EP1504458B1 - Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit - Google Patents

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EP1504458B1
EP1504458B1 EP03752654A EP03752654A EP1504458B1 EP 1504458 B1 EP1504458 B1 EP 1504458B1 EP 03752654 A EP03752654 A EP 03752654A EP 03752654 A EP03752654 A EP 03752654A EP 1504458 B1 EP1504458 B1 EP 1504458B1
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EP
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refrigerant
superconducting
winding
cooling
pipeline
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Peter Van Hasselt
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems

Definitions

  • cooling units in the form of so-called cryocoolers with closed helium compressed gas circulation are preferably used in said temperature range.
  • cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers.
  • Corresponding refrigeration units also have the advantage that the cooling capacity is virtually available at the push of a button and the user is spared the handling of cryogenic liquids.
  • a superconducting magnetic coil winding is indirectly cooled only by heat conduction to a cold head of a refrigerator, so it is free of refrigerant.
  • Corresponding devices of the superconducting technique go, for example, " Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16] ", Kitakyushu, JP, 20-24 / 05/1996, Elsevier Science, 1997, pages 1109-1132 out.
  • refrigerator cooling has already been realized using good heat-conducting connections, for example in the form of possibly also flexibly designed Cu tubes, between a cold head of a corresponding refrigeration unit and the superconducting winding of the magnet (cf. Reference from ICEC 16, in particular pages 1113 to 1116 ).
  • good heat-conducting connections for example in the form of possibly also flexibly designed Cu tubes, between a cold head of a corresponding refrigeration unit and the superconducting winding of the magnet (cf. Reference from ICEC 16, in particular pages 1113 to 1116 ).
  • the large cross sections required for good thermal coupling lead to a considerable increase in cold mass.
  • this is due to the extended cooling times of disadvantage.
  • thermal coupling of the at least one winding to the at least one cold head via thermally conductive solids may also be provided a conduit system in which a He gas stream circulates (see, eg US 5,485,730 ).
  • Object of the present invention is to provide a device of the superconducting technique with the features mentioned, in which the cost of cooling a superconducting winding is reduced.
  • the refrigeration unit should have at least one cold head and should the at least one pipeline with a refrigerant receiving cross-section be completed by less than 10 cm 2 at its end.
  • a cold head means any cold surface of a refrigeration unit via which the refrigerating capacity is discharged directly or indirectly to the refrigerant.
  • a corresponding line system has at least one closed pipe which runs between the cold head and the superconducting winding with a gradient.
  • the gradient is at least in some parts of the pipeline generally more than 0.5 °, preferably more than 1 ° relative to the horizontal.
  • the refrigerant present in this pipeline recondenses on a cold surface of the refrigeration unit or the cold head and from there into the region of the superconducting winding, where it heats up and generally evaporates.
  • the refrigerant thus evaporated then flows within the pipe back into the area of the cold surface of the cold head.
  • the piping system thus represents a so-called single-tube thermosyphon, in which the circulation of the refrigerant takes place due to the so-called "thermosiphon effect". It is assumed that even with small pipe cross-sections of less than 10 cm 2, such a circulation is possible.
  • thermosiphon for transmitting the cooling capacity to the winding, the required circulating amount of cryogenic refrigerant is significantly reduced compared to a bath cooling, for example, by a factor of about 100. Furthermore, since the liquid only in pipelines with relatively small diameters, the are generally on the order of a few centimeters, circulates, the pressure build-up in a quench case without problems is technically manageable. Besides the safety aspects, reducing the amount of liquid refrigerant in the system, especially when using helium or neon as a refrigerant, is also a significant cost advantage. Compared to cooling with heat-conducting connection bodies, a thermosiphon also offers the advantage of a good thermal coupling regardless of the spatial distance between the cold head and the object to be cooled.
  • the piping system may in particular comprise two or more pipes which are filled with different refrigerants having different condensation temperatures.
  • the subsystems can either to a common cold head or be thermally coupled to separate cold heads of a refrigeration unit.
