專利名稱：具有一超導磁鐵和一制冷單元的超導裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導裝置，其具有-一個包含至少一個具有超導能力的無冷卻介質的繞組的磁鐵，-一個具有至少一個冷卻頭的制冷單元，以及-一些用于傳熱地將所述至少一繞組連接到所述至少一個冷卻頭上的裝置。
一些相應的超導裝置例如可從“Proc.16thInt.Cryog.Engng.Conf.[ICEC16]”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Verlag Elsevier Science，1997，第1109頁至1132頁中獲知。
除了長期以來已公知的金屬超導材料、例如具有低的躍變溫度TC以及因此被稱為低躍變溫度超導材料或低溫超導材料的NbTi或Nb3Sn外，從1987年以來已知一些具有高于77K躍變溫度的金屬氧化物超導材料。這些材料也被稱為高躍變溫度的超導材料或高溫超導材料。
人們還嘗試利用這樣的高溫超導材料制造超導的磁性繞組。因為迄今已知的導線在磁場中，尤其是在磁通區域內基于感應只具有比較小的載流能力。所以通常這樣繞組的導線盡管本身所采用的材料具有高的躍變溫度，但是還應保持在一低于77K的溫度水平上、例如界于10K與50K之間，以便可以在例如幾特斯拉的更高場強時承載較大的電流。
為了冷卻具有高溫超導導線的繞組，在上述溫度范圍內優選采用一些帶有封閉的氦壓力氣體循環回路的所謂低溫制冷器形式的冷卻單元。這樣的低溫制冷器尤其是Gifford-McMahon或Stirling型制冷器或所謂的脈管制冷器。此外，這些相應的制冷單元具有的優點是，提供制冷功率以及對使用者來說省去了運用深冷卻液體。在采用這樣一些冷卻單元時，例如一超導磁性線圈繞組只通過向一制冷機的冷卻頭傳熱而間接地被冷卻，亦即可以無冷卻介質(也可參見ICEC 16中的相關段落)。
尤其對于磁共振成像設備的超導磁性系統的冷卻在目前對于磁鐵采用氦冷卻的情況下，通常設計為冷卻池式冷卻(Badkühlung)(參見US 6246，308B1)。為此需要相對大量的、例如幾百升的液態氦作為儲備。該儲備在所述磁鐵的冷卻過程中、亦即在從其繞組的首先超導部分向普通傳導狀態過渡時導致在一必需的低溫恒溫器中產生所不希望的壓力。
對于低溫超導磁鐵已經采用在一相應制冷單元的冷卻頭與所述磁鐵的超導繞組之間例如或許還是柔性設計的銅管形式的良好傳熱連接來實現制冷機冷卻(參見ICEC 16中的相關段落，尤其是第1113頁至1116頁)。視所述冷卻頭與所述待冷卻對象之間的間距情況，所述用于良好傳熱連接所需要的大橫截面卻可能導致顯著增大冷卻介質量。這一情況尤其對于應用于磁共振成像的通常空間擴展的磁性系統來說由于冷卻時間延長而十分不利。
作為這樣一種通過傳熱固體將所述至少一個繞組傳熱連接在所述至少一個冷卻頭上的替代方式，也可以采用一種氦氣流在其中循環的管路系統(參見例如US 5,485,730)。
本發明所要解決的技術問題是，提供一種具有前言所述特征的超導裝置，在該超導裝置中降低了用于冷卻超導繞組的成本。
按照本發明，上述技術問題通過在權利要求1中所給出的措施得以解決。據此，所述至少一個繞組連接與所述至少一個冷卻頭之間的傳熱連接裝置應該設計為一個具有至少一根供在其中按照溫差環流效應循環的冷卻介質用的管道的管道系統。在此一個冷卻頭應理解為一個制冷單元的各個任意的冷卻面，通過這些冷卻面直接或間接地向冷卻介質提供冷卻功率。
