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Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Magnetvorrichtung für beispielsweise eine Synchrotronbahn-Strahlungseinrichtung.
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Zum Kühlen einer supraleitenden Spule für eine supraleitende Magnetvorrichtung wird im allgemeinen eine Immersionskühlung durch Eintauchen einer supraleitenden Spule in ein Kühlmittel und Kühlen derselben mit der latenten Verdampfungswärme des Kühlmittels und direktes Kühlen mit einer Kühlvorrichtung verwendet.
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1 stellt ein Beispiel einer herkömmlichen supraleitenden Magnetvorrichtung dar, die Immersionskühlung verwendet, und zeigt eine supraleitende Magnetvorrichtung für eine Synchrotronbahn-Strahlungseinrichtung. Die in 1 gezeigte supraleitende Magnetvorrichtung umfaßt ein Paar von supraleitenden Spulen 1. Eine Strahlungsabschirmung 2 umgibt die supraleitenden Spulen, und eine hochtemperaturseitige Abschirmung 3 und ein Vakuumgefäß 4 umgeben die Strahlungsabschirmung 2.
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Die supraleitenden Spulen 1 sind jeweils in den Spulenbehältern 18 gelagert, und ein Heliumbehälter 6, der flüssiges Helium 5 als Kühlmittel enthält, und die Spulenbehälter 18 kommunizieren durch Rohre 6a miteinander. Die supraleitenden Spulen 1 sind in das flüssige Helium 5 eingetaucht und bei einer Temperatur von etwa 4,2 K gehalten. Eine Helium-verflüssigende Kühlvorrichtung 7 ist an dem Heliumbehälter 6 angebracht, um verdampftes Helium des flüssigen Heliums 5 wieder zu verflüssigen.
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Die die Abschirmung kühlende Kühlvorrichtung 8 kühlt die Strahlungsabschirmung 2 und die hochtemperaturseitige Abschirmung 3 mit einer tieftemperaturseitigen Stufe 8a bzw. einer hochtemperaturseitigen Stufe 8b und hält dieselben auf Temperaturen von 20 K bzw. etwa 80 K. Eine Strahlkammer 9 ist innerhalb einer Strahlungsabschirmung 10 der Strahlkammer und dann durch eine hochtemperaturseitige Strahlungsabschirmung 11 der Strahlkammer umschlossen.
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Während des Normalbetriebs weisen die supraleitenden Spulen 1 keinen elektrischen Widerstand auf und erzeugen keine Wärme. Wenn es einen Wärmezustrom in die supraleitenden Spulen 1 von außerhalb durch Konvektion, Leitung oder Strahlung gibt, wird die in das System eingetretene wärme durch Verdampfen des flüssigen Heliums 5 abgeführt, und das verdampfte Helium wird durch die Helium-verflüssigende Kühlvorrichtung 7 wieder verflüssigt.
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2 stellt ein Beispiel eines herkömmlichen supraleitenden Magneten zum direkten Kühlen mit einer Kühlvorrichtung dar. Gemäß 2 wird eine supraleitende Spule 1 durch wärmeisolierende Tragelemente 25 getragen und von einer Strahlungsabschirmung 2 umgeben. Die Strahlungsabschirmung 2 ist von einem Vakuumgefäß 4 umgeben. Eine tieftemperaturseitige Stufe 7a einer Kühlvorrichtung 7 ist mit der supraleitenden Spule 1 durch ein wärmeleitendes Element 12 thermisch verbunden, und eine hochtemperaturseitige Stufe 7b derselben ist mit der Strahlungsabschirmung 2 thermisch verbunden. Die tief- und hochtemperaturseitigen Stufen 7a und 7b werden auf Temperaturen von etwa 4,2 K bzw. 80 K gekühlt. Da die supraleitende Magnetvorrichtung vom Typ einer Kühlvorrichtung mit direktem Kühlen auf diese Art und Weise kein flüssiges Helium verwendet, ist sie leicht zu handhaben und als eine vergleichsweise kompakte supraleitende Magnetvorrichtung geeignet. Die Kühlvorrichtung zum Halten einer Temperatur von 4,2 K weist gegenwärtig eine Kapazität von nur etwa 1 W auf, und kann deshalb nicht für eine große supraleitende Magnetvorrichtung verwendet werden.
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Bei dieser supraleitenden Magnetvorrichtung wird die supraleitende Spule 1 auf etwa 4,2 K durch Wärmeleitung mit der tieftemperaturseitigen Stufe 7a der Kühlvorrichtung 7 durch das wärmeleitende Element 12 gekühlt, so daß der elektrische Widerstand derselben Null wird, um den sogenannten supraleitenden Zustand zu erreichen. In diesem Zustand wird der supraleitenden Spule 1 ein Erregerstrom von einer externer Stromversorgung (nicht gezeigt) zugeführt, um ein erforderliches Magnetfeld zu erzeugen.
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Da die supraleitende Spule 1 keinen elektrischen Widerstand aufweist, erzeugt die supraleitende Spule 1 sogar während des Normalbetriebs dann von selbst keine Joulsche Wärme, wenn sie mit elektrischem Strom versorgt wird. Es gibt jedoch einen Wärmezustrom in die supraleitende Spule 1 von außerhalb durch Konvektion, Leitung oder Strahlung. Da, wie obenstehend beschrieben wurde, die Kühlkapazität einer Kühlvorrichtung 7 begrenzt ist, ist es bei der Kühlvorrichtung vom Typ einer direkt kühlenden Magnetvorrichtung wünschenswert, diese Wärmeinvasion so weit wie möglich zu verringern.