  • the superconducting magnet of the device may include a winding which has superconducting HTS material and in particular is also to be kept at a temperature below 77 K.
  • a device according to the invention of superconducting technology should also be designed for LTS magnets.
  • this system includes an unspecified, preferably superconducting magnet 3 with an upper, lying in a horizontal plane superconducting winding 4a and a parallel arranged lower superconducting winding 4b.
  • windings may in particular be made with conductors of high-T c superconducting material such as (Bi, Pb) 2 Sr 2 Ca 2 CU 3 O x , which, for the sake of a high current carrying capacity can be maintained at an operating temperature below 77 K.
  • the windings have a ring shape. They are each housed in a corresponding vacuum housing, not shown.
  • the cooling capacity for cooling the windings 4a and 4b is provided by a refrigeration unit, not shown in detail, with at least one cold head 6 located at its cold end.
  • This cold head has a cold surface 7 to be held at a predetermined temperature level or is thermally connected thereto.
  • the interior of a condenser chamber 8 is thermally coupled to this cold surface;
  • the cold surface 7 forms a wall of this space.
  • the interior of this condenser chamber 8 is divided into two subspaces 9a and 9b. To the (first) subspace 9a, a pipe 10a of a piping system 10 is connected.
  • This pipeline first leads from the subspace 9a into the region of the superconducting winding 4a, where it is in good heat-conducting contact with the winding.
  • the tubing 10a spirals along the inside of the coil.
  • the attachment on the inside is not mandatory; It is only important that the pipeline with a permanent gradient reaches the entire circumference of the winding and is thermally coupled there well to the parts or conductors of the winding to be cooled.
  • the pipe 10a includes, at least with its most substantial parts with the horizontal h, a gradient (or inclination) angle ⁇ of more than 0.5 °, preferably more than 1 °.
  • the angle of inclination ⁇ in the region of the winding 4a is about 3 °.
  • the pipe 10a then leads into the region of the lower winding 4b, where it is arranged in a corresponding manner. It is completed at its end 11.
  • the refrigerant k1 receiving cross-section q of the pipe 10a can be advantageously kept small and in particular below 10 cm 2 . In the illustrated embodiment, q is about 2 cm 2 .
  • a first refrigerant k1 for example neon (Ne).
  • the refrigerant k1 circulates in the pipeline 10a including the associated subspace 9a due to a known thermosiphon effect.
  • the refrigerant condenses in the subspace 9a on the cold surface 7 and reaches the area of the superconducting windings in liquid form.
  • the refrigerant is heated, for example under at least partial evaporation, and flows in the pipe 10a back into the subspace 9a, where it is recondensed.
  • the piping system 10 comprises a second pipeline 10b, which leads parallel to the first pipeline 10a and is filled with a further refrigerant k2.
  • This refrigerant is different from the first refrigerant k1, that is, it has another, preferably higher, condensation temperature.
  • nitrogen (N 2 ) is selected for the refrigerant k2.
  • the pipeline 10b is connected to the (second) subspace 9b of the condenser chamber 8.
  • the second refrigerant k2 also circulates due to a thermosiphon effect in the closed pipe 10b and the subspace 9b.
  • the second refrigerant k2 is then condensed first, wherein the windings can be pre-cooled to about 70 to 80 K, for example in the case of using N 2 as the refrigerant k2.
  • the cold surface 7 With further cooling of the cold surface 7 then condenses the first, located in the pipe 10a refrigerant k1 with the comparatively lower condensation temperature and thus leads to a further cooling to the intended operating temperature of, for example 20 K (when using Ne as the first refrigerant k1).
  • the second refrigerant k2 may be frozen out at this operating temperature in the region of the subspace 9b.
  • the device 2 of the superconducting technique according to the invention may of course also have only one line system with only a single pipe. If one considers a larger number of pipelines, several pipelines can also be thermally coupled to separate cold heads or to stages of a refrigeration unit lying at different temperature levels. In two-stage refrigeration units or cold heads, as they are planned in particular for the cooling of thermal shields, one would for a faster pre-cooling with another thermosiphon pipe, which is filled for example with N 2 or Ar, the magnet windings - in addition to the thermal connection to the second stage - also connect to the first (warmer) stage.
