DE3427601A1

DE3427601A1 - Supraleitende magnetvorrichtung

Info

Publication number: DE3427601A1
Application number: DE19843427601
Authority: DE
Inventors: Kinya Matsutani; Katutoki Yokohama Sasaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1985-02-14
Also published as: GB8418769D0; US4543794A; DE3427601C2; KR850000746A; GB2145506B; GB2145506A; KR890003871B1

Description

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt

Dr. phil. G Henkel, München Dipl -Ing. J Pfenning. Berlin Dr rer. nat L Feiler. München Dipl -Ing. W. Hänzel, München Dipl.-Phys. K. H. Meinig, Berlin Dr Ing. A. Butenschön, Berlin Dlpl.-lng, D. Kottmann, München

Möhlstraße 37
D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnk!d Telegramm: ellipsoid Telefax (Gr 2+3).
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KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA,
Kawasaki, Japan

EKI-59P348-3

26. Juli 1984/wa

Supraleitende Magnetvorrichtung

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Supraleitende Magnetvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung dieser Art, die einen kleineren supraleitenden Magneten sowie einen kleineren Kühlapparat aufweist und die beispielsweise bei einer Einkristall-Ziehvorrichtung, einem Magnetresonanzabbildungssystem (MR'I-System) und dergl. verwendet wird.

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau einer bisherigen supraleitenden Magnetvorrichtung, bei der eine als supraleitender Magnet dienende supraleitende Spule 1 in eine Innenkammer 3 eingeschlossen ist, die mit einem Kältemittel (kälteerzeugenden Mittel), z.B. flüssigem Helium 2 sehr niedriger Temperatur {beispielsweise von 4,2K), gefüllt ist. Ein Kälteisoliergefäß oder -behälter 4, durch das bzw. den diese supraleitende Spule 1 im supraleitenden Zustand gehalten wird, umfaßt die Innenkammer 3, eine letztere normalerweise unter Aufrechterhaltung eines Vakuums umschließende Außenkammer 5 und ein zwischen Innen- und Außenkammer 3 bzw. 5 eingefügtes, plattenförmiges

WMrmeabstrahl-Abschirmelement 6, das seinerseits weiterhin mit einem rohrförmigen Abschirmelement 8 zur Erhöhung seiner Abschirmwirkung versehen ist. Der supraleitenden Spule 1 wird von einer externen Stromquelle 9 für den supraleitenden Magneten her ein Erregungsstrom zugeführt. Hierbei kann das gewünschte Magnetfeld auf das Gerät 16, welches dem Magnetfeld ausgesetzt werden soll, zur Einwirkung gebracht werden. Dieses Gerät 16 ist so angeordnet, daß es den Mittelbereich des Kälteisoliergefäßes 4 durchsetzt.

Andererseits dringt unter diesen Bedingungen vom Außenbereich mit normaler Temperatur (z.B. 3OOK) aufgrund von Wärme(ab)leitung und Wärmeabstrahlung über eine Strom(versorgungs)leitung 10, eine Tieftemperaturleitung 11, eine Zufuhrleitung 12 für flüssiges Helium, die Außenkammer 5, das Abschirmelement 6 und die Innenkammer 3 Wärme in das flüssige Helium 2 ein, das auf einer sehr tiefen Temperatur (z.B. 4,2*K) gehalten werden soll. Normalerweise verdampft ein Teil des flüssigen Heliums 2 unter der Wirkung dieser eindringenden Wärme, so daß gasförmiges Helium 13 entsteht, das in eine äußere (Rohr-)Leitung 14, durch welche die Stromleitung 10 verläuft, einströmt und in die Tieftemperatur(rohr)leitung 11 eintritt und dabei eine Kühlung (Gaskühlung) der Stromleitung 10 bewirkt. Ein Teil der über die Stromleitung 10 eindringenden Wärme wird durch diese Gaskühlung vernichtet. Das gasförmige Helium 13 tritt in eine Helium-Verflüssigungsvorrichtung 15 ein und wird darin in flüssiges Helium einer sehr tiefen Temperatur (z.B. 4,2K) umgewandelt. Dieses flüssige Helium wird über die genannte Zufuhrleitung 12 in die Innenkammer eingeführt. Das durch die eindringende Wärme verdampfte Helium wird also, wie beschrieben, nach dem Kühlen der

Stromleitung 10 in der Verflüssigungsvorrichtung 15 verflüssigt und zur Innenkainmer 3 zurückgeführt. Diese Umwälzung wiederholt sich bzw. findet fortlaufend statt, so daß hierdurch die supraleitende Spule 1 im supraleitenden Zustand gehalten wird.

Während sich die bisherige supraleitende Magnetvorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau für einen großen supraleitenden Magneten eignet, ist sie andererseits ungeeignet für einen vergleichsweise kleinen supraleitenden Magneten (z.B. mit Erregungsstrom von etwa 300 - 500 A und Helium-Verdampfungsmenge von 1-2 l/h bei sehr tiefer Temperatur), wie er beispielsweise für eine Einkristall-Zieh- oder -Zuchtvorrichtung o.dgl.

Gerät 16, auf welches das Magnetfeld zur Einwirkung gebracht werden soll, eingesetzt wird. Dies beruht darauf, daß die Helium-Verflüssigungsvorrichtung 15 der bisherigen Art für den Einsatz bei einem großen supraleitenden Magneten entwickelt worden ist und sich daher nicht für ein Gerät mit kleiner Kälteleistung (z.B. Helium-Verdampfungsmenge: etwa 1 - 2 l/h) eignet. Wenn mithin die übliche Verflüssigungsvorrichtung 15 für einen kleinen supraleitenden Magneten eingesetzt wird, ist sie bezüglich Abmessungen und eingenommener Fläche im Vergleich zum supraleitenden Magneten unproportional groß. Weiterhin sind die Herstellungskosten für diese Verflüssigungsvorrichtung 15 wesentlich größer als die für den supraleitenden Magneten, so daß die gesamte Magnetvorrichtung äußerst kostenaufwendig wird. Andererseits könnte daran gedacht werden, den kleinen, herkömmlichen Kälteapparat, welcher der Leistung des kleinen supraleitenden Magneten zweckmäßig entspricht, zu verwenden und damit die Größe der supraleitenden Magnetvorrichtung und die Kosten dafür zu verringern. Dieser übliche kleine Kälteapparat besitzt

jedoch nicht genügend Leistung, um die über das Kälte-Isoliergefäß 4, die Innenkammer 3, die Abschirmelemente 6 und 8 sowie die Außenkammer 5 eingedrungene Wärme zum weiteren Kühlen der Stromleitung 10 zu vernichten, δ Aus diesem Grund werden gewöhnlich ein Dauerstromschalter an der supraleitenden Spule angebracht und die Strom(versorgungs)leitung trennbar ausgelegt; nach dem Erregen der supraleitenden Spule wird dann die Stromleitung abgetrennt und damit die Wärmeübertragung von ihr beendet, worauf die Vorrichtung in der Dauerstrombetriebsart betrieben wird. In diesem Fall dringt Wärme von außer her nur durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung von den verschiedenen Tieftemperaturrohren ein, so daß der supraleitende Magnet auch mittels der geringen Kühl- oder Kälteleistung des herkömmlichen, kleinen Kälteapparats zufriedenstellend im supraleitenden Zustand gehalten werden kann.

Wenn bei einer solchen Anordnung die Vorrichtung einmal in die Dauerstrombetriebsart übergegangen ist, ist jedoch der Erregungsstrom ständig konstant, und die Stromgröße kann nicht variiert werden. Im Fall von . z.B. der kleinen supraleitenden Magnetvorrichtung, die beim Monokristall-Ziehgerät verwendet wird, muß die Störstoff- oder Fremdatomkonzentration im Einkristall durch Ändern oder Steuern der Magnetfeldstärke während des Ziehens des Einkristalls eingestellt werden. Hierzu ist es nötig, die Magnetfeldstärke über die Erregungsstromgröße einzustellen. Bei dem die supraleitende Magnetvorrichtung verwendenden Gerät ist es somit üblicherweise erforderlich, die Stärke des an das Gerät angelegten Magnetfelds, d.h. die Größe des Erregungsstroms, variieren oder einstellen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten supraleitenden Magnetvorrichtung, bei der bei einer Kombination aus einem kleineren Kälteapparat und einem kleineren supraleitenden Magneten die Erregungsstromgröße regel- oder einstellbar ist und mit der somit ein kompakt gebautes, kostengünstiges Gerät realisiert wird.