一個這種管道系統具有至少一根在所述冷卻頭與超導繞組之間延伸的具有一坡度的封閉管道。其中，所述坡度至少在所述管道的一些部段內大體上相對于水平面為大于0.5°，優選大于1°。處于該管道內的冷卻介質在所述制冷單元或冷卻頭的冷卻面上重新冷凝并且從那里到達所述超導繞組的區域內，在該區域內介質變熱并同時基本上被汽化。如此被汽化的冷卻介質又在所述管道內流回到冷卻頭的冷卻面的區域內。因此冷卻介質的相應循環是基于一種所謂的“溫差環流效應”來實現的。
通過采用這樣一種用于將冷卻功率傳遞到繞組上的溫差環流(如所描述的一相應的管道系統那樣)，與池冷卻方式相比，所需要的低溫冷卻介質的環流量顯著減小，例如減小大約100倍。由于冷卻液體另外只在直徑相對小的、一般處于幾厘米數量級的管道內循環，因此在冷卻時可在技術上順利地控制壓力的產生。系統中液態冷卻介質量的減小，尤其在采用氦或氖作為冷卻介質時，除了安全性方面，還具有節約成本的顯著優點。此外，與利用傳熱連接體實行冷卻相比，一溫差環流還另外具有如下優點，即，能與所述冷卻頭與待冷卻對象之間的空間距離無關地實現良好的傳熱連接。
按照本發明的超導裝置的一些有利的擴展設計可以由從屬權利要求中獲知。
所述管道系統可以具有兩個或多個分別充有冷凝溫度不同的不同冷卻介質的管道。由此可以根據應用要求，實現相應分級的工作溫度，以用于例如一種預冷卻或一種似乎連續傳熱的連接，或者通過各冷卻介質的相互重疊的溫度區域來實現一種似乎連續傳熱的連接。其中，所述分系統可以或者連接在一共同的冷卻頭上，或者連接在一制冷單元的一些相互分隔開的冷卻頭上。
所述超導裝置的超導磁鐵可以特別有利地包括一具有高溫超導材料并保持在一低于77K溫度上的繞組。當然，按照本發明的超導裝置也可以相對于低溫超導磁鐵來設計。
按照本發明的超導裝置的其他有利的擴展設計可以從前面未述及的從屬權利要求中獲知。
下面借助于附圖詳細闡述按照本發明的超導裝置的一些有利的實施方式。各附圖分別以縱剖視圖簡略表示。


圖1表示一種對于具有兩個繞組的一磁共振成像設備磁鐵的冷卻方式，圖2表示一種對于具有四個繞組的磁共振成像設備磁鐵的冷卻方式。
對于圖1中以附圖標記2泛泛標示出的超導裝置下面僅就其對于本發明而言重要的細節予以闡述，它尤其是一磁共振成像設備的一組成部分。在此以本身已公知的具有一C形磁鐵的實施方式為基礎(參見例如DE 19813 211 C2或EP 0 616 230 A1)。因此該設備包括一未詳細闡述的優選超導的磁鐵3，該磁鐵具有一位于上方的處于一水平平面內的超導繞組4a和一與之平行設置的位于下方的超導繞組4b。這些繞組尤其可以用一些由例如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox那樣的高溫超導材料制成的導線構成，這樣的材料由于具有高的載流能力能夠保持在一低于77K的運行溫度上。這些繞組具有一環形形狀。它們分別安置在一相應的未示出的真空殼體中。
用于冷卻所述繞組4a和4b的冷卻功率由一未詳細示出的具有至少一個位于其冷端的冷卻頭6的制冷單元提供。該冷卻頭具有一保持在一預定溫度水平上的冷卻面7或者與該冷卻面傳熱地相連。在該冷卻面處傳熱地連接一冷凝室8的內腔。所述冷卻面7例如構成該內腔的腔壁。按照所示實施方式該冷凝室8的內腔分成兩個分腔室9a和9b。在所述第一分腔室9a上連接一管道系統10的一管道10a。該管道從該分腔室9a導入到所述超導繞組4a的區域中，在那里它與該繞組良好傳熱地接觸。該管道10a例如以螺旋形盤繞的形式在內側上沿繞組導引。在所述內側上安置并非必須；唯一重要的是，所述管道以恒定的坡度環繞所述繞組的整個圓周以及在那兒良好傳熱地連接在繞組的待冷卻的構件或導線上。所述管道10a至少以其主要部段與水平面h構成一大于0.5°的坡度(或斜度)角α，優選大于1°。因此例如該坡度角α在所述繞組4a的區域內大約為3°。該管道10a然后導入到所述下方繞組4b的區域內，在那里它以相應的方式布置。該管道10a在其端部11處封閉。該管道10a的用于容納冷卻介質k1的橫截面q可以有利地保持較小、尤其是小于10cm2。在所示實施方式中，q大約為2cm2。