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Bei der herkömmlichen supraleitenden Magnetvorrichtung, die Immersionskühlung verwendet, wie in 1 dargestellt ist, werden supraleitenden Spulen 1 in das flüssige Helium 5 eingetaucht, um durch die latente Verdampfungswärme desselben gekühlt zu werden. Obgleich diese Vorrichtung hohe Kühleigenschaften aufweist, ist das flüssige Helium 5 derselben schwierig zu handhaben.
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Genauer gesagt muß vor dem Betrieb das flüssige Helium 5 in den Spulenbehältern 18, die die supraleitenden Spulen 1 lagern, reserviert werden. Dieses muß von einem Fachmann durchgeführt werden, der die notwendige Qualifikation aufweist. Wenn die supraleitenden Spulen 1 durch eine Störung umschlagen (quenching) (Umschaltung von Supraleitung auf normale Leitung), erzeugen sie eine sehr große Joulsche Wärme, und das reservierte flüssige Helium 5 verdampft unverzüglich. Im Allgemeinen wird verdampftes Heliumgas vorübergehend in einem externen Gastank gespeichert oder an die Atmosphäre abgegeben. Wenn die supraleitenden Spulen 1 auf diese Art und Weise umschlagen, muß dem Heliumbehälter 6 wieder flüssiges Helium 5 zugeführt werden.
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Die Menge des zu verwendenden flüssigen Heliums 5 muß so weit wie möglich verringert werden. Bei der Immersionskühlung wird jedoch die Menge des flüssigen Heliums 5 durch die Größe der Spulenbehälter 18, die von der Größe der supraleitenden Spulen 1 abhängig sind, bestimmt, und es wird nicht immer eine optimale Heliummenge gespeichert. Dies führt zu einer Schwierigkeit bei der Handhabung und stellt ebenfalls ein Problem hinsichtlich der Konservierung natürlicher Rohstoffe dar.
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Da die supraleitende Magnetvorrichtung, die eine direkte Kühlung mit einer Kühlvorrichtung, wie in 2 dargestellt, anwendet, kein flüssiges Helium verwendet, erfordert dieselbe keinen Flüssigkeitszufuhr-Vorgang und dergleichen und kann daher leicht gehandhabt werden. Die Kühlkapazität dieser Vorrichtung wird jedoch durch die Kapazität der angebrachten Kühlvorrichtung 7 bestimmt. Im Allgemeinen erzeugt die supraleitende Spule 1 keine wärme während ihr ein konstanter Strom zugeführt wird. Während eines unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens, wie beispielsweise AN/AUS-Schalten, wird jedoch durch einen großen Wechselstromverlust Wärme erzeugt. Wenn das AN/AUS-Schalten sehr langsam erfolgt und einen langen Zeitraum beansprucht (von mehreren zehn Minuten bis zu 1 Stunde) kann Kühlen mit der Kühlvorrichtung durchgeführt werden. Bei einer supraleitenden Magnetvorrichtung, die innerhalb einer kurzen Zeitdauer unter/außer Strom- bzw. Spannung gesetzt wird (innerhalb mehrerer zehn Minuten), erreicht der Wechselstromverlust jedoch manchmal das Zehnfache oder mehr des Wärmezustroms.
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Daher muß die Anzahl der Kühlvorrichtungen 7 erhöht werden oder eine Kühlvorrichtung 7, die eine große Kapazität aufweist, muß beladen werden, um die durch den Wechselstromverlust erzeugte wärme abzuführen. Wechselstromverlust tritt nur während kurzzeitigen unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens auf, und eine derartige Maßnahme ist sehr unwirtschaftlich, wenn ein langfristiger Normalbetrieb betrachtet wird. Wenn eine große supraleitende Spule 1 zu verwenden ist oder eine Mehrzahl von supraleitenden Spulen 1 mit einer Kühlvorrichtung 7 zu kühlen sind, tritt eine Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen Abschnitten der supraleitenden Spule 1 oder unter den jeweiligen supraleitenden Spulen 1 auf, da die Kühlvorrichtung 7 und die supraleitenden Spulen 1 durch das wärmeleitende Element 12 thermisch miteinander verbunden sind, um ein Umschlagen (quenching) zu verursachen.
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Die
EP 0 720 024 A1 beschreibt eine supraleitende Magnetvorrichtung mit einer supraleitenden Spulenanordung, die in flüssigem Helium in einem Heliumbehälter angeordnet ist und durch dieses direkt gekühlt wird. Der Heliumbehälter ist von einer Strahlungsabschirmung und diese ist wiederum von einem Vakuumgefäß umgeben. Ein Kryokühler ist an dem Vakuumgefäß montiert, wobei sich eine tieftemperaturseitige Stufe des Kryokühlers in eine Helium-Rekondensationskammer erstreckt, die über Verbindungsleitungen mit dem Heliumbehälter verbunden ist, um Heliumgas vom Heliumbehälter zur Rekondensationskammer und verflüssigtes Helium von dort zurück in den Heliumbehälter zu zirkulieren.
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Die
DE 196 04 805 A1 beschreibt eine Anlage der Supraleitungstechnik mit einer indirekt zu kühlenden supraleitenden Einrichtung in Form einer Magneteinrichtung in einem Vakuumgefäß mit Strahlungsabschirmung. Eine tieftemperaturseitige Stufe eines Kryokühlers ist hier thermisch an die zu kühlende Magneteinrichtung angekoppelt.
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Die
GB 2 274 155 A beschreibt einen supraleitenden Magneten, der in einer kryostatischen Kältemaschine angeordnet ist. Für den Fall des Ausfalls der Kältemaschine ist der Magnet thermisch mit eine Wärmesenke in Form eines mit Helium gefüllten kleineren Gefäßes gekoppelt, das mit einem größeren Gefäß außerhalb der Kältemaschine über eine Regeleinrichtung verbunden ist, die nur Gas von dem kleineren internen Gefäß in das externe größere Gefäß passieren lässt, um im Notbetrieb temporär Wärme von dem Magneten abzuführen.