  • thermosiphon cooling is also applicable to magnets having vertically arranged windings.
  • An embodiment of a device according to the invention with corresponding windings is indicated in Figure 2.
  • the gradient angle ⁇ is in large parts of the generally designated 20 line system about 90 °.
  • a condenser chamber 18 and a cold head are generally placed above the windings so as to ensure the required slope.
  • Per winding at least one pipe 15i is required because, in contrast to horizontally arranged windings not a pipe can reach all windings while maintaining the slope.
  • each pipe 15i receives sufficient recondensed refrigerant k1
  • the entire pipe system 20 formed from the pipes 15i must either be designed as a system of communicating pipes and be completely flooded with the liquid refrigerant in the area of the windings 14j. This is indicated in the figure 2 by a blackening coloring of the refrigerant k1, while the evaporated refrigerant is colored lighter and designated k1 '.
  • each pipe 15i must have a separate condenser (part) chamber on the cold head.
  • an inventive device of the superconducting technique may comprise a conduit system with at least one pipe, in which there is also a mixture of two refrigerants with different condensation temperatures. Then, with a gradual cooling, the gas with the highest condensation temperature can condense and then form a closed circuit for heat transfer to a winding to be cooled. After a pre-cooling of this winding to the triple point temperature of this gas, this will then freeze in the region of the condenser chamber, whereupon the other gas mixture component with the lower condensation temperature ensures further cooling to the operating temperature.
  • the gases He, H 2 , Ne, O 2 , N 2 , Ar and various hydrocarbons come as a refrigerant depending on the desired operating temperature in question.
  • the selection of the respective cold gas is carried out so that at the intended operating temperature the refrigerant is simultaneously gaseous and liquid. In this way, a circulation is to be ensured by utilizing a thermosiphon effect.
  • warm and / or cold reservoirs can be provided on the line system.
  • refrigerant also depends on the superconductor material used. If an LTS material such as Nb 3 Sn is provided, only He as a refrigerant in question.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der Supraleitungstechnik
    • mit einem Magneten, der mindestens eine supraleitfähige, kältemittelfreie Wicklung enthält,
    • mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen Kaltkopf aufweist,
    und
    • mit einem Leitungssystem mit wenigstens einer geschlossenen Rohrleitung für ein darin nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel zur thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an die Kälteeinheit.
    Eine entsprechende Einrichtung geht aus der US 4,726,199 A hervor.
  • Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb3Sn, die sehr niedrige Sprungtemperaturen Tc besitzen und deshalb auch als Niedrig(Low)-Tc-Supraleitermaterialien oder LTS-Materialien bezeichnet werden, kennt man seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen Tc von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch(High)-Tc-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet.
  • Mit Leitern unter Verwendung solcher HTS-Materialien versucht man auch, supraleitende Magnetwicklungen zu erstellen. Wegen ihrer bislang noch verhältnismäßig geringen Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern, insbesondere mit Induktionen im Tesla-Bereich, werden vielfach die Leiter solcher Wicklungen trotz der an sich hohen Sprungtemperaturen Tc der verwendeten Materialien dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau, beispielsweise zwischen 10 und 50 K gehalten, um so bei höheren Feldstärken wie z.B. von einigen Tesla nennenswerte Ströme tragen zu können.
  • Zur Kühlung von Wicklungen mit HTS-Leitern kommen in dem genannten Temperaturbereich bevorzugt Kälteeinheiten in Form von sogenannten Kryokühlern mit geschlossenem Helium-Druckgaskreislauf zum Einsatz. Solche Kryokühler sind insbesondere vom Typ Gifford-McMahon oder Stirling oder sind als sogenannte Pulsröhrenkühler ausgebildet. Entsprechende Kälteeinheiten haben zudem den Vorteil, dass die Kälteleistung quasi auf Knopfdruck zur Verfügung steht und dem Anwender die Handhabung von tiefkalten Flüssigkeiten erspart wird. Bei einer Verwendung solcher Kälteeinheiten wird z.B. eine supraleitende Magnetspulenwicklung nur durch Wärmeleitung zu einem Kaltkopf eines Refrigerators indirekt gekühlt, ist also kältemittelfrei. Entsprechende Einrichtungen der Supraleitungstechnik gehen z.B. aus "Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]", Kitakyushu, JP, 20. 24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1132 hervor.