在以所述坡度鋪設的管道10a中存在一種第一冷卻介質k1，例如氖(Ne)。其中該冷卻介質k1基于一種本身公知的溫差環流效應在該管道10a、包括與之相連的分腔室9a中循環。在此，在分腔室9a中的冷卻介質在所述冷卻面7上冷凝并且以液態的形式流到所述超導繞組的區域內。在那里所述冷卻介質受熱而例如至少部分汽化，并且經管道10a又流回到所述分腔室9a中，在那兒被重新冷凝。
按照所示實施方式，所述管道系統10包括一與所述第一管道平行地導引的并且充有另一種冷卻介質k2的第二管道10b。該冷卻介質與所述第一種冷卻介質不同，也就是說，它具有一不同的、優選更高的冷凝溫度。例如選擇氮(N2)作為第二種冷卻介質k2。其中，所述管道10b連接在所述冷凝室8的(第二)分腔室9b上。第二種冷卻介質k2同樣基于一種溫差環流效應在所述封閉的管道10b和分腔室9b中循環。在冷卻所述磁性繞組時，首先第二種冷卻介質k2冷凝，此時繞組在采用氮作為冷卻介質k2的情況下可以預冷卻到大約70K至80K。通過所述冷卻面7的進一步冷卻，所述具有相對更低冷凝溫度的處于管道10a中的第一種冷卻介質k1冷凝并因此導致進一步冷卻到所規定的例如20K的運行溫度(在采用氖作為第一種冷卻介質k1的情況下)。所述第二種冷卻介質k2在該運行溫度時在所述分腔室9b的區域內冷凍凝固。
按照本發明的超導裝置2當然也可以與圖1所示的實施方式不同地只具有一個只有唯一一根管道的管道系統。如果設置大量的管道，那么多根管道也可以與一制冷單元的一些獨立的冷卻頭或與處于不同溫度水平上的冷卻級傳熱連接。對于兩級的冷卻單元及冷卻頭，當其特別計劃用于冷卻傳熱護板時，為了通過另一充有例如N2和Ar的溫差環流管道達到更快速的預冷卻，可以將所述磁性繞組既傳熱地連接在所述第二冷卻級上外，又傳熱地與所述第一(較熱的)冷卻級連接。
當然，上述溫差環流冷卻也可用于冷卻具有垂直設置的繞組的磁鐵。在圖2中示出了一個按照本發明的帶有相應繞組的超導裝置的一實施例。以附圖標記12標示出的超導裝置包含一螺線管形的超導磁鐵13，該磁鐵具有例如四個沿軸向前后設置的超導繞組14j(j＝1....4)。所述各繞組在此例如分別在兩端面處通過至少一些基本上垂直延伸的、例如充有冷卻介質k1的管道15i(i＝1....8)冷卻。這樣的話，在該實施方式中就可以放棄如按照圖1所示實施方式中的螺旋形狀，以及所述坡度角α在以附圖標記20共同標示出的管道系統的大部分區段中為大約90°。一冷凝室18和一冷卻頭通常設置在所述繞組的上方，以便確保所述必要的落差。每個繞組至少需要一根管道15i，因為與水平設置的繞組不同一根管道不能在保持所述坡度的情況下通達所有繞組。
為了確保每根管道15i都獲得足夠的再冷凝的冷卻介質k1，所述整個由管道15i構成的管道系統20要么必須設計為一個由相互連通的管道組成的系統并且在繞組區域內完全灌注所述液態的冷卻介質，這一情況在圖2中通過對冷卻介質k1更暗著色而對被汽化的冷卻介質更亮地著色并以k1表示來示出；要么每根管道15i在冷卻頭處必須具有一單獨的冷凝(分)腔室。