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Die Erfindung wurde durchgeführt, um die oben beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen und hat als Aufgabe, eine supraleitende Magnetvorrichtung vorzusehen, bei der eine supraleitende Spule nicht in ein Kühlmittel eingetaucht werden muß, und die eine hohe Kühlkapazität aufweist, leicht handhabbar und wirtschaftlich ist, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine supraleitende Magnetvorrichtung gelöst, wie sie in dem beigefügten Anspruch 1 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung aufgenommen sind und Teil derselben bilden, veranschaulichen gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen supraleitenden Magnetvorrichtung, die Immersionskühlung verwendet;
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2 eine Schnittansicht einer herkömmlichen supraleitenden Magnetvorrichtung, die direktes Kühlen mit einer Kühlvorrichtung verwendet;
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3 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die ein Wärmerohr (heat pipe) als wärmeleitendes Element verwendet;
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6 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 7; und
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9 eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß einem weiteren Beispiel, das nicht von der Erfindung umfasst ist.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetvorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 3 ist eine supraleitende Spule 1 von einer Strahlungsabschirmung 2 umgeben, und die Strahlungsabschirmung 2 ist von einem Vakuumgefäß 4 umgeben. Ein Kryostat 13 ist an der supraleitenden Spule 1 angeordnet und thermisch mit derselben verbunden. Der Kryostat 13 wird durch einen Behälter 13a, der aus einem rostfreien Rohr zur Speicherung eines Kühlmittels gebildet ist und einem Block 13b, der aus einem guten Wärmeleiter besteht, um den Behälter 13a zu halten, gebildet.
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Eine tieftemperaturseitige Stufe 7a einer Kühlvorrichtung 7 wird in den Behälter 13a des Kryostaten 13 eingeführt, und eine hochtemperaturseitige Stufe 7b derselben ist mit der Strahlungsabschirmung 2 thermisch verbunden. Ein Speichertank 14 zum Speichern eines Kühlmittelgases ist an dem Vakuumgefäß 4 vorgesehen. Der Kryostat 13 und der Speichertank 14 kommunizieren miteinander durch ein Verbindungsrohr 15. Ein Kühlmittel, wie zum Beispiel flüssiges Helium 5, das durch die tieftemperaturseitige Stufe 7a der Kühlvorrichtung 7 kondensiert wurde, ist in dem Kryostaten 13 gespeichert.
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Stromanschlüsse 16 dienen dazu, der supraleitenden Spule 1 Strom von einer externen Stromversorgung (nicht gezeigt) zuzuführen. Die supraleitende Spule 1 und der Kryostat 13 sind mit Vorkühlrohren 17 versehen. Die Vorkühlrohre 17 sind mit einem Zuführsystem (nicht gezeigt) verbunden, das außerhalb des Vakuumgefäßes 4 angeordnet ist, um ein vorkühlendes Kühlmittel zuzuführen.
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Zum Betrieb der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, die diese Anordnung aufweist, wird das Innere des Vakuumgefäßes 4 durch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) auf ein Hochvakuum evakuiert, und die Strahlungsabschirmung 2 wird durch die Kühlvorrichtung 7 auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt. Wenn die supraleitende Spule 1 klein ist, kann diese nur durch die Kühlvorrichtung 7 auf eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 4,2 K) gekühlt werden. Falls eine supraleitende Spule 1 der 1-Tonnenklasse verwendet wird, kann das Vorkühlen bis zu etwa einer Woche lang dauern.
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Falls eine derartige große supraleitende Spule 1 verwendet wird, wird sie durch Zuführen des vorkühlenden Kühlmittels zu den Vorkühlrohren 17 vorgekühlt. Beispielsweise wird flüssiger Stickstoff zu den Vorkühlrohren 17 geliefert, um die supraleitende Spule 1 auf 80 K zu kühlen, so daß die Vorkühlzeit auf etwa 1/3 verkürzt wird. Bei Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen, die im Allgemeinen die supraleitende Spule 1 bilden, gilt daß, je höher die Temperatur wird, desto größer die große spezifische Wärme wird. Daher kann eine hohe Wirkung erreicht werden, wenn die supraleitende Spule 1 auf 80 K vorgekühlt wird. Die supraleitende Spule 1 wird durch die Kühlvorrichtung 7 von der Vorkühltemperatur von 80 K auf 4,2 K gekühlt. Wenn flüssiges Helium 5 in den Kryostaten 13 von außerhalb durch ein Zuführrohr zugeführt wird, kann die supraleitende Spule 1 innerhalb einer kurzen Zeitdauer (etwa 1 Stunde) von 80 K auf 4 K herunter gekühlt werden. Wenn das Vorkühlen beendet ist, wird das Kühlmittelgas in dem Speichertank 14 durch kontinuierlichen Betrieb der Kühlvorrichtung 7 kondensiert, um durch die tieftemperaturseitige Stufe 7a in dem Kryostaten 13 verflüssigt zu werden.
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Wenn die supraleitende Spule 1 unter/außer Strom- bzw. Spannung gesetzt wird, wird ein Wechselstromverlust erzeugt, und die Wärmebelastung als Summe des Wechselstromverlustes und der Wärmezustrom übersteigt die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 7. Dabei verdampft das in dem Kryostaten 13 gespeicherte flüssige Helium, um die unzureichende Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 7 mit seiner latenten Verdampfungswärme zu kompensieren. Das zu diesem Zeitpunkt verdampfte Kühlmittelgas wird vorübergehend in dem Speichertank 14 gespeichert. Im Normalbetrieb weist die supraleitende Spule 1 keinen elektrischen Widerstand auf. Selbst wenn der supraleitenden Spule 1 Strom zugeführt wird, wird keine Joulsche Wärme erzeugt, sondern es besteht nur ein Wärmezustrom. Zu diesem Zeitpunkt übersteigt die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 7 den Wärmezustrom, und das verdampfte Kühlmittelgas wird daher wieder in dem Kryostaten 13 verflüssigt.
