DE4310138C2 - Supraleitender Magnet - Google Patents
Supraleitender MagnetInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.
Ein derartiger supraleitender Magnet ist aus der US-
Patentschrift 50 92 130 bekannt. Bei der dort beschriebenen
Vorrichtung ist eine Kältemaschine derart angeordnet, daß ihre
Längsachse vertikal verläuft, was eine beträchtliche, häufig
störende Bauhöhe bedingt. Die in dieser Druckschrift
enthaltene Beschreibung dieser Vorrichtung könnte u. U. so
gedeutet werden, daß dort auch ein Montagezylinder für die
Kältemachine vorgesehen werden kann.
Auch bei dem supraleitenden Magneten nach der DE 34 27 601 A1
sind eine Kältemaschine zur Kühlung des Magneten und eine
zusätzliche Kältemaschine zur Kühlung der
Stromzuführungsleitungen zum Magneten jeweils vertikal
angeordnet, so daß sich auch bei der dort beschriebenen
Vorrichtung eine beträchtliche Bauhöhe ergibt.
Eine große Bauhöhe ergibt sich auch bei dem supraleitenden
Magneten nach der DE 37 39 070 A1, weil dort oberhalb der
Vakuumkammer zur Aufnahme des supraleitenden Magneten eine
komplizierte Rohrleitung herausgeführt ist, die in eine zweite
Vakuumkammer zur Aufnahme eines Wärmetauschers zur
Rückverflüssigung des als Tieftemperaturkühlmittel
vorgesehenen Heliums aufweist. Darüber erstreckt sich bei der
dort offenbarten Vorrichtung eine Kältemaschine mit zwei
übereinander angeordneten Kühlsystemen, von denen ein erstes
Kühlsystem mit drei horizontal hintereinander angeordneten
Kühlstufen und ein zweites Kühlsystem mit zwei horizontal
hintereinander angeordneten Kühlstufen ausgestattet ist.
Aus dem Abstract zu JP 63-164205 (A) und der DE 40 20 593 A1
sind Vorrichtungen bekannt, bei denen eine überwiegend
horizontale Erstreckung von Kältemaschinen offenbart oder als
mögliche Variante angenommen werden kann. Diese Druckschriften
beschreiben jedoch Kühlvorrichtungen, bei denen keine
Rückverflüssigung eines gasförmigen Kühlmittels stattfindet
und nur eine Kühlung einer Abschirmung eines supraleitenden
Magneten erfolgt. Es handelt sich dabei um sogenannte
Badkryostaten.
Weitere Bauarten von herkömmlichen supraleitenden Magneten
werden im folgenden anhand von Fig. 18 bis 20 der Zeichnungen
näher beschrieben.
In Fig. 18
bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine supraleitende Spule, die
in flüssiges Helium 3 als Tiefkühlmittel eingetaucht ist,
welches in einen Heliumbehälter 2 eingefüllt ist, der als
Tiefkühlmittelbehälter dient. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet
einen Vakuumbehälter, der so angeordnet ist, daß er den
Heliumbehälter 2 umgibt und zur Wärmeisolierung ein Vakuum
in dem Raum zwischen dem Vakuumbehälter 4 und dem
Heliumbehälter 2 zur Verfügung steht.
Die Bezugsziffern 5 und 6 bezeichnen eine zweite bzw. eine
erste Wärmeabschirmung, die in Koaxialzylinderform
angebracht sind, so daß sie den Heliumbehälter 2 zwischen
dem Heliumbehälter 2 und dem Vakuumbehälter 4 umgeben, und
so den Eintritt von Wärme in den Heliumbehälter 2
verhindern.
Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen
Flüssigstickstoff-Rezipienten; der in einem Teil der
zweiten Wärmeabschirmung 6 zum Speichern flüssigen
Stickstoffs 8 vorgesehen ist.
Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine zweistufige
Kühlmaschine, beispielsweise des Gihord Macmahon-Typs, mit
einer ersten Kühlstufe 10 auf einer absoluten Temperatur
von 80 K und einer zweiten Kühlstufe 11 auf 20 K. Diese
Kältemaschine 9 ist vertikal in bezug auf die Axialrichtung
des Magneten von oben aus angeordnet, und die erste und
zweite Kühlstufe 10 und 11 kühlen die erste bzw. zweite
Wärmeabschirmung 6 bzw. 5.
Die Bezugsziffer 13 bezeichnet einen Wannenabschnitt zum
Einspritzen des flüssigen Heliums 3 und zum Einführen einer
Stromzuführung für die Energieversorgung der supraleitenden
Spule 1. Die Bezugsziffer 14 bezeichnet eine
Konstanttemperaturbohrung.
Nachstehend wird die in dem voranstehend angegebenen,
konventionellen supraleitenden Magneten verwendete
Kältemaschine 9 beschrieben.
Die Kältemaschine 9 ist folgendermaßen aufgebaut: Ein
Verdrängerkolben 16 einer ersten Stufe und ein
Verdrängerkolben 17 einer zweiten Stufe sind gleitbeweglich
in einem Zylinder 15 angeordnet, der aus einem gehonten
Rohr besteht und zwei Stufen aufweist; eine Dichtung 18 der
ersten Stufe und eine Dichtung 19 der zweiten Stufe zur
Verhinderung jedes Lecks des Heliumgases sind zwischen dem
Zylinder 15 und dem Verdrängerkolben 16 der ersten Stufe
bzw. zwischen dem Zylinder 15 und dem Verdrängerkolben 17
der zweiten Stufe vorgesehen; und die erste Kühlstufe 10
und die zweite Kühlstufe 11 sind an der
Außenumfangsoberfläche der jeweiligen Stufe angeordnet.
Der Verdrängerkolben der ersten Stufe ist mit einem
Kälteenergiesammler 20 der ersten Stufe versehen, der aus
einem Kupferdrahtnetz als Kälteenergieteil besteht, und der
Verdrängerkolben 17 der zweiten Stufe ist mit einem
Kälteenergiesammler 21 der zweiten Stufe versehen, der
unter Verwendung einer Bleikugel hergestellt ist.
Weiterhin weist die Kältemaschine 9 einen Heliumkompressor
25 zum Komprimieren von Heliumgas 24 auf sowie Gasleitungen
einschließlich eines Einlaßventils 26 und eines
Auslaßventils 27 auf, um das Heliumgas 24 einzulassen und
abzustoßen, und ist weiterhin mit einem Antriebsmotor 28
versehen, um die Verdrängerkolben 16 und 17 der ersten und
zweiten Stufe hin und her in dem Zylinder 15 zu bewegen,
und das Einlaßventil 26 und das Auslaßventil 27 synchron zu
dieser Hin- und Herbewegung anzutreiben.
Die voranstehend geschilderte Kältemaschine wird auf
folgende Weise betrieben.
Zuerst befinden sich der Verdrängerkolben 16 und 17 der
ersten und zweiten Stufe am untersten Ende, das
Einlaßventil 26 ist geöffnet, und das Auslaßventil 27 ist
geschlossen, und dann wird Hochdruck-Heliumgas 24, welches
durch den Heliumkompressor 25 komprimiert wurde, in eine
Expansionskammer 22 bzw. 23 der ersten bzw. zweiten Stufe
eingelassen und auf hohen Druck gebracht.
Dann bewegen sich der Verdrängerkolben 16 und 17 der ersten
und zweiten Stufe nach oben, und entsprechend wird das
Hochdruck-Heliumgas 24 in die Expansionskammern 22 und 23
der ersten bzw. zweiten Stufe über den Kühlenergiesammler
20 und 21 der ersten bzw. zweiten Stufe eingelassen.
Während dieses Vorgangs bewegen sich das Einlaßventil 26
und das Auslaßventil 27 nicht. Das Hochdruck-Heliumgas 24
wird durch das Kälteenergieteil auf eine vorbestimmte
Temperatur abgekühlt, wenn es durch die
Kälteenergiesammler 20 und 21 der ersten und zweiten Stufe
gelangt.
Daraufhin gelangt infolge einer Bewegung der
Verdrängerkolben 16 und 17 der zweiten Stufe nach unten,
das Tieftemperatur/Niederdruck-Heliumgas 24 durch die
Kälteenergiesammler 20 und 21 der ersten und zweiten Stufe,
und wird durch das Auslaßventil 27 ausgestoßen. Dann kühlt
das Tieftemperatur/Niederdruck-Heliumgas 24 das
Kälteenergieteil des Kälteenergiesammlers 20 und 21 der
ersten und zweiten Stufe, und kehrt dann zum
Heliumkompressor 25 zurück. Das Auslaßventil 27 schließt,
während das Einlaßventil 26 öffnet, und das durch den
Heliumkompressor 25 komrimierte Hochdruck-Heliumgas 24 wird
eingelassen, und die Drucke in den Expansionskammern 22 und
23 der ersten und zweiten Stufe ändern sich von einem
niedrigen Druckzustand zu einem Hochdruckzustand.
Durch Wiederholung der voranstehend erläuterten Vorgänge
werden daher die Kühlstufen 10 und 11 der ersten und
zweiten Stufe auf Temperaturen von 80 K bzw. 20 K abgekühlt.
Nachstehend wird der Betrieb des voranstehend
geschilderten, konventionellen supraleitenden Magneten
erläutert.
Die erste Wärmeabschirmung 6 wird auf 80 K durch die erste
Kühlstufe der Kältemaschine 9 abgekühlt, und durch den
flüssigen Stickstoff 8, der in dem
Flüssigstickstoff-Rezipienten 7 enthalten ist. Die zweite
Wärmeabschirmung 5 wird auf 20 K durch die zweite Kühlstufe
11 der Kältemaschine 9 abgekühlt. Jede von außen
hereinkommende Wärme wird durch den Vakuumbehälter 4
vakuumisoliert, und weiterhin durch die erste und zweite
Wärmeabschirmung 6 und 7 ausgeschlossen, um so den Eintritt
von Wärme in den Heliumbehälter 2 zu verringern.
Die supraleitende Spule 1 wird auf Tieftemperatur gekühlt
(beispielsweise auf 4,2 K) durch das flüssige Helium 3 in
dem Heliumbehälter 2, so daß sie ihren supraleitenden
Zustand beibehält, und empfängt einen Versorgungsstrom von
einer externen Energiequelle (nicht gezeigt) für den
supraleitenden Magneten über eine Stromdurchführung (nicht
dargestellt), um ein gefordertes Magnetfeld zu erzeugen.
Allerdings ist der voranstehend geschilderte,
konventionelle supraleitende Magnet ein in Querrichtung
hohler Magnet, und die Kältemaschine 9 ist in bezug auf die
Axialrichtung des Magneten vertikal angeordnet. Daher ist
es erforderlich, eine ausreichende Länge für die Hin- und
Herbewegung des Verdrängerkolben genannten Kolbens
sicherzustellen, um die Kühlfähigkeit der Kältemaschine 9
zu erzielen, und es ist weiterhin erforderlich, viel Raum
zwischen der ersten Wärmeabschirmung 6 und der zweiten
Wärmeabschirmung 5 und dem Raum zwischen dem Vakuumbehälter
4 und der ersten Wärmeabschirmung 6 vorzusehen, wodurch
sich die Höhe und die Gesamtabmessungen der Anordnung
vergrößern.
Um mit derartigen Problemen fertig zu werden, wird der
nachstehend geschilderte, supraleitende Magnet
vorgeschlagen.
Fig. 19 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren
Beispiels eines konventionellen supraleitenden Magneten,
wie beispielsweise in der
JP Sho 63-164205 (A) beschrieben. Bei diesem
konventionellen supraleitenden Magneten von Fig. 19 ist die
Kältemaschine 19 parallel zur Axialrichtung des Magneten
über dem Vakuumbehälter 4 angeordnet, und die erste
Kühlstufe 10 und die zweite Kühlstufe 11 sind über
Kupferplatten und so weiter an die erste Wärmeabschirmung 6
bzw. die zweite Wärmeabschirmung 5 gekoppelt.
Der auf diese Weise aufgebaute, konventionelle
supraleitende Magnet weist dadurch geringere
Radialabmessungen auf, daß die Richtung der Hin- und
Herbewegung der die größten Abmessungen aufweisenden
Verdrängerkolben 16 und 17 der ersten und zweiten Stufe der
Kältemaschine 9 parallel zur Axialrichtung des Magneten
verläuft.
Da, wie voranstehend erläutert, bei dem konventionellen
supraleitenden Magneten die Kältemaschine 9 vertikal in
bezug auf die Axialrichtung des Magneten angeordnet ist,
wird die Höhe der Magnetvorrichtung vergrößert, und das
gesamte System nimmt erhebliche Ausmaße an.
Zwar sind bei dem konventionellen supraleitenden Magneten,
welcher mit derartigen Schwierigkeiten fertig werden soll,
die Radialabmessungen der Magnetvorrichtung dadurch
verringert, daß die Kältemaschine 9 parallel zur
Axialrichtung des Magneten oberhalb des Vakuumbehälters 4
angeordnet ist, jedoch kann der Heliumbehälter 2 nicht
direkt gekühlt werden, und Heliumgas verdampft aus dem
flüssigen Helium 3 infolge der Tatsache, daß die
Kältemaschine 9 die erste Kühlstufe 10 von 80 K und die
zweite Kühlstufe 11 von 20 K aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen supraleitenden
Magneten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Patentanspruchs 1 zu schaffen, der eine vergleichsweise
geringe Bauhöhe aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Bevor Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen
näher beschrieben werden, wird im folgenden allgemein
angegeben, welche Merkmale ein erfindungsgemäßer
supraleitender Magnet aufweisen kann.
Ein supraleitender Magnet gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel enthält, um
die supraleitende Spule zu kühlen; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; und
einen die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; wobei
zumindest ein Teil der Kühlstufen einer Atmosphäre von
Tiefkühlmittelgas ausgesetzt ist, welches in dem
Tiefkühlmittelbehälter verdampft wird; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zum erneuten
Verflüssigen des Tiefkühlmittelgases ist entfernbar im
wesentlichen im Horizontalzustand auf dem Vakuumbehälter
angebracht.
