DE69430577T2

DE69430577T2 - Vorrichtung und verfahren zur konvektiven kühlung eines supraleitenden magnets

Info

Publication number: DE69430577T2
Application number: DE69430577T
Authority: DE
Inventors: C. Longsworth
Original assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Current assignee: Sumitomo SHI Cryogenics of America Inc
Priority date: 1993-09-23
Filing date: 1994-09-23
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2014-09-24
Also published as: JPH09504087A; US5461873A; EP0720719A1; WO1995008743A1; DE69430577D1; EP0720719B1; EP0720719A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft das Gebiet des Kühlens einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten. Ganz besonders befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem System und einem Verfahren zum Kühlen eines supraleitenden Magneten mit einem unter Druck gesetzten Heliumgas, das durch ein leichtes Wärmeübertragungssystem durch natürliche Konvektion zirkuliert, um eine gleichförmigere Temperatur in dem supraleitenden Magnet aufrechtzuerhalten.

STAND DER TECHNIK

US-A 4, 578,962 offenbart ein System und ein entsprechendes Verfahren für indirekt gekühlte supraleitende Magneten einer supraleitenden Wicklung, die eine Wicklungsform umfaßt, welche Kanäle aufweist, die darin ausgebildet sind, durch welche flüssiges Helium fließt, wobei die Kanäle einen unteren Zubringerkanal, einen oberen Sammelkanal und zueinander parallele Kühlkanäle, welche die Zubringer- und Sammelkanäle in engem Thermokontakt mit der supraleitenden Wicklung miteinander verbinden. Ein Heliumvorratsgefäß ist gegenüberliegend zu der und erhöht in bezug auf die Wicklungsform angeordnet, wobei das Heliumvorratsgefäß eine Auslaßöffnung und einen Verbindungsstumpf, eine abgehende Leitung, welche eine Verbindung zwischen dem Zubringerkanal und der Auslaßöffnung herstellt, und eine Rückleitung, welche eine Verbindung zwischen dem Sammelkanal und dem Verbindungsstumpf herstellt, aufweist.
Die Verwendung von Niobium-Zinn (Nb&sub3;Sn)-Draht in einem supraleitenden Magneten ermöglicht das Kühlen des Magneten mittels einer herkömmlichen Gifford-McMahon-Zykluskältemaschine, welche Kälte bei einer Temperatur von zwischen ungefähr acht Kelvin (K) bis zehn Kelvin wirksam erzeugen kann, aber zum Abkühlen auf niedrigere Temperaturen fähig ist. Es hat sich gezeigt, daß ein supraleitender Magnet durch konduktives Übertragen von Wärme, die durch den Magneten erzeugt wurde, durch einen Aluminiummantel zu einer Gifford-McMahon-Zykluskältemaschine gekühlt werden kann.
In einem Dokument mit dem Titel "Applications of Superconductivity to Very Shallow Water Mine Sweeping" von E. Michael Golda et al., veröffentlicht im Mai 1992 im Naval Engineering Journal, wird ein Niobium-Titan (NbTi)-Magnet, der mit flüssigem Helium gekühlt wird und bei 4,2 K arbeitet, beschrieben und mit einem Nb&sub3;Sn-Magneten, der konduktiv gekühlt wird und bei 10 K arbeitet, verglichen. Das Kühlen des Nb&sub3;Sn-Magneten erfolgt durch eine zweistufige Gifford-McMahon-Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf, die für eine Minensuchanwendung geeignet ist. Obwohl das Gewicht des konduktiv gekühlten Nb&sub3;Sn-Magneten und seiner Isolierung geringer ist als das Gewicht des mit flüssigem Helium gekühlten NbTi-Magneten selbst, wiegt das gesamte Kühlsystem, das für den Nb&sub3;Sn-Magneten erforderlich ist, aufgrund der zusätzlichen Kältemaschine immer noch mehr als der mit Helium gekühlte NbTi-Magnet. Die Kältemaschine befreit jedoch das System von dem logistischen Problem der regelmäßigen Zufuhr flüssigen Heliums, oft unter schwierigen Umständen. Obwohl das Dokument von Golda et al. auf die Verwendung in Kampfsituationen ausgerichtet ist, treffen die Vorteile der Verwendung eines konduktiv gekühlten supraleitenden Magneten auch auf andere Anwendungen, wie beispielsweise in Krankenhäusern, zu.
Ein Dokument von Geoffrey F. Green et al. mit dem Titel "Conductively Cooling a Small Nb&sub3;Sn-Spule With a Cryocooler", vorgestellt bei der 7. Internationalen Konferenz über Tieftemperaturkühler vom 17.-19. November 1992, beschreibt den Aufbau und die Prüfung eines konduktiv gekühlten Nb&sub3;Sn-Magneten. Der Spulendraht ist um einen Aluminiummantel gewickelt, welcher durch eine zweistufige Gifford-McMahon-Kältemaschine gekühlt wird. Wärme wird in den Aluminiummantel von der Stützkonstruktion und dem Kälte-Wärme-Schild übertragen. Die Wärmeübertragung durch das Aluminium führt zu einem Temperaturunterschied zwischen der wärmsten Stelle an dem Magneten und der Kältemaschine von ungefähr 2 K. Dieser Temperaturunterschied kann durch den Aufbau des Mantels des Magneten aus dickerem und schwererem Aluminiummaterial verringert werden.
Ein weiteres Bezugsdokument von Richard Stevenson mit dem Titel "50 kG Gas Cooled Superconducting", September 1973, S. 524, beschreibt einen Nb&sub3;Sn-Magneten, der bei 13 K arbeitet, welcher durch einen Zwangsstrom von Heliumgas durch die Wicklungen gekühlt wird. Dies ist ein komplexeres System als ein konduktiv gekühlter Magnet.
Obwohl die konduktive Kühlung bei einem verhältnismäßig kleinen Magneten gezeigt wurde, bei welchem der Draht, wie bereits erwähnt, um einen Aluminiummantel gewickelt ist, hat sie sich für einen supraleitenden Magneten, der mit einer großen Spule konstruiert ist, die um einen Aluminiummantel gewickelt ist, aufgrund der Schwierigkeit bei der Entwicklung eines geeigneten leichten Mantels nicht als wirksam erwiesen.

AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, durch Zirkulieren von Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, durch einen Kühlkreislauf, welcher in Wärmeübertragungsbeziehung mit der Vorrichtung ist, um die Probleme und Einschränkungen der Systeme nach dem Stand der Technik zu umgehen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Betreiben des Systems zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, mit wenigstens zwei Betriebsarten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Betreiben des Systems zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, durch Zirkulieren von Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, durch einen Kühlkreislauf durch natürliche Konvektion.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, mit Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, welches durch einen leichten Kühlkreislauf durch natürliche Konvektion zirkuliert, so daß die Vorrichtung, wie beispielsweise ein Magnet, bei einer gleichförmigen Temperatur gehalten wird.
Die zuvor ausgewiesenen Aufgaben werden durch das Verfahren nach dem Patentanspruch 1 bzw. das System nach dem Patentanspruch 4 erreicht.
Gemäß der Erfindung wird ein System bereitgestellt zur konvektiven Kühlung einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, mit Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, das einen Druck von ungefähr 1 Mega Pascal (MPa) bis ungefähr 3 MPa aufweist. Das Mittel zur konvektiven Kühlung umfaßt Kühlkreislaufmittel zum Zirkulieren des Tieftemperaturgases, insbesondere Heliumgases, durch natürliche Konvektion durch die Mittel zum Stützen der Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, wobei einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, Wärme entzogen wird, und die Vorrichtung, wie beispielsweise ein supraleitender Magnet, bei einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur von weniger als ungefähr 15 K gehalten wird.
Gemäß der Erfindung umfaßt das Kühlkreislaufmittel Kälteerzeugungsmittel zum Kühlen des Heliumgases. Das Kühlkreislaufmittel umfaßt auch ein Fallrohr unter dem Kälteerzeugungsmittel zum Leiten des Heliumgases, nachdem es durch das Kälteerzeugungsmittel gekühlt wurde, zu einem unteren Sammelrohr an einer Stelle unter der Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten.
Ferner können parallele, mit einem Zwischenraum angeordnete Steigrohre das untere Sammelrohr mit einem oberen Sammelrohr an einer Stelle über der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, verbinden. Die Steigrohre stehen in Thermokontakt mit der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten. Das obere Sammelrohr leitet das Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, nachdem es mit der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, in Thermokontakt ist, durch das Kälteerzeugungsmittel und in das Fallrohr.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das Kälteerzeugungsmittel ferner eine Kältemaschine und eine Kälte-Wärme-Station. Die Kälte-Wärme-Station hat ein oberes Ende, das an die Kältemaschine grenzt und mit dem oberen Sammelrohr verbunden ist, und ein unteres Ende, das mit dem Fallrohr verbunden ist. Die Kälte-Wärme-Station umfaßt eine Mehrzahl von Durchflußkanälen zum Kühlen des Heliumgases, welches vom oberen Sammelrohr durch die Durchflußkanäle und in das Fallrohr strömt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das System ein Umleitsammelrohr umfassen, um eine Tieftemperaturflüssigkeit in das Kühlkreislaufmittel zu leiten, um dem supraleitenden Magneten anfänglich Wärme zu entziehen, um dadurch die Temperatur des supraleitenden Magneten auf seine Betriebstemperatur zu senken. Die Kühlrohre können so angeordnet sein, daß sie etwas von den Kreislaufspannungen, welche durch den Magnet erzeugt werden, tragen, wodurch sie das Gewicht der herkömmlichen Konstruktion verringern.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, konvektive Kühlung der Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, mit dem Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, bei einem erhöhten Druck von ungefähr 1 MPa bis ungefähr 3 MPa. Der Schritt der konvektiven Kühlung umfaßt den Schritt des Zirkulierens des Tieftemperaturgases, insbesondere Heliumgases, durch einen Kühlkreislauf durch natürliche Konvektion, um der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, Wärme zu entziehen, wodurch die Vorrichtung, wie beispielsweise ein supraleitender Magnet, bei einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur von weniger als ungefähr 15 K gehalten wird. Der Schritt des Zirkulierens des Tieftemperaturgases, insbesondere Heliumgases, durch den Kühlkreislauf umfaßt die folgenden Schritte. Das Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, strömt nach unten durch eine Kälte-Wärme-Station, welche ein oberes Ende, das an eine Kältemaschine grenzt, und ein unteres Ende, das mit einem Fallrohr verbunden ist, aufweist. Dann strömt das Heliumgas durch das Fallrohr und in ein unteres Sammelrohr. Anschließend strömt das Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, vom unteren Sammelrohr in wenigstens ein Steigrohr in engem Thermokontakt mit der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, wo das Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, durch Absorbieren von Wärme von der Vorrichtung, wie beispielsweise einem supraleitenden Magneten, erwärmt wird, was bewirkt, daß das Heliumgas in dem/den Steigrohr/en steigt, und zwar aufgrund dessen, daß es eine geringere Dichte als das Heliumgas in dem Fallrohr aufweist. Das Tieftemperaturgas, insbesondere Heliumgas, zirkuliert ferner von dem/den Steigrohren in ein oberes Sammelrohr und zurück durch die Kälte-Wärme-Station.
Ein Verfahren zum Kühlen eines supraleitenden Magneten umfaßt die folgenden Schritte. Zuerst wird die Temperatur des supraleitenden Magneten während einer ersten Betriebsart gesenkt durch Zirkulieren einer Tieftemperaturflüssigkeit, wie beispielsweise flüssigen Stickstoffs, dann flüssigen Heliums, durch den Kühlkreislauf, um dem supraleitenden Magneten Wärme zu entziehen, bis die Temperatur des Magneten auf seine Betriebstemperatur von weniger als ungefähr 15 K gesunken ist. Dann wird die Zuführung von flüssigem Helium eingestellt, und der Kühlkreis wird mit gasförmigem Helium unter einen Druck von 1 bis 3 MPa gesetzt. Die Kältemaschine wird dann eingeschaltet, und der Magnet wird auf 8 bis 10 K durch die konvektive Zirkulation des Heliumgases abgekühlt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Konstruktion, Betrieb und Vorteile des gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden bei Erwägung der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser ersichtlich, wobei:
Fig. 1 eine schematische Endansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer supraleitenden Magnetkonstruktion mit dem konvektiven Kühlkreislauf gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der supraleitenden Magnetkonstruktion wie in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer supraleitenden Magnetkonstruktion mit einem konvektiven Kühlkreislauf und einer zusätzlichen Konstruktion für das anfängliche Anlaufkühlen des Magneten ist;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer supraleitenden Magnetkonstruktion mit einem konvektiven Kühlkreislauf und einer zusätzlichen Kältespeicherkonstruktion ist, die im konvektiven Kühlkreislauf vorgesehen ist;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer supraleitenden Magnetkonstruktion mit einem konvektiven Kühlkreislauf und einem Kaltgasspeicher ist;
Fig. 6 eine schematische Endansicht des vierten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung ist; und
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein supraleitender Magnet vertikal ausgerichtet ist und durch ein einzelnes Steigrohr eines konvektiven Kühlkreislaufes gekühlt wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 ist ein supraleitender Magnet eines Systems 10 mit einem konvektiven Kühlkreislauf 13 zum Kühlen eines großspuligen supraleitenden Magneten 11 gemäß der Erfindung dargestellt. Die vorliegende Erfindung bewerkstelligt die Kühlung mit einer einzigartigen Konstruktion und einem Verfahren, bei welchem im wesentlichen unter Druck gesetztes Heliumgas durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 zirkuliert, wobei lediglich die natürliche Konvektion des kalten Heliumgases verwendet wird.
Das System 10 umfaßt ein hohles Stützgehäuse 12 mit einer zylindrischen Außenfläche 14, einer koaxialen Durchbohrung 16 und scheibenförmigen Seitenwänden 18 und 20, wobei jede eine kreisförmige Öffnung dadurch aufweist, welche dem Durchmesser der Durchbohrung 16 entspricht. Der zylindrisch geformte supraleitende Magnet 11 umfaßt eine Spule, die um eine Stützkonstruktion (nicht ausdrücklich dargestellt) gewickelt und koaxial um die Durchbohrung 16 angeordnet ist. Ein beispielhafter supraleitender Magnet 11 hat einen Durchmesser von ungefähr 760 Millimetern (mm) und eine Länge von ungefähr 500 mm.
Ein Hauptmerkmal dieser Erfindung ist der Aufbau und das Verfahren, durch welches der Magnet 11 durch die natürliche Konvektion eines kalten Heliumgases, das durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 strömt, gekühlt wird. Der konvektive Kühlkreislauf 13 umfaßt eine herkömmliche Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf 24, welche über dem Magneten 11 angeordnet und an dem oder nahe des Stützgehäuses 12 durch irgendwelche herkömmlichen Mittel befestigt ist.
Die Kältemaschine 24 weist vorzugsweise eine Kapazität, d. h., Kühllast, von ungefähr 0,4 Watt (W) bei ungefähr 8 K auf. Die Kältemaschine 24 kann eine Gifford-McMahon- oder eine Stirling-Kältemaschine mit einem zwei- oder dreistufigen Dehner 26 sein. Der Raum 28 um den oberen Teil des Dehners 26 weist im allgemeinen Raumtemperatur auf. Das untere Ende der Kältemaschine 24 grenzt an eine Kälte- Wärme-Station 30 mit Zulauf- und Ablaufsektionen 32 bzw. 34. Die Kälte-Wärme-Station 30 umfaßt eine Mehrzahl von Durchflußkanälen 36, welche aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt und an ihren oberen und unteren Enden offen sind, um zu erlauben, daß Heliumgas frei durch die Durchflußkanäle 36 zwischen den Zulauf- und Ablaufsektionen 32 und 34, wie bereits erwähnt, strömt.
Die Ablaufsektion 34 der Kälte-Wärme-Station 30 ist mit einem oberen Ende 42 eines Fallrohrs 44, eines anderen Teils des konvektiven Kühlkreislaufes 13, verbunden. Das Fallrohr 44 ist in einem Abstandsverhältnis von einem Ende des Magneten 11 angeordnet und erstreckt sich von der Kälte-Wärme-Station 30 nach unten zu einer Stelle unter dem Magneten 11. Das Fallrohr 44 weist ferner einen Krümmungsradius, wie in Fig. 1 dargestellt, auf, welcher im wesentlichen derselbe wie der des Magneten 11 ist. Das untere Ende 46 des Fallrohrs 44 ist verbunden mit einem Zulauf 48 einer ersten Sektion 50 eines unteren Sammelrohrs 52, einer Sektion des konvektiven Kühlkreislaufes 13, welche sich im rechten Winkel vom Fallrohr 44 nach außen von dem Fallrohr 44 und benachbart zum unteren Teil des Magneten 11 zu einem Ablauf 54 am gegenüberliegenden Ende davon erstreckt. Der Ablauf 54 ist über eine zweite Rohrsektion 58 des unteren Sammelrohrs 52 mit einem Zulauf 62 einer dritten Sektion 64 des unteren Sammelrohrs 52 verbunden. Die dritte Sektion 64 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur ersten Sektion 52 und verlängert sich nach hinten entlang des unteren Teils des Magneten 11 zu einem geschlossenen Ende 66 nahe des Fallrohrs 44.
Der konvektive Kühlkreislauf 13 umfaßt ferner eine Mehrzahl von mit einem Zwischenraum angeordneten, zylindrisch geformten Steigrohren 68, wobei jede zwei gekrümmte Sektionen 68A und 68B aufweist, welche den Magneten 11 gemeinsam umgeben und in engem Thermokontakt mit ihm stehen. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist jede der gekrümmten Sektionen 68A und 68B an ihrem unteren Ende 70A bzw. 70B mit der dritten Sektion 64 des unteren Sammelrohrs 52 verbunden und verlängert sich nach oben, so daß die oberen Enden 72A bzw. 72B mit einem oberen Sammelrohr 74 verbunden sind, welches ein geschlossenes erstes Ende 76 und ein zylindrisch geformtes zweites Ende 78 aufweist, welches um ein Ablaufende der Kältemaschine 24 und in Durchflußverbindung mit der Zulaufsektion 32 der Kälte-Wärme-Station 30 ist. Die Mehrzahl von Steigrohren 68, deren Zahl normalerweise zwischen acht und zwölf liegt, stehen in engem Thermokontakt mit dem Spulendraht des Magneten 11 und an anderen Stellen, wo Wärme entzogen wird, und bilden mehrfache parallele Wege, damit das Heliumgas um den supraleitenden Magneten 11 strömen kann. Ein Vorteil des Anordnens der gekrümmten Sektionen 68A und 68B des Steigrohrs 68 um den äußeren Umfang des Magneten 11 ist, daß die Steigrohre eine zusätzliche nützliche Funktion des Haltens des Magneten 11 bereitstellen, welcher eine Neigung aufweist, sich unter dem Einfluß des Magnetfelds radial nach außen zu dehnen. Obwohl die gekrümmten Sektionen 68A und 68B der Steigrohre 68 als radial außerhalb vom Magneten 11 angeordnet dargestellt sind, liegt es auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, die gekrümmten Sektionen 68A und 68B innerhalb des inneren zylindrischen Bohrungsdurchmessers des Magneten 11 anzuordnen, falls erwünscht.
