專利名稱：具有低溫系統(tǒng)和超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一低溫系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)裝置，該低溫系統(tǒng)中的可被一制冷裝置冷卻的低溫冷卻介質(zhì)與至少一個(gè)超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體以及與該超導(dǎo)體電連接的一個(gè)超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段(supraleitende Schaltstrecke)熱耦合，其中，該超導(dǎo)連接線段配置有加熱器件，后者用于受控制地將該連接線段的超導(dǎo)材料過渡轉(zhuǎn)變到普通導(dǎo)電狀態(tài)。
背景技術(shù)：
一種相應(yīng)的帶有這樣一種低溫系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)裝置可從歐洲專利申請(qǐng)EP0074030A2中了解到。
在超導(dǎo)開關(guān)中可利用有控制地從超導(dǎo)狀態(tài)過渡到普通導(dǎo)電狀態(tài)的物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)尤其在下述情況下的一種開關(guān)功能，即，當(dāng)不要求直接用本來(lái)的開關(guān)過程來(lái)實(shí)現(xiàn)電流隔離時(shí)。與之相應(yīng)的開關(guān)尤其可在用于醫(yī)療診斷的核自旋層析掃描(即所謂的磁共振成像MRI)領(lǐng)域中用作用于超導(dǎo)磁鐵的所謂的持續(xù)電流開關(guān)或短路開關(guān)。為了能夠給這樣的儀器/磁鐵的一些超導(dǎo)磁線圈提供電流，必須將所述短路開關(guān)的用于橋接這些超導(dǎo)磁線圈的超導(dǎo)連接線段斷開。在這樣的情況下，可通過提高在該連接線段處的溫度使之超過臨界躍變溫度以及通過提高此處的電流密度和/或磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)取消該處的超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)開關(guān)的一些相應(yīng)的可受熱控制的連接線段早已為人們所公知。為此可參見前面提到的EP0074030A2或美國(guó)專利申請(qǐng)US 3255335A或US 4602231A。
通常超導(dǎo)開關(guān)位于具有低溫冷卻介質(zhì)的一個(gè)低溫系統(tǒng)內(nèi)。該低溫冷卻介質(zhì)也被用于冷卻一個(gè)象例如一個(gè)電磁線圈那樣的超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體或超導(dǎo)導(dǎo)線(為此可參見EP0074030A2)。這導(dǎo)致，在該開關(guān)的溫暖的普通導(dǎo)電狀態(tài)下，該開關(guān)會(huì)將大量的熱量帶入到所述低溫系統(tǒng)的低溫冷卻介質(zhì)中。這樣的熱量在一個(gè)MRI磁鐵的液氦池中可達(dá)到好幾個(gè)瓦特。這樣的熱量輸入通常是不能被接受的。因此例如對(duì)于已知的在其中要借助于一冷卻裝置的冷卻頭來(lái)重復(fù)冷凝蒸發(fā)的氦的MRI磁鐵組而言，在加熱所述超導(dǎo)連接線段期間耗散到液氦池中的功率必須限制到大約幾個(gè)0.1W。但是這與在開關(guān)內(nèi)的已知功率損失相矛盾。該問題尤其對(duì)于重復(fù)冷凝的封閉式低溫冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更是如此。在這樣的重復(fù)冷凝的封閉式低溫冷卻系統(tǒng)中由一個(gè)例如所謂的低溫冷卻機(jī)形式的制冷裝置的一個(gè)冷卻頭來(lái)提供產(chǎn)冷量。這樣的低溫冷卻機(jī)尤其可設(shè)計(jì)成Gifford McMahon或斯特林類型或設(shè)計(jì)成所謂的脈沖管冷卻機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是對(duì)本文前言所述類型的一種超導(dǎo)技術(shù)裝置作進(jìn)一步改進(jìn)，以確保該超導(dǎo)開關(guān)的受熱激活的連接線段有可靠的開關(guān)功能。
