DE3427601C2

DE3427601C2 -

Info

Publication number: DE3427601C2
Application number: DE3427601A
Authority: DE
Inventors: Kinya Matsutani; Katutoki Yokohama Jp Sasaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1988-04-21
Also published as: DE3427601A1; KR850000746A; KR890003871B1; GB2145506A; GB8418769D0; US4543794A; GB2145506B

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Magnet nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1; vgl. "ETZ-A", 89 (1968), Seiten 311 bis 317. Ein solcher Magnet kann beispielsweise bei einer Einkristall-Ziehvorrichtung oder einem Magnetresonanzabbildungssystem (MRI-System) verwendet werden.

Bei dem bekannten Magnet erfolgt die Kühlung der Stromversorgungsleitung mittels eines Kaltgasstromes, welcher bei tiefen Temperaturen abgezweigt, auf Umgebungstemperatur angewärmt und dann wieder einer Kältemaschine zugeführt wird. Die Stromversorgungsleitung wird also durch verdampftes Kältemittel gekühlt, so daß die benötigte Gasmenge beträchtlich ist. Im einzelnen hat der bekannte Magnet eine gasdichte Begrenzung einer Außenkammer, die sich auf Umgebungstemperatur befindet, und ein innerhalb dieser Begrenzung vorgesehenes Strahlenschild, das zwischen der Begrenzung und der supraleitenden Spule liegt. Eine gasgekühlte Stromversorgungsleitung führt über eine Öffnung in der Begrenzung durch das Strahlenschild hindurch zur Spule. Die Spule, das Strahlenschild und die Begrenzung sind jeweils über entsprechende Leitungen mit einer Kältemaschine verbunden.

Weiterhin ist aus "Rev. Sci. Instrum." 50 (1979), Seiten 1382-1384 ein Kryostat bekannt, bei dem eine Kältemaschine direkt angebaut ist. Bei diesem Kryostat sind die Kühlstufen der Kältemaschine mit Strahlungsschildern gekoppelt, und eine Stromversorgungsleitung ist entlang einer Zufuhrleitung für flüssiges Helium geführt.

Bei beispielsweise einer Einkristall-Ziehvorrichtung muß die Fremdatomkonzentration im Einkristall durch Ändern oder Steuern der Magnetfeldstärke während des Ziehens des Einkristalls eingestellt werden. Hierzu ist es erforderlich, die Magnetfeldstärke über die Größe des Erregungstromes einzustellen bzw. zu variieren.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakt gestalteten supraleitenden Magnet der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bei geringem Verbrauch an Kältemittel eine zuverlässige Kühlung insbesondere der Stromversorgungsleitungen und des Abschirmelementes gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnet nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenden Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem Patentanspruch 2.

Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines supraleitenden Magnets, bei dem die Menge an gasförmigem Kältemittel gering ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 schematische Darstellungen eines supraleitenden Magnets gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sowie verschiedener Abwandlungen desselben,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 und 6 graphische Darstellungen von Kennlinien für die Beziehung zwischen der eindringenden Wärmemenge und dem Erregungsstrom an der supraleitenden Spule bei der zweiten Ausführungsform, bzw. die Beziehung zwischen der Kälteleistung der Kältemaschine und dem genannten Erregungsstrom,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform,

Fig. 8 und 10 Fließ- oder Ablaufdiagramme zur Erläuterung des Betriebs der Abwandlung 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 Abwandlung nach Fig. 7 im Zeitverlauf sowie für die Kompensationsfunktionen dafür und

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

Fig. 1 veranschaulicht den Aufbau eines supraleitenden Magnets 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 eingelassen ist.

Zwei kleine Kälteapparate 120 und 130, die gemeinsam eine Kältemaschine 140 bilden, sind unmittelbar an einem Kryostat (im folgenden auch Kälte-Isoliergefäß oder -behälter genannt) 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 Kältestufe 124, die auf die Temperatur eines Wärmeabstrahl-Abschirmelements 106, z. B. auf 80 K, 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. 4,2 K gekühlt wird. Die erste Kältestufe 124 ist unmittelbar mit dem 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 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. 80 K gekühlt wird, und eine dritte Kältestufe 135, die durch das Kältemittel 131 auf z. B. 20 K abgekühlt wird.

Eine Stromversorgungsleitung (im folgenden auch Stromleitung genannt) 110 für die Erregungsstromzufuhr zur Spule 101 verläuft aus dem flüssigen Helium 102 durch die Innenkammer 103 und das Abschirmelement 106. Nach gewünschter Leiterlänge und gewünschtem Leiterquerschnitt ist die Stromleitung 110 an die dritte Kältestufe 135 angeschlossen. Weiterhin ist sie nach Festlegung der gewünschten Leiterlänge und des gewünschten Leiterquerschnitts an die zweite Kältestufe 134 angeschlossen. Schließlich verläuft die Stromleitung 110 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 Verdampfungsphase 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.