  • Die Kühlung supraleitender Magnetsysteme insbesondere von MRI(Magnetresonance Imaging)-Anlagen ist derzeit bei heliumgekühlten Magneten in der Regel als Badkühlung ausgeführt (vgl. US 6,246,308 B1 ). Hierfür ist als Vorrat eine vergleichsweise große Menge an flüssigem Helium erforderlich, beispielsweise einige 100 Liter. Dieser Vorrat führt in einem Quenchfall des Magneten, d.h. bei einem Übergang von zunächst supraleitenden Teilen seiner Wicklung in den normalleitenden Zustand, zu einem unerwünschten Druckaufbau in einem erforderlichen Kryostaten.
  • Bei LTS-Magneten wurden bereits Refrigerator-Kühlungen unter Verwendung von gut-wärmeleitenden Verbindungen wie z.B. in Form von gegebenenfalls auch flexibel ausgeführten Cu-Rohren zwischen einem Kaltkopf einer entsprechenden Kälteeinheit und der supraleitenden Wicklung des Magneten realisiert (vgl. die genannte Literaturstelle aus ICEC 16, insbesondere Seiten 1113 bis 1116). Je nach Abstand zwischen dem Kaltkopf und dem zu kühlenden Objekt führen dann aber die für eine gute thermische Ankopplung erforderlichen großen Querschnitte zu einer beträchtlichen Vergrößerung der Kaltmasse. Insbesondere bei den in MRI-Anwendungen üblichen, räumlich ausgedehnten Magnetsystemen ist dies auf Grund der verlängerten Abkühlzeiten von Nachteil.
  • Statt einer solchen thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den mindestens einen Kaltkopf über wärmeleitende Festkörper kann auch ein Leitungssystem vorgesehen sein, in dem ein He-Gasstrom zirkuliert (vgl. z.B. US 5,485,730 ).
  • Aus der eingangs genannten US 4,726,199 A ist eine Einrichtung der Supraleitungstechnik zu entnehmen, die ein Leitungssystem mit einem LHe-Behälter umfasst, von dem eine Rohrleitung zu einer Wärmeaustauschplatte führt, an welche eine supraleitende Wicklung thermisch angekoppelt ist. Nicht näher ausgeführt ist dabei, wie die Kälteleistung in den LHe-Behälter einzubringen ist. Bei dieser bekannten Einrichtung führt von dem Wärme aufnehmenden Bereich der Wärmeaustauschplatte eine Rohrleitung in das LHe-Bad des Behälters zurück. Damit ist die Rohrleitung in einen ersten Teil, in dem flüssiges Kältemittel zu der Wärmequelle geführt wird, und in einen zweiten, sich daran anschließenden Teil unterteilt, in dem das dort verdampfte Kältemittel zu dem Behälter zurückgeführt wird. Bei einer solchen, auch als Zwei-Rohr-Thermosyphon bezeichneten Rohrleitung erfolgt eine natürliche, auf Dichteunterschieden beruhende Zirkulation des Kältemittels.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der Supraleitungstechnik mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei welcher der Aufwand zur Kühlung einer supraleitenden Wicklung verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll die Kälteeinheit mindestens einen Kaltkopf aufweisen und soll die wenigstens eine Rohrleitung mit einem das Kältemittel aufnehmenden Querschnitt von unter 10 cm2 an ihrem Ende abgeschlossen sein. Unter einem Kaltkopf sei hierbei jede beliebige Kaltfläche einer Kälteeinheit verstanden, über die die Kälteleistung an das Kältemittel direkt oder indirekt abgegeben wird.
