oder die Verdampfereinheit, und/oder des zu kühlenden Supraleiters in einem Vakuumraum eines Vakuumbehälters angeordnet ist. Somit ist nach außen eine gute Wärmeisolation gegeben.
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Ingesamt lassen sich also die Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung folgendermaßen zusammenfassen. Dadurch, dass sich zwei oder mehr Kühlmittel-Komponenten als Arbeitsgase gleichzeitig im Kühlsystem, insbesondere im Thermosiphon, befinden, wird das jeweils effizientere Medium vollautomatisch für die Abkühlung genutzt. Die Kühlvorrichtung wird effizienter betrieben, da der Kaltkopf bei der Arbeitstemperatur der ersten Kühlmittel-Komponente wesentlich effektiver arbeitet und mehr Kälteleistung zur Verfügung stellt. Aufgrund der höheren zur Verfügung stehenden Kälteleistung erfolgt die Abkühlung des zu kühlenden Objekts und somit des Supraleiters wesentlich schneller.
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Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf Bulk-Supraleiter, die letztlich ein Massivmaterial darstellen, das weit mehr Wärmekapazität aufweist als ein üblicher, beispielsweise in einer Spule verwendeter Supraleiter. Auch im Bezug auf die Wärmeleitung hat die Verwendung des Kühlkonzepts bei Bulk-Supraleitern Vorteile, nachdem das Leiterbahnenmaterial meist noch eine Matrix aus nicht supraleitenden Materialien enthält.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist ein zeitaufwendiger Gaswechsel zur Beschleunigung der Abkühlung nicht mehr notwendig. Zudem bestand beim Gaswechsel bisher die Gefahr, dass sich zum Zeitpunkt des Evakuierens flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Stickstoff, noch im Kühlsystem beispielsweise an engen Rohrquerschnitten des Thermosiphons befand, so dass durch das Evakuieren eine Verfestigung des Kühlmittels, beispielsweise des Stickstoffs, die sogenannten Eisbildung, auftreten konnte und zum Verstopfen des Thermosiphons führen konnte. Hierdurch wäre eine weitere Kühlung bzw. Abkühlung des Supraleiters nicht mehr möglich und das Kühlsystem müsste erst aufgewärmt und „abgetaut” werden. Diese Gefahr wird durch die vorliegende Erfindung ausgeschlossen.
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Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung betrifft die Erfindung auch eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens eine supraleitende Spule, insbesondere eine supraleitende Hauptmagnetfeldspule, und eine Vorrichtung zur Kühlung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche zur Kühlung der Spule verwendet wird. Gerade bei Magnetresonanzeinrichtungen ist es häufig erwünscht, eine schnelle Abkühlung und somit Möglichkeit zur Inbetriebnahme der Magnetresonanzeinrichtung zu erreichen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Magnetlager, umfassend einen Stator und einen gegen den Stator bewegbaren Rotor, wobei der Stator/oder der Rotor einen Bulk-Supraleiter aufweisen, sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung des Bulk-Supraleiters. Magnetlager weisen häufig Bulk-Supraleiter auf, beispielsweise im Stator oder im Rotor. Diese können über die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders effektiv gekühlt werden, insbesondere, wenn es sich um größere Magnetlager handelt, die beispielsweise großen Maschinen zugeordnet sind.
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Doch auch bei elektrischen Maschinen, die auf der Supraleitertechnologie basieren, lässt sich die vorliegende Erfindung gut einsetzen, nachdem beispielsweise Hochtemperatursupraleiter-Maschinen bekannt sind, deren Rotor Hochtemperatursupraleiter-Massivmaterial, also einen Bulk-Supraleiter, enthält. Beispielsweise kann hier YBCO-Bulkmaterial zum Einsatz kommen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, und
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2 ein erfindungsgemäßes Magnetlager.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 zur Kühlung eines zu kühlenden Objekts 2, welches hier einen Bulk-Supraleiter 3 aufweist. Dieser muss auf einer bestimmten Betriebstemperatur gehalten werden. Es sei jedoch bereits an dieser Stelle angemerkt, dass die Kühlvorrichtung auch bei anderen Supraleitern eingesetzt werden kann, insbesondere bei einer supraleitenden Spule einer Magnetresonanzeinrichtung.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst auf grundsätzlich bekannte Weise einen Kaltkopf 4, der thermisch an eine Kondensoreinheit 5 mit einem Kondensor 6 gekoppelt ist. Der Kondensor 6 ist dabei als ein fingerartige Stifte aufweisender Körper ausgebildet, der mithin eine große Oberfläche bietet.
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Die restliche Kälteeinheit neben dem Kaltkopf 4 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt. Bei der Kälteeinheit kann es sich beispielsweise um einen regenerativen Kryokühler handeln, beispielsweise einen Pulsröhrenkühler oder einen Split-Stirling-Kühler. Auch ein Kryokühler vom Typ Gifford-McMahon ist denkbar.
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An die Kondensoreinheit 5 ist ein Wärmerohr 7 angeschlossen, durch welches verflüssigtes Kühlmittel vom Kondensor 6 zu einer hier nur angedeuteten Verdampfereinheit 8 geführt wird, in der das verflüssigte Kühlmittel unter Aufnahme von Wärme verdampft. Der Transport des Kühlmittels zwischen der Kondensoreinheit 5 und der Verdampfereinheit 8 durch das Wärmerohr 7 geschieht anhand des Thermosiphon-Effekts. Es sei jedoch. angemerkt, dass auch zusätzlich ein Behälter 9 für gasförmiges Kühlmittel vorgesehen werden kann, wobei eine Leitung 10 den Thermosiphon mit dem Behälter 9 verbindet.