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Der Kryostat 13 wird gemäß dieser ersten Ausführungsform vorgesehen. Um das Innere des Kryostaten 13 zu kühlen, wird eine minimale Kühlmittelmenge, die notwendig ist, wenn die Wärmebelastung die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 7 übersteigt, in dem Kryostaten gespeichert, wodurch die supraleitende Spule 1 durch Leitung gekühlt wird. Die supraleitende Spule 1 kann daher effizient gekühlt werden, ohne daß sie in flüssiges Helium eingetaucht wird. Es ist daher kein Spulenbehälter 18 zum Lagern der supraleitenden Spule 1 notwendig.
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Hinsichtlich einer nichtstationären Wärmeerzeugung während eines unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens und dergleichen kann die Wärme durch die latente Verdampfungswärme des gespeicherten Kühlmittels abgeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das verdampfte Kühlmittelgas vorübergehend in dem Speichertank 14 gespeichert und während des Normalbetriebs wieder verflüssigt. Das Kühlmittel muß nicht von außerhalb zugeführt werden, und die Vorrichtung ist daher leicht zu handhaben.
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Anstelle eines Kondensierens von flüssigem Helium durch die tieftemperaturseitige Stufe 7a der Kühlvorrichtung 7 und eines Speicherns desselben in dem Kryostaten 13 kann flüssiges Helium in einer Menge, die der verdampften Menge entspricht, in den Kryostaten 13 von außerhalb eingefüllt werden. Der Speichertank kann integral bzw. einstückig mit dem Vakuumgefäß 4 gebildet werden. Obgleich das flüssige Helium 5 als Kühlmittel in dieser Ausführungsform verwendet wird, kann flüssiger Stickstoff als Kühlmittel bei einer Hochtemperatur-supraleitenden Magnetvorrichtung oder dergleichen verwendet werden. Obgleich die Vorkühlrohre 17 der supraleitenden Spule 1 und dem Kryostaten 13 bereitgestellt werden, können sie entweder der supraleitenden Spule 1 oder dem Kryostaten bereitgestellt werden.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 4 ist eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Beim Vergleich der zweiten Ausführungsform mit der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform, sind ein Kryostat 13 und eine supraleitenden Spule 1 durch ein wärmeleitendes Element 12 miteinander verbunden. Mit dieser Ausnahme ist die zweite Ausführungsform mit der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform identisch. Identische Elemente werden durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung derselben wird weggelassen.
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Gemäß 4 ist der Kryostat 13 nicht direkt mit der supraleitenden Spule 1 verbunden, sondern der Kryostat 13 und die supraleitenden Spule 1 sind durch das wärmeleitende Element 12 miteinander thermisch verbunden. Als das wärmeleitende Element 12 wird ein biegsames Element verwendet, das durch Stapeln einer großen Anzahl von dünnen Kupfer- oder Aluminiumplatten gebildet wird.
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Wenn dieses wärmeleitende Element 12 verwendet wird, kann die supraleitenden Spule 1 als ganzes gleichmäßig gekühlt werden. Genauer gesagt ist bei einer Struktur, bei der der Kryostat 13 und die supraleitenden Spule 1 sich miteinander in thermischem Kontakt befinden, die Temperatur an einem Punkt, der weiter von dem Kontaktbereich des Kryostaten 13 und der supraleitenden Spule 1 entfernt ist, höher. Wenn eine Mehrzahl von wärmeleitenden Elementen 12, von denen jeder wie in der zweiten Ausführungsform eine geeignete Leitungsfläche aufweisen, kann die Stelle, an der die wärmeleitenden Elemente 13 befestigt sind, mit einem größeren Freiheitsgrad gewählt werden, und demgemäß kann die Temperaturdifferenz unter den entsprechenden Abschnitten der supraleitenden Spule 1 minimiert werden. Folglich kann die Betriebstemperatur der supraleitenden Spule 1 gleichmäßig auf einen niedrigen Wert gehalten werden, und der Betrieb kann ohne Umschlagen stabil durchgeführt werden.
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Da das wärmeleitende Element 12 Biegsamkeit und eine sehr kleine Eigenfrequenz aufweist, absorbiert es eine Vibration der Kühlvorrichtung 7. Folglich kann Wärme, die durch eine sehr kleine Vibration des supraleitenden Spule 1 erzeugt wird, vermieden werden. Im Allgemeinen ist der Wärmezustrom eine Wärmebelastung von nur 1 W oder weniger. Daher kann das wärmeleitende Element 12 die Wärmebelastung, die durch die Störung oder dergleichen, wie beispielsweise eine sehr geringe Vibration, zugefügt wird, sehr wirksam unterdrücken.
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5 ist eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die ein Wärmerohr als wärmeleitendes Element verwendet. Wie in 5 dargestellt ist, wird als das wärmeleitende Element 12 ein schmales rohrleitungsartiges Wärmerohr 30, in dem Helium oder dergleichen eingeschlossen ist, verwendet.
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Da eine Wärmeübertragung des Wärmerohres 30 erheblich größer als Kühlen durch Leitung ist, kann die Temperaturdifferenz des schmalen rohrleitungsartigen Wärmerohres 30 zwischen der Seite des Kryostaten 13 und der Seite der supraleitenden Spule 1 auf nahe Null verringert werden. Eine Temperaturerhöhung der supraleitenden Spule 1 kann bis auf nur etwa 0,2 K verringert werden, und die supraleitende Spule 1 kann stabil betrieben werden.