Der supraleitende Magnet 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. 4,2 K) und der Atmosphäre (z. B. 300 K) 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 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. 4,2 K) und der dritten Kältestufe 135 (von z. B. 20 K), zwischen der dritten Kältestufe 135 und der zweiten Kältestufe 134 (von z. B. 80 K) sowie zwischen der dritten Kältestufe 135 und der Außenkammer 105 (von z. B. 300 K) 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

in der Gleichung

gilt, erreicht die Eindringwärmemenge die Mindestgröße

In obigen Gleichungen bedeuten:

Q = Eindringwärmemenge I = Strom λ = Wärmeleitfähigkeit α = ρ/T mit ρ: spezifischer Widerstand der Stromleitung, T: Temperatur C = Wärmeleitfähigkeit τ = I · T _h = Temperatur des Hochtemperaturteils T _c = 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 zum bisherigen Magneten nicht nötig ist, eine Gaskühlung der Stromleitung 110 vorzunehmen. 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 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 Flüssigkeitströpfchen. 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. 80 K) 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 einem kompakt gebauten Magnet erzielt.

Der vorstehend beschriebene supraleitende Magnet gewährleistet die folgenden Wirkungen:

a) Die Stromleitung 110 wird durch die zweite und dritte Kältestufe 134 bzw. 135 des kleinen 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 zu bisherigen Magneten vermieden, bei denen die Stromleitung mittels des Gases des verdampften Heliums gekühlt wird.
b) Aufgrund der beschriebenen Direktkühlung der Stromleitung 110 kann die Magnetfeldstärke, d. h. die Erregungsstromgröße, auch im Betrieb des supraleitenden Magnets ohne Unterbrechung des supraleitenden Zustands beliebig geändert werden. Demzufolge kann beispielsweise in dem Fall, in welchem der erfindungsgemäße supraleitende Magnet für eine Einkristall- Ziehvorrichtung angewandt wird, die 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 der gesamte Magnet kompakt ausgebildet sein kann.
d) Bei der beschriebenen Vorrichtung sind die kleinen Kälteapparate 120 und 130, deren Größe und Leistung der kleinen supraleitenden Spule angepaßt ist, unmittelbar am Isoliergefäß 104 angebracht, so daß auf diese Weise ein kompakt gebauter und kostengünstiger Magnet realisiert werden kann.

Im folgenden sind Abwandlungen der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform erläutert.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Abwandlung wird die Temperatur der zweiten Kältestufe 134 des zweiten kleinen Kälteapparats 130 zum Kühlen der Stromleitung 110 auf die gleiche Größe eingestellt wie die Temperatur der ersten Kältestufe 124 des ersten kleinen Kälteapparats 120, wobei ein Teil des Wärmeabstrahl- Abschirmelements 106 a unmittelbar an der betreffenden Kältestufe 134 angebracht ist. Weiterhin ist die Stromleitung 110 zwischen dem flüssigen Helium 102 und der zweiten Kältestufe 134 durch das Abschirmelement 106 bei der betreffenden Temperatur (z. B. 80 K) thermisch abgeschirmt, so daß die Eindringwärmemenge von der Stromleitung 110 weiter herabgesetzt wird.

Fig. 3 veranschaulicht eine andere Abwandlung der zuerst beschriebenen Ausführungsform der Erfindung.

Bei dieser Abwandlung ist eine kleine Kältemaschine 140 ebenfalls unmittelbar an der Außenkammer 105 eines Kälte-Isoliergefäßes 104 angebracht. Diese Kältemaschine 140 weist eine Verdichtereinheit 142, eine Expansionseinheit 143 sowie drei Kältestufen 124, 135 und 125 auf. Diese Kältestufen sind auf sequentiell niedrigere Temperaturen eingestellt (z. B. 80 K, 20 K bzw. 4,2 K). Aufgrund dieser Anordnung erfährt der Heliumdampf in der Innenkammer 103 eine augenblickliche Wiederkondensierung beim Kühlen der Stromleitung 110. Mit dieser Anordnung kann ein noch kompakterer supraleitender Magnet realisiert werden.

Im folgenden sind eine zweite Ausführungsform der Erfindung sowie Abwandlungen derselben anhand der Fig. 4 bis 15 beschrieben.

Fig. 4 veranschaulicht den Grundaufbau eines supraleitenden Magnets gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau dieses Magnets ähnelt demjenigen der beschriebenen Abwandlung gemäß Fig. 3.