Ein supraleitender Magnet kann vorzugsweise auch gemäß
umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel enthält, um
die supraleitende Spule zu kühlen; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; und
einen die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; wobei
der Tiefkühlmittelbehälter mit einem Abzugsabschnitt
versehen ist, der ein Ende aufweist, welches einer
Atmosphäre aus einem Tiefkühlmittelgas ausgesetzt ist,
welches in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft wird; wobei
zumindest ein Teil der Kühlstufen dem Abzugsabschnitt
ausgesetzt sind; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zum erneuten
Verflüssigen des Tiefkühlmittelgases, welches in den
Abzugsabschnitt gezogen wird, ist im wesentlichen im
Horizontalzustand auf dem Vakuumbehälter angebracht.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; und
einen die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; wobei
eine Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zum
Kühlen des Tiefkühlmittelbehälters durch zumindest einen
Teil einer ihrer Kühlstufen im wesentlichen im
Horizontalzustand in dem Vakuumbehälter angebracht ist.
Ein supraleitender Magnet nach Anspruch 5 der vorliegenden
Erfindung umfaßt: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule aufweist; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kühlmaschine zum erneuten
Verflüssigen eines Tiefkühlmittelgases in dem
Tiefkühlmittelbehälter durch zumindest einen Teil von
dessen Kühlstufen; wobei die
Mehrstufen-Kältesammler-Kältemaschine im wesentlichen im
horizontalen Zustand an einer Endoberfläche des
Vakuumbehälters angebracht ist.
Ein supraleitender Magnet gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende zweite Wärmeabschirmung;
eine die zweite Wärmeabschirmung umgebende erste
Wärmeabschirmung; einen die erste Wärmeabschirmung
umgebenden Vakuumbehälter; einen in dem Vakuumbehälter
vorgesehenen Kältemaschinenmontagezylinder; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die in den
Kältemaschinenmontagezylnder eingeführt und an diesem
befestigt ist, so daß jede Kühlstufe thermisch in Berührung
mit dem Kältemaschinenmontagezylinder steht; wobei eine
zweite Kerbe in der zweiten Wärmeabschirmung ausgebildet
ist; ein erster Kerbenabschnitt zum Freilegen der zweiten
Kerbe in der ersten Wärmeabschirmung vorgesehen ist; die
erste Kerbe thermisch in Berührung mit dem
Kältemaschinenmontagezylinder mit der ersten
Wärmeabschirmung über einen flexiblen Leiter steht; und die
zweite Kerbe thermisch in Berührung mit dem
Kältemaschinenmontagezylinder mit der zweiten
Wärmeabschirmung über einem flexiblen Leiter steht.
Ein supraleitender Magnet gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende zweite Wärmeabschirmung;
eine die zweite Wärmeabschirmung umgebende ersten
Wärmeabschirmung; einen die erste Wärmeabschirmung
umgebenden Vakuumbehälter; einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der in dem Vakuumbehälter
angeordnet ist; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die in den
Kältemaschinenmontagezylinder eingetaucht und dort
befestigt ist, so daß ein Teil ihrer Kühlstufen in
thermischer Berührung mit dem Kältemaschinenmontagezylinder
stehen; wobei eine zweite Kerbe in der zweiten
Wärmeabschirmung ausgebildet ist; eine erste Kerbe in der
ersten Wärmeabschirmung vorgesehen ist, um die zweite Kerbe
vorzulegen; ein Strahlungsschild zum Abdichten der ersten
und zweiten Kerbe vorgesehen ist; der
Kältemaschinenmontagezylinder und die erste
Wärmeabschirmung thermisch über einen flexiblen Leiter an
der ersten Kerbe gekoppelt sind; der
Kältemaschinenmontagezylinder und die zweite
Wärmeabschirmung thermisch über einen flexiblen Leiter an
der zweiten Kerbe gekoppelt sind; und die erste und zweite
Kerbe durch den Strahlungsschild abgedichtet sind.
Eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der ein Ende aufweist,
welches einer Atmosphäre aus einem Tiefkühlmittelgas
ausgesetzt ist, das in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft
wird, und dessen anderes Ende in einem im wesentlichen
horizontalen Zustand auf dem Vakuumbehälter angebracht ist;
und eine Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die
Kühlstufen aufweist, von denen zumindest ein Teil das
Tiefkühlmittgas erneut verflüssigen, welches in den
Kältemaschinenmontagezylinder abgezogen wurde; wobei ein
thermisch isolierender Füllstoff in einen Raum zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder eingefüllt ist.
Ein supraleitender Magnet gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der ein Ende aufweist,
welches einer Atmosphäre des Tiefkühlmittelgases ausgesetzt
ist, das in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft, und
dessen anderes Ende im wesentlichen in horizontalem Zustand
auf dem Vakuumbehälter angebracht ist; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die in den
Kältemaschinenmontagezylinder eingeführt und dort befestigt
ist, und Kühlstufen aufweist, von denen zumindest ein Teil
das Tiefkühlmittelgas erneut verflüssigt, welches in den
Kältemaschinenmontagezylinder abgezogen wurde; wobei ein
thermisch isolierender Füllstoff, der in einen Raum
zwischen der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine
und dem Kältemaschinenmontagezylinder eingefüllt werden
soll, an der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine
angebracht ist.
Eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, welche
aufweist: einen Mehrstufenzylinder, der mit mehreren
Kühlstufen versehen ist; und einen
Mehrstufen-Verdrängerkolben, der gleitbeweglich in dem
Zylinder angebracht ist; und einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der auf dem Vakuumbehälter
angebracht ist, um die in ihn eingeführte
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zu haltern;
wobei ein kältemaschinenseitiger thermischer Leiter mit
einer sich verjüngenden Oberfläche in jeder der Kühlstufen
der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine vorgesehen
ist; wobei ein zylinderseitiger thermischer Leiter mit
einer sich verjüngenden Oberfläche an einer inneren
Wandoberfläche, des Kältemaschinenmontagezylinders so
vorgesehen ist, daß er dem kältemaschinenseitigen
thermischen Leiter gegenüberliegt; und ein weiches Metall
zwischen dem kältemaschinenseitigen thermischen Leiter und
dem zylinderseitigen thermischen Leiter gehaltert ist.
Eine supraleitende Spule gemäß der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Mehrstufen-Tiefkühlmittel-Kältemaschine aus: einem
Mehrstufenzylinder mit mehreren Kühlstufen; und einem
Mehrstufen-Verdrängerkolben, der gleitbeweglich in dem
Zylinder angebracht ist; und einen
Kältemaschinenmontagezylnder, der in dem Vakuumbehälter
angebracht ist, um die in ihn eingeführte
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zu haltern;
wobei ein kältemaschinenseitiger elastischer Wärmeleiter an
jeder Kühlstufe der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine vorgesehen ist; ein zylinderseitiger
thermischer Leiter an einer Innenwandoberfläche des
Kältemaschinenmontagezylinders vorgesehen und
gegenüberliegend dem kältemaschinenseitigen elastischen
thermischen Leiter angeordnet ist; wobei ein weiches Metall
zwischen dem kältemaschinenseitigen elastischen thermischen
Leiter und dem zylinderseitigen thermischen Leiter
gehaltert ist.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine mit: einem
Mehrstufenzylinder, der mehrere Kühlstufen aufweist; und
einem Mehrstufen-Verdrängerkolben, der gleitbeweglich in
dem Zylinder angebracht ist; und einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der in dem Vakuumbehälter
angebracht ist, um die in ihn eingeführte
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zu haltern;
wobei ein kältemaschinenseitiger thermischer Leiter eine
gerändelte, verjüngte Oberfläche an jeder der Kältestufen
der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine aufweist;
ein zylinderseitiger thermischer Leiter mit einer
verjüngten Oberfläche an der Innenwandoberfläche des
Kältemaschinenmontagezylinders gegenüberliegend dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter vorgesehen ist;
und ein weiches Metall zwischen dem kältemaschinenseitigen
thermischen Leiter und dem zylinderseitigen thermischen
Leiter gehaltert ist.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die mit einem
Flanschabschnitt versehen ist; und einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der einen
Montageflanschabschnitt aufweist; wobei ein luftdichtes
Dichtungsteil zwischen einer Innenumfangsoberfläche des
Montageflanschabschnittes und einer Außenumfangsoberfläche
des Flanschabschnitts vorgesehen ist; der Flanschabschnitt
über ein elastisches Teil an den Montageflansch geschraubt
ist; und die Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine
elastisch und gleitbeweglich auf dem
Kältemaschinenmontagezylinder gehaltert ist.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die
Kühlstufen aufweist, von denen zumindest ein Teil einer
Atmosphäre eines Tiefkühlmittelgases ausgesetzt ist,
welches in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft, um das
Tiefkühlmittelgas erneut zu verflüssigen; wobei eine
ausgedehnte Wärmeübertragungsoberfläche an der
Außenumfangsoberfläche der Kühlstufe ausgebildet ist, um
das Tiefkühlmittel erneut zu verflüssigen.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Einen supraleitenden Magneten, einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule des Magneten enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; einen
Abzugsabschnitt, der in dem Tiefkühlmittelbehälter
vorgesehen und mit einem Ende versehen ist, welches einer
Atmosphäre eines Tiefkühlmittelgases ausgesetzt wird, das
in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die eine
Kühlstufe aufweist, von welcher zumindest ein Teil dem
Abzugsabschnitt ausgesetzt ist, um das sich auf sehr
niedriger Temperatur befindende Kühlgas erneut zu
verflüssigen, welches in den Abzugsabschnitt hineingezogen
wird; wobei zumindest ein Teil eines Kältesammlers der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine in dem
Abzugsabschnitt angeordnet ist.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; einen
Abzugsabschnitt, der in dem Tiefkühlmittelbehälter
vorgesehen und mit einem Ende versehen ist, welches einer
Atmosphäre eines Tiefkühlmittelgases ausgesetzt wird, das
in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft; und eine
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, welche
Kühlstufen aufweist, von denen zumindest ein Teil dem
Abzugsabschnitt ausgesetzt ist, um das Tiefkühlmittelgas
erneut zu verflüssigen, welches in den Abzugsabschnitt
hineingezogen wird; wobei eine hohlzylindrische magnetische
Abschirmung aus einem magnetischen Teil so angebracht ist,
daß sie die Außenseite des Abzugsabschnitts haltert, und
einen Teil des Kälteenergiesammlers der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine umgibt.
Ein supraleitender Magnet nach der Erfindung kann umfassen: Eine
supraleitende Spule; einen Tiefkühlmittelbehälter, der ein
Tiefkühlmittel zum Kühlen der supraleitenden Spule enthält;
eine den Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung;
einen die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der ein Ende aufweist,
welches einer Atmosphäre eines Tiefkühlmittelgases
ausgesetzt ist, das in dem Tiefkühlmittelbehälter
verdampft, und dessen anderes Ende in dem Vakuumbehälter in
einem im wesentlichen horizontalen Zustand angebracht ist;
und eine Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die
in den Kältemaschinenmontagezylinder eingeführt und an
diesem befestigt ist, und mit Kühlstufen versehen ist, von
denen zumindest ein Teil das Tiefkühlmittelgas erneut
verflüssigt, welches in den Kältemaschinenmontagezylinder
eingezogen wird; wobei ein thermisch isolierender Füllstoff
in einen Raum zwischen der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine und dem Kältemaschinenmontagezylinder so
eingefüllt ist, daß er zumindest einen Teil eines
Kälteenergiesammlers der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine umgibt.
Ein Verfahren zum Zusammenbau eines supraleitenden Magneten
nach Anspruch 18 umfaßt: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter mit einem Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule; eine den Tiefkühlmittelbehälter
umgebende Wärmeabschirmung; einen die Wärmeabschirmung
umgebenden Vakuumbehälter; eine Kältemaschine, die aus
einem Mehrstufenzylinder besteht, der Kühlstufen aufweist,
und einem Mehrstufen-Verdrängerkolben, der gleitbeweglich
in dem Zylinder vorgesehen ist; und einen
Kältemaschinenmontagezylinder, der in dem Vakuumbehälter
angebracht ist, um die in ihn eingeführte Kältemaschine zu
haltern; wobei die Kältemaschine in den
Kältemaschinenmontagezylinder eingeführt wird; die
Kältemaschine in den Kältemaschinenmontagezylinder
eingeschraubt und dort so fixiert wird, daß die Kühlstufen
und der Kältemaschinenmontagezylinder in thermischem
Kontakt stehen; und dann wird die Kältemaschine weiter fest
in den Kältemaschinenmontagezylinder geschraubt, nachdem
die Kältemaschine gekühlt wurde.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält, eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende zweite Wärmeabschirmung;
eine die zweite Wärmeabschirmung umgebende erste
Wärmeabschirmung; einen die erste Wärmeabschirmung
umgebenden Vakuumbehälter; und eine dreistufige
Kältesammler-Kältemaschine, die im wesentlichen in
horizontalem Zustand angebracht ist; wobei die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine eine hohe Kapazität in
folgender Weise aufweist: Endtemperatur einer ersten
Kühlstufe, 50 bis 80 K; Endtemperatur einer zweiten
Kühlstufe, 10 bis 20 K; und eine Endtemperatur einer
dritten Kühlstufe, 2 bis 4,5 K; wobei die erste und zweite
Wärmeabschirmung in der ersten bzw. zweiten Kühlstufe
gekühlt werden; und das in dem Tiefkühlmittelbehälter
verdampfte Tiefkühlmittelgas an der dritten Kühlstufe
erneut verflüssigt wird.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; und eine
Kältemaschine zum Kühlen der Wärmeabschirmung; wobei eine
Druckdifferenzmeßeinrichtung vorgesehen ist, um eine
Differenz zwischen einem Druck in den
Tiefkühlmittelbehälter und einem Atmosphärendruck zu
messen; und der Differenzdruck so gesteuert wird, daß er 0
bis 0,5 kg/cm2 beträgt.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; und eine
Kältemaschine zum Kühlen der Wärmeabschirmung; wobei eine
Druckmeßeinrichtung zur Messung eines Absolutdrucks in dem
Tiefkühlmittelbehälter vorgesehen ist; und der Absolutdruck
so gesteuert wird, daß er 1 bis 1,5 kg/cm2 beträgt.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Heliumgas-Komprimiereinrichtung, die an einem
Konstanttemperaturabschnitt vorgesehen ist; und eine
Kältemaschine, um das von der
Heliumgas-Komprimiereinrichtung komprimierte Heliumgas zum
Betriebsfluid zum Kühlen der Wärmeabschirmung zu machen;
wobei die Heliumgas-Komprimiereinrichtung aufweist: Eine
Niederdruckschale; einen Schraubenkompressor, der in der
Niederdruckschale vorgesehen ist; eine Kälteeinrichtung zum
Kühlen von Hochdruckheliumgas, welches von dem
Schraubenkompressor ausgegeben wird; einen Ölseparator zum
Eliminieren von Ölbestandteilen, welche in dem
Hochdruckheliumgas enthalten sind, welches in dem Kühlteil
gekühlt wird; einen Adsorber zum Adsorbieren der
Ölbestandteile, die in dem Hochdruckheliumgas enthalten
sind, welches von dem Ölseparator ausgegeben wird; eine
Gaszufuhrleitung zum Zuführen des von dem Adsorber
abgegebenen Hochdruckheliumgases zur Kältemaschine; eine
Gasrückführleitung zum Zurückführen von
Niederdruckheliumgas von der Kältemaschine zu der
Niederdruckschale; und einen Öleinspritzkreis zum
Einspritzen des Öls, welches von dem Ölseparator abgetrennt
wurde, in eine Zwischendruckwanne des Schraubenkompressors.