上述技術(shù)問題通過一種具有一低溫系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)裝置來(lái)解決，該低溫系統(tǒng)中的可被一制冷裝置冷卻的低溫冷卻介質(zhì)與至少一個(gè)超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體以及與該超導(dǎo)體電連接的一個(gè)超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段熱耦合，其中，該超導(dǎo)連接線段配置有加熱器件，后者用于受控制地將該連接線段的超導(dǎo)材料過渡轉(zhuǎn)變到普通導(dǎo)電狀態(tài)，按照本發(fā)明，在所述用作第一種冷卻介質(zhì)的低溫冷卻介質(zhì)的一個(gè)冷卻劑腔室上連接有第一根管道，所述超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段熱耦合在該第一根管道的一端，該第一根管道具有這樣一個(gè)橫斷面縮窄處，使得在激活所述加熱器件時(shí)所產(chǎn)生的能量耗散大于所述制冷裝置借助于在所述冷卻劑腔室中的第一種冷卻介質(zhì)所提供的產(chǎn)冷量。此外，設(shè)有另一根封閉的管道，通過該另一根管道使所述超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段熱耦合到一更高溫度水平上，該溫度水平高于在所述冷卻劑腔室中的第一種冷卻介質(zhì)的溫度水平。
因此，在按照本發(fā)明的超導(dǎo)裝置的低溫系統(tǒng)中，所述超導(dǎo)開關(guān)通過位于所述第一根管道中的第一種冷卻介質(zhì)與冷卻超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體的那部分冷卻介質(zhì)熱耦合。在這樣的情況下，一方面可以在開關(guān)內(nèi)的功率耗散較小的情況下實(shí)現(xiàn)具有非常好的熱耦合特性的冷卻(相當(dāng)于冷卻池冷卻)；另一方面通過選擇所述管道在其縮窄處的橫斷面大小可有效限制可傳輸?shù)剿鲩_關(guān)上的產(chǎn)冷量，其中，減少了所述被激活的現(xiàn)在開始具有阻抗的連接線段所產(chǎn)生的熱量流流動(dòng)到與所述第一根管道相連的冷卻劑腔室中。由此實(shí)現(xiàn)所述開關(guān)以比較低的耗散損失U2/R(其中，U表示在所述變得有阻抗的連接線段上所產(chǎn)生的電壓降，R則表示該連接線段當(dāng)前的電阻值)保持在普通導(dǎo)電狀態(tài)下，而不會(huì)有過大量的熱量進(jìn)入到所述冷卻劑管道系統(tǒng)中的通過一冷卻裝置冷卻下來(lái)的冷卻介質(zhì)中。這樣的能量耗散可明顯低于已公知的受熱連通的開關(guān)的熱量(瓦特)級(jí)。所述存在于所述開關(guān)中的多余的損耗功率隨后會(huì)導(dǎo)致處于被激活狀態(tài)/具有阻抗的連接線段持續(xù)被加熱。
另外，所述超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段通過所述另一根管道熱耦合到一個(gè)與所述冷卻劑腔室相比更高的溫度水平上。在此，該更高的溫度水平可以由所述用于冷卻第一種冷卻介質(zhì)的冷卻裝置來(lái)提供或者由另一個(gè)冷卻裝置來(lái)提供。只要所述開關(guān)的溫度達(dá)到所述另一根管道的上端的溫度，那么所述第二種冷卻介質(zhì)就從該更高的溫度水平開始被冷卻。由此有利地限制開關(guān)溫度的上升。從此時(shí)起傳遞到該更高溫度水平上的熱量必須在隨后的再冷卻過程中不再傳遞到所述第一種冷卻介質(zhì)的冷卻劑腔室中。也就是說(shuō)，該更高溫度水平必須能夠冷卻所述冷卻開關(guān)的損耗功率在扣除傳遞到第一種冷卻介質(zhì)的冷卻劑腔室中的功率后的剩余損耗功率值，因此有利地只需要幾瓦的產(chǎn)冷量。