當然，在圖2所示的按照本發明的一超導裝置的實施方式中也可以設置一個具有一些平行延伸的填充不同冷卻介質(k1或k2)的管道的管道系統。
與所述實施方式不同，一按照本發明的超導裝置也可以具有一個帶有至少一根其中混合地存有由不同冷凝溫度的兩種冷卻介質組成的混合物的管道的管道系統。因此在逐漸冷卻時首先具有最高冷凝溫度的氣體冷凝并且在一待冷卻的繞組處構成一用于傳熱的封閉回路。在將該繞組預冷卻到該氣體的三相溫度時，該氣體才在所述冷凝室的區域內凝固，接下來，所述具有更低冷凝溫度的別的混合氣體成分確保將待冷卻的繞組進一步冷卻到運行溫度。
在實踐中根據所述期望的工作溫度考慮采用He、H2、Ne、O2、N2、Ar及不同的碳氫化合物作為冷卻介質。這樣選擇當時所采用的冷卻氣體，即，使得在規定的運行溫度時所述冷卻介質同時呈現氣態和液態。以這種方式確保在充分利用溫差環流效應的情況下進行循環。為了在限定系統壓力的同時相宜地調整冷卻介質填充量，可在所述管道系統上設置一些熱的和/或冷的補償容器。
當然，所述冷卻介質的選擇也取決于所采用的超導材料。如果采用如Nb3Sn這樣的低溫超導材料的話，就只能采用He作為冷卻介質。
權利要求
1.一種超導裝置，其具有-一包括至少一個具有超導能力的無冷卻介質的繞組的磁鐵，-一具有至少一個冷卻頭的制冷單元，以及-一些用于將所述至少一個繞組傳熱地連接到所述至少一個冷卻頭上的裝置，其特征在于，所述傳熱的連接裝置設計為一管道系統(10)，其具有至少一根供在其中按照溫差環流效應循環的冷卻介質(k1，k1`；k2)用的管道(10a，10b；15i)。
2.如權利要求1所述的超導裝置，其特征在于，所述管道系統(10)具有兩根分別充有冷凝溫度不同的不同冷卻介質(k1及12)的管道(10a，10b)。
3.如權利要求2所述的超導裝置，其特征在于，所述兩根管道(10a，10b)傳熱地連接在一共同的冷卻頭(6)上。
4.如權利要求2所述的超導裝置，其特征在于，所述兩根管道分別傳熱地連接在相互分隔開的冷卻頭上。
5.如上述任一項權利要求所述的超導裝置，其特征在于，所述至少一根管道(10a，10b)的至少一些部段具有一相對于水平面(h)大于0.5°的坡度，優選大于1°。
6.如上述任一項權利要求所述的超導裝置，其特征在于，導引所述冷卻介質(k1，k1`；k2)的所述至少一根管道(10a，10b)的橫截面(q)小于10cm2。
7.如上述任一項權利要求所述的超導裝置，其特征在于，所述超導繞組(4a，4b；14j)含有高溫超導材料。
8.如權利要求7所述的超導裝置，其特征在于，所述超導材料保持在一低于77K的溫度上。
9.如上述任一項權利要求所述的超導裝置，其特征在于，作為所述冷卻介質(k1及k2)設有一種由多種具有不同冷凝溫度的冷卻介質組成的混合物。
10.如上述任一項權利要求所述的超導裝置，其特征在于，所述超導磁鐵(3，13)是一磁共振成像設備的組成部件。
全文摘要
本發明涉及一種超導裝置(2)，其包括一個帶有至少一個無冷卻介質的超導繞組(4a，4b)的超導磁鐵(3)和一個具有至少一個冷卻頭(6)的制冷單元。一具有至少一根供其中按照溫差環流效應循環的冷卻介質(k1，k2)用的管道(10a，10b)的管道系統(10)用于傳熱地將該繞組(4a，4b)連接到所述冷卻頭(6)上。
文檔編號H01F6/06GK1653564SQ03810649
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年5月15日
發明者彼得·范哈塞爾特 申請人:西門子公司