  • Ein entsprechendes Leitungssystem weist wenigstens eine geschlossene Rohrleitung auf, die zwischen dem Kaltkopf und der supraleitenden Wicklung mit einem Gefälle verläuft. Das Gefälle beträgt dabei zumindest in einigen Teilen der Rohrleitung im Allgemeinen mehr als 0,5°, vorzugsweise mehr als 1° gegenüber der Horizontalen. Das in dieser Rohrleitung befindliche Kältemittel rekondensiert an einer Kaltfläche der Kälteeinheit bzw. des Kaltkopfes und gelangt von dort in den Bereich der supraleitenden Wicklung, wo es sich erwärmt und dabei im Allgemeinen verdampft. Das so verdampfte Kältemittel strömt dann innerhalb der Rohrleitung wieder zurück in den Bereich der Kaltfläche des Kaltkopfes. Das Rohrleitungssystem stellt folglich einen sogenannten Ein-Rohr-Thermosyphon dar, in dem die Zirkulation des Kältemittels auf Grund des sogenannten "Thermosyphon-Effektes" erfolgt. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass selbst bei kleinen Rohrquerschnitten von unter 10 cm2 eine solche Zirkulation ermöglicht ist.
  • Durch die Verwendung eines solchen Thermosyphons zur Übertragung der Kälteleistung an die Wicklung wird die erforderliche umlaufende Menge des kryogenen Kältemittels im Vergleich zu einer Badkühlung erheblich reduziert, beispielsweise um einen Faktor von etwa 100. Da außerdem die Flüssigkeit nur in Rohrleitungen mit vergleichsweise kleinen Durchmessern, die im Allgemeinen in der Größenordnung von wenigen Zentimetern liegen, zirkuliert, ist der Druckaufbau in einem Quenchfall ohne Probleme technisch beherrschbar. Neben den Sicherheitsaspekten ist die Verringerung der Menge an flüssigem Kältemittel im System, insbesondere bei einer Verwendung von Helium oder Neon als Kältemittel, außerdem ein deutlicher Kostenvorteil. Im Vergleich zu einer Kühlung mit wärmeleitenden Verbindungskörpern bietet ein Thermosyphon außerdem den Vorteil einer guten thermischen Ankopplung unabhängig von der räumlichen Entfernung zwischen dem Kaltkopf und dem zu kühlenden Objekt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung der Supraleitungstechnik nach der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • So kann das Leitungssystem insbesondere zwei oder mehr Rohrleitungen aufweisen, die mit verschiedenen Kältemitteln mit unterschiedlicher Kondensationstemperatur gefüllt sind. Damit sind je nach Anforderung der Anwendung entsprechend abgestufte Arbeitstemperaturen, z.B. für eine Vorkühlung, eine quasi kontinuierliche thermische Ankopplung oder eine quasi kontinuierliche thermische Ankopplung durch überlappende Arbeitstemperaturbereiche der Kältemittel möglich. Die Teilsysteme können dabei entweder an einen gemeinsamen Kaltkopf oder auch an getrennte Kaltköpfe einer Kälteeinheit thermisch angekoppelt sein.
  • Besonders vorteilhaft kann der supraleitende Magnet der Einrichtung eine Wicklung enthalten, die supraleitendes HTS-Material aufweist und insbesondere auch auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist. Selbstverständlich ist aber eine erfindungsgemäße Einrichtung der Supraleitungstechnik auch für LTS-Magnete auszulegen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele von Einrichtungen der Supraleitungstechnik nach der Erfindung an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch im Schnitt
    deren Figur 1 die Kühlung eines MRI-Magneten mit zwei Wicklungen
    und
    deren Figur 2 die Kühlung eines anderen MRI-Magneten mit vier Wicklungen.