Auch hierbei sind wieder ein Wärmeabstrahl-Abschirmelement 106 in einer Außenkammer 105 angeordnet und eine Innenkammer 103 im Inneren des Abschirmelements 106 vorgesehen. Die genannten Bauteile bilden das Kälte- Isoliergefäß 104. In die Innenkammer 103 ist flüssiges Helium 102 eingeschlossen, das durch eine kleine, noch zu beschreibende Kältemaschine 140 auf eine sehr tiefe Temperatur von z. B. 4,2 K gekühlt wird. Im Inneren der Innenkammer 103 ist die supraleitende Spule 101 mittels einer entsprechenden, nicht dargestellten Halterung gehaltert. Die Spule 101 ist elektrisch mit dem einen Ende einer Stromleitung 110 verbunden, deren anderes Ende sich in einem Raum von Normaltemperatur außerhalb des Isoliergefäßes 104 bildet. Dieses andere Ende der Stromleitung 110 ist elektrisch an eine externe Stromquelle 104 angeschlossen, durch welche die Spule 101 erregbar ist. Das eine Ende einer Ablaßleitung 209 ist an die Innenkammer 103 angeschlossen, um einen etwaigen, in der Innenkammer 103 entstehenden abnormalen Heliumgasdruck zur Außenseite der Außenkammer 105 ablassen zu können. Das andere Ende der Ablaßleitung 209 befindet sich im Außenbereich und ist an eine mechanische Berstdruck-Ablaßvorrichtung 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 die genannte Kältemaschine eine kleine Helium-Kältemaschine üblicher Bauart verwendet, die auf nachstehend beschriebene Weise aufgebaut ist. An der Außenfläche der oberen Wand der Außenkammer 105 ist ein Kältemaschinen-Kopfteil 213 angeordnet. Ein Verdichter 216 zum Verdichten von Helium ist mit einer Kältemittel-Speiseleitung 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 124 zum Kühlen der Stromleitung 110 und des Wärmeabstrahl-Abschirmelements 106. Diese Kältestufe 124 befindet sich außerhalb des Abschirmelements 106 in der Außenkammer 105. Eine zweite Kältestufe 135 zum Kühlen der Stromleitung 110 schließt sich an die erste Kältestufe 124 an. Die Kältestufe 135 befindet sich innerhalb des Abschirmelements 106. Die beiden Kältestufen 124 und 135 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 tiefen Temperatur des Heliums, das durch die Verdichtungs- und Expansionswirkungen des Kolbens gekühlt wird, sowie Elemente, z. B. Flansche 218 A und 219 A, die sowohl für mechanische Halterungszwecke als auch zur Wärmeableitung dienen. Der Flansch 218 A der ersten Kältestufe 124 ist mechanisch mit dem Abschirmelement 106 so verbunden, daß ein Wärmeübergang auf ihn erfolgt. Andererseits sind der Flansch 218 A der ersten Kältestufe 124 und eine Wärmestation 220 an der ersten Stufe der Stromleitung 110 über ein Wärmeübertragungselement 221 mit guter Wärmeleitfähigkeit mechanisch verbunden, so daß eine Wärmeübertragung zwischen ihnen erfolgen kann. Weiterhin sind der Flansch 219 A der zweiten Kältestufe 135 und eine zweite Wärmestation 222 an der zweiten Stufe der Stromleitung 110 auf ähnliche Weise über ein Wärmeübertragungselement 223 miteinander verbunden.

Die im folgenden einfach als Kondensator bezeichnete Helium-Kondensationsvorrichtung 125 innerhalb der Innenkammer 103 dient zum Wiederkondensieren des durch Verdampfung des flüssigen Heliums 102 entstandenen Heliumgases. Jedes Ende eines Joule-Thomson- bzw. J-T-Speiserohrs 225 und eines J-T-Rücklaufrohrs 226 ist mit Einlaßseite bzw. Auslaßseite des Kondensators 125 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 Kältemaschinen-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 229 der dritten Stufe in Reihe geschaltet.

Ein Wärmeübertragungselement 218 B, das vom Flansch 218 A der ersten Kältestufe 124 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 219 A der zweiten Kältestufe 135 abgehendes Wärmeübertragungselement 219 B 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 125 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 die Kältemaschine 212 gebildet.

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

Das eine Ende der Stromleitung 110 befindet sich im Raum oder Bereich von Normaltemperatur (z. B. 300 K), während sich ihr anderes Ende durch die Außenkammer 105 und das Abschirmelement 106 in die Innenkammer 103 erstreckt. Die Wärme vom Normaltemperaturbereich kann mithin infolge der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeabstrahlung der Stromleitung 110 in die Innenkammer 103 eintreten, so daß das auf sehr niedriger Temperatur (z. B. 4,2 K) gehaltene Helium 102 verdampft.

Zur Minimierung der Verdampfung des flüssigen Heliums 102 ist in der Außenkammer 105 das Wärmeabstrahl-Abschirmelement 106 vorgesehen. Dieses wird auf noch näher zu beschreibende Weise durch die erste Kältestufe 124 auf 70-100 K abgekühlt. Der größte Anteil der verschiedenen Arten der Eindringwärme vom äußeren Normaltemperaturbereich besteht in der über die Stromleitung 110 übertragenen Eindringwärme. Zur Verringerung dieses Wärmeanteils wird die Stromleitung 110 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 103 verdampfte Menge des flüssigen Heliums 102 aufgrund der beschriebenen Verringerung der Eindringwärme vergleichsweise klein (1-2 l/h). Dieses, von der Verdampfung herrührende gasförmige Helium wird durch den auf 4,2 K tiefgekühlten Kondensator 125 zu flüssigem Helium kondensiert bzw. verflüssigt und in die Innenkammer 103 zurückgeführt. Auf diese Weise kann der supraleitende Magnet ohne Neuzuführung von flüssigem Helium im Dauerbetrieb gehalten werden.

Bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung ist andererseits die über die Stromleitung 110 eindringende Wärmemenge gemäß folgender Gleichung der Erregungsstromgröße von der externen Stromquelle 109 proportional:

In obiger Gleichung bedeuten:

Q _p = Menge der Eindringwärme von der Stromleitung 110 I = Erregungsstrom α = ρ/T, p: spezifischer Widerstand der Stromleitung, T: Temperatur C = Wärmeleitfähigkeit der Stromleitung 110 T _h = Temperatur des Hochtemperaturteils T _c = Temperatur des Tieftemperaturteils.

Wenn beispielsweise T _h auf die Temperatur von 10-20 K der Wärmestation 222 der zweiten Stufe und T _c auf die Temperatur von 4,2 K des flüssigen Heliums 205 eingestellt sind, wird Q _p zur Eindringwärmemenge des flüssigen Heliums, und letzteres wird durch die von dieser Wärme abhängenden Verdampfungswärme verdampft. Wenn das durch die supraleitende Spule 101 erzeugte Magnetfeld geändert werden soll (z. B. bei Verwendung des Magnets für die Einkristall-Ziehvorrichtung und das MRI-System), wird der Erregungsstrom I proportional zur Magnetfeldstärke geändert. Die Eindringwärmemenge Q _p wird somit in Abhängigkeit davon gemäß obiger Gleichung variiert. Infolgedessen wird auch die Verdampfungsmenge des flüssigen Heliums variiert.

Im folgenden ist der Kälteerzeugungsbetrieb der Kältemaschine 140 beschrieben.

Das Kältemittel, d. h. das gasförmige Helium wird in dem durch den Motor 217 angetriebenen Verdichter 216 verdichtet und über die Kältemittel-Speiseleitung 214, den Kältemaschinen-Kopfteil 213, erste und zweite Kältestufe 124 bzw. 135 und Kältemittel-Rückflußleitung 215 geleitet. 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 124 auf 100-70 K und die zweite Kältestufe 135 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 abgezweigt und strömt in das J-T-Speiserohr 225 ein. Dieses abgezweigte gasförmige Helium durchströmt den Wärmetauscher 227 der ersten Stufe, die erste Kältestufe 124, den Wärmetauscher 228 der zweiten Stufe, die zweite Kältestufe 135 sowie den Wärmetauscher 229 der dritten Stufe, wobei es eine sehr niedrige Temperatur unter der Übergangstemperatur (z. B. unter 20 K vom Supraleitzustand zum Normalleitzustand annimmt. Beim Durchgang durch das J-T-Ventil 230 geht dieses Tieftemperatur-Helium aufgrund des sogen. Joule-Thomson-Effekts in eine Gas/Flüssigkeit- Zweiphasenströmung über, wenn es eine Temperatur von z. B. 4,2 K besitzt. Das Helium strömt dann in den Kondensator 125 ein. Das in der Innenkammer 103 verdampfte gasförmige Helium wird somit im Kondensator 125 vor seiner Rückführung zur Innenkammer 103 wieder verflüssigt. Das aus dem Kondensator 125 austretende gasförmige Helium durchströmt die Wärmetauscher 229, 228 und 227 der dritten, zweiten bzw. ersten Stufe sowie das J-T- Rücklaufrohr 226 und wird zum Verdichter 216 zurückgeführt.

Fig. 6 veranschaulicht die Kurve für die Kälteleistung des Kondensators 125 bei dieser Kältemaschine 140 von Fig. 4. Dabei sind auf der Abszisse die Temperatur T (K) des gasförmigen Heliums im Kondensator 125 und auf der Ordinate die Kälteleistung P (in Watt) desselben aufgetragen; die Symbole f₀, f₁ und f₂ stehen für die Betriebsfrequenzen des Motors 217 (z. B. f₁ = 50 Hz beim vorliegenden Ausführungsbeispiel). Fig. 5 veranschaulicht die Kennlinie für die Menge Q der Eindringwärme in das flüssige Helium 102 in Abhängigkeit von dem Erregungsstrom I.

In diesem Fall gilt Q = Q₀ + Q _p. Q _p steht dabei für die in obiger Gleichung angegebene Eindringwärmemenge von der Stromleitung 110. Q₀ steht für die Wärmemenge, die über eine nicht dargestellte Halterung für die supraleitende Spule und das Abschirmelement 106 (in den Magnet) übertragen wird. Q₀ ist dabei praktisch eine Konstante, die von dem Erregungsstrom unabhängig ist. Wenn die Größe des Erregungsstroms zur supraleitenden Spule 101 die Mindestgröße I _min besitzt, entspricht die Eindringwärmemenge in das flüssige Helium 102 gemäß Fig. 6 Q₁. Die Kälteleistung des Kondensators 125 (P₁ = Q₁) muß für das Kondensieren das gesamten, aufgrund dieser Wärmemenge Q₁ verdampften gasförmigen Heliums ausreichen. Gemäß Fig. 6 arbeitet in diesem Fall die Kältemaschine 140 auf einem Punkt b₁ der Kälteleistungskurve bei der Betriebsfrequenz von f₁. Dabei entspricht die Temperatur des Kältemittels und die damit im Gleichgewichtszustand befindliche Temperatur des flüssigen Heliums 102 der Größe T₁.