Im Zuge dieser Aufgabe bezweckt die Erfindung auch die Schaffung einer supraleitenden Magnetvorrichtung, bei der die Kühl- oder Kälteleistung des kleinen Kälteapparats nach Maßgabe einer quantitativen Änderung der eindringenden Wärme in Verbindung mit einer ₍ Änderung der Erregungsstromgröße der supraleitenden Spule geregelt werden kann, bei der keine Gefahr für ein Eindringen einer Verunreinigung oder eines Störstoffs in das Rohrleitungssystem besteht, bei der der ^ durch die supraleitende Spule fließende Betriebs- oder Arbeitsstrom innerhalb eines weiten Bereichs beliebig gewählt werden kann, wobei Temperatur oder Druck des Kältemittels stets auf einen konstanten Wert eingestellt werden kann, die eine ausgezeichnete Betriebsleistung besitzt und die sich über lange Zeiträume hinweg mit hohem Zuverlässigkeitsgrad betreiben läßt. 25

Die genannte Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Kälte-Isoliergefäß eine Innenkammer, in welche ein Kältemittel (cryogen) eingedichtet ist, eine die Innenkammer um- bzw. einschließende Außenkammer und ein Wärmeabstrahl-Abschirmelement zwischen Innen- und Außenkammer. Das Isoliergefäß dient zur Aufnahme einer supraleitenden Spule,

die in die Innenkammer eingeschlossen ist und auf einer sehr tiefen Temperatur gehalten wird. Eine Strom(versorgungsleitung dient zur Zufuhr eines Erregungsstroms zur supraleitenden Spule. Ein Nach-Kondensator ist vorgesehen, um das Gas des verdampften Kältemittels aus der Innenkammer wieder zu kondensieren. Hierbei ist ein kleiner Kälteapparat mit einer Anzahl von Kühl- oder Kältestufen vorgesehen, wobei diese Stufen thermisch an Stromleitung und Kondensator (recondenser) angekoppelt sind.

Mit dieser Anordnung kann eine supraleitende Magnetvorrichtung geschaffen werden, mit welcher die genannte Aufgabe gelöst wird.
15

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bisherigen supraleitenden Magnetvorrichtung,

Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sowie verschiedener Abwandlungen derselben,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6(a) und 6(b) graphische Darstellungen von Kennlinien für die Beziehung zwischen der eindringenden Wärmemenge und dem Erregungsstrom an der supraleitenden Spule bei der zweiten Aus-

führungsform bzw. die Beziehung zwischen der

Kälteleistung (refrigerating capability) des Kälteapparats und dem genannten Erregungsstrom,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung, auf welche die zweite Ausführungsform angewandt ist,

Fig. 8 und 10 Fließ- oder Ablaufdiagramme zur Erläuterung des Betriebs der Anordnung nach Fig. 7,

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Frequenzänderung des Motors,

Fig. 11 bis 13 eine graphische Darstellung bzw. Diagramme für die Kälteleistung bei der Anordnung nach Fig. 7 im Zeitverlauf sowie für die Kompensationsfunktionen dafür und

Fig. 14 und 15 schematische Darstellungen anderer Abwandlungen der zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Nachdem Fig. 1 eingangs bereits erläutert worden ist, sind im folgenden anhand der Fig. 2 bis 4 eine erste Ausführungsform der Erfindung sowie verschiedene Abwandlungen derselben beschrieben.

Fig. 2 veranschaulicht den Aufbau einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine supraleitende Spule (im folgenden nur noch einfach als "Spule" bezeichnet) 101 in eine Innenkammer 103 eingeschlossen ist, in die flüssiges Helium 102 als Kältemittel eingedichtet ist.

Zwei kleine Kälteapparate 120 und 130 sind unmittelbar an einem Kälte-Isoliergefäß oder -behälter 104 angebracht. Der erste kleine Kälteapparat 120 umfaßt eine Verdichtereinheit 122 zum Verdichten des im Kälteapparat zirkulierenden Kältemittels (z.B. Helium) 121, eine Expansionseinheit 123 zum thermischen Isolieren und Expandieren des durch die Verdichtereinheit 122 verdichteten Kältemittels 121 und damit zur Kälteerzeugung, eine erste Kühlstufe 124, die auf die Temperatur des Wärmeabstrahl-Abschirmelements, z.B. auf 80K, durch das in der Expansionseinheit 123 abgekühlte Kältemittel 121 gekühlt wird, sowie eine Helium-Kondensiervorrichtung 125, die durch das Kältemittel 121 auf die Helium-Verflüssigungstemperatur von z.B. 4,2K gekühlt wird.

Die erste Kältestufe 124 ist unmittelbar mit einem Wärmeabstrahl-Abschirmelement 106 zwischen einer Außenkammer 105 und der Innenkammer 103 des Isoliergefäßes 104 verbunden, während die Kondensiervorrichtung 125 in einer Lage unmittelbar über dem Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Heliums 102 in der Innenkammer 103 angeordnet ist.

Der zweite kleine Kälteapparat 130 umfaßt seinerseits eine Verdichtereinheit 132 zum Verdichten eines im Kälteapparat umgewälzten Kältemittels 131, eine Expansionseinheit 133 zum Expandieren bzw. Ausdehnenlassen des so verdichteten Kältemittels 131, um dabei Kälte zu erzeugen, eine zweite Kältestufe 134, die durch das in der Expansionseinheit 133 abgekühlte Kältemittel 131 auf z.B. 8OK gekühlt wird, und eine dritte Kältestufe 135, die durch das Kältemittel 131 auf z.B. 2OK gekühlt wird.

Eine Strom(versorgungs)leitung 110 für die Erregungsstromzufuhr zur Spule 1 verläuft aus dem flüssigen He-

lium 102 durch die Innenkammer 103 und das Abschirmelement 106. Nach gewünschter Leiterlänge und gewünschtem Leiterguerschnitt ist die Stromleitung 110 an die dritte Kältestufe 135 angeschlossen. Weiterhin ist sie nach Festlegung der gewünschten Leiterlänge und des gewünschten LeiterguerSchnitts an die zweite Kältestufe 134 angeschlossen. Schließlich verläuft die Stromleitung nach Festlegung der gewünschten Leiterlänge und des gewünschten Leiterquerschnitts aus der Außenkammer 105 heraus, und sie ist an eine Stromquelle 109 für den supraleitenden Magneten angeschlossen.

Die Kupplungs- bzw. Anschlußteile zwischen der Stromleitung 110 sowie den jeweiligen Kältestufen 134 und 135 sind elektrisch isoliert. Die durchgeführten Abschnitte der Kondensiervorrichtung 125 und der Stromleitung 110/ welche durch die bzw. in die Innenkammer 103 verlaufen, sind derart luftdicht abgedichtet, daß die Verdampfungsgase des flüssigen Heliums 102 in der Innenkammer 103 aus letzterer nicht austreten können. Weiterhin ist der Leitungs- oder Leiterquerschnitt der Stromleitung 110 zwischen Außenkammer 105 und zweiter Kältestufe 134 größer als zwischen zweiter Kältestufe

134 und dritter Kältestufe 135, während diese letztere

Querschnittsfläche größer ist als die Leiterquerschnittsfläche der Stromleitung 110 zwischen dritter Kältestufe

135 und supraleitender Spule 101.

Die supraleitende Magnetvorrichtung mit dem beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt: Um zunächst an das betreffende Gerät 116 (z.B. eine Einkristall-Ziehvorrichtung) das Magnetfeld anzulegen, wird die Spule 101 über die Stromleitung 110 von der Stromquelle 109 her mit Erregungsstrom beschickt. Das flüssige Helium 102 beginnt daher zu verdampfen, und zwar aufgrund der Jouleschen

Wärme gemäß dem elektrischen Widerstand der Stromleitung 110, der eindringenden oder durchdringenden Wärme infolge der Wärmeleitung über die Stromleitung 110 entsprechend dem Temperaturgefälle zwischen dem flüssigen Helium 102 (z.B. 4,2K) und der Atmosphäre (z.B. 300K) sowie der eindringenden Wärme aufgrund der Wärmestrahlung über die Außenkammer 105, das Abschirmelement 106 und die Innenkammer 103. Von diesen drei Wärmearten werden auf noch näher zu beschreibende Weise die von der Stromleitung 110 erzeugte Joulesche Wärme und die eindringende Wärme aufgrund der Wärmeleitung oder -ableitung durch den zweiten Kälteapparat 130 und die beiden Kältestufen 134 und 135 wirksam vernichtet.

Die im folgenden als Eindringwärme (penetration heat) bezeichnete eindringende Wärme von der Stromleitung ist von solcher Art, daß die Joulesche Wärme mit größerer Querschnittsfläche der Stromleitung abnimmt, während die Eindringwärme aufgrund der Wärmeableitung groß wird.

Bei kleinerem Querschnitt der Stromleitung steigt andererseits die Joulesche Wärme an, während die Eindringwärme infolge der Wärmeableitung abnimmt. Aus diesem Grund wird ein optimaler Querschnitt der Stromleitung gewählt, bei dem das Eindringen von Wärme auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Dieser optimale Querschnitt bestimmt sich durch die Erregungsstromgröße, die Temperaturen und Kälteleistungen von zweiter und dritter Kältestufe 134 bzw. 135 sowie die Leiter- oder Leitungslänge der Stromleitung. Die Eindringwärme von der Stromleitung 110 zum flüssigen Helium 102 kann also dadurch auf ein Mindestmaß verringert werden, daß die Leitungslängen und -querSchnittsflächen der Stromleitung 110 zwischen dem flüssigen Helium 102 (von z.B. 4,2K) und der dritten Kältestufe 135 (von z.B. 20K), zwischen der dritten Kältestufe 135 und der zweiten Kältestufe 134 (von z.B.

8OK) sowie zwischen der dritten Kältestufe 135 und der Außenkammer 105 (von z.B. 3OOK) in Übereinstimmung mit den Kälteleistungen von zweiter und dritter Kältestufe 134 bzw. 135 des zweiten kleinen Kälteapparats 130 zweckmäßig gewählt werden.