Das umschlossene Stützgehäuse 12 ist mit Mitteln, wie beispielsweise einer Vakuumisolierung, isoliert, so daß weder Wärme von der Umgebung noch innerhalb des Gehäuses 12 erzeugte durch das Gehäuse 12 zum Fallrohr 44 oder den oberen und unteren Sammelrohren 74 und 52 übertragen wird.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung folgt nun eine Erörterung der Theorie und des Verfahrens des Betriebs zum Kühlen des supraleitenden Magneten 11 mit einem konvektiven Kühlzyklus und -gerät. Um den konvektiven Kühlzyklus einzuleiten, wird Heliumgas unter einem erhöhten Druck von zwischen ungefähr 1 MPa und 3 MPa durch Thermokontakt mit einer unteren Sektion der Kältemaschine 24 gekühlt, wenn das Heliumgas in dem konvektiven Kühlkreislauf 13 nach unten durch die Wärmestation 30 und in den oberen Teil 42 des Fallrohrs 44 strömt. Das Fallrohr 44 ist unter der Kältemaschine 24 angeschlossen und innerhalb des umschlossenen Stützgehäuses wärmeisoliert, so daß das kalte Heliumgas im Fallrohr 44 im wesentlichen dieselbe Temperatur wie an der Kältemaschine 24 aufweist. Das kalte Heliumgas strömt nach unten durch das Fallrohr 44 aufgrund seiner höheren Dichte im Vergleich zu der Gasdichte stromabwärts im Abschnitt des Kühlkreises, wo das Gas wärmer ist, d. h., in den Steigrohren und im oberen Sammelrohr 74. Dann strömt das kalte Heliumgas in das untere Sammelrohr 52, welches ebenfalls wärmeisoliert ist, und wird an die Mehrzahl von Steigrohren kleinen Durchmessers 68 verteilt. Das Heliumgas strömt weiter durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 und den Konvektionszyklus und wird erwärmt, wenn es durch die Steigrohre 68 nach oben strömt durch Absorbieren von Wärme von dem supraleitenden Magneten 11 und anderen Wärmequellen (nicht dargestellt), um den supraleitenden Magneten 11 bei einer Betriebstemperatur von weniger als ungefähr 15 K zu halten. Diese Wärmeabsorption bewirkt einen Anstieg der Temperatur des Heliumgases und eine Verringerung in seiner Dichte durch Dehnung. Die Verringerung der Dichte des Heliumgases veranlaßt es, in das obere Sammelrohr 74 (Kamineffekt) zu steigen, da das Gas in den Steigrohren nun eine geringere Dichte als sowohl das Heliumgas im Fallrohr 44 als auch im unteren Sammelrohr 52 aufweist und durch den Strom von Heliumgas höherer Dichte durch den konvektiven Kühlkreislauf auf natürliche Weise nach oben 13 getrieben wird. Um den Kühlzyklus abzuschließen, bewegt sich das wärmere Heliumgas geringerer Dichte durch das obere Sammelrohr 74 über das untere Ende der Kältemaschine 24 über die Wärmestation 30, wo es gekühlt wird, und nach unten in das Fallrohr 44, um den Kühlzyklus erneut zu beginnen.
Ein wichtiger Aspekt betrifft die Wahl der Größe der Rohre, welche den geschlossenen Durchflußweg für den Heliumgasstrom durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 bilden. Das heißt, es wird ein gleichförmiger Durchflußweg aufgebaut, um eine gleiche Mengendurchflußrate von Heliumgas durch jeden Abschnitt des konvektiven Kühlkreislaufs 13 sicherzustellen. Das heißt, es strömt eine gleiche Menge von unter Druck gesetztem Heliumgas durch einen ersten Abschnitt des konvektiven Kühlkreislaufs 13, der das Fallrohr 44 und das untere Sammelrohr 52 umfaßt, wo das Heliumgas im wesentlichen eine konstante Temperatur gleich jener der Kältemaschine 24 aufweist, und durch einen zweiten Abschnitt des konvektiven Kühlkreislaufs 13, der jedes der Steigrohre 68 und das obere Sammelrohr 74 umfaßt, wo das Gas im Vergleich zu dem Gas im ersten Abschnitt eine verhältnismäßig wärmere Temperatur aufweist. Konzeptuell kann die Größe der Rohre geändert werden, um die erforderliche Weglänge auszugleichen. Zum Beispiel ergibt sich durch die Wahl kleinerer Rohre ein eher eingeschränkter Durchfluß und eine geringere Kühlung. Umgekehrt ergibt sich bei breiteren Rohren ein weniger eingeschränkter Durchfluß und mehr Kühlung.
In einem beispielhaften System der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Art strömt das Heliumgas frei nach unten in ein Fallrohr 44 mit einem Innendurchmesser (ID) von 8,3 Millimetern (mm) und in ein unteres Sammelrohr 52 mit demselben Durchmesser.
Man beachte, daß das untere Sammelrohr 52 um sich selbst nach hinten gebogen ist, so daß die Länge jedes Durchflußwegs dieselbe ist, so daß der Durchfluß durch jedes Steigrohr 68 derselbe ist. Die Steigrohre 68 haben einen ID von 2,4 mm und das obere Sammelrohr 74 hat in dem vorliegenden Beispiel ebenfalls einen ID von 8,3 mm.
Ein wichtiger Aspekt ist, daß das Kühlmittel, vorzugsweise kaltes Heliumgas, von Natur aus mittels natürlicher Konvektion (Kamineffekt) des kalten Heliumgases durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 in dem hohlen Stützgehäuse 12 des Systems 10 zirkuliert. Natürliche Konvektion ist vorteilhaft, da sie dazu führt, daß das Heliumgas bei einer gleichförmigeren Temperatur durch den konvektiven Kühlkreislauf 13 in einem verhältnismäßig leichtem Stützgehäuse 12 zirkuliert. Bei natürlicher Konvektion besteht auch kein Bedarf an zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise einer Pumpe, welche die Kosten und das Gewicht des gesamten Kühlsystems erhöht.
Um die wirksame Kühlung des Stützgehäuses 12 weiter zu verbessern, weist das Heliumgas in dem konvektiven Kühlkreislauf 13 einen erhöhten Druck von zwischen ungefähr 1 MPa und ungefähr 3 MPa auf. Dieser Aspekt der Erfindung ist folgendermaßen zu verstehen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 zirkuliert Heliumgas in dem konvektiven Kühlkreislauf 13 durch das Gehäuse 12 aufgrund des Gesamtdruckunterschiedes zwischen dem oberen Sammelrohr 74 und dem unteren Sammelrohr 52. Dieser Gesamtdruckunterschied ist gleich dem Unterschied zwischen der Dichte des Heliumgases in dem unteren Sammelrohr 52 und des Heliumgases in dem oberen Sammelrohr 74 mal der Höhe. Da der Dichteunterschied zwischen dem Heliumgas in diesen beiden Abschnitten des konvektiven Kühlkreislaufs 13 beinahe linear mit dem Druck (basierend darauf, daß Heliumgas beinahe ein ideales Gas ist, wobei die Dichte direkt proportional zum Druck ist) zunimmt, führt die erhöhte Dichte des Heliumgases bei einem erhöhten Druck zu einem erhöhten Druckdifferential. Die Wärme, welche durch den Mengendurchfluß befördert wird, ist gleich der Mengendurchflußrate mal der spezifischen des Heliumgases mal der Temperaturänderung des Heliumgases. Das heißt, bei einem höheren Druck besteht eine höhere Mengenzirkulationsrate. Dies führt zu der Änderung der Temperatur, die ungefähr gleich zu eins geteilt durch den Druckunterschied ist. Tatsächlich gibt es durch das Erhöhen des Drucks des Gases in dem konvektiven Kühlkreislauf 13 eine verringerte Temperaturänderung. Das ist wichtig, da der supraleitende Magnet 11 idealerweise bei einer gleichförmigen Temperatur von unter ungefähr 15 K gehalten wird, obwohl Wärme extrahiert wird. Daher wird die Änderung der Temperatur bei größtmöglicher Wärmeextraktion so gering als möglich gehalten. Infolgedessen führt der höhere Druck zur Extraktion derselben Menge von Wärme bei einem niedrigerem Temperaturdifferential.