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Das in dem schmalen rohrleitungsartigen Wärmerohr 30 eingeschlossene Kühlmittel ist in diesem Fall zwar Helium, das Kühlmittel ist jedoch nicht auf Helium beschränkt, und es wird beliebig, je nach den verwendeten Temperaturen, ausgewählt. Beispiele für Kühlmittel, die bei einer tiefen Temperatur verwendet werden können, umfassen Wasserstoff, Neon, Stickstoff, Fluor und dergleichen.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 6 ist eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Wenn die dritte Ausführungsform mit der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform verglichen wird, werden Kühlrohre 19 anstelle der wärmeleitenden Elemente 12 (Wärmerohr 30) in thermischem Kontakt mit einer supraleitenden Spule 1 vorgesehen, um das in einem Kryostaten 13 gespeicherte flüssige Helium zu zirkulieren.
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Genauer gesagt sind in der zweiten Ausführungsform der Kryostat 13 und die supraleitenden Spule 1 durch das wärmeleitende Element 12 miteinander verbunden. In Gegensatz dazu werden in der dritten Ausführungsform anstelle des wärmeleitenden Elementes 12 (Wärmerohr 30) die Kühlrohre 19 zum Zirkulieren des in dem Kryostaten gespeicherten Heliums in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Spule 1 vorgesehen, wodurch die supraleitenden Spule 1 gekühlt wird.
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Wärmezustrom zu der supraleitenden Spule 1 oder durch Wechselstromverlust erzeugte Wärme wird durch die Rohrwände der Kühlrohre 19 auf das flüssige Helium 5 übertragen. Während der Wärmeübertragung verdampft das flüssige Helium, um die erzeugte Wärme mit der latenten Verdampfungswärme zu absorbieren. Das verdampfte Helium 5 wird an den Kryostaten zurückgegeben und wieder verflüssigt, um durch die Kühlrohre 19 zu fließen, um die supraleitende Spule 1 zu kühlen.
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Da die supraleitende Spule 1 durch die latente Verdampfungswärme des flüssigen Heliums, das durch die Kühlrohre 19 fließt, gekühlt wird, tritt bei der dritten Ausführungsform in den Kühlrohren 19 keine Temperaturdifferenz auf, und die Temperatur der Kühlrohre wird immer bei 4,2 K gehalten, was der Temperatur des flüssigen Heliums entspricht. Im Vergleich mit Leitungskühlung unter Verwendung des wärmeleitenden Elementes 12 kann jede Temperaturerhöhung auf ein sehr kleines Maß verringert werden, und die supraleitende Spule 1 kann stabil betrieben werden.
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Um die Kühlrohre 19 mit der supraleitenden Spule 1 zu verbinden, sind die Kühlrohre 19 in gewundenen Rohren mit biegsamen Abschnitten an ihren Enden in der axialen Richtung des supraleitenden Spule 1 ausgebildet. Wenn die supraleitenden Spule 1 sich durch die elektromagnetische Kraft verformt, können sich folglich die gebogenen Abschnitte der Kühlrohre 19 frei von der supraleitenden Spule 1 bewegen, während nur ihre geradlinigen Abschnitte in thermischem Kontakt durch Adhäsion oder dergleichen verbleiben, so daß die Kühlrohre 19 der Verformung der supraleitenden Spule 1 folgen können.
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Die in 7 dargestellte vierte Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben. 7 ist eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung, und 8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 7. Die supraleitende Magnetvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform ist eine supraleitende Wiggler-Magnetvorrichtung für eine Synchrotronbahn-Strahlungseinrichtung.
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Gemäß 7 ist eine Mehrzahl von supraleitenden Spulen 1 vorgesehen. Genauer gesagt, ist eine Mehrzahl von Paaren von supraleitenden Spulen 1, wobei jedes Paar an einer Strahlkammer vertikal gegenüberliegend angeordnet ist, in der Längsrichtung der Strahlkammer 9 ausgerichtet. Die supraleitenden Spulen 1 sind in Spulenrahmen 20 gelagert, um die supraleitenden Spuleneinheiten 21 aufzubauen. Die jeweiligen supraleitenden Spuleneinheiten 21 sind integral bzw. einstückig miteinander in der Längsrichtung mit einem Verbindungselement 25 verbunden. Außerdem sind gemeinsame Kühlplatten 23 an den beiden Seitenflächen der integrierten Struktur der supraleitenden Spuleneinheiten 21 befestigt.
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Wie in 8 gezeigt ist, sind die oberen und unteren supraleitenden Spuleneinheiten 21 miteinander durch Abstandsstücke 22 verbunden, und die Spulenrahmen 20 sind mit Vorkühlrohren 17 versehen, wodurch eine supraleitende Spulenanordnung gebildet wird. Genauer gesagt, umfaßt die supraleitende Spulenanordnung 24 die supraleitenden Spuleneinheiten 21, die aus den supraleitenden Spulen 1 und den Spulenrahmen 20, den an den Spulenrahmen 20 vorgesehenen Vorkühlrohren 17, den Abstandsstücken 22, den gemeinsamen Kühlplatten 23 und dem Verbindungselement 25 bestehen. Ein Kryostat 13 ist an der supraleitenden Spulenanordnung 24 angebracht. Der Kryostat 13 wird durch Verbinden eines Blockes 13b, der aus einem guten Wärmeleiter hergestellt ist, mit einem Behälter 13a, der aus einem rostfreien Stahlrohr gebildet ist, mit dem Reservehelium 5 gebildet. Der Kryostat weist eine hohe Festigkeit auf und kann eine gute Wärmeleitung erzielen.