Dieser optimale Zustand kann beispielsweise nach folgender, allgemein bekannter Gleichung erzielt werden. Wenn nämlich
10

1 -1 ^τσ
L/s = £ cos ' -£

in der Gleichung

T_h - T_e cos (τ L/s)

Q=I* /λα

sin(TL/s) gilt, erreicht die Eindringwärmemenge die Mindestgröße

^Qmin

^min

In obigen Gleichungen bedeuten:

Q = Eindringwärmemenge

I = Stromgröße

λ = wärmeleitfähigkeit

α = eine Konstante (ρ = cxT, mit p: spezifischer Widerstand der Stromleitung, T: Temperatur)

Wärmeleitfähigkeit
Τ = I · /a/C

-Vl-

T, = Temperatur des Hochtemperaturteils

T = Temperatur des Niedertemperaturteils

s = Querschnittsfläche der Stromleitung

L = Länge der Stromleitung.

Auf die beschriebene Weise kann die Eindringwärme von der Stromleitung 110 auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, während es im Gegensatz zur bisherigen Vorrichtung nicht nötig ist, eine Gaskühlung der Stromleitung 110 vorzusehen. Die verdampfte Heliummenge wird infolgedessen auf einen äußerst kleinen Betrag verringert. Demzufolge kann das in der geschlossenen Innenkammer 103 befindliche gasförmige Helium, das durch Verdampfung durch die Eindringwärme aufgrund von Wärmeabstrahlung oder Wärmeableitung von verschiedenen Tieftemperaturrohren entstanden ist, vollständig wiederverflüssigt werden, wozu nur die Kälteleistung des kleinen, herkömmlichen Kälteapparats 120 erforderlich ist. Nachdem nämlich die latente Wärme des Verdampfungsgases vom flüssigen Helium 102 von der in die Innenkammer 103 eingebauten Kondensiervorrichtung 125 aufgenommen worden ist, erfährt dieses Verdampfungsgas eine Wiederkonzentration in Form von Plüssigkeitströpfchen. Diese Tröpfchen werden dann zum flüssigen Helium 102 in der Innenkammer 103 zurückgeführt. Andererseits ist das Abschirmelement 106 unmittelbar mit der ersten Kältestufe 124 (von z.B. 80K) des ersten kleinen Kälteapparats 120 verbunden, und es wird aufgrund der Wärmeableitung von dieser ersten Kältestufe 124 unmittelbar gekühlt. Demzufolge wird eine gute Wärmeabschirmwirkung mit einer kompakt gebauten Anordnung erzielt.

Die vorstehend beschriebene supraleitende Magnetvorrichtung gewährleistet die folgenden Wirkungen:

-γ-

a) Die Stromleitung 110 wird durch zweite und dritte Kältestufe 134 bzw. 135 des kleinen (herkömmlichen) Kälteapparats 130 unmittelbar gekühlt. Die Innenkammer 103 des Isoliergefäßes 104 kann demzufolge (dicht) verschlossen sein und das flüssige Helium

102 unter Einschluß enthalten. Auf diese Weise wird eine Zunahme des Volumens des verdampften Heliums im Vergleich zum bisherigen Verfahren vermieden, bei dem die Stromleitung mittels des Gases des verdampften Heliums gekühlt wird. Da weiterhin die Heliumverdampfungsmenge in der Innenkammer

103 auch im Fall eines kleinen Kälteapparats verringert wird, kann das verdampfte Helium in der Innenkammer 103 zufriedenstellend wieder_J<ondensiert werden.

b) Aufgrund der beschriebenen Direktkühlung der Stromleitung 110 kann die Magnetfeldstärke, d.h. die Erregungsstromgröße, auch im Betrieb der supraleitenden Magnetvorrichtung ohne Unterbrechung des supraleitenden Zustands beliebig geändert werden. Demzufolge kann beispielsweise in dem Fall, in welchem die erfindungsgemäße Anordnung auf eine supraleitende Magnetvorrichtung für ein Einkristall-Ziehgerät angewandt ist, die Störstoff- oder Fremdatomkonzentration im Einkristall durch Einstellung der Magnetfeldstärke gesteuert werden.

c) Das Wärmeabstrahl-Abschirmelement 106 wird durch die Wärmeableitung in der ersten Kältestufe 124 des kleinen Kälteapparats 120 unmittelbar gekühlt, so daß die gesamte Vorrichtung kompakt ausgebildet sein kann, und zwar mit nur dem Volumen entsprechend der Verbesserung in der Wärmeabstrahl-Abschirmwirkung.

d) Bei der beschriebenen Vorrichtung sind die kleinen, herkömmlichen Kälteapparate 120 und 130, deren Größe und Leistung dem kleinen supraleitenden Magneten angepaßt ist, unmittelbar am Isoliergefäß 104 angebracht, so daß auf diese Weise eine kompakt gebaute und kostengünstige Anordnung realisiert werden kann.

Im folgenden sind Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind die den Teilen von Fig. 2 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert. Bei dieser Abwandlung wird die Temperatur der zweiten Kältestufe 134 des zweiten kleinen Kälteapparats 130 zum Kühlen der Stromleitung 110 auf die gleiche Große eingestellt wi-^e die Temperatur der ersten Kältestufe 124 des ersten kleinen Kälteapparats 120, wobei ein Wärmeabstrahl-Abschirmelement 106a unmittelbar an den betreffenden Kältestufen 134 und 124 angebracht ist. Mit dieser Anordnung wird die Kälteleistung des Abschirmelements 106a derart erhöht, daß auch die Wärmeabschirmwirkung entsprechend verbessert wird. Weiterhin ist die Stromleitung 110 zwischen dem flüssigen Helium 102 und der zweiten Kältestufe 134 durch das Abschirmelement 106a bei der betreffenden Temperatur (z.B. 80K)

gO thermisch abgeschirmt, so daß die Eindringwärmemenge von der Stromleitung 110 weiter herabgesetzt wird.

Fig. 4 veranschaulicht eine andere Abwandlung der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum die den Teilen von Fig. 2 entsprechenden

Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert sind. Bei dieser Abwandlung ist ein kleiner Kälteapparat 140 unmittelbar an einer Außenkammer 105a eines Kälte-Isoliergefäßes 104a angebracht. Dieser Kälteapparat 140 weist eine Verdichtereinheit 142, eine Expansionseinheit 143 sowie drei Kältestufen 144, 145 und 146 auf. Diese Kältestufen sind auf sequentiell niedrigere Tempraturen eingestellt (z.B. 80K, 20K bzw. 4,2K). Aufgrund dieser Anordnung erfährt der Heliumdampf in der Innenkammer 103 eine augenblickliche Wiederkondensierung beim Kühlen der Stromleitung 110a. Mit dieser Anordnung kann eine noch kompaktere supraleitende Magnetvorrichtung realisiert werden.

Mit der beschriebenen Ausführungsform und ihren Abwandlungen wird somit jeweils eine kompakte, kostengünstige supraleitende Magnetvorrichtung geschaffen, bei welcher unter Verwendung eines kleineren Kälteapparats und eines kleineren supraleitenden Magneten die Erregungsstromgröße geregelt werden kann.

Im folgenden sind eine zweite Ausführungsform der Erfindung sowie Abwandlungen derselben anhand der Fig. 5 bis 15 beschrieben.

Fig. 5 veranschaulicht den Grundaufbau einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau dieser Magnetvorrichtung ähnelt demjenigen der beschriebenen Abwandlung gemäß Fig. 4.

Insbesondere sind dabei ein Wärmeabstrahl-Abschirmelement 202 in einer Außenkammer 201 angeordnet und eine Innenkammer 203 im Inneren des Abschirmelements

vorgesehen. Die genannten Bauteile bilden ein Kälte-Isoliergefäß 204. In die Innenkammer 203 ist flüssiges Helium 205 eingeschlossen, das durch einen kleinen, noch zu beschreibenden Kälteapparat auf eine sehr tiefe Temperatur von z.B. 4,2K gekühlt wird. Im Inneren der Innenkammer 203 ist eine supraleitende Spule 206 mittels einer entsprechenden, nicht dargestellten Halterung gehaltert. Die Spule 206 ist elektrisch mit dem einen Ende einer Stromleitung 207 verbunden, deren anderes Ende sich in einem Raum von Normaltemperatur außerhalb des Isoliergefäßes 204 befindet. Dieses andere Ende der Stromleitung 207 ist elektrisch an eine externe Stromquelle 208 angeschlossen, durch welche die Spule 206 erregbar ist. Das eine Ende einer Ablaß(rohr)leitung 209 ist an die Innenkammer 203 angeschlossen, um einen etwaigen, in der Innenkammer 203 entstehenden abnormalen Heliumgasdruck zur Außenseite der Außenkammer 201 ablassen zu können. Das andere Ende der Ablaßleitung 209 befindet sich im Außenbereich und ist an eine mechanische Berstdruck-Ablaßvorrichtung (bursting apparatus) 210 sowie eine Berstdruck-Ablaßvorrichtung 211 des Sollbruchscheibentyps angeschlossen.

Die mechanische Ablaßvorrichtung 210 ist so ausgelegt, daß ein Ventilelement öffnet, wenn der Druck eine vorbestimmte Größe übersteigt, während das Ventilelement schließt, wenn der Druck unter der vorbestimmten Größe liegt. Die Sollbruchscheiben-Ablaßvorrichtung 211 weist ein ihren Öffnungsteil verschließendes Element auf, das beim Auftreten eines.abnormalen Drucks bricht bzw. birst.