Ein supraleitender Magnet nach der vorliegenden
Erfindung kann umfassen: Eine supraleitende Spule; einen
Tiefkühlmittelbehälter, der ein Tiefkühlmittel zum Kühlen
der supraleitenden Spule enthält; eine den
Tiefkühlmittelbehälter umgebende Wärmeabschirmung; einen
die Wärmeabschirmung umgebenden Vakuumbehälter; eine
Heliumgas-Komprimiereinrichtung, die an einem
Konstanttemperaturabschnitt vorgesehen ist; und eine
Kältemaschine, um das von der
Heliumgas-Komprimiereinrichtung komprimierte Heliumgas zum
Betriebsfluid zum Kühlen der Wärmeabschirmung zu machen;
wobei die Heliumgas-Komprimiereinrichtung aufweist: Eine
Niederdruckschale; einen Schraubenkompressor, der in der
Niederdruckschale vorgesehen ist; eine Kühleinrichtung zum
Kühlen von Hochdruckheliumgas, welches von dem
Schraubenkompressor ausgegeben wird; einen Ölseparator zum
Eliminieren von Ölbestandteilen, die in dem
Hochdruckheliumgas enthalten sind, welches in dem Kühlteil
gekühlt wird; einen Adsorber zum Adsorbieren der in dem
Hochdruckheliumgas, welches von dem Ölseparator abgegeben
wird, enthaltenen Ölbestandteile; eine Gaszufuhrleitung zum
Zuführen des von dem Adsorber abgegebenen
Hochdruckheliumgases zur Kältemaschine; eine
Gasrückführleitung zum Zurückführen von
Niederdruckheliumgas von der Kühleinrichtung zur
Niederdruckschale; und einen Ölrückführkreis zum
zurückführen des in dem Ölseparator abgetrennten Öls zur
Gasrückführleitung.
Bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung ist die
Mehrstufen-Kältesammler-Kältemaschine im wesentlichen in
horizontalem Zustand auf dem Vakuumbehälter angebracht.
Daher ist es möglich, eine Hin- und Herbewegung des
Verdrängerkolbens sicherzustellen, welcher zur
Kühlkapazität der Mehrstufen-Kältesammler-Kältemaschine
beiträgt, ohne daß zuviel von den Räumen zwischen dem
Vakuumbehälter und der Wärmeabschirmung und zwischen der
Wäürmeabschirmung und dem Tiefkühlmittelbehälter
eingenommen wird, so daß die Höhe der Anordnung verringert
und diese klein ausgebildet wird. Da das Tiefkühlmittelgas,
welches in dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft, durch
einen Teil der Kühlstufen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine erneut
verflüssigt wird, kann daher der Verbrauch an
Tiefkühlmittel verringert werden, und es kann verhindert
werden, daß der Druck in dem Tiefkühlmittelbehälter
ansteigt, so daß sich ein stabiler Betrieb ergibt.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung die
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine im
wesentlichen in horizontalem Zustand auf dem Vakuumbehälter
angebracht ist, ist es möglich, die
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zu entfernen,
ohne die Anordnung zu zerlegen, wodurch die
Wartungseigenschaften verbessert werden.
Bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung kann das Tiefkühlmittelgas wirksam
erneut verflüssigt werden, da die
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine so angeordnet
ist, daß ein Teil ihrer Kühlstufen dem Abzugsabschnitt
ausgesetzt ist, der in dem Tiefkühlmittelbehälter
vorgesehen ist und mit einem Ende versehen ist, welches der
Atmosphäre des Tiefkühlmittelgases ausgesetzt ist, das in
dem Tiefkühlmittelbehälter verdampft.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung der Tiefkühlmittelbehälter durch
zumindest einen Teil der Kühlstufen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine gekühlt wird,
wird das Tiefkühlmittelgas, welches in dem
Tiefkühlmittelbehälter verdampft, erneut verflüssigt und
der Verbrauch an Tiefkühlmittel verringert, und weiterhin
kann zur Erzielung eines stabilen Betriebs verhindert
werden, daß ein Druckanstieg in dem Tiefkühlmittelbehälter
erfolgt.
Bei dem supraleitenden Magneten nach Anspruch 5 der
vorliegenden Erfindung kann die Höhe der Anordnung weiter
verringert werden, da die
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine im
wesentlichen in horizontalem Zustand an der Endoberfläche
des Vakuumbehälters angebracht ist.
Bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, da die zweite Kerbe
in der zweiten Wärmeabschirmung vorgesehen ist, und eine
erste Kerbe in der ersten Wärmeabschirmung vorgesehen ist,
die zweite Kerbe freizulegen, wenn die zweite
Wärmeabschirmung, die innerhalb der ersten Wärmeabschirmung
vorgesehen ist, und der Kältemaschinemontagezylinder an der
zweiten Kerbe miteinander über den flexiblen Leiter
gekuppelt werden, die erste Wärmeabschirmung anzukoppeln,
ohne durch die erste Kerbe gestört zu werden, die zum
Freilegen der zweiten Kerbe ausgebildet ist, wodurch der
Zusammenbau erleichtert wird.
Bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung kann der Eintritt jeglicher externer
Wärme verringert werden, da das Strahlungsschild zum
Abdichten der in der zweiten Wärmeabschirmung ausgebildeten
zweiten Kerbe und der in der ersten Wärmeabschirmung
ausgebildeten ersten Kerbe vorgesehen ist.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung das thermisch isolierende
Füllmaterial in den Raum zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder eingeführt ist, wird das
Kühlmittelgas, welches aus dem Kühlmittelbehälter in den
Raum zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder herausgezogen wurde, an dem
Hochtemperaturabschnitt erhitzt, entsprechend der
Temperaturdifferenz, die in dem Mehrstufenzylinder der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine auftritt. Dies
führt dazu, daß eine Wärmekonvektion auftritt, infolge der
Kühlung an dem Tieftemperaturabschnitt, und in dem Raum
zwischen der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine
und dem Kältemaschinenmontagezylinder auftritt, so daß der
Kühlwirungsgrad der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine verbessert wird.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung der thermisch isolierende Füllstoff
in einen Raum zwischen der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine und dem Kältemaschinenmontagezylinder
eingefüllt ist und an der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine anhaftet, ist es möglich, das thermisch
isolierende Füllmaterial zusammen mit der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine zu entfernen,
so daß die Wartungseigenschaften verbessert werden.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung das weiche Metall zwischen dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter und dem
zylinderseitigen thermischen Leiter gehaltert wird, die
beide eine verjüngte Oberfläche aufweisen, ist es möglich,
eine thermische Kopplung zwischen dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter und dem
zylinderseitigen thermischen Leiter infolge der plastischen
Verformung des weichen Metalls sicherzustellen.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung das weiche Metall zwischen dem
elastischen kältemaschinenseitigen thermischen Leiter und
dem zylinderseitigen thermischen Leiter gehaltert wird,
kann jede Schwankung der Lagebeziehung zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder infolge von Faktoren, wie
beispielsweise Hitze oder Schwingungen, durch den
kältemaschinenseiteigen thermischen Leiter absorbiert
werden, so daß die thermische Kopplung zwischen dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter und dem
zylinderseitigen thermischen Leiter sichergestellt ist.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung die verjüngte Oberfläche des
kältemaschinenseitigen thermischen Leiters gerändelt ist,
wird die Berührungskraft zwischen der gerollten, verjüngten
Oberfläche und dem weichen Metall erhöht, und es ist
möglich, das weiche Metall zu entfernen, welches infolge
der thermischen Kopplung gebrochen ist, in dem Zustand, in
welchem es an der gerändelt verjüngten Oberfläche des
kühlmaschinenseitigen thermischen Leiters anhaftet, wodurch
der Wartungsbetrieb der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine vereinfacht wird.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung das luftdichte Dichtungsteil in dem
Raum, zwischen der Innenumfangsoberfläche des
Montageflanschabschnitts und dem Außenumfangsabschnitt des
Flanschabschnitts vorgesehen ist, und der Flanschabschnitt
durch das elastische Teil in den Montageflanschabschnitt
eingeschraubt ist, kann die
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine luftdicht und
elastisch gehaltert werden, so daß sie auf dem
Kältemaschinenmontagezylinder gleitbeweglich ist, um so
irgendwelche Schwankungen der Lagebeziehung zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder zu absorbieren, wie sie
infolge von Faktoren wie beispielsweise Wärme oder
Schwingungen auftreten, und die Kältemaschine kann durch
einen Bolzen fester gehaltert werden, um so eine
vorbestimmte Einschraubkraft sicherzustellen.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung die vergrößerte
Wärmeübertragungsoberfläche an der Außenumfangsoberfläche
der Kühlstufen vorgesehen ist, kann das Tiefkühlmittel
schnell durch die ausgedehnte Wärmeübertragungsoberfläche
herausgelassen werden, nachdem es durch die Kühlstufen
verflüssigt wurde, so daß der Flüssigkeitsfilm des
Tiefkühlmittels an der Außenumfangsoberfläche der
Kühlstufen dünner wird, wodurch die Verringerung der
Wärmeübertragungsrate durch den Flüssigkeitsfilm des
Tiefkühlmittels verringert wird, und verhindert wird, daß
sich der Kühlwirkungsgrad der Kühlstufen verschlechtert.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung mehrere magnetische Ringe auf dem
Abzugsabschnitt angebracht sind, so daß sie zumindest einen
Teil des Kälteenergiesammlers der Mehrstufen-
Kälteenergiesammler-Kältemaschine in einem vorbestimmten
Intervall umgeben, ist es möglich, zu verhindern, daß die
mehreren magnetischen Ringe mit irgendeinem externen
Magnetfeld in Wechselwirkung treten, und es kann auch die
Wärmeleitung zwischen den magnetischen Ringen durch die
magnetischen Ringe unterbrochen werden.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung der hohlzylindrische magnetische
Schirm, der aus magnetischem Material besteht, an der
Außenseite des Abzugsabschnitts so gehaltert ist, daß er
zumindest einen Teil des Kälteenergiesammlers der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine umgibt, ist es
möglich, jeden Eintritt von Wärme duch die magnetische
Abschirmung zu verhindern, ohne eine Wechselwirkung mit dem
externen Magnetfeld.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung das thermisch isolierende
Füllmaterial, welches aus einem magnetischen Schaummittel
besteht, in den Raum zwischen der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine und dem
Kältemaschinenmontagezylinder eingefüllt ist, so daß es
zumindest einen Teil des Kälteenergiesammlers der
Mehrstufen-Kälteenergiesammler-Kältemaschine umgibt, ist es
möglich, die Wärmekonvektion des Tiefkühlmittelgases zu
verringern, welches aus dem Tiefkühlmittelbehälter in den
Raum zwischen der Mehrstufen-Kälteenergiesammler-
Kältemaschine und dem Kältemaschinenmontagezylinder
eingezogen wurde, und jede Wechselwirkung mit dem externen
Magnetfeld durch das thermisch isolierende Füllmaterial zu
verhindern, welches als magnetische Abschirmung ausgebildet
ist.
Da bei dem Verfahren zum Zusammenbau eines supraleitenden
Magneten nach der vorliegenden Erfindung die
Kältemaschine in den Kältemaschinenmontagezylinder
eingeführt wird, die Kältemaschine in den
Kältemaschinenmontagezylinder eingeschraubt und dort
fixiert wird, so daß die Kühlstufen in thermische Berührung
mit dem Kältemaschinenmontagezylinder gelangen, und nach
der Abkühlung der Kältemaschine die Kältemaschine weiter
fest an den Kältemaschinenmontagezylinder geschraubt wird,
wird die Kältemaschine gekühlt und zusamengezogen, nachdem
sie in den Kältemaschinenmontagezylinder eingeschraubt und
dort befestigt wurde. Selbst wenn der
Kältemaschinenmontagezylinder und die Kühlstufen thermisch
getrennt sind, ist es möglich, den thermischen
Kupplungszustand durch das weitere Einschrauben und
Fixieren aufrecht zu erhalten.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung die dreistufige Kälteenergiesammler-
Kältemaschine verwendet wird, welche folgende Kühlkapazität
aufweist: Eine Endtemperatur der ersten Kühlstufe von 50
bis 80 K; eine Endtemperatur der zweiten Kühlstufe von 10
bis 20 K; und eine Endtemperatur der dritten Kühlstufe von
2 bis 4,5 K, werden die erste und zweite Wärmeabschirmung
durch die erste und zweite Kühlstufe gekühlt, und das
Tiefkühlmittelgas, welches in dem Tiefkühlmittelbehälter
verdampft, wird erneut durch die dritte Kühlstufe
verflüssigt, so daß der supraleitende Magnet stabil
betrieben werden kann.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung eine Differenzdruckmeßeinrichtung
zum Messen eines Differenzdruckes zwischen dem Druck in dem
Tiefkühlmittelbehälter und dem Atmosphärendruck vorgesehen
ist, und der Differenzdruck so gesteuert wird, daß er
zwischen 0 und 0,5 bar liegt, ist es möglich, jedes
Ansaugen von Außenluft zu verhindern, um so das Erfordernis
einer Hochdruckauslegung zu eliminieren, und die Schwankung
des Magnetfeldes kann durch Unterdrücken der Verformung des
Rezipienten verringert werden.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung die Druckmeßeinrichtung zum Messen
des Absolutdrucks in dem Tiefkühlmittelbehälter vorgesehen
ist, und der Absolutdruck auf zwischen 1 und 1,5 kg/cm2
gesteuert wird, ist es möglich, jedes Ansaugen von
Außenluft zu verhindern, um so das Erfordernis einer
Hochdruckauslegung zu eliminieren, und die Schwankung des
Magnetfelds kann dadurch verringert werden, daß die
Verformung des Rezipienten unterdrückt wird.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung der Öleinspritzkreis zum Einspritzen
von Öl, welches in dem Ölseparator durch die
Heliumgas-Komprimiereinrichtung abgetrennt wurde, in die
Zwischendruckwanne des Schraubenkompressors vorgesehen ist,
ist es möglich, ein Verbrennen des Schraubenkompressors zu
verhindern.