這種設(shè)計(jì)所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)在于，一個(gè)超導(dǎo)裝置的通過第一種冷卻介質(zhì)冷卻的超導(dǎo)開關(guān)的溫度可以借助于所述第二種冷卻介質(zhì)保持如此穩(wěn)定，即，該溫度雖然高于所述超導(dǎo)連接線段材料的臨界溫度，但是不會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它地升高。若溫度升高到一明顯更高的溫度水平上后就可能需要相應(yīng)更長(zhǎng)的再冷卻時(shí)間，因?yàn)樵谒隽硪桓艿纼?nèi)的第二種冷卻介質(zhì)的三相點(diǎn)或三態(tài)點(diǎn)之下的再冷卻僅僅通過有限地將熱量傳輸?shù)剿龅谝环N冷卻介質(zhì)的冷卻劑腔室中來(lái)進(jìn)行。因此，采用所述按照本發(fā)明的兩項(xiàng)措施，就可以確保一種可靠的開關(guān)狀態(tài)并在這樣的情況下將所述低溫系統(tǒng)或其制冷裝置的產(chǎn)冷量限制到所需要的值。
在所述另一根管道中有利地基于熱虹吸效應(yīng)調(diào)節(jié)所述第二種冷卻介質(zhì)的循環(huán)。為此可參照例如WO 03/098645 A1。在此，在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)下、亦即在開關(guān)閉合或所述連接線段超導(dǎo)狀態(tài)下熱虹吸管不工作，因?yàn)槠湎露颂幱谒鲩_關(guān)溫度以及其上端處于所述更高的溫度水平。所述填充的第二種冷卻介質(zhì)在最冷位置處、亦即在開關(guān)的區(qū)域內(nèi)基本上凍結(jié)成塊。通過斷開開關(guān)、亦即激活所述連接線段以及使其過渡轉(zhuǎn)變到普通導(dǎo)電狀態(tài)以及在斜面特性(Rampen)階段該開關(guān)才開始變暖，這是因?yàn)樵陂_關(guān)中損耗散發(fā)的熱量超過了可通過所述第一根管道傳遞的功率。在達(dá)到所述另一根管道中的第二種冷卻介質(zhì)的三相點(diǎn)后，該第二種冷卻介質(zhì)才融化。一旦所述開關(guān)的溫度達(dá)到所述另一根管道的上端溫度，在該另一根管道中基于熱虹吸效應(yīng)或溫差環(huán)流效應(yīng)就引起所述第二種冷卻介質(zhì)的循環(huán)，使得該第二種冷卻介質(zhì)從所述更高的溫度水平開始冷卻。因此能夠以簡(jiǎn)單的方式確保所追求的限制在超導(dǎo)連接線段上的溫度升高。
另外，一般在所述橫斷面縮窄處的橫斷面積在0.5mm2至100mm2之間、優(yōu)選在7mm2至30mm2之間時(shí)就可實(shí)現(xiàn)按照所期望的那樣限制熱量流到所述冷卻劑腔室中的第一種冷卻介質(zhì)內(nèi)。從而一方面保證對(duì)于所述連接線段充分良好的冷卻，另一方面不會(huì)導(dǎo)致有太多的熱量傳遞到所述冷卻劑管道系統(tǒng)中。所述橫斷面縮窄處優(yōu)選位于所述第一根管道的一段面朝所述超導(dǎo)開關(guān)的管道段內(nèi)，以阻止熱量傳輸?shù)礁嗟牡谝环N冷卻介質(zhì)中。
所述冷卻劑腔室可以有利地是一個(gè)冷卻劑管道系統(tǒng)的一部分，該冷卻劑管道系統(tǒng)帶有經(jīng)過或穿過所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置的冷卻路徑。由此可將所述第一種冷卻介質(zhì)限制到所必需的量。