Beispielsweise wird für den genannten Kälteapparat ein kleiner Helium-Kälteapparat 212 üblicher Bauart verwendet, der auf nachstehend beschriebene Weise aufge-

baut ist. An der Außenfläche der oberen Wand der Außenkammer 201 ist ein Kälteapparat-Kopfteil 213 angeordnet. Ein Verdichter 216 zum Verdichten von Helium ist mit einer Kältemittel-Speise(rohr)leitung 214 und einer Kältemittel-Durchlaufleitung 215 des Kopfteils 213 verbunden. Mit dem Verdichter 216 ist ein Motor 217 für seinen Antrieb unmittelbar gekoppelt. Im Kopfteil 213 befindet sich eine erste Kältestufe 218 zum Kühlen der Stromleitung 207 und des Wärmeabstrahl-Abschirmelements 202. Diese Kältestufe 218 befindet sich außerhalb des Abschirmelements 202 in der Außenkammer 201. Eine zweite Kältestufe 219 zum Kühlen der Stromleitung 207 schließt sich an die erste Kältestufe 218 an. Die Kältestufe 219 befindet sich innerhalb des Abschirmelements 202. Die beiden Kältestufen 218 und 219 umfassen jeweils einen nicht dargestellten Kolben, der durch einen entsprechenden, nicht dargestellten Antriebsmechanismus im Kälteapparat-Kopfteil 213 antreibbar ist, um damit das Helium zu verdichten und zu expandieren, nicht dargestelltes Tieftemperaturhaltematerial zum Aufrechterhalten der tiefenTärajperatur des Heliums, das durch die Verdichtungs- und Expansionswirkungen des Kolbens gekühlt wird, sowie Elemente, z.B. Flansche 218A und 219A, die sowohl für mechanische Haiterungszwecke als auch zur Wärmeableitung dienen.

Der Flansch 218A der ersten Kältestufe 218 ist mechanisch mit dem Abschirmelement 202 so verbunden, daß ein Wärmeübergang auf ihn erfolgt. Andererseits sind der Flansch 218A der ersten Kältestufe 218 und eine Wärmestation (heat station) 220 an der ersten Stufe der Stromleitung 207 über ein Wärmeübertragungselement 221 mit guter Wärmeleitfähigkeit mechanisch verbunden, so daß eine Wärmeübertragung zwischen ihnen erfolgen kann. Weiterhin sind der Flansch 219A der zweiten Kältestufe 219 und eine zweite Wärmestation 222 an der zweiten Stufe der

Stromleitung 207 auf ähnliche Weise über ein Wärmeübertragungselement 223 (miteinander) verbunden.

Die im folgenden einfach als Kondensator bezeichnete Helium-Kondensationsvorrichtung 224 innerhalb der Innenkammer 203 dient zum Wiederkondensieren des durch Verdampfung des flüssigen Heliums 205 entstandenen Heliumgases. Jedes Ende eines Joule-Thomson- bzw. J-T-Speiserohrs 225 und eines J-T-Rücklaufrohrs 226

¹^ ist mit Einlaßseite bzw. Auslaßseite des Kondensators 224 verbunden. Die anderen Enden dieser Rohre 225 und 226 sind an die Kältemittel-Speiseleitung 214 bzw. die Kältemittel-Rücklaufleitung 215 angeschlossen, die ihrerseits an Einlaßseite bzw. Auslaßseite des

Ik Kälteapparat-Kopfteils 213 angeschlossen sind. Auf halber Strecke in Abwärtsrichtung der Rohre 225 und 226 sind die Einlauf- oder Speiseseite eines Wärmetauschers 227 der ersten Stufe, die Speiseseite eines Wärmetauschers 228 der zweiten Stufe und die Speiseseite eines Wärmetauschers 22 9 der dritten Stufe in Reihe geschaltet.

Ein Wärmeübertragungselement 218B, das vom Flansch 218A der ersten Kältestufe 218 abgeht, ist am J-T-Speiserohr 225 auf halber Strecke desselben zwischen den Wärmetauschern 227 und 228 der ersten bzw. zweiten Stufe so angebracht, daß es das Rohr 225 durchsetzt. Andererseits ist ein vom Flansch 219A der zweiten Kältestufe 219 abgehendes Wärmeübertragungselement 219B am J-T-Speiserohr 225 auf halber Strecke desselben zwischen den Wärmetauschern 228 und 229 so angebracht, daß es das Rohr 225 durchsetzt bzw. in dieses hineinragt. Ein J-T-Ventil 230 ist in das Speiserohr 225 auf halber Strecke zwischen dem Wärmetauscher 229 der dritten Stufe und dem Kondensator 224 eingeschaltet.

Die Auslaßseiten der Wärmetauscher 227, 228 und 229 der ersten, zweiten bzw, dritten Stufe sind in Reihe an das J-T-Rücklaufrohr 226 angeschlossen. Durch die beschriebene Anordnung wird der Kälteapparat 212 gebildet.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert.

Das eine Ende der Stromleitung 207 befindet sich im Raum oder Bereich von Normaltemperatür (z.B. 300K), während sich ihr anderes Ende durch die Außenkammer 201 und das Abschirmelement 202 in die Innenkammer 203 erstreckt. Die Wärme vom Normaltemperaturbereich kann mithin infolge der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeabstrahlung der Stromleitung 207 in die Innenkammer 203 eintreten, so daß das auf sehr niedriger Temperatur (z.B. 4,2K) gehaltene Helium 205 verdampft.

Zur Minimierung der Verdampfung des flüssigen Helium 205 ist in der Außenkammer 201 das Wärmeabstrahl-Abschirmelement 202 vorgesehen. Dieses wird auf noch näher zu beschreibende Weise durch die erste Kältestufe 208 auf 70 - 100 K abgekühlt. Der größte Anteil der verschiedenen Arten der Eindringwärme vom äußeren Normaltemperaturbereich besteht in der über die Stromleitung 207 übertragenen Eindringwärme. Zur Verringerung dieses Wärmeanteils wird die Stromleitung 207 durch die Wärmestation 220, die auf 70 - 100 K gekühlt wird, und durch die Wärmestation 222 der zweiten Stufe, die auf 10 - 20 K gekühlt wird, auf noch zu beschreibende Weise zwangsgekühlt.

Normalerweise ist die in der Innenkammer 203 verdampfte

Menge des flüssigen Heliums 205 aufgrund der beschriebenen Verringerung der Eindringwärme vergleichsweise
klein (1-2 l/h). Dieses, von der Verdampfung herrührende gasförmige Helium wird durch den auf 4,2K tiefgekühl-B ten Kondensator 224 zu flüssigem Helium kondensiert

(verflüssigt) und in die Innenkammer 203 zurückgeführt. Auf diese Weise kann die supraleitende Magnetvorrichtung ohne Neuzuführung von flüssigem Helium im Dauerbetrieb gehalten werden.

Bei der beschriebenen zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung ist andererseits die über die Stromleitung eindringende Wärmemenge gemäß folgender Gleichung der Erregungsstromgröße von der externen Stromquelle 208 proportional:

In obiger Gleichung bedeuten:

Q = Menge der Eindringwärme von der Stromleitung 207 I = Erregungsstromgröße

α = eine Konstante (p = αΤ, α: spezifischer Widerstand der Stromleitung, T: Temperatur)

C = Wärmeleitfähigkeit der Stromleitung 207
T, = Temperatur des Hochtemperaturteils

T = Temperatur des Tieftemperaturteils.
^C

Wenn beispielsweise T. auf die Temperatur von 10 - 20 K der Wärmestation 222 der zweiten Stufe und T auf die Temperatur von 4,2K des flüssigen Heliums 205 eingestellt sind, wird Q zur Eindringwärmemenge des flüssigen Heliums, und letzteres wird durch die (Wärme-)-

Menge entsprechend der von dieser Wärme abhängenden

Verdampfungswärme verdampft. Wenn das durch die supraleitende Spule 206 erzeugte Magnetfeld geändert werden soll (z.B. bei Verwendung der Vorrichtung für das

Einkristall-Ziehgerät und das MRI-System), wird die
Erregungsstromgröße I proportional zur Magnetfeldstärke geändert. Die Eindringwärmemenge Q wird somit
in Abhängigkeit davon gemäß obiger Gleichung variiert. Infolgedessen wird auch die Verdampfungsmenge des
flüssigen Heliums variiert.

Im folgenden ist der Kälteerzeugungsbetrieb des Kälteapparats 212 beschrieben.