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Ersichtlich ist ferner der größte Teil der Kühlvorrichtung 1 in einem Vakuumraum 11 angeordnet, der durch ein Vakuumgehäuse 12 definiert ist. Somit ist eine hervorragende Isolation gegeben.
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Als Kühlmittel wird nun erfindungsgemäß ein Gemisch aus mehreren, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei verschiedenen elementaren Kühlmittel-Komponenten mit unterschiedlichen Siede- bzw. Kondensationstemperaturen verwendet. Während die Kondensationstemperatur einer Kühlmittel-Komponente Idealerweise unterhalb der Betriebstemperatur des Bulk-Supraleiters liegt, ist die andere Kondensationstemperatur höher gewählt. Je nach Betriebstemperatur kommt für die Kühlmittel-Komponente mit der niedrigeren Kondensationstemperatur beispielsweise die Verwendung von Wasserstoff (Kondensationstemperatur 20,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 14 K, kritischer Punkt bei 30 K und 8 bar), Neon (Kondensationstemperatur 27,1 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 25 K, kritischer Punkt bei 24 K und 20 bar), Stickstoff (Kondensationstemperatur 77,4 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 65 K, kritischer Punkt bei 125 K und 22 bar) oder Argon (Kondensationstemperatur 87,3 K bei Normaldruck, Tripelpunkt bei 85 K, kritischer Punkt bei 145 K und 38 bar) in Frage. Die weitere Kühlmittel-Komponente in dem Gemisch soll eine vergleichsweise höhere Kondensationstemperatur besitzen, wobei beispielsweise das Komponentenpaar Neon (27,1 K) – Argon (87,3 K) oder das Komponentenpaar Neon (27,1 K) – Stickstoff (77,4 K) verwendet werden können.
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Dies bietet Vorteile während des Abkühlvorgangs, nachdem zunächst die Kühlmittel-Komponente mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren wird und einen geschlossenen Kühlkreislauf ausbilden wird. Nach einer entsprechenden Vorkühlung des Objekts 2 mit dem Supraleiter 3 bis zur Tripelpunkt Temperatur dieser Kühlmittel-Komponente wird diese dann im Bereich der Kondensoreinheit 5 ausfrieren, worauf die Kühlvorrichtung 1 bis zur Kondensationstemperatur der Kühlmittel-Komponente mit der nächst niedrigeren Kondensationstemperatur, im Fall von zwei Kühlmittel-Komponenten also der anderen Kühlmittel-Komponente, abgekühlt wird. Sodann bildet sich ein entsprechender Kreisprozess mit der zweiten Kühlmittel-Komponente aus, so dass letztlich eine quasi kontinuierliche Abkühlung bei optimaler Ausnutzung der Kälteleistung des Kaltkopfes realisiert werden kann.
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Im Normalbetrieb bildet sich ein Kühlkreislauf der Kühlmittel-Komponente mit der niedrigsten Kondensationstemperatur aus, welches an dem von dem Kaltkopf 4 gekühlten Kondensor 6 kondensiert. Die verflüssigte Kühlmittel-Komponente fließt sodann durch das Wärmerohr 7 zu der Verdampfereinheit, wo sie verdampft. Die unter Aufnahme von Wärme verdampfte Kühlmittel-Komponente strömt dann durch das Innere des Wärmerohres 7 in die Kondensoreinheit 5 zurück, wobei der Rückstrom durch einen leichten Überdruck in der Verdampfereinheit 8 relativ zu der Kondensoreinheit 5 getrieben wird, der durch das Entstehen von Gas in der Verdampfereinheit 8 und das Verflüssigen in der Kondensoreinheit 5 verursacht wird. Während des normalen Kühlbetriebs bleibt die andere Kühlmittel-Komponente nach wie vor ausgefroren, insbesondere als dünne Schicht auf der großen Oberfläche des Kondensors 6.
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Um eine effiziente Kühlung weiter zu unterstützen, ist in der Kondensoreinheit 5 ferner eine Heizeinrichtung 13 vorgesehen, mit der die Kondensoreinheit 5 mittels einer Regelung durch eine entsprechende Steuereinrichtung 14 mit einem zugeordneten, hier nicht näher gezeigten Temperatursensor, auf einer definierten Temperatur gehalten werden kann. So ist es möglich, zunächst unter Nutzung nur einer einzigen Kühlmittel-Komponente das Objekt 2 und den Supraleiter 3 auf die Kondensationstemperatur der ersten Kühlmittel-Komponente zu kühlen, ohne dass bereits vor Erreichen dieser Temperatur am Objekt 2 der automatische Übergang auf die Nutzung der oder einer weiteren Kühlmittel-Komponente erfolgt.
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2 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Magnetlagers 15, dessen Stator 16 einen Bulk-Supraleiter 17 aufweist. Der Rotor 18 weist im gezeigten Beispiel durch Flussführungsscheiben 19 getrennte Magnetringe 20 auf, die aus Permanentmagneten gebildet sind. Die Magnetringe 20 sind axial magnetisiert. Wie angedeutet, kann der Bulk-Supraleiter 17 dabei vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 gekühlt werden.
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Doch auch in anderen Anwendungen mit Bulk-Supraleitern lässt sich die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 vorteilhaft einsetzen, beispielsweise bei Verwendung von Bulk-Supraleitern in Maschinen oder dergleichen.
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Grundsätzlich wäre eine Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlprinzips auch bei elektronischen Komponenten denkbar, die Hochtemperatur-Supraleiter enthalten, beispielsweise Hochtemperatur-Supraleiter-Dünnfilme, Hochtemperatur-Supraleiter-Squids, Hochtemperatur-Supraleiter-Filter oder andere Elektronik-Anwendungen.