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Eine Strahlungsabschirmung 2 umgibt die supraleitende Spulenanordnung 24 und eine hochtemperaturseitige Abschirmung 3 und das Vakuumgefäß 4 umgeben die Strahlungsabschirmung 2. Der Kryostat 13 und die gemeinsamen Kühlplatten 23 sind miteinander mit wärmeleitenden Elementen 12 thermisch verbunden. Die in den Spulenrahmen 20 gelagerten supraleitenden Spulen 1 und die gemeinsamen Kühlplatten 23 sind ebenfalls mit den wärmeleitenden Elementen 12 miteinander verbunden.
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Wie in 7 gezeigt, ist eine verflüssigende Kühlvorrichtung 7 zum Verflüssigen von Helium an dem Kryostaten 13 angebracht. Der Kryostat 13 wird durch das flüssige Helium 5 konstant auf eine Temperatur von 4,2 K oder niedriger gehalten. Eine tieftemperaturseitige Stufe 7a der Kühlvorrichtung 7 ist thermisch durch die wärmeleitenden Elemente 12 mit den supraleitenden Spulen 1 verbunden, und eine hochtemperaturseitige Stufe derselben ist mit der Strahlungsabschirmung 2 thermisch verbunden. Die tief- und hochtemperaturseitigen Stufen 7a und 7b werden auf Temperaturen von etwa 4,2 K bzw. 80 K gekühlt.
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Die supraleitende Spulenanordnung 24 wird an der hochtemperaturseitigen Abschirmung 3 mit einem wärmeisolierenden Tragelement 26 aufgehängt und an einer vorbestimmten Position eingebaut. Ein Teil des äußeren Umfangs des Vakuumgefäßes 4 bildet einen Doppelwandbehälter, und der ringförmige Abstand zwischen den beiden Wänden des Doppelwandbehälters bildet den Heliumspeichertank 14. Der Speichertank 14 und der Kryostat 13 kommunizieren miteinander durch das Verbindungsrohr 15.
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Wie in 8 dargestellt ist, kühlen tief- und hochtemperaturseitige Stufen 8a und 8b der die Abschirmung kühlenden Kühlvorrichtung 8 die Strahlungsabschirmung 2 bzw. die hochtemperaturseitige Abschirmung 3, und werden auf Temperaturen von etwa 80 K bzw. 20 K gehalten.
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Diese supraleitende Magnetvorrichtung wird im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise betrieben wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Zusätzlich zu den oben beschrieben Funktionen sind in der vierten Ausführungsform die Mehrzahl der supraleitenden Spulen 1 mit den gemeinsamen Kühlplatten miteinander thermisch integriert. Da der Wärmewiderstand fast gleich den jeweiligen supraleitenden Spulen 1 und dem Kryostaten 13 wird, kann die jeweilige supraleitende Spule 1 gleichmäßig gekühlt werden.
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Da die Mehrzahl der supraleitenden Spulen 1 durch eine Kühlvorrichtung 7 integral gekühlt wird, müssen die wärmeleitenden Elemente 12 nicht mit den jeweiligen supraleitenden Spulen 1 verbunden werden, was eine einfache Struktur zur Folge hat. Genauer gesagt, selbst wenn diese supraleitende Magnetvorrichtung eine verlängerte Vorrichtung ist, die eine Mehrzahl von supraleitenden Spulen 1 aufweist, können die jeweiligen supraleitenden Spulen gleichmäßig gekühlt werden, falls die Länge des Kryostaten gleich der der supraleitenden Spulenanordnung 24 gesetzt wird.
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Im Anfangsstadium des Kühlens wird flüssiger Stickstoff beispielsweise den Vorkühlrohren 17 zugeführt, um die supraleitenden Spulen 1 durch die gemeinsamen Kühlplatten 23 zu kühlen. Bei Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen, die im allgemeinen die supraleitenden Spulen 1 bilden, gilt daß, je höher die Temperatur wird, desto größer die spezifische Wärme wird. Wenn die supraleitenden Spulen 1 durch kostengünstigen flüssigen Stickstoff gekühlt werden, der eine hohe wärmeabführende Kapazität zwischen 300 K bis 80 K aufweist, kann die Vorkühlzeit beträchtlich verkürzt werden.
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Da der Speichertank 14 teilweise aus dem Vakuumgefäß 4 gebildet ist, wird ein getrennter externer Gasspeichertank nicht gebraucht. Es wird kein Raum benötigt, um Rohre einzubauen, durch die ein derartiger Gasspeichertank 14 und die supraleitende Magnetvorrichtung miteinander kommunizieren, so daß die Vorrichtung in eine kompakte Form platziert werden kann. Da der zylindrische Abschnitt des Vakuumgefäßes 4 einen Doppelwandbehälter bildet, um den Speichertank 14 aufzubauen, kann die Plattendicke des Vakuumgefäßes 4 verringert werden. Da eine Vergrößerung des Außendurchmessers des Vakuumgefäßes 4 minimiert werden kann, um einen Speichertank mit großer Kapazität zu realisieren, kann das Gewicht und die Herstellungskosten verringert werden.
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Obgleich die Vorkühlrohre 17 in der vierten Ausführungsform an den Spulenrahmen 20 vorgesehen sind, können sie mit dem Block 13b, der den Kryostaten 13 bildet, oder mit den gemeinsamen Kühlplatten 23 verbunden werden. Auf die gleiche Art und Weise wie in der dritten Ausführungsform können an Stelle der wärmeleitenden Elemente 12 Kühlrohre 19 zum Zirkulieren des in dem Kryostaten 13 gespeicherten flüssigen Heliums in thermischem Kontakt mit den gemeinsamen Kühlplatten 23 gebildet werden.
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Ein weiteres, nicht von der Erfindung umfasstes Beispiel einer supraleitenden Magnetvorrichtung wird nun beschrieben, wobei die 9 eine Schnittansicht dieser Magnetvorrichtung ist. Bei diesem Beispiel wird ein durch die Kühlvorrichtung 7 gekühltes Kühlmittel durch ein kryogenes Rohr 27 direkt oder indirekt in thermischem Kontakt mit einer supraleitenden Spule 1 vorgesehen, wodurch die supraleitende Spule 1 gekühlt wird.
