具有一超导磁铁和一制冷单元的超导装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超导装置（２），其包括一个带有至少一个无冷却介质的超导绕组（４ａ，４ｂ）的超导磁铁（３）和一个具有至少一个冷却头（６）的制冷单元。一具有至少一根供其中按照温差环流效应循环的冷却介质（ｋ１，ｋ２）用的管道（１０ａ，１０ｂ）的管道系统（１０）用于传热地将该绕组（４ａ，４ｂ）连接到所述冷却头（６）上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超导装置，其具有-一个包含至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，-一个具有至少一个冷却头的制冷单元，以及-一些用于传热地将所述至少一绕组连接到所述至少一个冷却头上的装置。一些相应的超导装置例如可从“Proc.16thInt.Cryog.Engng.Conf.[ICEC16]”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science，1997，第1109页至1132页中获知。除了长期以来已公知的金属超导材料、例如具有低的跃变温度TC以及因此被称为低跃变温度超导材料或低温超导材料的NbTi或Nb3Sn外，从1987年以来已知一些具有高于77K跃变温度的金属氧化物超导材料。这些材料也被称为高跃变温度的超导材料或高温超导材料。人们还尝试利用这样的高温超导材料制造超导的磁性绕组。因为迄今已知的导线在磁场中，尤其是在磁通区域内基于感应只具有比较小的载流能力。所以通常这样绕组的导线尽管本身所采用的材料具有高的跃变温度，但是还应保持在一低于77K的温度水平上、例如界于10K与50K之间，以便可以在例如几特斯拉的更高场强时承载较大的电流。为了冷却具有高温超导导线的绕组，在上述温度范围内优选采用一些带有封闭的氦压力气体循环回路的所谓低温制冷器形式的冷却单元。这样的低温制冷器尤其是Gifford-McMahon或Stirling型制冷器或所谓的脉管制冷器。此外，这些相应的制冷单元具有的优点是，提供制冷功率以及对使用者来说省去了运用深冷却液体。在采用这样一些冷却单元时，例如一超导磁性线圈绕组只通过向一制冷机的冷却头传热而间接地被冷却，亦即可以无冷却介质(也可参见ICEC 16中的相关段落)。尤其对于磁共振成像设备的超导磁性系统的冷却在目前对于磁铁采用氦冷却的情况下，通常设计为冷却池式冷却(Badkühlung)(参见US 6246，308B1)。为此需要相对大量的、例如几百升的液态氦作为储备。该储备在所述磁铁的冷却过程中、亦即在从其绕组的首先超导部分向普通传导状态过渡时导致在一必需的低温恒温器中产生所不希望的压力。对于低温超导磁铁已经采用在一相应制冷单元的冷却头与所述磁铁的超导绕组之间例如或许还是柔性设计的铜管形式的良好传热连接来实现制冷机冷却(参见ICEC 16中的相关段落，尤其是第1113页至1116页)。视所述冷却头与所述待冷却对象之间的间距情况，所述用于良好传热连接所需要的大横截面却可能导致显著增大冷却介质量。这一情况尤其对于应用于磁共振成像的通常空间扩展的磁性系统来说由于冷却时间延长而十分不利。作为这样一种通过传热固体将所述至少一个绕组传热连接在所述至少一个冷却头上的替代方式，也可以采用一种氦气流在其中循环的管路系统(参见例如US 5,485,730)。本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种具有前言所述特征的超导装置，在该超导装置中降低了用于冷却超导绕组的成本。按照本专利技术，上述技术问题通过在权利要求1中所给出的措施得以解决。据此，所述至少一个绕组连接与所述至少一个冷却头之间的传热连接装置应该设计为一个具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质用的管道的管道系统。在此一个冷却头应理解为一个制冷单元的各个任意的冷却面，通过这些冷却面直接或间接地向冷却介质提供冷却功率。一个这种管道系统具有至少一根在所述冷却头与超导绕组之间延伸的具有一坡度的封闭管道。其中，所述坡度至少在所述管道的一些部段内大体上相对于水平面为大于0.5°，优选大于1°。处于该管道内的冷却介质在所述制冷单元或冷却头的冷却面上重新冷凝并且从那里到达所述超导绕组的区域内，在该区域内介质变热并同时基本上被汽化。如此被汽化的冷却介质又在所述管道内流回到冷却头的冷却面的区域内。因此冷却介质的相应循环是基于一种所谓的“温差环流效应”来实现的。通过采用这样一种用于将冷却功率传递到绕组上的温差环流(如所描述的一相应的管道系统那样)，与池冷却方式相比，所需要的低温冷却介质的环流量显著减小，例如减小大约100倍。由于冷却液体另外只在直径相对小的、一般处于几厘米数量级的管道内循环，因此在冷却时可在技术上顺利地控制压力的产生。