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WO2003098645A1 - Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit - Google Patents

Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit Download PDF

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Publication number
WO2003098645A1
WO2003098645A1 PCT/DE2003/001378 DE0301378W WO03098645A1 WO 2003098645 A1 WO2003098645 A1 WO 2003098645A1 DE 0301378 W DE0301378 W DE 0301378W WO 03098645 A1 WO03098645 A1 WO 03098645A1
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WO
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refrigerant
superconducting
winding
pipeline
cold head
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Ceased
Application number
PCT/DE2003/001378
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Van Hasselt
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to DE50307708T priority patent/DE50307708D1/de
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Priority to JP2004506048A priority patent/JP4417247B2/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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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

  • the invention relates to a device of superconductivity technology
  • metal oxide superconductor materials have been known since 1987 with transition temperatures T c of over 77 K. The latter materials are also referred to as high (high) T c superconductor materials or HTS materials.
  • cryocoolers For cooling windings with HTS conductors, refrigeration units in the form of so-called cryocoolers with a closed helium compressed gas circuit are preferably used in the temperature range mentioned. Such cryocoolers are in particular of the Gifford-McMahon or Stirling type or are designed as so-called pulse tube coolers. Corresponding cooling units also have the advantage that the cooling capacity is available at the push of a button and the user is spared the handling of cryogenic liquids. When using such cooling units, e.g. a superconducting magnetic coil winding is only indirectly cooled by heat conduction to a cold head of a refrigerator and is therefore free of refrigerants (see also the text from ICEC 16).
  • refrigerator cooling has already been implemented using good heat-conducting connections such as, for example, in the form of possibly also flexible copper pipes between a cold head of a corresponding cooling unit and the superconducting winding of the magnet (cf. the above-mentioned literature from ICEC 16 , especially pages 1113 to 1116).
  • good heat-conducting connections such as, for example, in the form of possibly also flexible copper pipes between a cold head of a corresponding cooling unit and the superconducting winding of the magnet (cf. the above-mentioned literature from ICEC 16 , especially pages 1113 to 1116).
  • the large cross sections required for good thermal coupling then lead to a considerable increase in cold mass. This is disadvantageous in particular in the case of the spatially extended magnetic systems that are customary in MRI applications, because of the longer cooling times.
  • a line system can also be provided in which a He gas stream circulates (cf. e.g. US 5,485,730).
  • the object of the present invention is to provide a device for superconducting technology with the features mentioned at the beginning, in which the effort for cooling a superconducting winding is reduced.
  • the thermal coupling means between the at least one winding and the at least one cold head should be designed as a line system with at least one pipeline for a refrigerant circulating therein according to a thermosiphon effect.
  • a cold head is understood here to mean any cold surface of a refrigeration unit via which the refrigeration output is given directly or indirectly to the refrigerant.
  • thermosiphon (as a corresponding line system is also called) for transferring the cooling capacity to the winding
  • the required circulating amount of the cryogenic refrigerant is considerably reduced compared to a bath cooling system, for example by a factor of about 100. Since also If the liquid only circulates in pipelines with comparatively small diameters, which are generally of the order of a few centimeters, the pressure build-up in a quench is technically manageable without problems.
  • the reduction in the amount of liquid refrigerant in the system especially when using helium or neon as the refrigerant, is also a significant cost advantage.
  • a thermosiphon also offers the advantage of good thermal coupling regardless of the spatial distance between the cold head and the object to be cooled.
  • the superconducting magnet of the device can particularly advantageously contain a winding which has superconducting HTS material and in particular can also be kept at a temperature below 77K.
  • a device according to the invention of superconductivity technology must also be designed for LTS magnets.
  • FIG. 1 shows the cooling of an MRI magnet with two windings
  • FIG. 2 shows the cooling of another MRI magnet with four windings.
  • the superconducting technology device which is generally designated 2 in FIG. 1 and is only executed in its details that are essential to the invention, can in particular be part of an MRI magnet system.
  • Embodiments known per se with a so-called C magnet are assumed (see e.g. DE 198 13 211 C2 or
  • the cooling capacity for cooling the windings 4a and 4b is provided by a cooling 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 kept at a predetermined temperature level or is thermally connected to it.
  • the interior of a condenser chamber 8 is thermally coupled to this cold surface; for example, the cold surface 7 forms a wall of this room. According to the exemplary embodiment shown, the interior of this condenser chamber 8 is divided into two compartments 9a and 9b.
  • a pipeline 10a of a pipeline system 10 is connected to the (first) subspace 9a.

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Abstract

Die Einrichtung (2) enthält einen supraleitenden Magneten (3) mit mindestens einer kältemittelfreien supraleitenden Wicklung (4a, 4b) und eine Kälteeinheit mit mindestens einem Kaltkopf (6). Zur thermischen Ankopplung der Wicklung (4a, 4b) an den Kaltkopf (6) dient ein Leitungssystem (10) mit wenigstens einer Rohrleitung (10a, 10b) für ein darin nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel (k1, k2).