Bas Kältemittel, d.h. das gasförmige Helium wird in
dem durch den Motor 217 angetriebenen Verdichter 216
verdichtet und über die Kältemittel-Speiseleitung 214, den Kälteapparat-Kopfteil 213, erste und zweite Kältestufe 218 bzw. 219 und Kältemittel-Rücklaufleitung

215 geleitet, bevor .es zum Verdichter 216 zurückgeführt wird. Das Kältemittel wird also in einer durch
diese Teile gebildeten Schleife umgewälzt. Dabei dehnt sich das gasförmige Helium in dem thermisch isolierten Kopfteil 213 so aus, daß die erste Kältestufe 218 auf

100 - 70 K und die zweite Kältestufe 219 auf 10 - 20 K infolge der Aufnahme und übertragung der Wärme zu diesem Zeitpunkt gekühlt werden. Das aus dem Verdichter
216 austretende gasförmige Helium wird weiterhin zum
Teil durch die Kältemittel-Speiseleitung 214 abge-

zweigt und strömt in das J-T-Speiserohr 225 ein. Dieses abgezweigte gasförmige Helium durchströmt den Wärmetauscher 227 der ersten Stufe, die erste Kältestufe 218,
den Wärmetauscher 228 der zweiter. Stufe, die zweite
Kältestufe 219 sowie den Wärmetauscher 229 der dritten Stufe, wobei es eine sehr niedrige Temperatur unter der

Übergangstemperatur (z.B. unter 2OK) vom Supraleitzustand zum Normalleitzustand annimmt. Beim Durchgang durch das J-T-Ventil 2 30 geht dieses Tieftemperatur-Helium aufgrund des sogen. Joule-Thomson-Effekts in eine Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenströmung über, wenn es eine Temperatur von z.B. 4/2K besitzt. Das Helium strömt dann in den Kondensator 224 ein. Das in der Innenkammer 203 verdampfte gasförmige Helium wird somit im Kondensator 224 vor seiner Rückführung zur Innenkaminer 203 wieder verflüssigt. Das aus dem Kondensator 224 austretende gasförmige Helium durchströmt die Wärmetauscher 22 9, 228 und 227 der dritten, zweiten bzw. ersten Stufe sowie das J-T-Rücklaufrohr 226 und wird zum Verdichter 216 zurückgeführt.

Fig. 6(b) veranschaulicht die Kurve für die Kälte(erzeugungs)leistung des Kondensators 2?4 bei diesem Kälteapparat 212. Dabei sird auf der Abszisse die Temperatur T (K) des gasförmigen Heliums im Kondensator 224 und auf der Ordinate die Kälteleistung P (in Watt) desselben aufgetragen; die Symbole f_Q, f.. und f stehen für die Betriebsfrequenzen des Motors 217 (z.B. f^ = 50 Hz beim vorliegenden Ausführungsbeispiel). Fig. 6(a) veranschaulicht die Kennlinie für die Menge Q der Eindringwärme in das flüssige Helium 205 in Abhängigkeit von der Erregungsstromgroße I.

In diesem Fall gilt Q = Q_Q + Q . Q steht dabei für die in obiger Gleichung angegebene Eindringwärmemenge von der Stromleitung 207. Q__ steht für die Wärmemenge, die über eine nicht dargestellte Halterung für die supraleitende Spule und das Abschirmelement 202 (in die Vorrichtung) übertragen wird. Q ist dabei praktisch eine Konstante, die von der Erregungsstromgroße unabhängig ist. Wenn die Größe des ErregungsStroms zur

supraleitenden Spule 206 die Mindestgröße I . besitzt, entspricht die Eindringwärmemenge in das flüssige Helium 205 gemäß Fig. 6(a) Q . Die Kälteleistung des Kondensators 224 (P₁ = Q₁) muß für das Kondensieren des gesamten, aufgrund dieser Wärmemenge Q₁ verdampften gasförmigen Heliums ausreichen. Gemäß Fig. 6(b) arbeitet in diesem Fall der Kälteapparat 212 auf einem Punkt b.. der Kälteleistungskurve bei der Betriebsfrequenz von f₁. Dabei entspricht die Temperatur des Kältemittels und die damit im Gleichgewichtszustand befindliche Temperatur des flüssigen Heliums 205 (der Größe) T₁.

Wenn sodann der Erregungsstrom erhöht und die supraleitende Spule 206 bei der maximalen Größe I des

max

Erregungsstroms betrieben werden, wird die Eindringwärmemenge in das flüssige Helium 205 gemäß Fig. 6(a) zu Q₂. In diesem Fall ist eine Kälte(erzeugungs)-leistung von P„ = Q₂ erforderlich; gemäß Fig. 6(b) wird der Kälteapparat 212 am Punkt b~ der Kälteleistungskurve mit der Betriebsfrequenz von f.. betrieben. Die Temperatur des flüssigen Heliums 205 wird zu diesem Zeitpunkt zu T₃. Wenn die Ansteuerung der supraleitenden Spule 206 beendet und der Erregungsstrom auf Null (Q₀ = T_Q) eingestellt werden, so daß der Kälteapparat 212 am Punkt b_Q der Kälteleistungskurve mit der Betriebsfrequenz f.. arbeitet, geht auf ähnliche Weise die Temperatur des flüssigen Heliums 205 auf T_Q über. Die Betriebsfrequenz des Motors

.30 besitzt jedoch die konstante Größe f₁.

Im folgenden sei die Arbeits- oder Betriebstemperatur der Spule 206 betrachtet. Hierbei wird als supraleitende Spule 206 z.B. eine aus Nb-Ti-Supraleiterdrähten gewickelte und allgemein für eine Betriebstemperatur

von etwa 4,2K ausgelegte Spule verwendet. Die konstruktiv zulässige Temperaturspanne oder -toleranz beträgt höchstens etwa +1K. Eine höhere, über diesem Wert liegende zulässige Temperaturspanne kann ohne weiteres

δ den sogenannten Normalzustand, d.h. den Übergang der Spule 206 in den Normalleitzustand hervorrufen, der eine Beschädigung der Spule 206 zur Folge haben kann.

Wenn im Fall von Fig. 6(b) T₁ auf die Entwurfs-Betriebstemperatur (z.B. 4,2K) gesetzt ist, werden T₂ zu T₂ = T₁ + 1 (z.B. 5,2K) und T_Q zu T_Q < T₁. Da das flüssige Helium 205 bei 4,2K praktisch auf Atmosphärendruck gehalten wird, besitzt es bei der Temperatur von T einen Unterdruck. Dies bedeutet, daß eine Unterdruckerscheinung in Innenkammer 2Q3 und Kondensator 224 sowie in J-T-Speiserohr 225, J-T-Rücklaufrohr 226 und J-T-Ventil 230, die in der Nähe der Innenkammer 203 und des Kondensators 224 angeordnet sind, auftritt.

Unter diesen Bedingungen können Verunreinigungen, wie Wasser, Stickstoff, Sauerstoff u.dgl., aus der Atmosphäre in das J-T-Rohrleitungssystem (als allgemeine Bezeichnung für Speiserohr 225 und Rücklaufrohr 226), wenn auch in sehr geringer Menge, in der Größenordnung von einigen Teilen auf 1 Million Teile, über die Schweißabschnitte von Innenkammer 203 und Kondensator 224, das Abschirmelement, die gegenüber der Atmosphäre abgeschirmten Teile des Ventils 230 usw. eindringen. Da diese, in das J-T-Rohrleitungssystem eingedrungen Verunreinigungen sich bei Temperaturen unter 4,2K verfestigen, kann dann, wenn ein solcher Zustand für längere Zeit vorliegt, insbesondere das J-T-Rohrleitungssystem, das kleinere Innendurchmesser besitzt als Kältemittel-Speise- und -Rücklauf-

leitung 214 bzw. 215, durch diese Verunreinigungen leicht verstopft werden. In einem solchen Fall kann der Kälteapparat 212 nicht wirksam arbeiten.

Zur Vermeidung einer solchen Störung gilt vorzugsweise T- > 4,2K und werden vorzugsweise das J-T-Rohrleitungssystem und die Innenkammer 203 auch im Nichterregungszustand unter einen Druck über dem Atmosphärendruck gesetzt. Da in diesem Fall jedoch die Betriebstemperatur begrenzt ist, so daß T~ < 5,2K oder

T₀ - Τ_Λ φ 1K gilt, kann der Bereich zwischen I . IQ min

und I nicht so weit sein wie im Fall von T < 4,2K. Dies bedeutet, daß der Magnetfeld-Änderungsbereich schmal wird, so daß die Vorrichtung möglicherweise nicht für z.B. das Einkristall-Ziehgerät oder das MRI-System eingesetzt werden kann. Wenn weiterhin der Kälteapparat 212 seine jeweiligen Betriebspunkte b_Q, b- und b„ (Fig. 6 (b)) ändert oder wechselt, ändert die Kälteleistung bei P = Q in ungünstiger Weise ihre Eindringwärmemenge aufgrund der Änderung der Erregungsstromgröße. Die Änderungszeitkonstante in der Kälteleistung ist nämlich so groß, daß sie beispielsweise mehrere Stunden betragen kann. Bei einer Änderung der Erregungsstromgröße ist daher die Änderungszeitkonstante im Erregungsstrom kleiner als die Änderungszeitkonstante der Kälteleistung des Kälteapparats 212. Die supraleitende Magnetvorrichtung arbeitet demzufolge in einem Zustand, in welchem Eindringwärmemenge und Kälte(erzeugungs)leistung ständig unausgeglichen sind.