In dem vorliegenden Beispiel weist das Heliumgas in dem Fallrohr 44 eine Temperatur von 8 K und einen Druck von 2 MPa auf. Dies führt zu einer Dichte von 126,2 Gramm pro Liter (g/l). Das Heliumgas, das sich durch die Steigrohre 68 bewegt, erwärmt sich auf eine Temperatur von 8,3 K und einer verringerten Dichte von 121,65 g/l innerhalb des oberen Sammelrohrs 74. Unter Annahme einer konstanten Erwärmungsrate in den Steigrohren 68 ist der Druckunterschied, der verfügbar ist, um das Heliumgas um den konvektiven Kühlkreislauf zu treiben, gleich dem Unterschied der Dichte mal der Höhe geteilt durch 2, einem Wert von 17,2 Pa für dieses Beispiel. Dies ist gleich dem Druckabfall im Kühlkreislauf 13. Die Teilung durch 2 erfolgt aufgrund der Annahme einer durchschnittlichen Temperaturänderung. Die Mengendurchflußrate von 0,30 Gramm pro Sekunde absorbiert 0,4 W beim Erwärmen von 8,0 K auf 8,3 K. Das reale Verfahren zur Berechnung des Temperaturanstiegs, der Zirkulationsrate und des Druckabfalls ist ein iteratives, bei welchem mehrere Temperaturanstiegswerte angenommen werden und die entsprechende Mengendurchflußrate und der Antriebsdruckunterschied berechnet werden. Die Mengendurchflußrate wird dann verwendet, um den Druckabfall zu berechnen. Die Wiederholung wird solange fortgesetzt, bis der Antriebsdruckunterschied gleich dem Druckabfall ist.
Ein anderer Vorteil des Erhöhens des Drucks des Heliumgases ist die Verringerung sowohl der Geschwindigkeit des Gases, das in dem Zirkulationskreislauf strömt, als auch des Druckabfalls. Diese Faktoren erlauben die Verwendung von Rohren kleineren Durchmessers im Kühlkreislauf 13. Angenommen, daß die Rohre in diesem Beispiel aus Aluminium sind, wiegen sie ungefähr 0,2 kg. Ein ähnlicher konduktiver Kühlmantel, der nach den Grundsätzen des Standes der Technik arbeitet und aus hochreinem Aluminium aufgebaut ist, würde auch einen Temperaturunterschied von 0,3 K aufweisen, aber ungefähr 0,6 kg wiegen.
Wenn derselbe Kühlmantel überdies aus dem üblicheren von 6063-Grad-Aluminium hergestellt wäre, würde er ungefähr 25 kg wiegen.
Der konvektive Kühlkreislauf 13 der vorliegenden Erfindung weist zwei andere besondere Vorteile, verbunden mit der Wirkung einer Leistungsunterbrechung am Magneten 11, im Vergleich zu konvektiven Kühlsystemen nach dem Stand der Technik auf. Angenommen, es wird zugelassen, daß sich der supraleitende Magnet 11 von 8 K auf 10 K erwärmt, bevor er normal geht, dann kann er nach dem Einstellen des Kühlens 3,5 Sekunden weiter arbeiten, wenn der konduktive Mantel 0,6 kg von Al ist. Die Betriebszeit nach dem Einstellen des Kühlens erhöht sich auf 144 Sekunden, wenn der Aluminiummantel 25 kg wiegt. Wenn die Leistung unterbrochen wird, beginnt die Kältemaschine 24 sich zu erwärmen und die konduktiven Verluste, die im Inneren des Dehners 26 auftreten, bewirken, daß Wärme zum kalten unteren Ende der Kältemaschine 24 strömt. Als Folge erwärmt sich die Kälte-Wärme- Station 30 anfänglich, wenn die Kältemaschine wieder angelassen wird, und kühlt dann wieder ab auf ihre normale Betriebstemperatur.
Ein zweiter Vorteil, welchen der konvektiv gekühlte Kreislauf 13 bereitstellt, ist, daß die Wärme, die durch das Wiederanlassen der Kältemaschine 24 erzeugt wird, nicht auf den supraleitenden Magneten 11 übertragen wird, da der konvektive Kreislauf 13 als ein Thermoschalter dient und Wärme nur nach oben zum oberen Sammelrohr 74 überträgt und nicht nach unten zum unteren Sammelrohr 52. Das heißt, da das wärmere Heliumgas nahe der Kältemaschine 24 eine geringere Dichte aufweist als das kältere Heliumgas, welches im Fallrohr 44 und im unteren Sammelrohr 52 ist, gibt es keinen Druckunterschied, der verfügbar ist, um das warme Heliumgas zum kälteren Teil des Kühlkreislaufs 13, d. h., nach unten in das Fallrohr 44 und das untere Sammelrohr 52, zu treiben. Diese Thermoausschaltung, welche ein Teil ist, der dem System 10 innewohnt, ist wichtig, da sie sicherstellt, daß die heißen und kalten Gase sich nicht vermischen und dadurch die Zirkulationsmenge durch den Kühlmittelkreislauf 13 verringern.
Obwohl das zuvor beschriebene Gerät und Verfahren der Erfindung ein sehr wirksames Mittel zur konvektiven Kühlung eines supraleitenden Magneten 11 bereitstellt, liegt innerhalb der Bedingungen der Erfindung auch die Bereitstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 3 veranschaulicht, wobei das System 10 eine erste Betriebsart aufweist, um den supraleitenden Magneten 11 schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen, und eine zweite Betriebsart, um den Magneten 11 bei einer bestmöglichen Betriebstemperatur zu halten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines leichten konvektiven Kühlkreislaufs 13' und Systems 10' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine erste Betriebsart, um den Magneten 11' schnell und wirksam auf seine Betriebstemperatur zu bringen, und eine zweite Betriebsart, um den Magneten 11' bei einer bestmöglichen Betriebstemperatur zu halten, aufweist. Die gesamte Patentbeschreibung hindurch stellen Bezugszeichen mit Strichindex, Doppelstrichindex und Dreifachstrichindex Konstruktionselemente dar, welche im wesentlichen identisch mit den Konstruktionselementen sind, die durch dieselben Bezugszeichen ohne Strichindex dargestellt sind.
Diese beiden Arten des Kühlens des supraleitenden Magneten 11' in dem System 10' werden mit einer einzigartigen Konstruktion und einem Verfahren bewerkstelligt, durch welches Tieftemperaturflüssigkeiten, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von ungefähr 80 K und dann flüssiges Helium bei 4,2 K, anfänglich in das Fallrohr 100 durch ein Umleitsammelrohr 101, welches ein Zulaufrohr 102 umfaßt, eingeführt werden. Die Tieftemperaturflüssigkeiten fließen durch den konvektiven Kühlkreislauf 13', welcher das Fallrohr 100, ein unteres Sammelrohr 52', Steigrohre 68' und ein oberes Sammelrohr 74' umfaßt, in eine Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf 24 und durch die Kälte- Wärme-Station 30 in ein Verbindungsrohr 104, dessen unteres Ende mit dem Fallrohr 100 verbunden ist. Wenn die Tieftemperaturflüssigkeiten verdampfen und durch den konvektiven Kühlkreislauf 13' zirkulieren, kann das wärmere rückströmende Gas, welches nun eine geringere Dichte aufweist, sich nicht mit dem eintretenden Fluid höherer Dichte vermischen und wird daher veranlaßt, nach oben und aus einem Abgasrohr 106 des Umleitsammelrohrs 101, welches über dem Zulaufrohr 102 konzentrisch angeordnet sein kann, auszuströmen.