Da bei dem supraleitenden Magneten nach der
vorliegenden Erfindung der Ölrückführkreis zum Zurückführen
des Öls, welches von dem Heliumgaskompressor durch den
Ölseparator abgetrennt wurde, zur Gasrückführleitung
vorgesehen ist, wird das in den Ölseparator abgetrennte Öl
von dem Hochdruckheliumgas abgetrennt, welches durch die
Kühleinrichtung gekühlt wird, so daß das Öl in der
Niederdruckschale gekühlt wird.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand von Fig. 1 bis 17 der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer
Darstellung,
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in
perspektivischer, teils aufgeschnittener
Darstellung,
Fig. 2 den schematischen Aufbau der dreistufigen
Kältemaschine einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 Teile der ersten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt zur Veranschaulichung des montagemäßigen
Aufbaus,
Fig. 4 Teile der ersten Ausführungsform der Erfindung zur
Veranschaulichung der thermischen Verbindung von
einem Montagezylinder und einer Wärmeabschirmung für
den supraleitenden Magneten,
Fig. 5 Teile der ersten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt zur Veranschaulichung der Verbindung von
Montagezylinder und dreistufiger Kältemaschine,
Fig. 6 den Gegenstand von Fig. 5 zur Veranschaulichung von
Wärmekonvektion,
Fig. 7(a) Teile einer dritten Kühlstufe der Kältemaschine der
ersten Ausführungsform im Schnitt,
Fig. 7(b) Teile des Gegenstandes von Fig. 7(a) in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 8 Teile der ersten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt zur Veranschaulichung der magnetischen
Abschirmung,
Fig. 9 Teile einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt,
Fig. 10 Teile einer dritten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt,
Fig. 11 Teile einer vierten Ausführungsform der Erfindung im
Schnitt,
Fig. 12 Teile einer sechsten Ausführungsform der Erfindung
im Schnitt,
Fig. 13 den systematischen Aufbau einer elften
Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
Fig. 14 den systematischen Aufbau einer zwölften
Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
Fig. 15 den systematischen Aufbau einer dreizehnten
Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
Fig. 16 den systematischen Aufbau einer vierzehnten
Ausführungsform der Erfindung im Schnitt,
Fig. 17 den systematischen Aufbau einer fünfzehnten
Ausführungsform der Erfindung im Schnitt mit
Darstellung einer Kühlmittel-
Kompressionseinrichtung,
Fig. 18 ein Beispiel für einen herkömmlichen supraleitenden
Magneten in der Ansicht,
Fig. 19 ein weiteres Beispiel für einen herkömmlichen
supraleitenden Magneten in der Ansicht und
Fig. 20 ein Beispiel für einen herkömmlichen supraleitenden
Magneten mit einer zweistufigen Kältemaschine im
Schnitt.
Diese Ausführungsform dient zum Ausführen der
Zielrichtungen 1 bis 3, 5 bis 10 und 19 der vorliegenden
Erfindung.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht
eines supraleitenden Magneten als erster Ausführungsform.
In dieser Figur werden dieselben Bezugsziffern zur
Bezeichnung derselben Teile oder Bestandteile verwendet wie
die Bezugsziffern, die bei den bekannten Vorrichtungen
gemäß Fig. 19 bis 20 verwendet werden, und eine ins
Einzelne gehende Beschreibung derartiger Teile oder
Bestandteile ist weggelassen.
In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 30 eine
dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die mit
einem Ende eines Vakuumbehälters 4 verbunden ist, im
wesentlichen parallel zur Achse der supraleitenden Spule 1.
Die Bezugsziffer 31 bezeichnet eine eiserne magnetische
Abschirmung, die aus Eisen hergestellt ist und den
Vakuumbehälter 4 zusammen mit einem magnetischen
Abschirmflansch 32 umgibt, der ebenfalls aus Eisen besteht.
Die Bezugsziffer 33 bezeichnet eine Bohrung, 34 ein
Druckablaßventil, welches auf dem Anstoßabschnitt 13
angebracht ist, 35 bezeichnet einen Montageschenkel für den
supraleitenden Magneten 35, und 36 bezeichnet eine
Druckkontrolleinheit, welche den Innendruck des
Heliumbehälters 2 kontrolliert.
Bei dieser ersten Ausführungsform sind der Heliumbehälter
2, welcher die supraleitende Spule 1 aufnimmt, die zweite
Wärmeabschirmung 5, die erste Wärmeabschirmung 6 und der
Vakuumbehälter 4 koaxial angeordnet, wodurch ein in
Querrichtung hohler Magnet gebildet wird.
Nachstehend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine, die in dem
supraleitenden Magneten gemäß der ersten Ausführungsform
verwendet wird, insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 2.
Die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 weist
einen dreistufigen Zylinder 40 auf, welcher beispielsweise
aus einem gewohnten Rohr besteht. Der Zylinder 40 empfängt
gleitbeweglich einen Verdrängerkolben 60 einer ersten
Stufe, einen Verdrängerkolben 17 einer zweiten Stufe, und
einen Verdrängerkolben 41 einer dritten Stufe. Eine
Dichtung 18 der ersten Stufe, eine Dichtung 19 der zweiten
Stufe und eine Dichtung 42 der dritten Stufe zum Verhindern
eines Lecks des Kühlmittels sind zwischen der Wand des
Zylinders 40 und den Verdrängungskolben 16, 17 und 18 der
ersten, zweiten und dritten Stufe angeordnet. Weiterhin
sind eine erste Kühlstufe 10, eine zweite Kühlstufe 11 und
die dritte Kühlstufe 43 auf den Außenumfangsoberflächen der
jeweiligen Stufen des Zylinders 40 vorgesehen.
Der Verdrängerkolben 41 der dritten Stufe nimmt einen
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe auf, der aus einem
Hochtemperaturabschnitt 45a besteht, der ein
Kälteenergiesammlerteil aus GdRh verwendet, welches eine
hohe spezifische Wärme bei 20 K bis 7,5 K aufweist, und
einen Niedertemperaturabschnitt 45b, welcher ein
Kälteenergiesammelteil aus Gd0,5Er0,5Rh verwendet,
welches im Bereich unterhalb von 7,5 K eine hohe
spezifische Wärme zeigt.
Die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 mit
dem beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt.
Es wird hier angenommen, daß die Verdrängerkolben 16, 17
und 41 der ersten, zweiten bzw. dritten Stufe an den
unteren Hubenden angeordnet sind, wobei das Saugventil 26
geöffnet und das Auslaßventil 27 geschlossen ist. In diesem
Zustand werden Expansionskammern 22, 23 und 24 der ersten,
zweiten bzw. dritten Stufe mit Hochdruck-Heliumgas 24
gefüllt, welches durch einen Heliumkompressor 25
komprimiert wurde, der als die
Heliumgas-Komprimiereinrichtung dient, wodurch in den
Expansionskammern 22, 23 und 24 der ersten, zweite bzw.
dritten Stufe ein hoher Druck aufrechterhalten wird.
Dann werden die Verdrängerkolben 16, 17 und 41 der ersten,
zweiten und dritten Stufe nach oben bewegt, so daß das
Heliumgas unter hohem Druck in die Expansionskammern 22, 23
und 24 der ersten, zweiten und dritten Stufe durch die
Kälteenergiesammler 20, 21 und 45 der ersten, zweiten bzw.
dritten Stufe eingefüllt wird. Inzwischen haben sich das
Saugventil 26 und das Auslaßventil 27 nicht bewegt. Das
Heliumgas 24 unter hohem Druck wird auf eine vorbestimmte
Temperatur durch das Kälteenergiesammlermaterial
heruntergekühlt, während es durch die Verdrängerkolben 16,
17 und 41 der ersten, zweiten und dritten Stufe gelangt.
Werden die Verdrängerkolben 16, 17 und 41 der ersten,
zweiten und dritten Stufe zu den oberen Hubenden bewegt, so
wird das Saugventil 26 geschlossen und das Auslaßventil 27
geöffnet, so daß unter Druck stehendes Heliumgas 24 in den
Niederdruckabschnitt expandiert wird, wodurch eine Kühlung
hervorgerufen wird. Daher ändert sich der Zustand des
Heliumgases 24 in den eines Niederdruckgases auf niedrige
Temperatur.
Als Ergebnis einer darauffolgenden Bewegung nach unten der
Verdrängerkolben 16, 17 und 41 der ersten, zweiten und
dritten Stufe, wird Heliumgas 24 mit verringertem Druck und
verringerter Temperatur durch das Auslaßventil 27
ausgestoßen, an den Kälteenergiesammlern 20, 21 und 22 der
ersten, zweiten und dritten Stufe vorbei. Daher wird das
Heliumgas auf niedriger Temperatur und unter niedrigem
Druck zum Heliumkompressor 25 zurückgeführt, während es das
Kälteenergiesammlermaterial in den Kälteenergiesammlern 20,
21 und 45 der ersten, zweiten und dritten Stufe
herunterkühlt.
Wenn daher die Volumina der Expansionskammern 22, 23 und 46
der ersten, zweiten und dritten Stufe auf ein Minimum
geschrumpft sind, wird das Auslaßventil 27 geschlossen,
wogegen das Ansaugventil 26 geöffnet wird, so daß das
Heliumgas 24 unter hohem Druck, welches von dem
Heliumkompressor komprimiert wurde, in die
Expansionskammern 22, 23 und 46 der ersten, zweiten und
dritten Stufe hineingelassen wird, um so den Druck in
diesen Kammern zu erhöhen.
Das Heliumgas unter hohem Druck, beispielsweise 20 bar,
wird durch den Kühler 20 der ersten Stufe auf eine
Temperatur von 60 K gekühlt, und dann durch den zweiten
Kühler 21 bis auf 15 K herunter. Das Gas wird durch den
dritten Kühler 45 weiter gekühlt und dann in die dritte
Expansionskammer 46 eingelassen.
Unter der Annahme, daß das Kälteenergiesammlermaterial des
dritten Kälteenergiesammlers 45 Blei ist, so wird das
Heliumgas 24 in die dritte Expansionskammer 46 eingelassen,
ohne ausreichend gekühlt zu werden, da das Blei eine
spezifische wärme aufweist, die kleiner ist als die des
Heliumgases 24. Da dieses Gas in die Expansionskammer 46
der dritten Stufe eingelassen wird, steigt die Temperatur
in der Expansionskammer an, und verursacht einen Verlust,
wodurch die Endtemperatur in der Größenordnung von 6,5 K
liegt. Wenn GdRh als Kälteenergiesammler verwendet wird,
wird darüber hinaus der Verlust verringert, da die
spezifische wärme dieses Materials größer ist als die von
Blei, wodurch eine Endtemperatur von bis zu 5,5 K herunter
erhalten wird.
Die Endtemperatur kann weiter auf 4,2 K verringert werden,
wenn GdRh und Gd0,5Er0,5Rh als das
Kälteenergiesammlermaterial verwendet werden (wobei das
Gewichtsverhältnis von GdRh 45 bis 65% beträgt). Eine
niedrige Endtemperatur von 3,68 K wurde erhalten, wenn die
Innenoberfläche des Zylinders 40 einer Endbearbeitung bis
auf 0,5 µm (RMS) unterworfen wurde, um das Leck an der
Dichtung zu verringern.
Eine ähnliche Endtemperatur wurde erhalten, wenn Er3Ni
anstelle von GdRh verwendet wurde.
Der hohe bzw. niedrige Druck des Heliumgases wurden auf 20
bar bzw. 6 bar eingestellt.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird daher die
dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 durch
einen Kälteenergiesammler 20 der ersten Stufe gebildet,
welcher ein Kupfer-Gold-Netzwerk als das
Kälteenergiesammlermaterial verwendet, den
Kälteenergiesammler 21 der zweiten Stufe, welcher
Bleikugeln als das Kälteenergiesammlermaterial verwendet,
und den Kälteenergeisammler 45 der dritten Stufe, welcher
einen Hochtemperaturabschnitt 45a aufweist, der GdRh als
das Kälteenergiesammlermaterial verwendet, sowie einen
Niedertemperaturabschnitt 45b, welcher Gd0,5Fr0,5Rh als
das Energiesammlermaterial verwendet. Daher läßt sich eine
bessere Kühlleistung erzielen: Eine Endtemperatur von 50
bis 80 K in der ersten Kühlstufe 10, von 10 bis 20 K in der
zweiten Kühlstufe 11, und eine Endtemperatur von 2 bis 4,5
K in der dritten Kühlstufe 43, wodurch der supraleitende
Magnet stabil arbeiten kann.
Fig. 3 erläutert die Montagestruktur für die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30. Ein L-förmiges Rohr
50 aus Edelstahl ist so angeordnet, daß ein Ende des Rohrs
der Atmosphäre des Heliumgases ausgesetzt ist, welches in
dem Heliumbehälter 2 verdampft, und so eine Zuleitung vom
oberen Abschnitt des Heliumbehälters 2 aus zur Verfügung
stellt. Der dreistufige Kältemaschinenmontagezylinder 51
aus Edelstahl ist mit einer Endoberfläche des
Vakuumbehälters 4 verbunden, so daß er sich im wesentlichen
parallel zur supraleitenden Spule 1 erstreckt. Das
L-förmige Rohr 50 und der Kältemaschinenmontagezylinder 51
sind miteinander über Federbälge 52 verbunden. Der
Kältemaschinenmontagezylinder 51 weist eine erste Stufe 53
und eine zweite Stufe 54 auf, die beide aus Kupfer
bestehen. Die erste und zweite Stufe 53 und 54 sind
thermisch an die erste Wärmeabschirmung 6 und die zweite
Wärmeabschirmung 5 angekuppelt.