系统中液态冷却介质量的减小，尤其在采用氦或氖作为冷却介质时，除了安全性方面，还具有节约成本的显著优点。此外，与利用传热连接体实行冷却相比，一温差环流还另外具有如下优点，即，能与所述冷却头与待冷却对象之间的空间距离无关地实现良好的传热连接。按照本专利技术的超导装置的一些有利的扩展设计可以由从属权利要求中获知。所述管道系统可以具有两个或多个分别充有冷凝温度不同的不同冷却介质的管道。由此可以根据应用要求，实现相应分级的工作温度，以用于例如一种预冷却或一种似乎连续传热的连接，或者通过各冷却介质的相互重叠的温度区域来实现一种似乎连续传热的连接。其中，所述分系统可以或者连接在一共同的冷却头上，或者连接在一制冷单元的一些相互分隔开的冷却头上。所述超导装置的超导磁铁可以特别有利地包括一具有高温超导材料并保持在一低于77K温度上的绕组。当然，按照本专利技术的超导装置也可以相对于低温超导磁铁来设计。按照本专利技术的超导装置的其他有利的扩展设计可以从前面未述及的从属权利要求中获知。下面借助于附图详细阐述按照本专利技术的超导装置的一些有利的实施方式。各附图分别以纵剖视图简略表示。附图说明图1表示一种对于具有两个绕组的一磁共振成像设备磁铁的冷却方式，图2表示一种对于具有四个绕组的磁共振成像设备磁铁的冷却方式。对于图1中以附图标记2泛泛标示出的超导装置下面仅就其对于本专利技术而言重要的细节予以阐述，它尤其是一磁共振成像设备的一组成部分。在此以本身已公知的具有一C形磁铁的实施方式为基础(参见例如DE 19813 211 C2或EP 0 616 230 A1)。因此该设备包括一未详细阐述的优选超导的磁铁3，该磁铁具有一位于上方的处于一水平平面内的超导绕组4a和一与之平行设置的位于下方的超导绕组4b。这些绕组尤其可以用一些由例如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox那样的高温超导材料制成的导线构成，这样的材料由于具有高的载流能力能够保持在一低于77K的运行温度上。这些绕组具有一环形形状。它们分别安置在一相应的未示出的真空壳体中。用于冷却所述绕组4a和4b的冷却功率由一未详细示出的具有至少一个位于其冷端的冷却头6的制冷单元提供。该冷却头具有一保持在一预定温度水平上的冷却面7或者与该冷却面传热地相连。在该冷却面处传热地连接一冷凝室8的内腔。所述冷却面7例如构成该内腔的腔壁。按照所示实施方式该冷凝室8的内腔分成两个分腔室9a和9b。在所述第一分腔室9a上连接一管道系统10的一管道10a。该管道从该分腔室9a导入到所述超导绕组4a的区域中，在那里它与该绕组良好传热地接触。该管道10a例如以螺旋形盘绕的形式在内侧上沿绕组导引。在所述内侧上安置并非必须；唯一重要的是，所述管道以恒定的坡度环绕所述绕组的整个圆周以及在那儿良好传热地连接在绕组的待冷却的构件或导线上。所述管道10a至少以其主要部段与水平面h构成一大于0.5°的坡度(或斜度)角α，优选大于1°。因此例如该坡度角α在所述绕组4a的区域内大约为3°。该管道10a然后导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导装置，其具有－一包括至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，－一具有至少一个冷却头的制冷单元，以及－一些用于将所述至少一个绕组传热地连接到所述至少一个冷却头上的装置，其特征在于，所述传热的连接装置设计为 一管道系统（１０），其具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质（ｋ１，ｋ１｀；ｋ２）用的管道（１０ａ，１０ｂ；１５ｉ）。

【技术特征摘要】
DE 2002-5-15 10221639.81.一种超导装置，其具有-一包括至少一个具有超导能力的无冷却介质的绕组的磁铁，-一具有至少一个冷却头的制冷单元，以及-一些用于将所述至少一个绕组传热地连接到所述至少一个冷却头上的装置，其特征在于，所述传热的连接装置设计为一管道系统(10)，其具有至少一根供在其中按照温差环流效应循环的冷却介质(k1，k1`；k2)用的管道(10a，10b；15i)。2.如权利要求1所述的超导装置，其特征在于，所述管道系统(10)具有两根分别充有冷凝温度不同的不同冷却介质(k1及12)的管道(10a，10b)。3.如权利要求2所述的超导装置，其特征在于，所述两根管道(10a，10b)传热地连接在一共同的冷却头(6)上。4.如权利要求2所述的超导装置，其特征在于，所述两根管道分别传热地连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得范哈塞尔特，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]