Wenn sodann der Erregungsstrom erhöht und die supraleitende Spule 101 bei der maximalen Größe I _max des Erregungsstroms betrieben werden, wird die Eindringwärmemenge in das flüssige Helium 102 gemäß Fig. 5 zu Q₂. In diesem Fall ist eine Kälteleistung von P₂ = Q₂ erforderlich; gemäß Fig. 6 wird die Kältemaschine 140 am Punkt b₂ der Kälteleistungskurve mit der Betriebsfrequenz von f₁ betrieben. Die Temperatur des flüssigen Heliums 102 wird zu diesem Zeitpunkt zu T₂. Wenn die Ansteuerung der supraleitenden Spule 101 beendet und der Erregungsstrom auf Null (Q₀ = T₀) eingestellt werden, so daß die Kältemaschine 140 am Punkt b₀ der Kälteleistungskurve mit der Betriebsfrequenz f₁ arbeitet, geht auf ähnliche Weise die Temperatur des flüssigen Heliums 102 auf T₀ über. Die Betriebsfrequenz des Motors 217 besitzt jedoch die konstante Größe f₁.

Im folgenden sei die Arbeits- oder Betriebstemperatur der Spule 101 betrachtet. Hierbei wird als supraleitende Spule 101 z. B. eine aus Nb-Ti-Supraleiterdrähten gewickelte und allgemein für eine Betriebstemperatur von etwa 4,2 K ausgelegte Spule verwendet. Die konstruktiv zulässige Temperaturspanne beträgt höchstens etwa +1 K. Eine höhere, über diesem Wert liegende zulässige Temperaturspanne kann ohne weiteres den sogenannten Normalzustand, d. h. den Übergang der Spule 101 in den Normalzustand hervorrufen, der eine Beschädigung der Spule 101 zur Folge haben kann.

Wenn im Fall von Fig. 6 T₁ auf die Entwurfs-Betriebstemperatur (z. B. 4,2 K) gesetzt ist, werden T₂ zu T₂ = T₁ + 1 (z. B. 5,2 K) und T₀ zu T₀ < T₁. Da das flüssige Helium 102 bei 4,2 K praktisch auf Atmosphärendruck gehalten wird, besitzt es bei der Temperatur von T₀ einen Unterdruck. Dies bedeutet, daß eine Unterdruckerscheinung in Innenkammer 103 und Kondensator 125 sowie in J-T-Speiserohr 225, J-T-Rücklaufrohr 226 und J-T-Ventil 230, die in der Nähe der Innenkammer 103 und des Kondensators 125 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 103 und Kondensator 125, das Abschirmelement, die gegenüber der Atmosphäre abgeschirmten Teile des Ventils 230 usw. eindringen. Da diese, in das J-T-Rohrleitungssystem eingedrungenen Verunreinigungen sich bei Temperaturen unter 4,2 K verfestigen, kann dann, wenn ein solcher Zustand für längere Zeit vorliegt, insbesondere das J-T-Rohrleitungssystem, das kleinere Innendurchmesser besitzt als Kältemittel-Speise- und -Rücklaufleitung 214 bzw. 215, durch diese Verunreinigungen leicht verstopft werden. In einem solchen Fall kann die Kältemaschine 140 nicht wirksam arbeiten.

Zur Vermeidung einer solchen Störung gilt vorzugsweise T₀ < 4,2 K, und es werden vorzugsweise das J-T-Rohrleitungssystem und die Innenkammer 103 auch im Nichterregungszustand unter einen Druck über dem Atmosphärendruck gesetzt. Da in diesem Fall jedoch die Betriebstemperatur begrenzt ist, so daß T₂ < 5,2 K oder T₂-T₀ ≈1 K gilt, kann der Bereich zwischen I _min und I _max nicht so weit sein wie im Fall von T₀ < 4,2 K. Dies bedeutet, daß der Magnetfeld-Änderungsbereich schmal wird, so daß die Vorrichtung möglicherweise nicht für z. B. die Einkristall-Ziehvorrichtung oder das MRI-System eingesetzt werden kann. Wenn weiterhin die Kältemaschine 140 ihre jeweiligen Betriebspunkte b₀, b₁ und b₂ (Fig. 6) ändert oder wechselt, ändert die Kälteleistung bei P = Q in ungünstiger Weise ihre Eindringwärmemenge aufgrund der Änderung des Erregungsstroms. Die Änderungszeitkonstante in der Kälteleistung ist nämlich so groß, daß sie beispielsweise mehrere Stunden betragen kann. Bei einer Änderung des Erregungsstroms ist daher die Änderungszeitkonstante im Erregungsstrom kleiner als die Änderungszeitkonstante der Kälteleistung der Kältemaschine 140. Der supraleitende Magnet arbeitet demzufolge in einem Zustand, in welchem Eindringwärmemenge und Kälteleistung ständig unausgeglichen sind. Wenn beispielsweise der Erregungsstrom erhöht wird, vergrößert sich die von außen eindringende Wärmemenge in Abhängigkeit von dem Erregungsstrom; die Kälteleistung des Kondensators 125 ändert sich dagegen kaum. Die Verdampfung des flüssigen Heliums 102 nimmt daher, ebenso wie der Druckanstieg in der geschlossenen Innenkammer, 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 104 abgelassen. Anschließend stellt sich eine mangelhafte Kälteleistung ein; im ungünstigsten Fall scheinen Eindringwärmemenge und Kälteleistung gegeneinander ausgeglichen zu sein, obgleich das in der Innenkammer 103 enthaltene flüssige Helium 102 vollständig verdampft und über die mechanische Ablaßvorrichtung 210 in die Atmosphäre abgelassen worden ist, bevor dieser Betriebszustand beendet wird. Andererseits kann auch der Fall eintreten, daß der Innenkammerdruck zu schnell ansteigt, so daß die Sollbruchscheiben-Ablaßvorrichtung 211 das flüssige Helium 102 vollständig in die Atmosphäre entläßt. In diesem Fall besteht die Möglichkeit dafür, die Einstellung oder den Öffnungsgrad des J-T-Ventils 230 von Hand zu ändern, um den Gleichgewichtspunkt herbeizuführen. Eine solche Einstellung ist jedoch sehr schwierig und nur durch eine erfahrene Bedienungsperson zufriedenstellend durchführbar. Der supraleitende Magnet gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist daher immer noch mit dem Nachteil behaftet, daß seine Steuerung schwierig ist und er nicht über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig betrieben werden kann.