Die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 ist so
in dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 aufgenommen, daß
ihre dritte Kühlstufe der Heliumgasatmosphäre ausgesetzt
ist, die in das L-förmige Rohr 50 eingelassen wird.
Zusätzlich sind die erste Kühlstufe 10 und die zweite
Kühlstufe 11 so befestigt, daß sie thermisch mit dem
Kältemaschinenmontagezylinder 51 gekuppelt sind.
Daher ist der Kältemaschinenmontagezylinder 51 so an der
Endoberfläche des Vakuumbehälters 4 befestigt, daß er sich
im wesentlichen parallel zur Achse der supraleitenden Spule
1 erstreckt. Es ist daher möglich, ausreichend große
Hubbewegungen für die Verdrängerkolben zu erhalten, die zur
Kühlleistung der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 beitragen, ohne die
Zwischenräume zwischen den Bauteilen zu erhöhen,
beispielsweise dem Heliumbehälter 2, der zweiten
Wärmeabschirmung 5, der ersten Wärmeabschirmugn 6 und dem
Vakuumbehälter 4, wodurch sich eine Verringerung der
Abmessungen des supraleitenden Magneten erzielen läßt. Da
die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
abnehmbar an dem Kältemaschinenmontagezylinder 51
angebracht ist, kann die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 abgebaut werden, ohne
daß ein Zerlegen der gesamten Vorrichtung erforderlich ist,
wodurch Wartungsarbeiten erleichtert werden.
Fig. 4 zeigt die Struktur der thermischen Kupplung zwischen
dem Kältemaschinenmonatgezylinder 51 und der ersten und
zweiten Wärmeabschirmung 5 und 6. Die zweite
Wärmeabschirmung 5 ist mit einer zweiten Kerbe 60 versehen.
Die erste Wärmeabschirmung 6 weist eine erste Kerbe 61 auf,
die so festgelegt ist, daß sie die zweite Kerbe 60
freiläßt. Der Vakuumbehälter 4 ist mit einer Kerbe 62
versehen, so daß die erste Kerbe 61 frei liegt. Die erste
Stufe 53 und die erste Wärmeabschirmung 5 sind miteinander
über einen flexiblen Leiter 63 verbunden, der durch
geflochtene Kupferdrähte gebildet wird. Eine ähnliche
Verbindung ist auch zwischen der zweiten Stufe 54 und der
zweiten Wärmeabschirmung 5 vorgesehen. Auf diese Weise wird
eine thermische Kupplung zwischen der ersten Stufe 53 und
der ersten Wärmeabschirmung 6 sowie zwischen der zweiten
Stufe 54 und der zweiten Wärmeabschirmung 5 erreicht. Ein
zweiter Strahlungsschild 55 und ein erster Strahlungsschild
56, die beide aus Kupfer bestehen, sind so angeordnet, daß
sie die zweite Kerbe 60 bzw. die erste Kerbe 61 abdecken.
Eine Verschlußplatte 57 aus Edelstahl ist so an den
Vakuumbehälter 4 angebracht, daß sie die Kerbe 62 abdeckt.
Daher ist der dreistufige Kältemaschinenmontagezylinder 51
an seinem einen Ende an eine Endoberfläche des
Vakuumbehälters 4 angeschlossen, und an seinem anderen Ende
an das L-förmige Rohr 50 über einen Federbalg 62, und die
erste Stufe 53 und die zweite Stufe 54 dieses Zylinders 51
liegen durch die Kerbe 62 und die erste Kerbe 61 frei. Es
ist daher möglich, einfach den
Kältemaschinenmontagezylinder 51 und die erste und zweite
Wärmeabschirmung 6, 5 zu verbinden, ohne eine Störung durch
den Vakuumbehälter 4. Da die erste und zweite Kerbe 61, 60
durch den ersten und zweiten Wärmestrahlungsschild 56, 55
abgedeckt sind, ist es möglich, eine Wärmeübertragung von
außen zu verringern.
Fig. 5 zeigt die Konstruktion zur Verbindung zwischen der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 und dem
Kältemaschinenmontagezylinder 51. Ein zylinderseitiger
thermischer Leiter 64 mit einer verjüngten Oberfläche ist
in der Innenoberfläche des Kältemaschinenmontagezylinders
51 an einem Abschnitt des Zylinders angeordnet, an welchen
die erste Stufe 53 befestigt werden soll. Andererseits ist
ein kältemaschinenseitiger thermischer Leiter 65, der mit
einer gerändelten Oberfläche versehen ist, an der ersten
Kühlstufe 10 der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 vorgesehen, so daß er
der voranstehend erwähnten verjüngten Oberfläche des
zylinderseitigen thermischen Leiters 64 gegenüberliegt.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind ein ähnlicher
zylinderseitiger thermischer Leiter 64 und ein
kältemaschinenseitiger thermischer Leiter 65 auch auf dem
Abschnitt der Innenwandoberfläche des
Kältemaschinenmontagezylinders 51 vorgesehen, an welchen
die zweite Stufe 54 befestigt werden soll, sowie die zweite
Kühlstufe der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30. Der zylinderseitige
thermische Leiter 64 und der kältemaschinenseitige
thermische Leiter 65 bestehen aus Kupfer, welches eine gute
Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Ein Indiumdraht 66 als das weiche Material für eine
thermische Kupplung ist zwischen dem zylinderseitigen
thermischen Leiter 64 und dem kältemaschinenseitigen Leiter
65 vorgesehen. Der kältemaschinenseitige Zylinder 51 weist
einen Montageflansch 67 auf, an welchem Bolzen 69 befestigt
sind, um einen Flansch 68 der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 zu befestigen, über
dazwischen angeordnete elastische Scheibenfedern 70. Ein
"O"-Ring 71 als luftdichtes Dichtungsteil ist zwischen den
Montageflansch 67 und dem Flansch 68 angeordnet. Weiterhin
ist ein wärmeisolierender Füllstoff 72 an der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 befestigt,
beispielsweise Schaum- oder Naturgummi, und wird dort
zwischen dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 und der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
eingebracht.
Wenn der Flansch 68 an dem Montageflansch 67 mit Hilfe der
Bolzen 69 befestigt wird, so gleitet der Flansch 68,
während durch den O-Ring 71 eine luftdichte Abdichtung
aufrechterhalten wird, und der Indiumdraht 66 wird durch
die von den Bolzen 69 aufgebrachte Kraft plastisch
verformt, wodurch eine thermische Kupplung zwischen den
zylinderseitigen Leiter 64 und dem kältemaschinenseitigen
thermischen Leiter 65 zur Verfügung gestellt wird.
Eine Verschiebung der Teile infolge eines übermäßigen
Anziehens der Bolzen 69, oder infolge thermischer
Ausdehnung oder Zusammenziehung der Teile, oder infolge von
Schwingungen, wird durch die Scheibenfedern 70 absorbiert,
wodurch ein Bruch dieser Teile und eine schlechtere
thermische Kupplung verhindert werden. Selbst wenn die
dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
ausreichend gekühlt und zusammengezogen ist, nachdem sie
auf dem Kältemaschinenmonatagezylinder 51 angebracht wurde,
kann darüber hinaus der gewünschte Pegel der
Befestigungskraft durch zusätzliches Festziehen der Bolzen
69 aufrechterhalten werden.
Die verjüngte Oberfläche des kältemaschinenseitigen
thermischen Leiters 65 ist gerändelt, um den engen Kontakt
zwischen dem Indiumdraht 66 und dem thermischen Leiter 65
zu erhöhen. Zusätzlich haftet der plastisch verformte
Indiumdraht an der verjüngten Oberfläche des
kältemaschinenseitigen thermischen Leiters 65, so daß er
zusammen mit der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 entfernt wird, wenn
diese abgebaut wird.
Bei Wartungsarbeiten wird das wärmeisolierende Füllmaterial
72 zusammen mit der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 herausgenommen, ohne
daß es in dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 verbleibt.
Der Raum zwischen dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 und
der dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 ist
mit dem Heliumgas gefüllt, welches in dem Heliumbehälter 2
verdampft ist und durch das L-förmige Rohr 50 zugeführt
wurde. Darüber hinaus wird in jeder Stufe der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 ein Wärmegradient
eingerichtet. Das Heliumgas wird durch den
Hochtemperaturabschnitt des Zylinders 40 erwärmt und durch
dessen Niedertemperaturabschnitt gekühlt, wodurch eine
Konvektion hervorgerufen wird, wie sie durch Pfeile in Fig.
6 angedeutet ist. Diese Wärmekonvektion ist einer der
Gründe für den Temperaturanstieg an der ersten Kühlstufe 10
als Niedertemperaturabschnitt, wodurch die Kühlleistung der
Kältemaschine beeinträchtigt wird. Bei dieser Anordnung
dient das wärmeisolierende Füllmaterial 72, welches
zwischen den Kältemaschinenmontagezylinder 51 und die
dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 eingefüllt
ist, zum Verhindern einer Konvektion des Heliumgases.
Die Fig. 7(a) und 7(b) zeigen den Aufbau der dritten
Kühlstufe 43 der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30. Nuten 73, welche eine
vergrößerte Wärmeübertragungsoberfläche zur Verfügung
stellen, sind in der Außenumfangsoberfläche der dritten
Kühlstufe vorgesehen, und erstrecken sich parallel zur
Richtung von Tropfen des Heliums, welches erneut zur
flüssigen Phase verflüssigt wurde. Das Heliumgas, welches
in dem Heliumbehälter 2 verdampfte und durch das L-förmige
Rohr 50 abgezogen wurde, wird durch die dritte Kühlstufe 43
gekühlt und kondensiert, so daß es an der
Außenumfangsoberfläche der dritten Kühlstufe 43 anhaftet.
Dieses flüssige Helium fließt in die Nuten 43 und fließt
entlang dieser Nuten 43 in den Heliumbehälter 2 über das
L-förmige Rohr 50.
Der Fluß des flüssigen Heliums 74 findet glatt statt, da
sich die Nuten 73 parallel zu den Nuten 73 erstrecken. Da
das flüssige Helium 74 in den Nuten 73 der dritten
Kühlstufe 43 fließt, wird der Film des flüssigen Heliums
74, der an der Außenumfangsoberfläche der dritten Kühlstufe
43 anhaftet und die Wärmeübertragung beeinträchtigt, an den
Wellenbergen der dritten Kühlstufe 43 verdünnt, wodurch
eine wirksame Rekondensation des Heliumgases zur flüssigen
Phase erreicht wird.
Die vergrößerte Wärmeübertragungsoberfläche, die auf dem
Außenumfang der dritten Kühlstufe 43 gebildet ist, kann
durch Rippen oder durch Rändeln erreicht werden. Das
Einbringen des kondensierten flüssigen Heliums 74 in den
Heliumbehälter 2 würde noch wirksamer durchgeführt, wenn
das L-förmige Rohr 50 geneigt ist, oder wenn ein Trog oder
dergleichen zwischen der dritten Kühlstufe 43 und dem
L-förmigen Rohr 50 vorgesehen ist.
Fig. 8 erläutert den Aufbau der magnetischen Abschirmung
des Kälteenergiesammlers 45 der dritten Stufe der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30. Mehrere
kurze Eisenringe 75 als magnetische Ringe sind auf der
Innenwandoberfläche des L-förmigen Rohrs 50 in einem
vorbestimmten Abstand so vorgesehen, daß sie den
Kälteenergiesammler der dritten Stufe der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 umgeben.
Bei einem mit kernmagnetischer Resonanz abbildenden
Diagnosegerät muß ein äußerst gleichförmiges Magnetfeld
entwickelt werden. Im Betrieb der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 kann das externe
Magnetfeld infolge einer Bewegung des Verdrängerkolbens 41
der dritten Stufe gestört werden, welcher einen
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe aufweist, der als
Kälteenergiesammlermaterial Materialien aus seltenen Erden
verwendet, beispielsweise GdRh und Gd0,5Er0,5Rh.
Derartige Effekte werden jedoch durch die voranstehend
beschriebene magnetische Dichtung unterdrückt. Der Abstand
zwischen den benachbarten Eisenringen 5 der magnetischen
Abschirmung stellt auch den Effekt zur Verfügung, eine
Wärmeleitung durch die magnetische Abschirmung zu
verhindern.
Die erste Ausführungsform mit dem beschriebenen Aufbau
bringt die nachstehend angegebenen Vorteile mit sich.
Die dritte Kühlstufe 43 ist so an den Vakuumbehälter 4
angebracht, daß sie sich im wesentlichen parallel zur
Richtung der Achse der supraleitenden Spule 1 erstreckt, so
daß die dritte Kühlstufe 43 der Atmosphäre des Heliumgases
ausgesetzt ist, welches als Resultat einer Verdampfung in
dem Heliumbehälter 2 gebildet wird. Daher kann Heliumgas
wirksam erneut verflüssigt werden, um einen stabilen
Betrieb des supraleitenden Magneten sicherzustellen, und
die Verdrängerkolben 16, 17 und 41 der ersten, zweiten und
dritten Stufe können große Hübe ausführen, was zur
Kühlleitung der Kältemaschine beiträgt, wodurch eine
ausreichend hohe Kühlleistung sichergestellt wird.
Gleichzeitig ist die Höhe des supraleitenden Magneten
verringert, um eine Verkleinerung der Kältemaschine zu
ermöglichen, wodurch eine geringere Deckenhöhe des
Installationsortes ermöglicht wird, und der Transport
erleichtert wird.
Da die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
abnehmbar in dem Kältemaschinenmontagezylinder 51
angebracht ist, kann die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 demontiert werde, ohne
daß die gesamte Vorrichtung auseinandergebaut werden muß,
wodurch Wartungsarbeiten erleichtert werden.
Darüber hinaus läßt sich der konstruktive Aufwand zur
Montage der dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine
30 vereinfachen, da die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 so an dem
Vakuumbehälter 4 befestigt ist, daß sie im wesentlichen
parallel zur Achse der supraleitenden Spule 1 verläuft, und
zwar so, daß die dritte Kühlstufe 43 zum Inneren des
L-förmigen Rohr 50 hin frei liegt, welches an dem
Heliumbehälter 2 befestigt ist, so daß ein Ende des Rohrs
50 der gasförmigen Phase des Heliums des in dem
Heliumbehälter 2 verdampften Heliums ausgesetzt ist.