  • Bei der in der Figur 1 allgemein mit 2 bezeichneten und nur in ihren für die Erfindung wesentlichen Details ausgeführten Einrichtung der Supraleitungstechnik kann es sich insbesondere um einen Teil einer MRI-Magnetanlage handeln. Dabei wird von an sich bekannten Ausführungsformen mit einem sogenannten C-Magneten ausgegangen (vgl. z.B. DE 198 13 211 C2 oder EP 0 616 230 A1 ). Diese Anlage enthält deshalb einen nicht näher ausgeführten, vorzugsweise supraleitenden Magneten 3 mit einer oberen, in einer horizontalen Ebene liegenden supraleitenden Wicklung 4a und einer dazu parallel angeordneten, unteren supraleitenden Wicklung 4b . Diese Wicklungen können insbesondere mit Leitern aus Hoch-Tc-Supraleitermaterial wie z.B. (Bi,Pb)2Sr2Ca2CU3Ox erstellt sein, das aus Gründen einer hohen Stromtragfähigkeit auf einer Betriebstemperatur unter 77 K gehalten werden kann. Die Wicklungen weisen eine RingForm auf. Sie sind jeweils in einem entsprechenden, nicht dargestellten Vakuumgehäuse untergebracht.
  • Die Kälteleistung zur Kühlung der Wicklungen 4a und 4b wird von einer nicht näher dargestellten Kälteeinheit mit wenigstens einem an ihrem kalten Ende befindlichen Kaltkopf 6 bereit gestellt. Dieser Kaltkopf weist eine auf einem vorbestimmten Temperaturniveau zu haltende Kaltfläche 7 auf oder ist mit dieser thermisch verbunden. An diese Kaltfläche ist thermisch der Innenraum einer Kondensorkammer 8 angekoppelt; beispielsweise bildet die Kaltfläche 7 eine Wand dieses Raumes. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innenraum dieser Kondensorkammer 8 in zwei Teilräume 9a und 9b unterteilt. An den (ersten) Teilraum 9a ist eine Rohrleitung 10a eines Rohrleitungssystems 10 angeschlossen. Diese Rohrleitung führt zunächst von dem Teilraum 9a in den Bereich der supraleitenden Wicklung 4a, wo sie mit der Wicklung in gut wärmeleitendem Kontakt steht. Beispielsweise führt die Rohrleitung 10a in spiralförmigen Windungen an der Innenseite der Wicklung entlang. Die Anbringung auf der Innenseite ist nicht zwingend; wichtig ist nur, dass die Rohrleitung mit permanentem Gefälle den gesamten Umfang der Wicklung erreicht und dort thermisch gut an die zu kühlenden Teile bzw. Leiter der Wicklung angekoppelt ist. Die Rohrleitung 10a schließt zumindest mit ihren wesentlichsten Teilen mit der Horizontalen h einen Gefälle-(oder Neigungs-)Winkel α von mehr als 0,5°, vorzugsweise mehr als 1° ein. So beträgt z.B. der Gefällwinkel α im Bereich der Wicklung 4a etwa 3°. Die Rohrleitung 10a führt dann in den Bereich der unteren Wicklung 4b, wo sie in entsprechender Weise angeordnet ist. Sie ist an ihrem Ende 11 abgeschlossen. Der das Kältemittel k1 aufnehmende Querschnitt q der Rohrleitung 10a kann vorteilhaft klein gehalten werden und insbesondere unter 10 cm2 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt q etwa 2 cm2.
  • In der mit dem Gefälle verlegten Rohrleitung 10a befindet sich ein erstes Kältemittel k1, beispielsweise Neon (Ne). Das Kältemittel k1 zirkuliert dabei in der Rohrleitung 10a einschließlich dem damit verbundenen Teilraum 9a auf Grund eines an sich bekannten Thermosyphon-Effektes. Hierbei kondensiert das Kältemittel in dem Teilraum 9a an der Kaltfläche 7 und gelangt in flüssiger Form in den Bereich der supraleitenden Wicklungen. Dort erwärmt sich das Kältemittel, beispielsweise unter zumindest teilweiser Verdampfung, und strömt in der Rohrleitung 10a zurück in den Teilraum 9a, wo es rekondensiert wird.
  • Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Leitungssystem 10 eine zweite Rohrleitung 10b, die parallel zu der ersten Rohrleitung 10a führt und mit einem weiteren Kältemittel k2 gefüllt ist. Dieses Kältemittel ist von dem ersten Kältemittel k1 verschieden, d.h., es hat eine andere, vorzugsweise höhere Kondensationstemperatur. Beispielsweise wird für das Kältemittel k2 Stickstoff (N2) gewählt. Die Rohrleitung 10b ist dabei an den (zweiten) Teilraum 9b der Kondensorkammer 8 angeschlossen. Das zweite Kältemittel k2 zirkuliert dabei ebenfalls auf Grund eines Thermosyphon-Effektes in der geschlossenen Rohrleitung 10b und dem Teilraum 9b. Bei einer Abkühlung der Magnetwicklungen wird dann zuerst das zweite Kältemittels k2 kondensiert, wobei die Wicklungen z.B. im Falle einer Verwendung von N2 als Kältemittel k2 auf etwa 70 bis 80 K vorgekühlt werden können. Mit weiterer Abkühlung der Kaltfläche 7 kondensiert dann das erste, in der Rohrleitung 10a befindliche Kältemittel k1 mit der vergleichsweise niedrigeren Kondensationstemperatur und führt so zu einer weiteren Abkühlung auf die vorgesehene Betriebstemperatur von beispielsweise 20 K (bei Verwendung von Ne als erstem Kältemittel k1). Das zweite Kältemittel k2 kann bei dieser Betriebstemperatur im Bereich des Teilraums 9b ausgefroren sein.
  • Abweichend von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Einrichtung 2 der Supraleitungstechnik selbstverständlich auch nur ein Leitungssystem mit nur einer einzigen Rohrleitung aufweisen. Sieht man eine größere Anzahl von Rohrleitungen vor, so können mehrere Rohrleitungen thermisch auch an separate Kaltköpfe oder an auf verschieden Temperaturniveaus liegende Stufen einer Kälteeinheit angekoppelt sein. Bei zweistufigen Kälteeinheiten bzw. Kaltköpfen, wie sie insbesondere zur Kühlung von thermischen Schilden eingeplant werden, würde man zu einer schnelleren Vorkühlung mit einer weiteren Thermosyphon-Rohrleitung, die beispielsweise mit N2 oder Ar gefüllt ist, die Magnetwicklungen - neben der thermischen Anbindung an die zweite Stufe - auch an die erste (wärmere) Stufe ankoppeln.
  • Selbstverständlich ist die vorbeschriebene Thermosyphon-Kühlung auch für Magnete anwendbar, die vertikal angeordnete Wicklungen aufweisen. Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung nach der Erfindung mit entsprechenden Wicklungen ist in Figur 2 angedeutet. Die allgemein mit 12 bezeichneten Einrichtung enthält einen solenoidförmigen Supraleitungsmagneten 13, der z.B. vier in Achsrichtung hintereinander liegende supraleitende Wicklungen 14j (mit j = 1...4) aufweist. Die einzelnen Wicklungen werden dabei z.B. jeweils an beiden Stirnseiten über zumindest im wesentlichen vertikal verlaufende Rohrleitungen 15i (mit i = 1....8) gekühlt, die z. B. mit einem Kältemittel k1 gefüllt sind. Hier kann also auf eine Spiralform wie im Falle des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 verzichtet werden und der Gefällewinkel α beträgt in großen Teilen des allgemein mit 20 bezeichneten Leitungssystems etwa 90°. Eine Kondensorkammer 18 und ein Kaltkopf werden im Allgemeinen oberhalb der Wicklungen angeordnet, um so das erforderliche Gefälle zu gewährleisten. Pro Wicklung ist mindestens eine Rohrleitung 15i erforderlich, da im Gegensatz zu horizontal angeordneten Wicklungen nicht eine Rohrleitung alle Wicklungen unter Beibehaltung des Gefälles erreichen kann.