Im Hinblick auf die obigen Gegebenheiten kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zu deren Verbesserung die in Fig. 7 dargestellte Abwandlung vorgesehen werden. 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 125 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 103, 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 232 eingegeben wird. Ferner wird der Erregungsstrom I der externen Stromquelle 109 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 Magnetventil oder Motorventil, 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 125 bezogenen Steuersignals c, des Steuersignals d für den Druckd der Ablaßleitung 209 und des Steuersignals e bezüglich des Erregungsstroms für die supraleitende Spule 101 durch, wobei sie die von außen eindringende Wärmemenge Q unter Heranziehung des Erregungsstroms mit dem Inhalt gemäß Fig. 5 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 der Kältemaschine 140 ist die folgende Beziehung erfüllt:

P = k · f

Darin bedeutet: k = Proportionalitätskonstante.

Gemäß Fig. 6 werden die Kälteleistungskurven f₀, f₁ und f₂ für die verschiedenen Betriebsfrequenzen f ermittelt. Die Kurve f₀ gemäß dieser graphischen Darstellung wird in dem Fall erhalten, wenn die Betriebsfrequenz so gewählt ist, daß die Kälteleistung P₀ bei der Temperatur von T₁ vorliegt. Auf ähnliche Weise werden die Betriebsfrequenzen f₁ und f₂ so gewählt, daß die Kälteleistung bei T₁ für die Betriebsfrequenz von f₁ gleich P₁ und bei T₁ für f₂ gleich P₂ ist. In diesem Fall gilt

f₀ < f₁ < f₂,

wobei f₁ für die Betriebsfrequenz in dem Fall steht, daß die Drehzahl des Motors 217 nicht auf die in Fig. 4 gezeigte Weise geregelt wird. Im folgenden sei zunächst der Fall betrachtet, in welchem die Größe des Erregungsstroms zur supraleitenden Spule 206 gleich Null ist. Obgleich die Kältemaschine 140 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 auf dem Punkt b₀ betrieben wird, erfährt die Betriebsfrequenz gemäß Fig. 6 durch den variablen Wechselrichter-Drehzahlregler 231 bei der Anordnung gemäß Fig. 7 eine Änderung auf die Größe f₀, wodurch der Betriebszustand der Kältemaschine 140 auf den mit b₄ 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 f₀ gesetzt wird. Sodann wird die Ist-Betriebsfrequenz f durch den Drehzahlmesser 233 und den Drehzahlregler 231 auf dem Soll-Wert f₀ gehalten. Wenn, wie in diesem Fall, f ≠ f₀ gilt, wird die Feinänderungsgröße Δ f hinzuaddiert oder subtrahiert, so daß f = f₀ gilt. Es sei angenommen, daß mit Pr₁ der in der Innenkammer 103 herrschende Druck bezeichnet ist, der unabhängig thermodynamisch für die Temperatur des Kondensators 125 bestimmt wird, und daß die Temperatur T₁ (z. B. 4,2 K) des flüssigen Heliums 102 mit obiger Größe abgeglichen ist. Außerdem sei angenommen, daß mit P _{r 0} der in der Innenkammer 103 herrschende konstruktiv zulässige Druck bezeichnet ist, der niedriger ist als der Druck der Innenkammer 103, bei welcher die Sollbruchscheibe der Ablaßvorrichtung 211 bricht. In diesem Fall gilt P _{r 0} < P _{r 1}.