Da die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 an
der Endoberfläche des Vakuumbehälters 4 so angebracht ist,
daß sie im wesentlichen parallel zur Achse der
supraleitenden Spule 1 verläuft, kann die Höhe des
supraleitenden Magneten weiterhin verringert werden, so daß
die gesamte Vorrichtung verkleinert wird.
Die zweite Wärmeabschirmung 5 ist mit der zweiten Kerbe 60
versehen, und die erste Wärmeabschirmung 6 mit einer ersten
Kerbe 61, so daß die zweite Kerbe 60 über die erste Kerbe
61 freigelegt ist. Die erste Wärmeabschirmung 6 ist
thermisch an der ersten Kerbe 61 an dem
Kältemaschinenmontagezylinder über den flexiblen
thermischen Leiter 63 gekuppelt, und auch die zweite
Wärmeabschirmung 5 ist thermisch an der zweiten Kerbe 60 an
den Kältemaschinenmontagezylinder über den flexiblen Leiter
63 gekuppelt, wodurch der Zusammenbau sehr wirksam erfolgen
kann, ohne die thermische Kopplung infolge einer Störung
durch die erste und zweite Abschirmung 5, 6 zu
beeinträchtigen.
Darüber hinaus kann die Zufuhr von Wärme von der Außenseite
verringert werden, da die erste und zweite Kerbe 61, 60,
die in der ersten und zweiten Wärmeabschirmung 6, 5
vorgesehen sind, durch das erste und zweite
Strahlungsschild 56, 55 abgedeckt sind.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß infolge der
Tatsache, daß der Spalt zwischen der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 und dem
Kältemaschinenmontagezylinder 51 mit dem
Wärmeisolierfüllmaterial 72 gefüllt ist, es möglich ist,
eine Konvektion des Heliumgases zu verhindern, welches in
den voranstehend erwähnten Raum gelangt, was ebenfalls zur
Erhöhung der Kühlleistung der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 beiträgt.
Weiterhin kann das wärmeisolierende Füllmaterial 72,
welches zwischen der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 und dem
Kältemaschinenmontagezylinder 51 angeordnet und an der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 befestigt
ist, zusammen mit der dreistufigen Kälteenergiesammler-
Kältemaschine 30 herausgenommen werden, wenn diese abgebaut
wird, wodurch die Wartung erleichtert wird.
Jede Kühlstufe der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 ist mit einem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter 65 versehen, der
eine verjüngte Oberfläche aufweist, und der Abschnitt der
Innenoberfläche des Kältemaschinenmontagezylinders 51,
welcher dem kältemaschinenseitigen thermischen Leitern 65
gegenüberliegt, ist mit einem zylinderseitigen thermischen
Leiter 64 versehen, wobei ein Indiumdraht 66 zwischen
diesen thermischen Leitern 64 und 65 angeordnet ist. Daher
wird zwischen dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 und der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 eine
sichere thermische Kupplung gebildet, nämlich über den
Indiumdraht 66, der zwischen diesen thermischen Leiter 65
und 64 plastisch verformt wird.
Da die verjüngte Oberfläche des kältemaschinenseitigen
thermischen Leiters 65 gerändelt wurde, haftet daher der
Indiumdraht 66, der zwischen dem kältemaschinenseitigen
thermischen Leiter 65 und dem zylinderseitigen thermischen
Leiter 64 plastisch verformt wurde, um zwischen diesen
Teilen die thermische Kupplung bereitzustellen, an der
verjüngten Oberfläche des kältemaschinenseitigen
thermischen Leiters 65 an und wird zusammen mit der
Kältemaschine herausgenommen, wenn diese abgebaut wird, so
daß er nicht auf dem zylinderseitigen thermischen Leiter 64
verbleibt, wodurch der Wirkungsgrad bei Wartungsarbeiten
verbessert wird.
Weiterhin ist der Flansch 68 an dem Montageflansch 64 mit
Hilfe von Bolzen 69 über die Scheibenfedern 70 befestigt,
wobei der O-Ring zwischen der Innenumfangsoberfläche des
Montageflansches 67 und der Außenumfangsfläche des
Flansches 68 angeordnet ist und daher kann jegliche
Verschiebung dieser Flansche infolge einer thermischen
Ausdehnung oder Kontraktion oder einer Schwingung durch die
Scheibenfedern 67 gut ausgeglichen werden. Der
erforderliche Pegel der Befestigungskraft läßt sich durch
zusätzliches Festziehen der Bolzen 69 erreichen, welches
nach einer ausreichenden Abkühlung der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 erreicht wird, nachdem
diese in dem Montagezylinder montiert wurde.
Weiterhin beschleunigen die Nuten 73, die in der
Außenumfangsoberfläche der dritten Kühlstufe 43 vorgesehen
sind, das Herabtropfen rückkondensierten flüssigen Heliums
74, wodurch vermieden wird, daß ein dicker Film des
flüssigen Heliums 74 auf der gesamten
Außenumfangsoberfläche der dritten Kühlstufe 43 haftet.
Dieser Effekt wird vergrößert, wenn die Nuten 73 so
angeordnet sind, daß sie sich parallel zur Tropfrichtung
des verflüssigten Heliums 74 erstrecken.
Da mehrere kurze Eisenringe 75 auf der
Innenumfangsoberfläche des L-förmigen Rohrs 50 mit
vorbestimmtem Abstand so angeordnet sind, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe umgeben, ist es
darüber hinaus möglich, eine Störung des externen
Magnetfelds zu verhindern, welche infolge der Hin- und
Herbewegung des Kälteenergiesammlers 45 der dritten Stufe
auftreten kann, wobei der Abstand zwischen benachbarten
Eisenringen 75 eine Sperre bezüglich Wärmeleitung zur
Verfügung stellt, wodurch ein stabiler Betrieb des
supraleitenden Magneten gesichert wird.
Die dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 gemäß
der vorliegenden Erfindung weist den Kälteenergiesammler 20
der ersten Stufe auf, der ein Kupfer-Gold-Netzwerk als
Kälteenergiesammlermaterial verwendet, den
Kälteenergiesammler 21 der zweiten Stufe, welcher
Bleikugeln als das Kälteenergiesammlermaterial verwendet,
und den Kälteenergiesammler der dritten Stufe, welcher den
Hochtemperaturabschnitt 45a aufweist, in welchem GdRh als
das Kälteenergiesammlermaterial verwendet wird, und den
Tieftemperaturabschnitt, welcher Gd0,5Er0,5Rh als das
Kälteenergiesammlermaterial verwendet. Mit dieser Anordnung
ist es möglich, eine bessere Kühlleistung zu erzielen:
Nämlich die Endtemperatur von 50 bis 80 K in der ersten
Kühlstufe 10; die Endtemperatur von 10 bis 20 K in der
zweiten Kühlstufe 11, und die Endtemperatur von 2 bis 4,5 K
in der dritten Kühlstufe 43. Daher kann das in der dritten
Kühlstufe 43 verdampfte Heliumgas in der dritten Kühlstufe
43 wieder verflüssigt werden, wodurch ein stabiler Betrieb
des supraleitenden Magneten sichergestellt wird.
Die zweite Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
supraleitenden Magneten entsprechend der Zielrichtung 11
der vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform ist ein mit einer verjüngten
Oberfläche versehener, zylinderseitiger thermischer Leiter
64, der in der Kältemaschine angebracht ist, thermisch an
dem kältemaschinenseitigen thermischen Leiter 65
angeschlossen, der mit einer verjüngten, gerändelten
Oberfläche versehen ist, wobei der Indiumdraht 66 zwischen
diesen Teilen vorgesehen ist. Bei der zweiten
Ausführungsform weist jedoch, wie in Fig. 9 dargestellt,
der in der Kältemaschine angebrachte zylinderseitige
thermische Leiter 64 eine rechteckige Form auf, und der
kältemaschinenseitige thermische Leiter 65 weist eine
hohlzylindrische Form auf, wobei dieser Leiter elastisch
ist, da seine Außenumfangsoberfläche gekerbt ist, und
mehrere Schlitze in einer Richtung parallel zur Welle der
Kältemaschine vorgesehen sind. Sie sind miteinander
thermisch über den dazwischen angeordneten Indiumdraht 66
verbunden, wodurch es ermöglicht wird, eine Verschiebung
des Teils auszugleichen, die in einer Richtung senkrecht
zur Welle der Kältemaschine auftritt, wobei diese
Verschiebung infolge thermischer Kontraktion oder von
Schwingungen auftritt, und hierdurch wird es möglich, die
Verläßlichkeit der thermischen Verbindung zu verbessern.
Die dritte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform
des supraleitenden Magneten entsprechend der Zielrichtung
11 der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der in der
Kältemaschine angeordnete, rechteckfömige zylinderseitige
thermische Leiter 64 thermisch mit dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter 65 verbunden, der
hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei dieser Leiter
elastisch ist, da seine Außenumfangsoberfläche gekerbt ist,
und mehrere Schlitze in einer Richtung parallel zur Welle
der Kältemaschine vorgesehen sind. Diese Teile sind
thermisch miteinander so verbunden, daß dazwischen der
Indiumdraht 66 eingeklemmt ist. Bei der dritten
Ausführungsform jedoch, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist,
weist der kältemaschinenseitige thermische Leiter 65 die
Form eines auf der Seite liegenden U im Querschnitt auf, so
daß er elastisch ist, wodurch es möglich wird, eine
Axialverschiebung der Kältemaschine auszugleichen, die in
dem Teil hervorgerufen wird, wobei diese Verschiebung
infolge thermischer Kontraktion oder von Schwingungen
auftritt, und hierdurch wird es möglich, die Verläßlichkeit
der thermischen Verbindung zu erhöhen.
Die vierte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform
des supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 11 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform ist der zylinderseitige
thermische Leiter 64 mit rechteckiger Form, der in der
Kältemaschine angebracht ist, thermisch mit dem
kältemaschinenseitigen thermischen Leiter 65 verbunden, der
elastisch ist, da seine Außenumfangsoberfläche gekerbt ist,
und da mehrere Schlitze in einer Richtung parallel zur
Welle der Kältemaschine vorgesehen sind, wobei der
Indiumdraht 66 dazwischen eingeklemmt ist. Bei der vierten
Ausführungsform, die in Fig. 11 gezeigt ist, weist der
kältemaschinenseitige thermische Leiter 65 die Form eines
auf der Seite liegenden U im Querschnitt auf, damit er
elastisch ist, wodurch die gleichen Wirkungen wie
voranstehend beschrieben erhalten werden.
Die fünfte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform
eines supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 15 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform sind mehrere kurze
Eisenringe 75 auf der Innenwandoberfläche des L-förmigen
Rohrs 50 auf solche Weise angebracht, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe in einem
vorbestimmten Abstand umgeben. Bei der fünften
Ausführungsform sind jedoch mehrere kurze Eisenringe 75 auf
der Außenwandoberfläche des L-förmigen Rohrs auf solche
Weise angeordnet, daß sie den Kälteenergiesammler 45 der
dritten Stufe in einem vorbestimmten Abstand umgeben,
wodurch dieselbe Wirkung wie voranstehend beschrieben
erzielt wird.
Die sechste Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 16 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform sind mehrere kurze
Eisenringe 75 so auf der Innenwandoberfläche des L-förmigen
Rohrs 50 angeordnet, daß sie den Kälteenergiesammler 45 der
dritten Stufe in einem vorbestimmten Abstand umgeben. Bei
der dritten Ausführungsform jedoch, wie in Fig. 12 gezeigt,
ist eine magnetische Substanz, beispielsweise eine
hohlzylindrische magnetische Abschirmung 76 aus Eisen,
adiabatisch auf der Außenumfangswandoberfläche des
L-förmigen Rohrs 50 auf solche Weise gehaltert, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe so umgibt, da
dazwischen ein Wärmeisolierteil 77 angeordnet ist.
Da bei der dritten Ausführungsform die magnetische
Abschirmung 76 so angeordnet ist, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe umgibt, in welchem
ein Material aus seltenen Erden gespeichert ist, kann eine
Störung des äußeren Magnetfelds verhindert werden, wenn
sich der Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe hin- und
herbewegt. Da die magnetische Abschirmung 76 auf dem
L-förmigen Rohr 50 durch das Wärmeisolierteil 77
adiabatisch gehaltert ist, wird darüber hinaus eine
Wärmeleitung über die magnetische Abschirmung 76
verhindert, wodurch es ermöglicht wird, den supraleitenden
Magneten stabil zu betreiben.
Die siebte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform
des supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 16 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der sechsten Ausführungsform ist die magnetische
Abschirmung 76 adiabatisch auf der Außenumfangsoberfläche
des L-förmigen Rohrs 50 auf solche Weise gehaltert, daß sie
den Kälteenergiesammler 45 umgibt, wobei das
Wärmeisolierteil 77 dazwischen angeordnet ist. Bei der
siebten Ausführungsform ist jedoch die 26657 00070 552 001000280000000200012000285912654600040 0002004310138 00004 26538magnetische
Abschirmung 76 an ihrem einen Ende an der
Außenumfangsoberfläche des L-förmigen Rohrs 50 so
gehaltert, daß sie zumindest den Kälteenergiesammler 45 der
dritten Stufe umgibt, wodurch derselbe Effekt wie
voranstehend beschrieben erhalten wird.
Die achte Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 17 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der sechsten Ausführungsform ist die aus Eisen
bestehende hohlzylindrische magnetische Abschirmung 76
adiabatisch auf der Außenumfangsoberfläche des L-förmigen
Rohrs 50 auf solche Weise gehaltert, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe so umgibt, daß
dazwischen das Wärmeisolierteil 77 angeordnet ist. Bei der
achten Ausführungsform wird jedoch eine magnetische
Schaumsubstanz, die aus Naturgummi gebildet ist, welchem
Eisenteilchen zugemischt wurden, die magnetische Substanzen
sind, als ein Wärmeisolierfüllstoff zum Ausfüllen des
Raumes zwischen der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten
Stufe und dem Zylinder 51 veranlaßt, der auf der
Kältemaschine angebracht ist, wodurch dieselbe Wirkung wie
voranstehend beschrieben erzielt wird.