Nachdem das flüssige Helium die Temperatur des Magneten 11' auf innerhalb seines Betriebsbereichs von weniger als 15 K gesenkt hat, wird der Strom von flüssigem Helium ausgeschaltet. Ein zweites Hochdruck-Heliumgas wird dann in den konvektiven Kühlkreislauf 13' durch das Rohr 106 eingeführt, die Kältemaschine wird eingeschaltet und das System arbeitet gemäß den Grundsätzen, die zuvor hinsichtlich des ersten Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 1 und 2 veranschaulicht, erörtert wurden.
Obwohl das zuvor beschriebene Gerät und Verfahren der Erfindung ein sehr wirksames Mittel zur konvektiven Kühlung der supraleitenden Magneten 11 und 11' bereitstellt, liegt innerhalb der Bedingungen der Erfindung auch die Bereitstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 4 veranschaulicht, wobei darin dargestellt ist eine schematische Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer supraleitenden Magnetkonstruktion 10" mit einem konvektiven Kühlkreislauf 13" und einer zusätzlichen Kältespeicherkonstruktion 120, die in dem konvektiven Kühlkreislauf 13" vorgesehen ist, um die Kältetemperatur im Kreislauf 13" einen längeren Zeitraum lang aufrechtzuerhalten, falls das Kühlsystem versagt. Die Kältespeicherkonstruktion 120 kann durch die Zunahme der Größe einer Sektion von 122 des Fallrohrs 44" auf einfache Weise bereitgestellt werden.
Obwohl das zuvor beschriebene Gerät und Verfahren der Erfindung ein sehr wirksames Mittel zur konvektiven Kühlung für einen supraleitenden Magneten 11" bereitstellen, liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung auch die Bereitstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 5 und 6 veranschaulicht, wobei ein viertes Ausführungsbeispiel einer supraleitenden Magnetkonstruktion 10''' mit einem konvektiven Kühlkreislauf 130 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen von Fig. 4 und 5 noch mehr zusätzliche Kühlung bereitstellt. Das Fallrohr 132 ist nun unten angeordnet und umfaßt eine horizontale Sektion 134 unter dem oberen Sammelrohr 74'''. Am Ende der horizontalen Sektion 134 erstreckt sich eine vertikale Sektion 136 nach unten weg von der Kälte-Wärme-Station 30''' zu einer Stelle unter dem Magneten 11'''. Die vertikale Sektion 136 des Fallrohrs 132 weist ferner einen Krümmungsradius, wie in Fig. 6 dargestellt, auf, welcher im wesentlichen derselbe ist wie der des Magneten 11'''. Das untere Ende 138 des Fallrohrs 136 ist mit einem Zulauf 140 eines unteren Sammelrohrs 142 verbunden, welches wiederum benachbart zum unteren Teil des Magneten 11''' ist. Der konvektive Kühlkreislauf 130 umfaßt ferner eine Mehrzahl von mit einem Zwischenraum angeordneten, zylindrisch geformten Steigrohren 68''', welche den Magneten 11''' umgeben und in engem Thermokontakt damit stehen. Wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, weist jedes der Steigrohre 68''' gekrümmte Sektionen 68A''' und 68B''' auf, welche an ihren unteren Enden mit dem unteren Sammelrohr 142 verbunden sind und nach oben verlaufen, so daß ihre oberen Enden mit dem oberen Sammelrohr 74''' verbunden sind. Der Vorteil des vierten Ausführungsbeispiels ist, daß im Falle eines Leistungsausfalls ein Kaltgasbestand in der horizontalen Sektion 134 des Fallrohrs 132 verbleibt.
Obwohl das zuvor beschriebene Gerät und Verfahren der Erfindung ein sehr wirksames Mittel zur konvektiven Kühlung eines supraleitenden Magneten 11 bereitstellt, liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung auch die Bereitstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 7 veranschaulicht, wobei ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen supraleitenden Magneten 150 bereitstellt, welcher im wesentlichen derselbe wie der Magnet 11 und vertikal ausgerichtet ist. Der Magnet 150 wird durch ein einzelnes Steigrohr 152 eines konvektiven Kühlkreislaufs gekühlt. Der Kühlkreislauf 154 umfaßt eine herkömmliche Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf 156, im wesentlichen identisch mit der Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf 24, die benachbart zum Magneten 150 angeordnet ist. Das untere Ende der Kältemaschine 156 weist eine Kälte-Wärme-Station 30''' mit Zulauf- und Ablaufsektionen 158 bzw. 160 auf.
Die Ablaufsektion 160 der Kälte-Wärme-Station 30 ist mit einem oberen Ende eines Fallrohrs 162 des konvektiven Kühlkreislaufs 154 verbunden. Das Fallrohr 162 ist in einem Abstandsverhältnis zu einer Seite des Magneten 150 angeordnet und erstreckt sich von der Kälte-Wärme-Station 30 nach unten zu einer Stelle unter dem Magneten 150. Das untere Ende des Fallrohrs 162 ist mit einem unteren Sammelrohr 164, einer Sektion des konvektiven Kühlkreislaufs 154, verbunden, welches sich von dem Fallrohr 162 horizontal nach außen und unter dem unteren Teil des Magneten 150 erstreckt. Das untere Sammelrohr 164 ist mit dem Steigrohr 152 verbunden, welches sich vertikal nach oben erstreckt und in engem Thermokontakt mit dem Magneten 150 steht. Ein oberes Sammelrohr 168 verbindet das obere Ende des Rohrs 152 mit der Zulaufsektion 158 der Kälte-Wärme-Station 30'''.
Im Betrieb strömt die Wärme, die durch den Magneten 150 erzeugt wird, radial nach außen durch einen leichten Aluminiummantel, der um den Magneten 150 angeordnet ist. Da der Magnet vertikal ausgerichtet ist, kann er durch ein einzelnes Steigrohr 152 gekühlt werden.
Es ist offensichtlich, daß hier gemäß dieser Erfindung Geräte und Verfahren zum Kühlen eines supraleitenden Magneten durch Zirkulieren eines unter Druck gesetzten Heliumgases durch einen Kühlkreislauf durch natürliche Konvektion bereitgestellt wurde, welche die Aufgaben, Mittel und Vorteile, die hierin zuvor dargelegt wurden, erfüllt. Außerdem wurden Geräte und Verfahren für eine schnelle und wirksame Abkühlung des supraleitenden Magneten auf Betriebstemperatur und zum Aufrechterhalten der niedrigen Betriebstemperatur nach Versagen des Systems bereitgestellt.
Obwohl die Erfindung in Kombination mit Ausführungsbeispielen davon beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, daß für den Durchschnittsfachmann angesichts der vorangehenden Lehren viele Alternativen, Änderungen und Variationen erkennbar sind. Demgemäß beabsichtigt die Erfindung, alle derartigen Alternativen, Änderungen und Variationen, die in den Rahmen der angehängten Patentansprüche fallen, einzuschließen.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten (11), unter Verwendung eines Kühlkreislaufs (13, 154), der eine Kältemaschine (24, 156), ein Fallrohr (44, 162), wenigstens ein Steigrohr (68, 152), eine Kälte-Wärme-Station (30, 30'''), ein oberes Sammelrohr (74, 168) und ein unteres Sammelrohr (52, 164) einschließt, umfassend folgende Schritte:

(a) Zirkulieren von Tieftemperaturgas durch die Kälte- Wärme-Station (30, 30''') mit ein oberem Ende, das mit der Kältemaschine (24, 156) thermisch verbunden ist, zum Kühlen des Gases, wobei die Kältemaschine ein unteres Ende aufweist, das mit dem Fallrohr (44, 162) verbunden ist;

(b) Zirkulieren des Tieftemperaturgases vom Fallrohr (44, 162) durch das untere Sammelrohr (52, 164) auf einem Niveau unter der Vorrichtung und in wenigstens ein Steigrohr (68, 152), welches in engem Thermokontakt mit der Vorrichtung steht, wobei das Tieftemperaturgas in dem wenigstens einen Steigrohr von der Vorrichtung Wärme absorbiert und durch natürliche Konvektion steigt; und

(c) Zirkulieren des Tieftemperaturgases von dem wenigstens einen Steigrohr (68, 152) in das obere Sammelrohr (74, 168), welches zurückführt zu dem oberen Ende der Kälte-Wärme-Station (30, 30, 30'''),

wobei das Zirkulieren in den Schritten (a)-(c) das Ergebnis von natürlicher Konvektion ist, die durch den Wärmeaustausch in dem wenigstens einen Steigrohr (68, 152) herbeigeführt wird, wobei das Tieftemperaturgas einen Druck von ungefähr 1 MPa bis ungefähr 3 MPa aufweist.