Description

Beschreibung
Einrichtung der Supraleitungstechnik mit einem supraleitenden Magneten und einer Kälteeinheit
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 Mitteln zur thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den mindestens einen Kaltkopf. Entsprechende Einrichtungen der Supraleitungstechnik gehen z.B. aus „Proc. 16th Int. Cryog. Engng. Conf. [ICEC 16]*, Ki- takyushu, JP, 20. 24.05.1996, Verlag Elsevier Science, 1997, Seiten 1109 bis 1132 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 Supraleitermate- rialien mit Sprungtemperaturen Tc von über 77 K. Letztere Materialien werden auch als Hoch (High) -Tc-Supraleitermate- rialien 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 Mate- rialien 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 ge- nannten 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 Kalt- köpf eines Refrigerators indirekt gekühlt, ist also kältemittelfrei (vgl. auch die genannte Textstelle aus ICEC 16).
Die Kühlung supraleitender Magnetsysteme insbesondere von MRI (Magnetresonance Imaging) -Anlagen ist derzeit bei helium- gekühlten Magneten in der Regel als Badkühlung ausgeführt (vgl. US 6,246,308 Bl) . 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) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung der Supraleitungstechnik mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei dem der Aufwand zur Kühlung einer supraleiten- den Wicklung verringert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss sollen die thermischen Ankopplungsmittel zwischen der mindestens einen Wicklung und dem mindestens einen Kaltkopf als ein Leitungssystem mit wenigstens einer Rohrleitung für ein darin nach einem Thermo- syphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel ausgebildet 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 derartiges 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. Die entsprechende Zirkulation des Kältemittels erfolgt demnach auf Grund eines sogenannten „Thermosyphon-Effektes* .
Durch die Verwendung eines solchen Thermosyphons (wie ein entsprechendes Leitungssystem auch bezeichnet wird) zur Übertragung der Kälteleistung an die Wicklung wird die erforderliche umlaufende Menge des kryogenen Kältemittels im Vergleich zu einer Badkühlung erheblich reduziert, beispielswei- se 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 Supralei- tungstechnik 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 Arbeits- temperaturbereiche 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 Wick- lungen 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 AI) . 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 Ring- Form 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 vorbe- stimmten 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 In- nenraum 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 Gefällwin- kel 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 kl 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 kl, beispielsweise Neon (Ne) . Das Kältemittel kl 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 kl 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 kl 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 kl) . Das zweite Kältemittel k2 kann bei dieser Betriebstemperatur im Bereich des Teilraums 9b ausge- froren sein. Abweichend von dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbei- spiel kann die erfindungsgemäße Einrichtung 2 der Supralei- turigstechnik 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 kl gefüllt sind. Hier kann also auf eine Spiralform wie im Falle des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 verzichtet werden und der Gefällewinkel 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 kl erhält, muss das gesamte, aus den Rohrleitungen 15i gebildete Rohrleitungssystem 20 entweder als ein System kommunizierender Röhren ausgeführt sei und im Bereich der Wicklungen 14 komplett mit dem flüssigen Kältemittel geflutet sein. Dies ist in der Figur 2 durch eine schwärzere Einfärbung des Kältemittels kl angedeutet, während das verdampfte Kältemittel heller eingefärbt und mit kl Λ be- zeichnet 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 (kl 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 Ar- beitstemperatur die Gase He, H2, Ne, 02, N2, Ar sowie verschiedene Kohlenwasserstoffe in Frage. Die Auswahl des jeweiligen Kaltgases erfolgt so, dass bei der vorgesehenen Be- triebstemperatur 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 Be- grenzung 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

Patentansprüche
1. Einrichtung der Supraleitungstechnik
- mit einem Magneten, der mindestens eine supraleitfähige, kältemittelfreie Wicklung enthält,
- mit einer Kälteeinheit, die mindestens einen Kaltkopf aufweist, und
- mit Mitteln zur thermischen Ankopplung der mindestens einen Wicklung an den mindestens einen Kaltkopf, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die thermischen Ankopplungsmittel als ein Leitungssystem (10) mit wenigstens einer Rohrleitung (10a, 10b; 15i) für ein darin nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierendes Kältemittel (kl, kl ; k2) ausgebildet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Leitungssystem (10) zwei Rohrleitungen (10a, 10b) aufweist, die mit verschiedenen Käl- temitteln (kl bzw. k2) mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen gefüllt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rohrleitungen (10a, 10b) an einen gemeinsamen Kaltkopf (6) thermisch angekoppelt sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rohrleitungen an getrennte Kaltköpfe thermisch angekoppelt sind.
5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Querschnitt (q) der das Kältemittel (kl, kl ; k2) führenden zumindest einen Rohrleitung (10a, 10b) unter 10 cm2 liegt.
7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die supraleitende Wicklung (4a, 4b; 14j) Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthält.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Supraleitermaterial auf einer Temperatur unter 77 K zu halten ist.
9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Kältemittel (kl bzw. k2) ein Gemisch aus mehreren Kältemittelkomponenten mit unterschiedlichen Kondensationstemperaturen vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der supraleitende Magnet (3, 13) Teil einer MRI-Anlage ist.
PCT/DE2003/001378 2002-05-15 2003-04-29 Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit Ceased WO2003098645A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP03752654A EP1504458B1 (de) 2002-05-15 2003-04-29 Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit
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