Die neunte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform
des supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 17 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der achten Ausführungsform wird eine magnetische
Schaumsubstanz, die aus Naturgummi mit zugemischten
Eisenteilchen als magnetischen Substanzen gebildet ist, als
Wärmeisolierfüllmaterial zum Ausfüllen des Raumes zwischen
der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe und dem
Zylinder 51 veranlaßt, der auf der Kältemaschine angebracht
ist, und zwar auf solche Weise, daß sie den
Kälteenergiesammler 45 der dritten Stufe umgibt. Bei der
neunten Ausführungsform wird jedoch die magnetische
Schaumsubstanz dazu veranlaßt, den gesamten Raum zwischen
der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe und dem
Zylinder 51 auszufüllen, der auf der Kältemaschine
angebracht ist. Zusätzlich zu den Effekten bei der achten
Ausführungsform kann darüber hinaus die thermische
Konvektion eines Heliumgases zwischen der
Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe und dem Zylinder
51 verhindert werden.
Die zehnte Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
Verfahrens zum Montieren eines supraleitenden Magneten
gemäß Zielrichtung 18 der vorliegenden Erfindung.
Eine Montage der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe
auf dem Zylinder 51, der auf der Kältemaschine angebracht
ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert.
Am Anfang wird ein O-Ring 71 auf einem Flansch 68 der
Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe angebracht, und
der Indiumdraht 66 wird auf der verjüngten Oberfläche des
kältemaschinenseitigen thermischen Leiters 65 angeordnet.
Daraufhin wird die Sammler-Kältemaschine 30 der dritten
Stufe in den Zylinder 51 eingeführt, der auf der
Kältemaschine vorgesehen ist, und der Flansch 68 der
Kältemaschine wird an einem Montageflansch 67 mit Hilfe
eines Bolzens 69 mit Hilfe einer Belleville-Feder 70
befestigt.
In der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe gleitet
der Flansch 68, während eine Luftdichtigkeit
aufrechterhalten wird, und veranlaßt den Indiumdraht 66
zwischen dem kältemaschinenseitigen thermischen Leiter 65
und dem zylinderseitigen thermischen Leiter 64, die in der
Kältemaschine angebracht sind, zu einer plastischen
Verformung. Zu diesem Zeitpunkt ist der
kältemaschinenseitige thermische Leiter 65 thermisch mit
dem zylinderseitigen thermischen Leiter 64 verbunden, der
in der Kältemaschine angebracht ist, über den Indiumdraht
66.
Der auf der Kühlmaschine angebrachte Zylinder 51 wird auf
niedriger Temperatur gehalten, wogegen die
Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe von
Normaltemperatur auf niedrige Temperatur heruntergekühlt
wird, und im Verlauf der Zeit in der Sammler-Kühlmaschine
30 der dritten Stufe eine thermische Kontraktion
hervorgerufen wird. Die thermische Kontraktion in der
Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe wird absorbiert
infolge der schwach werdenden Kraft der Belleville-Feder
70, wodurch die thermische Verbindung zwischen dem
kühlmaschinenseitigen thermischen Leiter 65 und dem
zylinderseitigen thermischen Leiter 64, der in der
Kühlmaschine angebracht ist, sichergestellt wird.
Nachdem die Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe
ausreichend heruntergekühlt ist und ihre Kontraktion
aufhört, wird nunmehr eine verstärkte Befestigung unter
Verwendung des Bolzens 69 durchgeführt, wodurch die
Spannkraft der Belleville-Feder 70 auf den alten Wert
gebracht wird, die infolge der thermischen Kontraktion
schwach geworden ist, und zwar auf einen eingestellten Wert.
Da bei der zehnten Ausführungsform unter Verwendung des
Bolzens 69 eine verstärkte Befestigung durchgeführt wird,
und die Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe
zusammengebaut wird, nachdem sie ausreichend
heruntergekühlt ist, wird eine Verringerung der
Befestigungskraft des Bolzens 69 infolge der Abkühlung und
der thermischen Kontraktion der Sammler-Kühlmaschine 30 der
dritten Stufe verhindert, wodurch es möglich wird, die
Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe mit einer
vorbestimmten Befestigungskraft anzubringen, und die
thermische Verbindung zwischen dem kühlmaschinenseitigen
thermischen Leiter 65 und dem zylinderseitigen thermischen
Leiter 64 sicherzustellen, die in der Kühlmaschine
angebracht sind, selbst wenn eine Verschiebung infolge von
Temperaturänderungen, Schwingungen oder dergleichen
auftritt.
Die elfte Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 4 der
vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform ist die Sammler-Kühlmaschine
30 der dritten Stufe im wesentlichen parallel zur Achse der
supraleitenden Spule 1 angebracht, so daß die Kühlstufe 43
der dritten Stufe einer Atmosphäre von Heliumgas ausgesetzt
ist, welches innerhalb des Heliumbehälters 2 verdampft. Bei
der zehnten Ausführungsform ist jedoch, wie in Fig. 13
gezeigt, die Sammler-Kühlmaschine 30 der dritten Stufe in
einer Richtung angebracht, die im wesentlichen parallel zur
Achse der supraleitenden Spule 1 verläuft, so daß die
Kühlstufe 43 der dritten Stufe den Heliumbehälter 2 kühlt,
und so denselben Effekt erreicht wie voranstehend
beschrieben.
Die zwölfte Ausführungsform ist eine Ausführungsform eines
supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 20 der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines
supraleitenden Magneten gemäß der zwölften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In Fig. 14 bezeichnet die
Bezugsziffer 80 eine Heizvorrichtung, die auf der dritten
Kühlstufe der Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe
angebracht ist; die Bezugsziffer 81 bezeichnet ein
Auslaßrohr zur Verbindung einer Öffnung 13 mit der
Außenumgebung, wobei im Verlauf dieses Rohrs ein
Druckablaßventil 34 angeordnet ist; die Bezugsziffer 82
bezeichnet ein Bypaßrohr des Auslaßrohrs 81; die
Bezugsziffer 83 bezeichnet ein Rückschlagventil, welches
auf dem Bypaßrohr 82 angeordnet ist; und die Bezugsziffer
84 bezeichnet einen Differenzdrucksensor, der als
Druckmeßeinrichtung dient.
Nachstehend wird der Betrieb bei der zwölften
Ausführungsform erläutert.
In einem Fall, in welchem flüssiges Helium innerhalb des
Heliumbehälters 2 abrupt verdampft wird, und der Druck
innerhalb des Heliumbehälters 2 auf nicht normale Weise
während des Betriebs des supraleitenden Magneten ansteigt,
wird das Heliumgas über das Auslaßrohr 81 von dem
Druckablaßventil 34 nach außen abgegeben, wodurch
verhindert wird, daß der supraleitende Magnet zerstört wird.
Wird der supraleitende Magnet normal betrieben, so wird
flüssiges Helium 3 innerhalb des Heliumbehälters 2
verdampft, da von außen Wärme eintritt. Der Druck innerhalb
des Heliumbehälters 2 wird als Druckdifferenz gegenüber dem
äußeren Atmosphärendruck ermittelt, welcher einen
Referenzdruck darstellt, und zwar durch den
Differenzdrucksensor 84 von beiden Enden des
Rückschlagventils 83 des Bypaßrohrs 82 aus. Die gemessenen
Signale von dem Differenzdrucksensor 84 werden der
Drucksteuereinheit 36 eingegeben.
Die Drucksteuereinheit 36 steuert den Druck wie nachstehend
erläutert, auf der Grundlage der gemessenen Signale von dem
Differenzdrucksensor 84.
Am Anfang, wenn der Differenzdruck 0 kg/cm2 oder weniger
wird, so wird ein elektrischer Strom der Heizvorrichtung 80
zugeführt, wodurch die Temperatur innerhalb des
Heliumbehälters 2 ansteigt. Infolge eines Anstiegs der
Temperatur innerhalb des Heliumbehälters 2 wird das
flüssige Helium 3 verdampft, und der Druck innerhalb des
Heliumbehälters 2 steigt an. Nimmt der Druck einen Wert von
0 kg/cm2 oder mehr an, so wird die Zufuhr elektrischen
Stroms zur Heizvorrichtung 80 gestoppt.
Wenn allerdings der Differenzdruck 0,5 kg/cm2 übersteigt,
so wird der Kühlzyklus der Sammler-Kältemaschine 30 der
dritten Stufe beschleunigt und die Kühlleistung erhöht,
wodurch die Rückverflüssigung des Heliumgases durch die
Kühlstufe 43 der dritten Stufe beschleunigt wird. Infolge
der Rückverflüssigung des Heliumgases nimmt der Druck
innerhalb des Heliumbehälters 2 ab. Wird der Differenzdruck,
0,5 kg/cm2 oder weniger, so wird die
Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe bei einem
vorbestimmten Kühlzyklus betrieben.
Wie voranstehend beschrieben, wird bei der zwölften
Ausführungsform die Druckdifferenz zwischen dem äußeren
Atmosphärendruck und dem Druck innerhalb des
Heliumbehälters 2 durch den Differenzdrucksensor 84
ermittelt, und das Ein- und Ausschalten der Heizvorrichtung
80 sowie die Kühlzyklusgeschwindigkeit der
Sammler-Kältemaschine 30 der dritten Stufe werden so
gesteuert, daß die Druckdifferenz in einem Bereich zwischen
0 und 0,5 bar liegt. Daher kann der Druck innerhalb
des Heliumbehälters 2 in Reaktion auf die Variation des
äußeren Atmosphärendrucks gesteuert werden, wodurch
verhindert wird, daß Luft eingesaugt wird, falls der Druck
innerhalb des Heliumbehälters 2 negativ werden sollte.
Belastungen des Heliumbehälters 2 infolge von Variationen
des äußeren Atmosphärendrucks oder des Drucks innerhalb des
Heliumbehälters 2 können verhindert werden. Keine Störungen
treten in der supraleitenden Spule 1 auf. Daher wird ein
supraleitender Magnet erhalten, der hervorragende
Leistungen aufweist.
Ausführungsform dreizehn ist eine weitere Ausführungsform
des supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 20 der
vorliegenden Erfindung.
Wogegen die voranstehend erläuterte Ausführungsform zwölf
den Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der
Heliumkammer 2 und dem Außendruck unter Verwendung des
Differenzdrucksensors 84 ermittelt, und das
Ein-/Ausschalten der Heizvorrichtung 80 und die
Kühlzyklusrate der Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
steuert, um so den Differenzdruck innerhalb eines
vorbestimmten Bereiches zu handeln, ermittelt die
Ausführungsform 13 einen Differenzdruck zwischen dem Druck
innerhalb einer Heliumkammer 2 und dem Luftdruck innerhalb
des Raumes, der als der Bezugsdruck verwendet wird, unter
Verwendung eines Differenzdrucksensors 84, wie in Fig. 15
gezeigt.
Ist der von dem Differenzdrucksensor 84 ermittelte
Differenzdruck niedriger als 0 bar so liefert die
Ausführungsform 13 elektrischen Strom an eine
Heizvorrichtung 80 und unterbricht den Betrieb einer
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30.
Durch Zufuhr elektrischer Energie zur Heizvorrichtung 80
wird die Temperatur innerhalb der Heliumkammer 2 erhöht,
was flüssiges Helium 3 zum Verdampfen veranlaßt, wodurch
der Druck innerhalb der Heliumkammer 2 ansteigt. Durch
Stoppen des Betriebs der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 wird darüber hinaus
die Rückverflüssigung des Heliumgases durch eine dritte
Kühlstufe 43 in der Heliumkammer 2 gestoppt; die Kühlung
der ersten und zweiten Wärmeabschirmung 6, 5 wird gestoppt,
es tritt eine Wärmeübertragung von außen zum Inneren der
Heliumkammer 2 auf; das flüssige Helium 3 verdampft; und
daher steigt der Druck innerhalb der Heliumkammer 2 an.
Wird der Druck innerhalb der Heliumkammer 2 soweit erhöht,
daß der Differenzdruck 0 bar oder mehr wird, so hält
die Ausführungsform 13 die Zufuhr elektrischer Energie zur
Heizvorrichtung 80 an und startet erneut den Betrieb der
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30. Übersteigt der Differenzdruck 0,5 kg/cm2, so beschleunigt
die Ausführungsform 13 den Kühlzyklus der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30, um deren
Kältekapazität zu vergrößern, und so die Rückverflüssigung
des Heliumgases zu beschleunigen, welche durch die dritte
Kühlstufe 43 durchgeführt wird. Infolge der
Rückverflüssigung des Heliumgases nimmt der Druck innerhalb
der Heliumkammer 2 ab. Wird der Differenzdruck auf 0,5
kg/cm2 oder weniger verringert, so veranlaßt die
Ausführungsform 13 die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 zum Betrieb in einem
vorbestimmten Kühlzyklus.
Wie voranstehend beschrieben, ermittelt die Ausführungsform
13 den Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der
Heliumkammer 2 und dem Luftdruck in dem Raum unter
Verwendung des Differenzdrucksensors 84 und steuert das
Ein-/Ausschalten der Heizvorrichtung 80 und das
Ein-/Ausschalten und die Kühlzyklusrate der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30, so daß der
Differenzdruck innerhalb des Bereiches zwischen 0 und 0,5
kg/cm2 gehalten wird, und daher kann die Ausführungsform
den Druck innerhalb der Heliumkammer 2 in Reaktion auf
Änderungen des Luftdrucks innerhalb des Raums steuern. Dies
führt dazu, daß der Druck innerhalb der Heliumkammer 2
nicht negativ wird, so daß er ein Ansaugen von Luft in die
Heliumkammer 2 hervorrufen würde; es tritt keine Störung
der Heliumkammer durch Luftdruckschwankungen außen oder
Druckschwankungen innerhalb der Heliumkammer 2 auf; und es
wird keine Störung des Magnetfelds hervorgerufen, welches
von der supraleitenden Spule 1 erzeugt wird. Daher wird ein
hochleistungsfähiger supraleitender Magnet erhalten.
Ausführungsform vierzehn ist eine Ausführungsform des
supraleitenden Magneten gemäß Zielrichtung 21 der
vorliegenden Erfindung.
Während die Ausführungsform 12 einen Differenzdruck
zwischen dem Druck innerhalb der Heliumkammer 2 und dem
Luftdruck außen unter Verwendung des Differenzdrucksensors
84 feststellt, und das Ein-/Ausschalten der Heizvorrichtung
80 und die Kühlzyklusrate der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 so steuert, daß der
Differenzdruck innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
bleibt, ermittelt die Ausführungsform 14 den Absolutdruck
innerhalb einer Heliumkammer 2 unter Verwendung eines
Drucksensors 85, der eine Druckmeßeinrichtung darstellt,
wie in Fig. 6 gezeigt, und hält den Absolutdruck innerhalb
des Bereiches von 1 bis 1,5 bar. Diese Ausführungsform
erzielt im wesentlichen dieselben Vorteile wie die
Ausführungsform 12.