Die Ansteuerung erfolgt entsprechend der folgenden Sequenz:

1. Der in der Innenkammer 103 herrschende Druck P _r und der konstruktiv zulässige Druck P _{r 0} der Innenkammer werden miteinander verglichen. Wenn P _r < P _{r 0} gilt, öffnet das automatische Ventil 239, wobei Druck abgelassen wird, bis P _r = P _{r 1} 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 N₀, bedeutet dies, daß eine Regelung unmöglich ist, weshalb die Ansteuerung der Kältemaschine 140 beendet wird. Im Fall von P _r < P _{r 0} geht die Verarbeitung auf den Schritt 2. über.
2. P _r und P _{r 1} werden verglichen. Wenn P _r = P _{r 1} vorliegt, wird dieser Zustand aufrechterhalten. Im Fall von P _r < P _{r 1} wird die Frequenz um die Feinänderungsgröße von Δ f₀ verringert, wodurch die Kälteleistung herabgesetzt und die Menge des verdampften Heliums vergrößert werden, wodurch der Druck in der Innenkammer 103 erhöht wird. Im Fall von P _r < P _{r 1} wird die Frequenz um die Feinänderungsgröße Δ f₀ erhöht, wodurch die Kälteleistung erhöht und die Menge des wiederkondensierten gasförmigen Heliums vergrößert werden und damit der Druck in der Innenkammer 103 verringert wird. Nach diesen Vorgängen werden P _r und P _{r 1} erneut miteinander verglichen. Durch Wiederholung der Schritte 1. und 2. wird der Betrieb der Kältemaschine 140 auf die durch den Punkt b₄ auf der Kennlinie gemäß Fig. 5, 6 angegebene Weise geregelt.
Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem die supraleitende Spule 101 erregt und durch die Erregung auf der Größe I _min < I < I _max gehalten wird. Nachstehend sei zunächst beispielsweise der Fall I = I _max erläutert. Gemäß Fig. 6 wird die Kältemaschine 140 bei dem Magnet gemäß Fig. 4 auf dem Punkt b₂ betrieben; bei dem Magnet nach Fig. 7 wird dagegen der Betriebszustand der Kältemaschine 140 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 erfolgt gemäß der folgenden Sequenz 3. und 4.
3. Bei der Einstellung der Frequenz f₂ entsprechend dem gewünschten Erregungsstrom I _max wird die Betriebsfrequenz 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 Δ T₂ bei der Betriebsfrequenz von f = f₂ + Δ F₂ ( Δ F₂: Übersteuerungsgröße)übersteuert. In diesem Fall werden die Größen Δ F₂ und Δ T₂ auf der Grundlage der jeweiligen Änderung der Kälteleistung der verwendeten Kältemaschine 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 = 0, geregelt.
4. Die Betriebsfrequenz wird, wie im Fall von I = 0, so geregelt, daß P _r = P _{r 1} gilt.
Durch Wiederholung der Schritte 3. und 4. wird der Betriebszustand der Kältemaschine 140 entsprechend dem Punkt b₅ auf der Kennlinie gemäß Fig. 6 eingestellt.
Im folgenden sei der Fall betrachtet, in welchem die supraleitende Spule 101 entregt und durch Erregung auf der Größe I _min < I < I _max 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 f₁ von f₂ über (f₁-Δ F₁) übergeht und im Fließdiagramm gemäß Fig. 10 I = I _max durch I = I _min substituiert wird und die Frequenzen f₂ und Δ F₂ durch f₁ bzw. Δ F₁ ersetzt werden.

Wie vorstehend beschrieben, kann bei der zweiten Ausführungsform die Drehzahl des Motors 217 zum Antreiben des Verdichters 216 der Kältemaschine 140 geregelt werden. Die Kälteleistung der Kältemaschine 140 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 der Kältemaschine 140 nicht, so daß die Betriebsleistung ausgezeichnet ist. Da weiterhin die Leistung der Kältemaschine 140 durch Regelung der Drehzahl des Motors geregelt wird, kann eine zeitabhängige Verschlechterung der Kälteleistung auf noch zu beschreibende Weise kompensiert werden, so daß die Kältemaschine 140 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 der supraleitende Magnet gemäß der zweiten Ausführungsform kontinuierlich über einen langen Zeitraum hinweg betrieben wird, die Funktion zum Kompensieren der Verschlechterung der Kälteleistung der Kältemaschine 140 im Zeitverlauf erläutert. Zunächst ist ein entsprechendes Beispiel anhand der Fig. 11 und 12 beschrieben. Gemäß Fig. 11 nimmt die Kälteleistung P der Kältemaschine 140 im allgemeinen zeitabhängig ab, was sich durch die Zeitfunktion P(t) ausdrücken läßt. In der graphischen Darstellung von Fig. 11 stehen P₀ für die Anfangskälteleistung und P _f für die Kälteleistung der Kältemaschine zu dem Zeitpunkt, zu dem er einer Wartung bedarf. Bei der Konstruktion des supraleitenden Magnets muß die Bedingung P _f < ε P₂ erfüllt sein, worin ε einen Sicherheitsfaktor und P₂ die Kälteleistung gemäß Fig. 6 bedeuten.