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Gemäß 9 ist in der supraleitenden Magnetvorrichtung die supraleitende Spule 1 von einer Strahlungsabschirmung 2 umgeben, die ihrerseits von einem Vakuumgefäß 4 umgeben ist. Eine kälterzeugende/verflüssigende Maschine 28 wird durch die Kühlvorrichtung 7 und einen Kompressor 29 aufgebaut. Das mit der kälterzeugenden/verflüssigenden Maschine 28 verbundene kryogene Rohr 27 ist in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Spule 1 angebracht.
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Um diese supraleitende Magnetvorrichtung zu betreiben, wird das Innere des Vakuumgefäßes 4 durch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) auf einen hohen Vakuumgrad evakuiert, und die Strahlungsabschirmung 2 und die supraleitende Spule 1 werden durch die kälterzeugende/verflüssigende Maschine 28 auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt. Wenn das Vorkühlen abgeschlossen ist, wird flüssiges Helium 5 verflüssigt und in dem kryogenen Rohr 27 durch kontinuierlichen Betrieb der kälterzeugenden/verflüssigenden Maschine 28 reserviert.
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Wenn die supraleitende Spule 1 unter/außer Strom- bzw. Spannung gesetzt wird, wird durch einen Wechselstromverlust Wärme erzeugt. Die Wärmebelastung als Summe des Wechselstromverlustes und des Wärmezustroms übersteigt die Kühlkapazität der kälterzeugenden/verflüssigenden Maschine 28. Dabei verdampft das in dem kryogenen Rohr 27 gespeicherte flüssige Helium, um die unzureichende Kühlkapazität der kälterzeugenden/verflüssigenden Maschine 28 mit seiner latenten Verdampfungswärme zu kompensieren. Das zu diesem Zeitpunkt verdampfte Kühlmittelgas wird vorübergehend in dem Kompressor 29 gespeichert.
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Im Normalbetrieb weist die supraleitende Spule 1 keinen elektrischen Widerstand auf. Selbst wenn der supraleitenden Spule 1 Strom zugeführt wird, wird keine Joulsche Wärme erzeugt, sondern es besteht nur ein Wärmezustrom. Zu diesem Zeitpunkt übersteigt die Kühlkapazität der kälterzeugenden/verflüssigenden Maschine 28 den Wärmezustrom, und das verdampfte Kühlmittelgas wird daher wieder verflüssigt, um in dem kryogenen Rohr 27 reserviert zu werden.
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Gemäß diesem Beispiel wird eine minimale Kühlmittelmenge, die zum Kühlen notwendig ist, in dem kryogenen Rohr 27 gespeichert, um die supraleitende Spule 1 zu kühlen. Die supraleitende Spule 1 kann daher effizient gekühlt werden, ohne daß sie in flüssigem Helium eingetaucht wird. Es ist kein Spulenbehälter 18 zum Lagern der supraleitenden Spule 1 notwendig. Hinsichtlich einer nichtstationären Wärmeerzeugung während eines unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens und dergleichen kann die Wärme durch die latente Verdampfungswärme des gespeicherten Kühlmittels abgeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das verdampfte Kühlmittelgas durch die kälterzeugende/verflüssigende Maschine 28 wieder verflüssigt. Das Kühlmittel muß nicht von außerhalb zugeführt werden, und die Vorrichtung ist daher leicht zu handhaben.
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Da die supraleitende Spule 1 durch Wärmeübertragung und Verdampfungswärme des flüssigen Heliums, das durch das kryogene Rohr 27 fließt, gekühlt wird, kann im Vergleich mit dem Leitungskühlen unter Verwendung des wärmeleitenden Elementes 12 eine Temperaturerhöhung in der supraleitenden Spule 1 minimiert werden. Folglich kann die supraleitende Spule 1 stabil betrieben werden. Es muß nur das kryogene Rohr 27 mit der supraleitende Spule 1 verbunden werden, und es ist kein weiteres wärmeleitendes Element notwendig, wodurch die Struktur vereinfacht wird.
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Wie in 9 gezeigt ist, wird ein Kühlmittelreservoir 27a, das einen beträchtlich größeren (ein größeres Volumen pro Längeneinheit) Durchmesser als der des kryogenen Rohres 27 aufweist, zum Teil von dem kryogenen Rohr 27 gebildet, so daß die in dem kryogenen Rohr gespeicherte Kühlmittelmenge erhöht werden kann. Selbst wenn eine nicht stationäre Wärmeerzeugung während eines unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens oder dergleichen auftritt, kann die supraleitende Spule 1 stabil betrieben werden. Außerdem muß das kryogene Rohr 27 nicht direkt an der supraleitenden Spule 1 befestigt werden, sondern kann an einem Kühlelement befestigt werden, das sich in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Spule 1 befindet, um die supraleitende Spule 1 indirekt zu kühlen.
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Wie oben beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß eine supraleitende Spule effizient ohne Eintauchen derselben in ein Kühlmittel gekühlt werden. Selbst wenn ein unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens oft durch geführt wird oder ein unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzens kurz ist, um eine große Wärmemenge durch einen Wechselstromverlust zu erzeugen, kann die supraleitende Spule durch Minimieren einer Erhöhung ihrer Temperatur stabil betrieben werden. Folglich kann eine leicht handhabbare supraleitende Magnetvorrichtung mit einer hohen Wärmekapazität und einer hohen Zuverlässigkeit vorgesehen werden.