Ausführungsform fünfzehn ist eine Ausführungsform des
supraleitenden Magneten gemäß den Zielrichtungen 22, 23 der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 erläutert den Aufbau einer
Heliumgas-Kompressionseinrichtung gemäß Ausführungsform
fünfzehn.
Die Figur zeigt: Eine Niederdruckschale 90, die eine
Ölpumpe 92 und einen Schraubenkompressor 92 enthält, der
durch einen Motor 91 angetrieben ist, und mit einer
Öleinlaßöffnung 94 und einem Temperaturschalter 95 versehen
ist; einen Kühler 96 zum Kühlen von Heliumgas auf hohem
Druck und hoher Temperatur, welches von dem
Schraubenkompressor 92 ausgestoßen wird; einen
Öl-Grobseparator 97 zum Entfernen von Ölbestandteilen, die
in dem Hochdruck-Heliumgas enthalten sind, welches von dem
Kühler 96 abgekühlt wurde; einen Öl-Feinseparator 98 zum
zusätzlichen Entfernen von Ölbestandteilen, die in dem
Hochdruck-Heliumgas enthalten sind, welches aus dem
Öl-Grobseparator 97 herausgelangt ist; einen Absorber 99
zum absorbierenden Entfernen von Ölbestandteilen, die in
dem Hochdruck-Heliumgas enthalten sind, welches aus dem
Öl-Feinseparator 98 herausgelangt ist; eine
Gaszufuhrleitung 100, welche den Absorber 99 mit einer
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30
verbindet, um dieser Heliumgas zuzuführen; und eine
Gasrückführleitung 101, welche die dreistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 mit der
Niederdruckschale 90 verbindet, um so Niederdruckgas zur
Niederdruckschale 90 zurückzuführen.
Die Figur zeigt weiterhin: Einen Öleinspritzkreis 102,
welcher den Öl-Grobseparator 97 mit einem
Mitteldruckanschluß des Schraubenkompressors 92 über ein
Ölfilter 103 und ein Öffnungsteil 104 verbindet, um so das
von dem Öl-Grobseparator 97 entfernte Öl in den
Schraubenkompressor 92 einzuspritzen; und Öl-Rückführkreise
105, 106, welche den Öl-Grobseparator 97 bzw. den
Öl-Feinseparator 98 mit der Gas-Rückführleitung 101 über
das zugehörige Ölfilter 103 bzw. das Öffnungsteil 104
verbinden, um so das Öl, welches von dem Öl-Grobseparator
97 und dem Öl-Feinseparator 98 entfernt wurde, in die
Gas-Rückführleitung 101 zurückzubringen.
Der Betrieb der Ausführungsform fünfzehn wird nachstehend
beschrieben.
Hochdruck- und Hochtemperatur-Heliumgas, welches durch den
Schraubenkompressor 92 verdichtet wurde, wird dem Kühler 96
zugeführt, welcher das Heliumgas abkühlt.
Das auf diese Weise gekühlte Hochdruck- und
Niedertemperatur-Heliumgas wird durch den Öl-Grobseparator
97 und den Öl-Feinseparator 98 gefördert, welche beide
Ölbestandteile aus dem Heliumgas entfernen, und wird dann
dem Absorber 99 zugeführt.
Der Absorber 99 absorbiert Ölbestandteile, die in dem
Hochdruck-Heliumgas verblieben sind, und liefert das
Hochdruck-Heliumgas als ein Betriebsfluid zur dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 über die
Gaszufuhrleitung 100.
Das Niederdruck-Heliumgas, welches aus der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 herausgelangt ist,
wird über die Gasrückführleitung 101 zurück zur
Niederdruckschale 90 geführt.
Öl auf niedriger Temperatur, welches von dem
Öl-Grobseparator 97 entfernt wurde, wird in die mittlere
Öffnung des Schraubenkompressors 97 über den
Ölseinspritzkreis 102 eingespritzt. Öl auf niedriger
Temperatur, welches durch den Öl-Grobseparator 97 und den
Öl-Feinseparator 98 entfernt wurde, wird über die
Gas-Rückführkreise 105 und 106 zur Gasrückführleitung 101
zurückgebracht, über welche das Öl zusammen mit Heliumgas
zur Niederdruckschale 92 zurückgebracht wird.
Die Ausführungsform fünfzehn weist eine
Heliumgas-Kompressionseinrichtung mit folgenden Teilen auf:
Niederdruckschale 90, Schraubenkompressor 92, die
Ölseparatoreinrichtung aus dem Öl-Grobseparator 97 und dem
Öl-Feinseparator 98, dem Absorber 99, der Gaszufuhrleitung
100, der Gasrückführleitung 101, und dem Öleinspritzkreis
102. Daher ist, wie voranstehend beschrieben, diese
Ausführungsform fähig, der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 Heliumgas auf hohem
Druck und auf niedriger Temperatur zuzuführen, welches im
wesentlichen frei von Ölbestandteilen ist. Daher vergrößert
die Ausführungsform 15 die Kälteleistung der Kältemaschine,
und unterdrückt einen Temperaturanstieg des
Schraubenkompressors 92 im Betrieb, wodurch ein Fressen des
Schraubenkompressors 92 verhindert wird.
Da diese Ausführungsform mit den Gasrückführleitungen 105,
106 versehen ist, um das Öl auf niedriger Temperatur zur
Gasrückführleitung 101 zurückzuführen, welches durch die
Ölseparatoreinrichtung entfernt wurde, die aus dem
Öl-Grobseparator 97 und dem Öl-Feinseparator 98 besteht,
wird das Öl auf niedriger Temperatur zur Niederdruckschale
90 zusammen mit dem Niederdruck-Helium zurückgeführt,
welches aus der dreistufigen
Kälteenergiesammler-Kältemaschine 30 herausgelassen wurde,
wodurch das in der Niederdruckschale 90 enthaltene Öl im
wesentlichen gekühlt wird.
Zwar wurden die voranstehenden Ausführungsformen unter der
Annahme beschrieben, daß die supraleitenden Magneten als
supraleitende Magneteinheiten für Diagnosegeräte mit
kernmagnetischer Resonanz verwendet werden, jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht auf solche Ausführungsformen
beschränkt. Im Gegensatz läßt sich die vorliegende
Erfindung bei Einheiten von supraleitenden Magneten auf
unterschiedlichen Gebieten einsetzen, beispielsweise bei
einer Magnetschwebebahn, bei Synchrotronstrahlung, und bei
Vorrichtungen zum Aufziehen von Kristallen.
Zwar weisen die voranstehenden Ausführungsformen jeweils
eine dreistufige Kälteenergie-Sammler-Kältemaschine 30 auf,
die im wesentlichen parallel zur Achse der zylindrischen
supraleitenden Spule 1 angeordnet ist, jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Konstruktion
beschränkt. Beispielsweise kann ein supraleitender Magnet
gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut sein, daß
eine rennbahnförmige supraleitende Spule verwendet wird,
und eine dreistufige Kälteenergiesammler-Kältemaschine im
wesentlichen auf einer Ebene der supraleitenden Spule
angeordnet wird. Der auf diese Weise aufgebaute
supraleitende Magnet wird im wesentlichen dieselben
Vorteile zeigen, wie sie bei den voranstehenden
Ausführungsformen erzielt werden.
Zwar verwenden die voranstehenden Ausführungsformen die
dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschinen 30 als
Kühleinrichtungen, jedoch ist die vorliegende Erfindung
nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Der
supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung kann
eine andere Art einer Kühlmaschine verwenden,
beispielsweise eine zweistufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine oder eine vierstufige
Kälteenergiesammler-Kältemaschine, solange ein Abschnitt
einer der Kühlstufen der Kältemaschine eine Kühlkapazität
aufweist, die zur Rückverflüssigung flüssigen Heliums
ausreichend ist.
Zwar wird bei der Ausführungsform 1 der Indiumdraht 66 als
ein Weichmetalldraht eingesetzt, der zwischen dem
Wärmeleiter 65 näher an der Kältemaschine und dem
Wärmeleiter 64 näher an dem Kältemaschinenmontagezylinder
vorgesehen ist, jedoch ist das weiche Metall für den Draht
nicht auf Indium beschränkt, sondern kann auch ein anderes
Metall sein, beispielsweise Blei, soweit dieses Metall
einfach plastisch zu verformen ist. Darüber hinaus sollte
die Form des Drahts vorzugsweise rund oder kugelförmig
sein, so daß der Einsatz einer verhältnismäßig geringen
Kraft auf dem Draht zu einem verhältnismäßig hohen Ausmaß
an plastischer Verformung führt.
Zwar verwendet die Ausführungsform 1 ein
Naturgummi-Schaummaterial als Wärmeisolierteil 72, welches
zwischen der dreistufigen Kälteenergiesammler-Kältemaschine
30 und dem Kältemaschinenmontagezylinder 51 angeordnet ist,
jedoch könnte auch ein anderes Material, beispielsweise ein
Polystyrolschaummaterial, als das Wärmeisolierteil 72
verwendet werden, soweit dieses Material eine geringe
thermische Schrumpfrate aufweist, gute
Wärmeisolierungseigenschaften und eine poröse Struktur.
Claims (18)
1. Supraleitender Magnet mit
- 1. einer supraleitenden Spule (1);
- 2. einem Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß (2) zum Kühlen der supraleitenden Spule (1) durch ein Tieftemperaturkühlmittel;
- 3. einer das Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß (2) umgebenden Wärmeabschirmung (5, 6);
- 4. einem die Wärmeabschirmung (5, 6) umgebenden Vakuumbehälter (4); und
- 5. einer mehrstufigen Kälteenergiesammler- Kältemaschine (30), deren Kühlstufen (10, 11, 43) in Axialrichtung in Axialrichtung der Kälteenergiesammler-Kältemaschine hintereinander angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil einer Kühlstufe (43) gasförmigen Tieftemperaturkühlmittel ausgesetzt ist, das aus flüssigem Tieftemperaturkühlmittel in dem Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß (2) verdampft ist, zur Rückverflüssigung des gasförmigen Tieftemperaturkühlmittels;
- 6. wobei die Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) im wesentlichen oberhalb des Tieftemperatur- Kühlmittelgefäßes (2) angebracht ist und
- 7. wobei ein Montagezylinder (51) vorgesehen ist, der die Kühlstufen (10, 11, 43) der Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) so aufnimmt, daß zwischen einem äußeren Zylinder (40) der Kälteenergiesammler-Kältemaschine und der Innenwand des Montagezylinders (51) ein Spalt verbleibt;
- 1. die Längsachse des Montagezylinders (51) und die Längsachse der Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) im wesentlichen horizontal verlaufen; und
- 2. im Spalt zwischen dem Montagezylinder (51) und dem Zylinder (40) der Kälteenergiesammler- Kältemaschine (30) ein wärmeisolierendes Füllmaterial (72) vorgesehen ist, um eine Wärmekonvektion des gasförmigen Tieftemperaturkühlmittels im Spalt zu verhindern.
2. Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) im
Montagezylinder (51) lösbar angeordnet ist.
3. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kälteenergiesammler-
Kältemaschine (30) im wesentlichen parallel zur
supraleitenden Spule (1) verläuft.
4. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß
(2) einen Abzug für gasförmiges
Tieftemperaturkühlmittel aufweist und zumindest ein
Teil von Kühlstufen (10, 11, 43) der
Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) im Bereich
dieses Abzugs angeordnet ist.
5. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der horizontal
verlaufenden Kühlstufen (10, 11, 43) der
Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) an eine
Endfläche des Vakuumbehälters (4) angrenzt.
6. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Montagezylinder (51)
und der Wärmeabschirmung (5, 6) für die supraleitende
Spule (1) eine thermische Verbindung vorgesehen ist.
7. Magnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die thermische Verbindung zwischen Stufen (53, 54) des
Montagezylinders (51) und Wärmeabschirmungen (5, 6)
flexible thermische Leiter (63) aufweist.
8. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils mit einer
Kältestufe (10, 11, 43) der Kälteenergiesammler-
Kältemaschine (30) verbundene Wärmeabschirmungen (5,
6) vorgesehen sind, die jeweils eine Ausnehmung (60,
61) aufweisen, von denen die Ausnehmung (61) einer
Wärmeabschirmung (5) die Ausnehmung (60) einer anderen
Wärmeabschirmung (6) freiläßt und von einer Ausnehmung
(62) im Vakuumbehälter (4) freigelassen ist.
9. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Montagezylinder (51)
und der Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) eine
thermische Verbindung vorgesehen ist.
10. Magnet nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die thermische Verbindung zwischen dem Montagezylinder
(51) und der Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30)
durch thermische Leiter (64, 65) mit einander
gegenüberstehenden Flächen gebildet ist, zwischen
denen weiches Material (66) angeordnet ist.
11. Magnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die einander gegenüberstehenden Flächen ein sich
verjüngendes Profil aufweisen.
12. Magnet nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die einander gegenüberstehenden Flächen radial zur
Achse der Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30)
verlaufen.
13. Magnet nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß eine der einander
gegenüberstehenden Flächen gerändelt ist.
14. Magnet nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß an einer der einander
gegenüberstehenden Flächen drahtförmiges,
verformbares, metallisches Material vorgesehen ist.
15. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die letzte Kühlstufe (43) der
Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) eine
vergrößerte wäremeübertragende Fläche aufweist.
16. Magnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die letzte Kühlstufe (43) der Kälteenergiesammler-
Kältemaschine (30) an einer äußeren Fläche Nuten (73)
aufweist.
17. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlstufen (10, 11, 43) der
Kälteenergiesammler-Kältemaschine (30) dafür
eingerichtet sind, daß in der ersten Kühlstufe (10)
eine Temperatur von 50-80°K, in der zweiten Kühlstufe
(11) eine Temperatur von 10-20°K und in der dritten
Kühlstufe (43) eine Temperatur von 2-4,5°K erreichbar
ist.
18. Magnet nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Druckmeßeinrichtung (84) zur
Messung der Differenz des Druckes im Tieftemperatur-
Kühlmittelgefäß (2) gegenüber Atmosphärendruck
vorgesehen ist und der absolute Druck im
Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß (2) so steuerbar ist,
daß er im Bereich von 1 bis 1,5 bar liegt.
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