Wenn beispielsweise die Erregungsstromgröße erhöht wird, vergrößert sich die von außen eindringende Wärme menge in Abhängigkeit von der Erregungsstromgröße; die Kälteleistung des Kondensators 224 ändert sich dagegen kaum. Die Verdampfung des flüssigen Heliums 205 nimmt daher, ebenso wie der Druckanstieg in der ge-

schlossenen Innenkarruner, schnell zu. Wenn der in der Innenkammer herrschende Druck den konstruktiv zulässigen Druck übersteigt, wird das verdampfte gasförmige Helium über die mechanische Ablaßvorrichtung 210 im Isoliergefäß 214 abgelassen. Anschließend stellt sich eine mangelhafte Kälteleistung ein; im ungünstigsten Fall scheinen Eindringwärmemenge und Kälteleistung gegeneinander ausgeglichen zu sein, obgleich das in der Innenkammer 203 enthaltene flüssige Helium 205 vollständig verdampft und über die mechanische Ablaßvorrichtung 210 in die Atmosphäre abgelassen worden ist, bevor dieser Betriebszustand beendet wird. Anderer seits kann auch der Fall eintreten, daß der Innenkammer druck zu schnell ansteigt, so daß die Sollbruchscheiben-Ablaßvorrichtung 211 das flüssige Helium 205 vollständig in die Atmosphäre entläßt. In diesem Fall besteht die Möglichkeit dafür, die Einstellung oder den Öffnungsgrad des J-T-Ventils 203 von Hand zu ändern, um den Gleichgewichtspunkt herbeizuführen. Eine solche Einstellung ist jedoch sehr schwierig und nur durch eine erfahrene Bedienungsperson zufriedenstellend durchführbar. Die supraleitende Magnetvorrichtung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist daher immer noch mit dem Nachteil behaftet, daß ihre Steuerung schwierig ist und sie nicht über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig betrieben werden kann.

Im Hinblick auf die obigen Gegebenheiten kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 zu deren Verbesserung die in Fig. 7 dargestellte Anordnung vorgesehen werden.

Die den Teilen von Fig. 5 entsprechenden Teile gemäß Fig. 7 sind mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert. Der Motor 217 für den Antrieb des Verdichters 216 ist

auf die im folgenden beschriebene Weise so ausgelegt, daß seine Drehzahl regelbar ist. An den Motor 217 ist ein Wechselrichter-Drehzahlregler 231 elektrisch angeschlossen, dem ein Frequenz-Vorgabesignal a von einer noch näher zu erläuternden Zentraleinheit (CPU) 232 zugeführt wird.

Die Drehzahl des Motors 217 wird mittels eines Drehzahlmessers 233 gemessen, und der Meßwert wird zur Lieferung eines Steuersignals b in ein elektrisches Signal umgesetzt. Dieses Steuersignal b wird der Zentraleinheit 232 eingegeben. Die Temperatur des Kondensators 224 wird durch einen Temperaturmesser 234 gemessen, dessen Meßwert durch einen Wandler 235 in ein elektrisches Steuersignal c umgesetzt wird, das ebenfalls der Zentraleinheit 232 eingegeben wird. Der in der Innenkammer 203, d.h. in der Ablaßleitung 209, herrschende Druck wird andererseits mittels eines Druckmessers 236 gemessen, dessen Meßwert durch einen Wandler 237 in ein elektrisches Steuersignal d umgesetzt wird, das wiederum der Zentraleinheit 2 32 eingegeben wird. Ferner wird die Erregungsstromgröße I der externen Stromquelle 208 durch einen Wandler 240 in ein Steuersignal e umgesetzt und der Zentraleinheit 232 eingespeist.

Die vorher beschriebene mechanische Ablaßvorrichtung 210 ist in der Ablaßleitung 209 nicht vorhanden, vielmehr ist an ihrer Stelle ein automatisches Ventil 239, z.B. ein Solenoidventid oder Motorventil o.dgl., vorgesehen. Diesem automatischen Ventil 239 wird ein EIN/AUS-Signal m von der Zentraleinheit 232 zugeführt.

Die Zentraleinheit 232 führt die vorbestimmten Rechenverarbeitungen auf der Grundlage des auf der Drehzahl des Motors 217 beruhenden Eingangs- oder Eingabesteuersignals b, des auf die Temperatur des Kondensators 224

bezogenen Steuersignals c, des Steuersignals d für den Druck der Ablaßleitung 209 und des Steuersignals e bezüglich des ErregungsStroms für die supraleitende Spule 206 durch, wobei sie die von außen eindringende B Wärmemenge Q unter Heranziehung der Erregungsstromgröße mit dem Inhalt gemäß Fig. 6(a) ableitet und das Frequenzvorgabesignal a, das entsprechend der Größe Q eingestellt werden soll, an den Drehzahlregler 231 abgibt. Außerdem liefert die Zentraleinheit 232 ein EIN/AUS-Signal m zum automatischen Ventil 239 nach Maßgabe der in den Fig. 8 bis 10 dargestellten Steuer- oder Regelvorgänge.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Zwischen der Betriebsfrequenz f des Motors 217 und der Kälteleistung P des Kälteapparats 212 ist die folgende Beziehung erfüllt:

P = k · f

Darin bedeutet: k = Proportionalitätskonstante.

Gemäß Fig. 6 (b) werden die Kälteleistungskurven f , f..

und f- für die verschiedenen Betriebsfrequenzen f abgeleitet oder ermittelt. Die Kurve f_Q gemäß dieser graphischen Darstellung wird in dem Fall erhalten, wenn die Betriebsfrequenz so gewählt ist, daß die Kälte(erzeugungs)leistung P_Q bei der Temperatur von T₁ vorliegt. Auf ähnliche Weise werden die Betriebsfrequenzen (f.| und fj) so gewählt, daß die Kälteleistung bei T₁ für die Betriebsfrequenz von f^ gleich P₁ und bei T₁ für f₂ gleich P₂ ist. In diesem Fall gilt f_Q < f₁ < f₂, wobei f.. für die Betriebsfrequenz in dem Fall steht, daß die Drehzahl des Motors 217 nicht

auf die in Fig. 5 gezeigte Weise geregelt wird. Im folgenden sei zunächst der Fall betrachtet, in welchem die Größe des ErregungsStroms zur supraleitenden Spule gleich Null ist. Obgleich der Kälteapparat 212 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 auf dem Punkt b_Q betrieben wird, erfährt die Betriebsfrequenz gemäß Fig. 6(b) durch den variablen Wechselrichter-Drehzahlregler 231 bei der Anordnung gemäß Fig. 7 eine Änderung auf die Größe f_Q, wodurch der Betriebszustand des Kälteapparats 212 auf den mit b. bezeichneten Punkt gesetzt wird.

Hierbei arbeitet die Zentraleinheit 232 gemäß dem Fließdiagramm von Fig. 8. Dies bedeutet, daß die Zentraleinheit 232 eine Regelung in der Weise ausführt, daß die Betriebsfrequenz f zunächst entsprechend dem Erregungsstrom I von Null auf f- gesetzt wird. Sodann wird die tatsächliche bzw. Ist-Betriebsfrequenz f durch den Drehzahlmesser 233 und den Drehzahlregler 231 auf dem Soll-Wert f gehalten. Wenn, wie in diesem Fall, f ¥ f_Q gilt, wird die Feinänderungsgröße Af hinzuaddiert oder subtrahiert, so daß f = f_Q gilt. Es sei angenommen, daß mit P ₁ der in der Innenkammer 203 herrschende Druck bezeichnet ist, der unabhängig thermodynamisch für die Temperatur des Kondensators 224 bestimmt wird, und daß die Temperatur Τ, (z.B. 4,2K) des flüssigen Heliums 205 mit obiger Größe abgeglichen ist. Außerdem sei angenommen, daß mit P- der in der Innenkammer 203 herrschende konstruktiv zulässige Druck bezeichnet ist, der niedriger ist als der Druck der Innenkammer 203, bei welcher die Sollbruch^scheibe der Ablaßvorrichtung 211 bricht. In diesem Fall gilt P^P

^rO * *r1 *

Die Ansteuerung erfolgt entsprechend der folgenden Sequenz:

1. Der in der Innenkammer 203 herrschende Druck P und der konstruktiv zulässige Druck Pq der Innenkammer werden miteinander verglichen. Wenn P > P _Q gilt, öffnet das automatische Ventil 239, wobei Druck abgelassen wird, bis P = P- gilt. Die Zahl N dieser Öffnungsvorgänge wird gezählt. Wenn diese Operation häufig oder wiederholt durchgeführt wird und N in einer konstanten Zeitspanne größer wird als N_Q, bedeutet dies, daß eine Regelung unmöglich ist, weshalb die Ansteuerung des Kälteapparats 212 beendet wird. Im Fall von P < P _Q geht die Verarbeitung auf den Schritt 2. über.

2. P und P ₁ werden verglichen. Wenn P = P ₁ vorliegt, wird dieser Zustand aufrechterhalten. Im Fall von P < P . wird die Frequenz um die Feinänderungsgröße von Af verringert, wodurch die Kälteleistung herabgesetzt und die Menge des verdampften Heliums vergrößert werden, wodurch der Druck in der Innenkammer 203 erhöht wird. Im Fall von P > P₁ wird die Frequenz um die Feinänderungsgröße Af _Q erhöht, wodurch die Kälteleistung erhöht und die Menge des wiederkondensierten gasförmigen Heliums vergrößert werden und damit der Druck in der Innenkammer 203 verringert wird. Nach diesen Vorgängen werden P und P . erneut miteinander verglichen. Durch Wiederholung der Schritte 1. und wird der Betrieb des Kälteapparats 212 auf die durch den Punkt b. auf der Kennlinie gemäß Fig. 6 angegebene Weise geregelt.

Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem die supraleitende Spule 206 erregt und durch die Erregung auf der Größe I . < I< I gehalten wird.

min max Nachstehend sei zunächst beispielsweise der Fall

-3T-I= I _v erläutert. Gemäß Fig. 6(b) wird der Kälte-

ITiO-X

apparat 212 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 auf dem Punkt b₂ betrieben; bei der Anordnung nach Fig.7 wird dagegen der Betriebszustand des Kälteapparats 212 durch Änderung der Betriebsfrequenz auf die Größe f₂ auf den Punkt b₅ geregelt. Dabei führt die Zentraleinheit 232 eine Steuerung entsprechend dem Fließdiagramm gemäß Fig. 10 durch. Die Ansteuerung (driving control) erfolgt gemäß der folgenden Sequenz 3. und 4.

3. Bei der Einstellung der Frequenz f^ entsprechend der gewünschten Erregungsstromgröße I wird die Be-

max

triebsfrequenz auf die in Fig. 9 gezeigte Weise geändert. Um nämlich die Nachfolgeeigenschaft in Zusammenhang mit der Änderung der Kälteleistung zu verbessern, wird die Betriebsfrequenz für die Zeitspanne AT„ bei der Betriebsfrequenz von

f = ^f2 ⁺ ^^F2 ^"^2 ^: überSteuerungsgröße)

übersteuert. In diesem Fall werden die Größen AF₂ und ΔΤ- auf der Grundlage der jeweiligen Änderung der Kälteleistung des verwendeten Kälteapparats auf die optimalen Werte gesetzt. Nach der Übersteuerung wird die Betriebsfrequenz auf f₂ festgelegt, und die Betriebsfrequenz wird auf eine konstante Größe, ähnlich wie im Fall von I=O, geregelt.

4. Die Betriebsfrequenz wird, wie im Fall von I =0, so geregelt, daß P = P * gilt.

Durch Wiederholung der Schritte 3. und 4. wird der ' Betriebszustand des Kälteapparats 212 entsprechend dem Punkt b₅ auf der Kennlinie gemäß Fig. 6(b) eingestellt.

Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem die supraleitende Spule 206 entregt und durch Erregung auf der Größe I . < I < I _ax gehalten wird. In diesem Fall erfolgt eine Regelung, die im wesentlichen dem oben beschriebenen Erregungsfall entspricht, nur mit dem Unterschied, daß die Art der Änderung der Betriebsfrequenz unterschiedlich ist. Dies bedeutet, daß gemäß Fig. 9 die Frequenz auf f.. von f₂ über (f.. - AF₁) übergeht und im Fließdiagramm gemäß Fig. 10 I = I durch I=I. substituiert wird

max mm

und die Frequenzen f~ und AF₀ durch f₁ bzw. AF₁ ersetzt werden.

Wie vorstehend beschrieben, kann bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die Drehzahl des Motors 217 zum Antreiben des Verdichters 216 des Kälteapparats geregelt werden. Die Kälteleistung des Kälteapparats 212 kann somit so geregelt werden, daß sie der Änderung der Eindringwärmemenge entsprechend der Änderung der Größe des Erregungsstroms entspricht, welcher der Spule 206 durch die externe Stromquelle 208 geliefert wird. Da hierbei das Regelansprechen gut ist und die Kälteleistung ungeachtet von Änderungen der Eindringwärmemenge ebenfalls gut ist, kann der der supraleitenden Spule 206 zugeführte Erregungsstrom in einem weiten Größenbereich liegen. Da außerdem eine Unterdruckerscheinung im J-T-Rohrleitungssystem vermieden wird, dringen in der Nähe des J-T-Ventils 230 keine Verunreinigungen in dieses Rohrleitungssystem ein. Demzufolge verringert sich die Leistungsfähigkeit des Kälteapparats 212 nicht, so daß die Betriebsleistung (operability) ausgezeichnet ist. Da weiterhin die Leistung des Kälteapparats 212 durch Regelung der Drehzahl des Motors geregelt wird, kann eine zeitabhängige Verschlechterung der Kälteleistung auf noch

-Vi-

zu beschreibende Weise kompensiert werden, so daß der Kälteapparat 212 über einen langen Zeitraum hinweg stabil betrieben werden kann. Da weiterhin der Motor 217 durch den genannten Drehzahlregler 231 geregelt wird, kann der Stromverbrauch des Motors 217 auf ein Mindestmaß verringert werden. Infolgedessen läßt sich ein höchst zuverlässiger Betrieb über eine lange Zeitspanne hinweg gewährleisten.

Im folgenden ist nun für den Fall, in welchem die supraleitende Magnetvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform kontinuierlich über einen langen Zeitraum hinweg betrieben wird, die Funktion zum Kompensieren der Verschlechterung der Kälteleistung des Kälteapparats 212 im Zeitverlauf erläutert. Zunächst ist ein entsprechendes Beispiel anhand der Fig. 11 und 12 beschrieben. Gemäß Fig. 11 nimmt die Kälte(erzeugungs)-leistung P des Kälteapparats 212 im allgemeinen zeitabhängig ab, was sich durch die Zeitfunktion P(t) ausdrücken läßt. In der graphischen Darstellung von Fig.11 stehen P_ für die Anfangskälteleistung und P^ für die Kälteleistung des Kälteapparats zu dem Zeitpunkt, zu dem er einer Wartung bedarf. Bei der Konstruktion der supraleitenden Magnetvorrichtung muß die Bedingung Pf > HP₂ erfüllt sein, worin £ einen Sicherheitsfaktor und P„ die Kälteleistung gemäß Fig. 6(b) bedeuten.

Wenn gemäß Fig. 12 die Erregungsstromgröße I gesetzt bzw. vorgegeben wird, werden die Eindringwärmemenge Q ermittelt und die Betriebsfrequenz f zur Gewährleistung einer Kälteleistung entsprechend dieser Eindringwärmemenge bestimmt. Diese Betriebsfrequenz f gilt jedoch für den Fall, daß sich die Kälteleistung nicht zeitabhängig verschlechtert. Da die Ablaufzeit t^ vom Beginn des Betriebs bekannt ist, kann ein Verschlechterungs-

faktor n(t.) anhand von gemäß Fig. 11 bekannt

^PO
sein. Der Kälteapparat 212 wird bei einer Frequenz F(t-)*f mit einer Frequenzanstiegsrate F(t..) zum Kompensieren dieser Verschlechterungsgröße >\(t₁) be-'

trieben, wodurch die zeitabhängige Verschlechterung der Kälteleistung kompensiert bzw. ausgeglichen wird. Für die praktische Durchführung dieser Kompensation wird die Kennlinie gemäß Fig. 11 vorher in der Zentraleinheit 232 gespeichert. Wenn eine Abweichung zwischen dem Meßwert des Temperaturmessers 234 oder des Druckmessers 236 (Fig. 7) und der Zielgröße vor dem Zeitpunkt auftritt, zu dem die Kälteleistung zu P^ wird, kann die Zentraleinheit 232 das Frequenzvorgabesignal zum genannten Drehzahlregler 231 ausgeben, um damit diese Abweichung zu kompensieren.

Im folgenden ist eine andere Möglichkeit zum Kompensieren der zeitabhängigen Verschlechterung der Kälteleistung des Kälteapparats 212 anhand von Fig. 13 be-

^O schrieben. Wenn nämlich die Erregungsstromgröße I für die supraleitende Spule 206 eingestellt oder vorgegeben wird, wird die dieser Größe entsprechende Betriebsfrequenz f bestimmt. Wenn der Druck P in der Innenkammer 203 aufgrund der Verschlechterung der Kälteleistung bei auf der Frequenz f betriebener Vorrichtung niedriger ist als P ., wird die Betriebsfrequenz um Af erhöht. Die Vorrichtung wird dann mit der Betriebsfrequenz von (f + Af) betrieben. Die Betriebsfrequenz wird erhöht, bis P gleich P ₁ ist, so daß

auf diese Weise die zeitabhängige Verschlechterung der Kälteleistung kompensiert wird. Diese Kompensationsfunktion ist im Fließdiagramm gemäß Fig. 10 enthalten. Für die praktische Ausführung dieser Kompensation wird der Meßwert des Temperaturmessers oder des Druckmessers 236 (Fig. 7) der Zentraleinheit 232 zu

jedem vorgegebenen Zeitpunkt eingegeben, und die Meßwerteingabe wird in der Zentraleinheit mit dem Sollwert verglichen. Beim Auftreten einer Abweichung kann das Frequenzvorgabesignal a von der Zentraleinheit 232 zum variablen Wechselrichter-Drehzahlregler 231 ausgegeben werden, um damit diese Abweichungsgröße zu kompensieren.

Eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist nachstehend anhand von Fig. 14 erläutert, in welcher den Teilen von Fig.7 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert sind. Gemäß Fig. 7 wird die Drehzahl des Motors 217 durch den variablen Wechselrichter-Drehzahlregler 231 geregelt; bei der Abwandlung gemäß Fig. 14 kann dagegen anstelle dieser Regelung die Hauptströmungsmenge des Kältemittels geregelt oder gest'euert werden. Zu diesem Zweck sind ein Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und ein -Maßgerät 247 in Reihe in die Kältemittel-Speiseleitung 214 an der Auslaßseite des Verdichters 216 eingeschaltet. Eine übertragungsleitung 245 ist zwischen das genannte Einstellventil 246 und die Einlaßseite des Verdichters 216 geschaltet. In dieser Überbrückungsleitung 245 sind ein

überbrückungs strömungsmengen-Einstellventil 249 und ein

gießgerät 250/angeordnet. Die vom Hauptströmungsmengen-Meßgerät 247 und vom Überbrückungs^strömungsmengen-Meßgerät 250 gemessenen Strömungsmengen werden durch Wandler 248 und 251 in elektrische Steuer- oder Regelsignale g und h umgesetzt, die der Zentraleinheit 232 eingegeben werden.

Neben den genannten elektrischen Regelsignalen e und h werden das auf die Temperatur des Kondensators 224 bezogene Regelsignal c, das auf den Druck der Ablaßlei-

ko<

"" Ja) ™"

tung 209 bezogene Regelsignal e und das auf den Erregungsstrom der supraleitenden Spule 206 bezogene Regelsignal e, ähnlich wie in Fig. 7, der Zentraleinheit eingegeben. In der Zentraleinheit 232 finden vorbestimmte Rechenverarbeitungen statt, aufgrund derer Ventilöffnungs-Befehlssignale i und j dem Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und dem tfoerbrückungsströmungsmengen-Einstellventll 249 geliefert werden; gleichzeitig wird das EIN/AUS-Signal m zum automatischen Ventil 239 geliefert.

Mit der beschriebenen Abwandlung der zweiten Ausführungsform wird dieselbe Wirkung wie bei letzterer erzielt. Außerdem kann dabei der Regelbereich des Kälteapparats 212 weit sein, weil das Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und das Überbrücküngsströmungsmengen-Einstellventil 249 an der Auslaßseite des Verdichters 216 der Kältemittel-Speiseleitung 214 bzw. in der Überbrückungsleitung 245 vorgesehen sind.

Im folgenden ist eine weitere Abwandlung der zweiten Ausführungsform anhand von Fig. 15 beschrieben, in welcher wiederum den Teilen von Fig. 7 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert sind. Während bei der Anordnung gemäß Fig. 7 die Drehzahl des Motors 217 durch den Drehzahlregler 231 geregelt wird, kann stattdessen auch der Druck des Kältemittels im J-T-Rohrleitungssystem eingestellt oder geregelt werden.

Zu diesem Zweck sind die J-T-Speiseleitung 225 und die -Rücklaufleitung 226 nicht an Kältemittel-Speiseleitung 214 bzw. -R ücklaufleitung 215 angeschlossen, sondern die Auslaß- und Einlaßseiten eines Verdichters 252 sind an die Leitungen 225 bzw. 226 angeschlossen.

Zwischen Auslaß- und Einlaßseite des Verdichters 252

-yi-

ist ein Druckeinstellventil 254 vorgesehen. Mit dem Verdichter 252 ist ein Motor 253 für seinen Antrieb verbunden. Andererseits befindet sich ein Druckmesser 255 an der Einlaßseite des Verdichters 252 der J-T-Rücklaufleitung 226. Durch diesen Druckmesser 255 wird der Druck an der Einlaßseite gemessen, und der Meßwert wird durch einen Wandler 256 in ein elektrisches Regelsignal O umgesetzt, das der Zentraleinheit 232 eingegeben wird. Neben diesem Signal O werden auch das Regelsignal c für die Temperatur des Kondenstors 224, das Regelsignal d für den Druck der Ablaßseite 209 und das Regelsignal e für den Erregungsstrom der supraleitenden Spule 206 auf ähnliche Weise wie in Fig. 7 der Zentraleinheit eingegeben. Letztere führt vorbestimmte Rechenverarbeitungen aus, so daß ein Ventilöffnungs-Befehlssignal 1 zum Druckeinstellventil 254 geliefert wird, während gleichzeitig das EIN/AUS-Signal m zum automatischen Ventil 239 geliefert wird.

Mit dieser zweiten Abwandlung wird eine ähnliche Wirkung erzielt wie bei der vorher beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung. Da hierbei das Druckeinstellventil 254 zwischen J-T-Speiseleitung 225 und -Rücklaufleitung 226 angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, daß eine hohe Zuverlässigkeit ohne Verringerung des Kältemitteldrucks in der J-T-Rücklaufleitung 226 gegenüber einer konstanten Größe, d.h. ohne einen Abfall in negativer Richtung, erzielt wird.

Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 die Drehzahl des Motors 217 für den Antrieb des Verdichters durch den genannten Drehzahlregler 231 geregelt wird, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die Drehzahl des Motors 217 mittels eines Wechselgetriebes o.dgl. geregelt werden. Der bei

der zweiten Ausführungsform verwendete kleine Kälteapparat ist vorstehend unter Berücksichtigung des Gif ford McMahon-* oder des Solvay-Typs beschrieben; eine ähnliche Wirkungsweise wird jedoch auch in dem

& Fall erzielt, daß ein Kälteapparat vom Stirling-Typ verwendet wird.

Mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung und ihren jeweiligen Abwandlungen wird somit eine supraleitende Magnetvorrichtung geschaffen, bei welcher die Kälte(erzeugungs)leistung des kleinen Kälteapparats in Abhängigkeit von der Änderung der Eindringwärmemenge im Zusammenhang mit der Änderung der Größe des Erregungsstroms für die supraleitende Spule eingestellt werden kann, bei welcher der Betriebsstrom für die supraleitende Spule ohne die Gefahr für ein Eindringen von Verunreinigungen in die Rohrleitungsanlage auf eine innerhalb eines weiten Bereichs liegende Größe eingestellt werden kann, bei welcher die Temperatur oder der Druck des Kältemittels stets auf eine konstante Größe geregelt werden kann und die über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig zu arbeiten vermag.

Ersichtlicherweise kann die bei der zweiten Ausführungsform angewandte Technik der Regelung der Kälteleistung des kleinen Kälteapprats nach Maßgabe der Eindringwärmemenge auch auf die erste Ausführungsform angewandt werden (insbesondere auf die Vorrichtungen unter Verwendung der beiden kleinen Kälteapparate gemaß Fig. 2 und 3).

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Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Supraleitende Magnetvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Kälte-Isoliergefäß (104) aus einer Innenkammer (103), in die ein Kältemittel (102) eingeschlossen ist, einer die Innenkammer (103) umschließenden Außenkammer (105) und einem zwischen Innen- und Außenkammer (103 bzw. 105) angeordneten Wärmeabstrahl-Abschirmelement (106), wobei das Isoliergefäß (104) eine bei sehr tiefer Temperatur in die Innenkammer (103) eingeschlossene supraleitende Spule (101) enthält,

eine Strom (versorgings) leitung (110) zur Lieferung eines ErregungsStroms zur supraleitenden Spule (101), einen Kondensator (recondenser) (125) zum Wiederkondensieren des Gases des in der Innenkammer (103) verdampften Kältemittels (102) und eine kleine Kälteapparateinrichtung (120, 130) mit mehreren Stufen (124, 134, 135), die an die Stromleitung (110) und den Kondensator (125) thermisch angekoppelt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter- oder Leitungsquerschnittsflächen und die Leitungslängen der Stromleitung (110) zwischen den Kälte(apparat)stufen (134, 135) so festgelegt sind, daß die Menge der Eindringwärme (penetration heat) eine Mindestgröße besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Kälteapparateinrichtung (120, 130) unmittelbar am Kälte-Isoliergefäß (104) angebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Kälteapparateinrichtung (120) eine Kältestufe (124) aufweist, die thermisch an das Wärmeabstrahl-Abschirmelement (106) angekoppelt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Kälteapparateinrichtung erste und zweite kleine Kälteapparate (120, 130) mit jeweils mehreren Kältestufen (124, 134, 135) aufweist, welche an die Stromleitung (110) bzw. den Kondensator (125) thermisch angekoppelt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Kälteapparateinrichtung einen einzigen kleinen Kälteapparat (140) mit mehreren Kältestufen (144, 145) aufweist, die teilweise gemeinsam thermisch an die Stromleitung (110a) und den Kondensator angekoppelt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinheit (232) zur Regelung der Kälte(erzeugungs)leistung der kleinen Kälteapparateinrichtung nach Maßgabe der Menge der Eindringwärme vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit einen Drehzahlregler (231) für die Drehzahl eines Motors (217) zum Antreiben eines Verdichters (216) der kleinen Kälteapparateinrich-

tung (212) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 _r dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit eine Kältemittelströmungsmengen-Regeleinrichtung zur Regelung der Austragbzw. Auslaßströmungsmenge des Kältemittels von
einem Verdichter der kleinen Kälteapparateinrichtung aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit einen Kältemittel-Druckregler (246, 247, 249, 250) zur Regelung des Kältemitteldrucks in einem Verdichter der kleinen Kälteapparateinrichtung (212) in einem an den Verdichter (216) angeschlossenen J-T-Rohrleitungssystem aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit eine Einrichtung (239) zum

öffnen und Schließen eines automatischen Ventils

zum Ablassen oder Druckentlasten (bursting) in der Innenkammer (203) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit eine Einrichtung zum Kompensieren der zeitabhängigen Verschlechterung der
Kälteleistung der kleinen Kälteapparateinrichtung (212) aufweist.