2. Verfahren zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, nach Anspruch 1, umfassend ferner Schritte, welche Schritt (a) vorangehen:

Senken der Temperatur der Vorrichtung auf eine Betriebstemperatur während einer ersten Art von Kühlbetrieb, wobei die erste Art von Kühlbetrieb die Zirkulation von wenigstens einer Tieftemperaturflüssigkeit durch den Kühlkreislauf (13, 154) umfaßt, um der Vorrichtung Wärme zu entziehen, bis die Temperatur der Vorrichtung auf die Betriebstemperatur gesunken ist;

Einstellen der Zirkulation der wenigstens einen Tieftemperaturflüssigkeit und Zirkulieren des Tieftemperaturgases, das eine Temperatur aufweist, welche niedriger ist als die Betriebstemperatur, durch den Kühlkreislauf, um die Vorrichtung im wesentlichen gleichförmig bei der Betriebstemperatur zu halten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tieftemperaturgas Helium ist.

4. System zum Kühlen einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten (11), umfassend:

ein Kälteerzeugungsmittel zum Abkühlen eines Tieftemperaturgases auf eine Temperatur unter einer Betriebstemperatur der Vorrichtung;

ein Fallrohr (44, 162), das mit dem Kälteerzeugungsmittel verbunden ist, zum Leiten des Tieftemperaturgases, nachdem es durch das Kälteerzeugungsmittel gekühlt wurde, zu einem unteren Sammelrohr (52, 164) an einer Stelle unter der Vorrichtung;

wenigstens ein Steigrohr (68, 152) zum Strömen des Tieftemperaturgases darin, welches das untere Sammelrohr (52, 164) mit einem oberen Sammelrohr (74, 168) verbindet, das im allgemeinen an einer Stelle über der Vorrichtung angeordnet ist, wobei das Steigrohr (68, 152) in Thermokontakt mit der Vorrichtung steht, um die Vorrichtung durch Erwärmen und Dehnen des Tieftemperaturgases zu kühlen; und

das obere Sammelrohr (74, 168) mit einem Zulauf des Kälteerzeugungsmittels verbunden ist und das erwärmte Tieftemperaturgas zum Kälteerzeugungsmittel zum Kühlen und wieder in das Fallrohr (44, 162) leitet,

die Bewegung des Tieftemperaturgases durch natürliche Konvektion bewirkt wird, wobei das Tieftemperaturgas einen Druck von ungefähr 1 MPa bis ungefähr 3 MPa aufweist.

5. System nach Anspruch 4, wobei das Kälteerzeugungsmittel eine Kältemaschine (24, 156) und eine Kälte-Wärme- Station (30, 30', 30", 30''') umfaßt, wobei die Kälte-Wärme-Station ein oberes Ende gegen die Kältemaschine (24, 156) und verbunden mit dem oberen Sammelrohr (74, 168) und ein unteres Ende der Kälte- Wärme-Station (30, 30', 30", 30'''), das mit dem Fallrohr (44, 162) verbunden ist, aufweist, sowie eine Mehrzahl von Durchflußkanälen in der Kälte-Wärme-Station, die durch die Kältemaschine (24, 156) gekühlt werden, zum Kühlen des Tieftemperaturgases, das von dem oberen Sammelrohr (74, 168) durch die Durchflußkanäle und dann in das Fallrohr (44, 162) strömt.

6. System nach Anspruch 5, wobei die Kältemaschine (24, 156) eine Gifford-McMahon- oder Stirling-Kältemaschine und das Tieftemperaturgas Helium ist.

7. System nach Anspruch 4, welches Kühlkreislaufmittel einschließt, welche mehr als ein Steigrohr (68) umfassen, wobei die Rohre so dimensioniert sind, daß die Mengendurchflußraten des Tieftemperaturgases in den Steigrohren (68) ungefähr gleichförmig sind.

8. System nach Anspruch 4, in dem eine Mehrzahl von Steigrohren (68) vorhanden ist, wobei die Rohre mehrfache parallele Wege für das Tieftemperaturgas zum Durchströmen durch die Vorrichtung bereitstellen.

9. System nach Anspruch 4, das ferner ein Umleitsammelrohr (101) zum Leiten einer Tieftemperaturflüssigkeit in Kühlkreislaufmittel zum anfänglichen Entziehen von Wärme von der Vorrichtung umfaßt, um die Temperatur der Vorrichtung von einem erhöhten Niveau auf die Betriebstemperatur der Vorrichtung zu senken.

10. System nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung vertikal ausgerichtet ist, das Fallrohr (162) benachbart zur Vorrichtung angeordnet ist und ein einzelnes Steigrohr (152) sich vertikal durch die Vorrichtung erstreckt, um eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur innerhalb der Vorrichtung aufrechtzuerhalten.