Wenn gemäß Fig. 12 der Erregungsstrom I 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 t₁ vom Beginn des Betriebs bekannt ist, kann ein Verschlechterungsfaktor η (t₁) anhand von

gemäß Fig. 11 bekannt sein. Die Kältemaschine 140 wird bei einer Frequenz F(t₁) · f mit einer Frequenzanstiegsrate F(t₁) zum Kompensieren dieser Verschlechterungsgröße η (t₁) betrieben, 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 _f 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 der Kältemaschine 140 anhand von Fig. 13 beschrieben. Wenn nämlich der Erregungsstrom I für die supraleitende Spule 206 eingestellt oder vorgegeben wird, wird die diesem Strom entsprechende Betriebsfrequenz f bestimmt. Wenn der Druck P _r in der Innenkammer 103 aufgrund der Verschlechterung der Kälteleistung bei auf der Frequenz f betriebener Vorrichtung niedriger ist als P _{r 1}, wird die Betriebsfrequenz um Δ f erhöht. Der Magnet wird dann mit der Betriebsfrequenz von (f + Δ f) betrieben. Die Betriebsfrequenz wird erhöht, bis P _r gleich P _{r 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. 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 gesteuert werden. Zu diesem Zweck sind ein Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und ein -Meßgerät 247 in Reihe in die Kältemittel-Speiseleitung 214 an der Auslaßseite des Verdichters 216 eingeschaltet. Eine Überbrückungsleitung 245 ist zwischen das genannte Einstellventil 246 und die Einlaßseite des Verdichters 216 geschaltet. In dieser Überbrückungsleitung 245 sind ein Überbrückungsströmungsmengen-Einstellventil 249 und ein Meßgerät 250 in Reihe angeordnet. Die vom Hauptströmungsmengen- Meßgerät 247 und vom Überbrückungsströmungsmengen-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 der Temperatur des Kondensators 125 bezogene Regelsignal c, das auf den Druck der Ablaßleitung 209 bezogene Regelsignal e und das auf den Erregungsstrom der supraleitenden Spule 101 bezogene Regelsignal e, ähnlich wie in Fig. 7, der Zentraleinheit 232 eingegeben. In der Zentraleinheit 232 finden vorbestimmte Rechenverarbeitungen statt, aufgrund deren Ventilöffnungs-Befehlssignale i und j dem Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und dem Überbrückungsströmungsmengen-Einstellventil 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 der Kältemaschine 140 weit sein, weil das Hauptströmungsmengen-Einstellventil 246 und das Überbrückungsströmungsmengen-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. Während bei der Anordnung gemäß Fig. 7 die Drehzahl des Motors 217 durch den Drehzahlregler 231 geregelt wird, kann statt dessen 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. -Rücklaufleitung 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 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 0 umgesetzt, das der Zentraleinheit 232 eingegeben wird. Neben diesem Signal 0 werden auch das Regelsignal c für die Temperatur des Kondensators 125, das Regelsignal d für den Druck der Ablaßseite 209 und das Regelsignal e für den Erregungsstrom der supraleitenden Spule 101 auf ähnliche Weise wie in Fig. 7 der Zentraleinheit 232 eingegeben. Letztere führt vorbestimmte Rechenverarbeitungen aus, so daß ein Ventilöffnungs-Befehlssignal l 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-Speiseleitung 226 gegenüber einer konstanten Größe, d. h. ohne einen Abfall in negativer Richtung, erzielt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird die Drehzahl des Motors 217 für den Antrieb des Verdichters 216 durch den genannten Drehzahlregler 231 geregelt. Beispielsweise kann aber auch die Drehzahl des Motors 217 mittels eines Wechselgetriebes o. dgl. geregelt werden.

Mit der zweiten Ausführungsform und ihren jeweiligen Abwandlungen wird somit ein supraleitender Magnet geschaffen, bei welchem die Kälteleistung der kleinen Kältemaschine in Abhängigkeit von der Änderung der Eindringwärmemenge im Zusammenhang mit der Änderung der Größe des Erregungsstroms für die supraleitende Spule eingestellt werden kann, bei welchem 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 welchem die Temperatur oder der Druck des Kältemittels stets auf eine konstante Größe geregelt werden kann und der über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig zu arbeiten vermag.

Claims

1. Supraleitender Magnet

- mit einem Kryostaten (104), der eine Innenkammer (103), in die ein Kältemittel (102) eingeschlossen ist, eine die Innenkammer (103) umschließende Außenkammer (105) und ein zwischen Innen- und Außenkammer angeordnetes Abschirmelement (106) umfaßt, wobei der Kryostat (104) eine bei sehr tiefer Temperatur in die Innenkammer eingeschlossene supraleitende Spule (101) und eine Stromversorgungsleitung (110) zur Lieferung eines Erregungsstroms zur supraleitenden Spule (101) enthält,
- mit einer Kältemaschine (140), die das Gas des in der Innenkammer (103) verdampften Kältemittels (102) wieder kondensiert, und
- mit einer Steuereinrichtung für den Erregungsstrom (109) und für den Betrieb der Kältemaschine (140),

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Kältemaschine (140) mehrere, auf verschieden hohen Temperaturen liegende Bereiche (124, 125, 134, 135) aufweist,
- daß der auf der niedrigsten Temperatur liegende Bereich (125) in den gasgefüllten Teil der Innenkammer (103) ragt, um dort das verdampfte Kältemittel (102) zu kondensieren, und
- daß auf höherer Temperatur liegende Bereiche (124, 134, 135) in wärmeleitender Verbindung mit der Stromversorgungsleitung (110) und dem Abschirmelement (106) stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine (140) zwei räumlich getrennte Kälteapparate (120, 130) umfaßt, die jeweils mehrere, auf verschieden hohen Temperaturen liegende Bereiche aufweisen.