DE4310138C2 - Supraleitender Magnet - Google Patents

Supraleitender Magnet

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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.
Ausführungsform 1
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.
Zweite Ausführungsform
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.
Dritte Ausführungsform
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.
Vierte Ausführungsform
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.
Fünfte Ausführungsform
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.
Sechste Ausführungsform
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.
Siebte Ausführungsform
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.
Achte Ausführungsform
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.
Neunte Ausführungsform
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.
Zehnte Ausführungsform
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.
Elfte Ausführungsform
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.
Zwölfte Ausführungsform
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
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
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
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;
dadurch gekennzeichnet, daß
  • 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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