  • Um sicherzustellen, dass jede Rohrleitung 15i genügend rekondensiertes Kältemittel k1 erhält, muss das gesamte, aus den Rohrleitungen 15i gebildete Rohrleitungssystem 20 entweder als ein System kommunizierender Röhren ausgeführt sei und im Bereich der Wicklungen 14j komplett mit dem flüssigen Kältemittel geflutet sein. Dies ist in der Figur 2 durch eine schwärzere Einfärbung des Kältemittels k1 angedeutet, während das verdampfte Kältemittel heller eingefärbt und mit k1' bezeichnet ist. Oder aber jede Rohrleitung 15i muss eine separate Kondensor(teil)kammer an dem Kaltkopf erhalten.
  • Selbstverständlich kann für die in Figur 2 angedeutete Ausführungsform einer Einrichtung 12'nach der Erfindung auch ein Leitungssystem mit parallel verlaufenden, mit unterschiedlichen Kältemitteln (k1 bzw. k2) gefüllten Rohrleitungen vorgesehen werden.
  • Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann eine erfindungsgemäße Einrichtung der Supraleitungstechnik ein Leitungssystem mit mindestens einer Rohrleitung aufweisen, in der auch in Gemisch aus zwei Kältemitteln mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorhanden ist. Dann kann folglich bei einer allmählichen Abkühlung zunächst das Gas mit der höchsten Kondensationstemperatur kondensieren und einen geschlossenen Kreislauf zur Wärmeübertragung an eine zu kühlende Wicklung ausbilden. Nach einer Vorkühlung dieser Wicklung bis zur Tripelpunkttemperatur dieses Gases wird dieses dann im Bereich der Kondensorkammer ausfrieren, worauf die andere Gasgemischkomponente mit der niedrigeren Kondensationstemperatur die weitere Abkühlung auf die Betriebstemperatur gewährleistet.
  • In der Praxis kommen als Kältemittel je nach gewünschter Arbeitstemperatur die Gase He, H2, Ne, O2, N2, Ar sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe in Frage. Die Auswahl des jeweiligen Kaltgases erfolgt so, dass bei der vorgesehenen Betriebstemperatur das Kältemittel gleichzeitig gasförmig und flüssig vorliegt. Auf diese Weise ist eine Zirkulation unter Ausnutzung eines Thermosyphon-Effektes zu gewährleisten. Zur gezielten Einstellung der Füllmenge bei gleichzeitiger Begrenzung des Systemdrucks können warme und/oder kalte Ausgleichsbehälter an dem Leitungssystem vorgesehen werden.
  • Selbstverständlich hängt die Wahl des Kältemittels auch von dem verwendeten Supraleitermaterial ab. Wird ein LTS-Material wie Nb3Sn vorgesehen, kommt nur He als Kältemittel in Frage.

Claims (9)

  1. Einrichtung (2) der Supraleitungstechnik
    - mit einem Magneten (3), der mindestens eine supraleitfähige, kältemittelfreie Wicklung (4a, 4b) enthält,
    - mit einer Kälteeinheit,
    und
    - mit einem Leitungssystem (10) mit wenigstens einer geschlossenen Rohrleitung (10a, 10b) für ein darin nach einem Thermosiphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel (k1, k1'; k2) zur thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung (4a, 4b) an die Kälteeinheit,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteeinheit mindestens einen Kaltkopf (6) aufweist und die wenigstens eine Rohrleitung (10a, 10b) mit einem das Kältemittel (k1 k1', k2) aufnehmenden Querschnitt (8) von unter 10 cm2 an ihrem Ende (11) abgeschlossen ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (10) zwei Rohrleitungen (10a, 10b) aufweist, die mit verschiedenen Kältemitteln (k1 bzw. k2) mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen gefüllt sind.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (10a, 10b) an einen gemeinsamen Kaltkopf (6) thermisch angekoppelt sind.
  4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen an getrennte Kaltköpfe thermisch angekoppelt sind.
  5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der mindestens einen Rohrleitung (10a, 10b) ein Gefälle gegenüber der Horizontalen (h) von mehr als 0,5°, vorzugsweise mehr als 1°, aufweisen.
  6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Wicklung (4a, 4b; 14j) Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Supraleitermaterial auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist.
  8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel (k1 bzw. k2) ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen ist.
  9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Magnet (3) Teil einer MRI-Anlage ist.
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