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Noch genauer gesagt wird eine minimale Kühlmittelmenge in einem Kryostaten gespeichert, und die supraleitende Spule wird durch ein wärmeleitendes Element leitungsgekühlt. Die supraleitende Spule kann effizient ohne Eintauchen derselben in flüssiges Helium gekühlt werden. Es ist kein Heliumbehälter zum Lagern der supraleitenden Spule erforderlich. Wenn eine nicht stationäre Wärmeerzeugung durch ein unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzen oder dergleichen verursacht wird, kann die Wärme durch die latente Verdampfungswärme des gespeicherten Kühlmittels abgeführt werden.
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Da die supraleitende Spule durch Wärmeübertragung von durch das Kühlrohr fließendem flüssigem Helium gekühlt wird, kann im Vergleich mit Leitungskühlung, das ein wärmeleitendes Element verwendet, eine Temperaturerhöhung der supraleitenden Spule minimiert werden. Folglich können die supraleitenden Spulen stabil betrieben werden
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Da eine Mehrzahl von supraleitenden Spulen thermisch miteinander mit den gemeinsamen Kühlplatten integriert sind und die Wärmewiderstände des wärmeleitenden Elementes unter den jeweiligen wärmeleitenden Spulen und dem Kryostaten fast gleich werden, können die jeweiligen supraleitenden Spulen gleichmäßig gekühlt werden. Die Struktur wird außerdem vereinfacht.
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Da die gemeinsamen Kühlplatten durch Wärmeübertragung des durch das Kühlrohr fließenden flüssigen Heliums gekühlt werden, kann im Vergleich mit Leitungskühlung, die ein wärmeleitendes Element verwendet, eine Temperaturerhöhung der supraleitenden Spule minimiert werden. Folglich können die supraleitenden Spulen stabil betrieben werden.
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Gemäß der Erfindung muß das Kühlmittel nicht extern zugeführt werden. Falls eine notwendige Menge von Kühlmittelgas vorbereitet wird, kann diese durch die Kühlvorrichtung verflüssigt werden. Während des Betriebs wird das verdampfte Gas verflüssigt. Daher ist die Vorrichtung leicht zu handhaben.
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Gemäß der Erfindung kann ein Kryostat mit ausgezeichneter Wärmeleitung und hoher Festigkeit erzielt werden. Falls der Kühlmittelbehälter in einem zylindrischen Rohr ausgebildet ist, kann insbesondere das Druckentlastungsverhalten verbessert werden.
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Falls ein schmales rohrleitungsartiges Wärmerohr, das ein Kühlmittel, z. B. Helium, einschließt, mit einer großen Wärmeübertragungsrate verwendet wird, kann im Vergleich mit Leitungskühlen, das ein aus einer Kupferplatte oder Aluminiumplatte gebildetes wärmeleitendes Element verwendet, eine Temperaturerhöhung der supraleitenden Spule minimiert werden. Folglich kann die supraleitende Spule stabil betrieben werden.
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Im Anfangsstadium des Kühlens kann beispielsweise flüssiger Stickstoff dem Vorkühlrohr zugeführt werden, um die supraleitende Spule vorzukühlen. Bei Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen, die im allgemeinen eine supraleitende Spule bilden, gilt daß, je höher die Temperatur wird, desto größer seine spezifische Wärme wird. Wenn die supraleitende Spule durch flüssigen Stickstoff von 300 K auf 80 K vorgekühlt wird, kann die Vorkühlzeit beträchtlich verkürzt werden.
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Im Anfangsstadium des Kühlens kann flüssiger Stickstoff beispielsweise dem Vorkühlrohr zugeführt werden, um die supraleitende Spule durch die gemeinsamen Kühlplatten vorzukühlen. Bei Kupfer, rostfreiem Stahl oder dergleichen, die im Allgemeinen eine supraleitende Spule bilden, gilt daß, je höher die Temperatur wird, desto größer seine spezifische Wärme wird. Wenn die supraleitende Spule durch kostengünstigen flüssigen Stickstoff gekühlt wird, der eine hohe wärmeabführende Kapazität zwischen 300 K bis 80 K aufweist, kann die Vorkühlzeit beträchtlich verkürzt werden.
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Gemäß der Erfindung wird ein getrennter externer Gasspeichertank nicht benötigt. Es wird kein Raum benötigt, um Rohre einzubauen, durch die ein derartiger Gasspeichertank und der supraleitende Magnet miteinander kommunizieren, so daß die Vorrichtung kompakt platziert werden kann.
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Gemäß der Erfindung kann das Gewicht und die Herstellungskosten verringert werden. Falls der zylindrische Abschnitt des Vakuumgefäßes als ein Doppelwandbehälter ausgebildet ist, kann die Plattendicke verringert werden, und eine Vergrößerung des Außendurchmessers des Vakuumgefäßes kann minimiert werden, wodurch ein Speichertank mit großer Kapazität gebildet wird.
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Da die supraleitende Spule durch Wärmeübertragung und Verdampfungswärme von flüssigem Helium, das durch das Kühlmittelrohr fließt, gekühlt wird, kann im Vergleich mit dem Leitungskühlen, das ein wärmeleitendes Element verwendet, eine Temperaturerhöhung der supraleitenden Spule minimiert werden. Folglich kann die supraleitende Spule stabil betrieben werden. Es muß nur ein kryogenes Rohr mit der supraleitenden Spule verbunden werden, und es ist kein weiteres wärmeleitendes Element erforderlich, wodurch die Struktur vereinfacht wird.
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Wenn ein Kühlmittelreservoir an dem Kühlmittelrohr vorgesehen ist, kann die in dem Kühlmittelrohr gespeicherte Kühlmittelmenge erhöht werden. Selbst wenn nichtstationäre Wärmeerzeugung während ein unter/außer Strom- bzw. Spannungssetzen oder dergleichen auftritt, kann die supraleitende Spule stabil betrieben werden.