在這樣的情況下，有利地是使所述第一種冷卻介質(zhì)按照所謂的熱虹吸效應(yīng)或溫差環(huán)流效應(yīng)在所述冷卻劑管道系統(tǒng)和/或所述第一根管道中循環(huán)。
優(yōu)選借助至少一個(gè)制冷裝置的至少一個(gè)冷卻頭可將所述產(chǎn)冷量輸入到在所述冷卻劑管道系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的第一種冷卻介質(zhì)中。由于按照本發(fā)明采用帶有縮窄處的管道限制了輸入到低溫冷卻介質(zhì)中的熱量，因此可應(yīng)用已公知的具有有限產(chǎn)冷量的制冷裝置。
在此，所述另一根管道可以熱耦合到所述冷卻頭的一個(gè)冷卻級(jí)上，該冷卻級(jí)處于一個(gè)比為了冷卻所述第一種冷卻介質(zhì)而設(shè)置的冷卻級(jí)更高的溫度水平上。當(dāng)然為了冷卻在第二根管道中的第二種冷卻介質(zhì)也可以采用所述冷卻裝置的另一個(gè)冷卻頭或者采用一個(gè)獨(dú)立于所述冷卻裝置之外的另一個(gè)冷卻裝置的冷卻頭。
倘若所采用的超導(dǎo)材料是需要用氦來(lái)冷卻的低(躍變)溫(度)超導(dǎo)材料(LTC超導(dǎo)材料)，則作為用于所述第二種冷卻介質(zhì)的低溫介質(zhì)優(yōu)選采用氫或氖。在此采用氫被視為特別有利的，因?yàn)闅涞娜帱c(diǎn)大約為13.8K，只略高于已知的LTC超導(dǎo)材料的躍變溫度。總體來(lái)說(shuō)，作為所述第二種冷卻介質(zhì)，應(yīng)該采用一種其三相點(diǎn)高于所述連接線段的超導(dǎo)材料的躍變溫度的冷卻介質(zhì)。
所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置和所述超導(dǎo)開關(guān)可設(shè)置在一個(gè)共同的真空腔室中。這樣，在所述連接線段和所述超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體之間的超導(dǎo)連接導(dǎo)線可有利地?zé)o需特別昂貴的冷卻措施地延伸通過該真空腔室。
所述第一種冷卻介質(zhì)一般情況下是氦。尤其當(dāng)所述超導(dǎo)技術(shù)裝置的超導(dǎo)部件具有所謂的低溫超導(dǎo)材料(LTC超導(dǎo)材料)時(shí)，需要以氦作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)采用氧化的高溫超導(dǎo)材料(HTC超導(dǎo)材料)時(shí)以及將其應(yīng)用在更高溫度下時(shí)，當(dāng)然也可采用其他的低溫冷卻介質(zhì)。
所述超導(dǎo)開關(guān)可按業(yè)已公知的方式設(shè)計(jì)成持續(xù)電流開關(guān)或短路開關(guān)。相應(yīng)的開關(guān)尤其適用于不需要從外界持續(xù)輸入電流而使超導(dǎo)性電磁線圈持續(xù)工作的情況。
相應(yīng)的電磁線圈可優(yōu)選是一種磁共振成像用磁鐵。
所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體可具有金屬的低溫超導(dǎo)材料或氧化的高溫超導(dǎo)材料。


下面借助于附圖簡(jiǎn)略示出的一優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明予以詳細(xì)說(shuō)明。附圖中圖1極簡(jiǎn)略地表示一個(gè)具有按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的低溫系統(tǒng)的超導(dǎo)技術(shù)裝置的縱向斷面；圖2為圖1所示裝置的超導(dǎo)開關(guān)的詳細(xì)示圖；圖3和4以曲線圖表示所述在開關(guān)內(nèi)耗散的功率與開關(guān)溫度的關(guān)系。
在所有附圖中相互對(duì)應(yīng)的部件以相同的附圖標(biāo)記表示出。
具體實(shí)施例方式
按照本發(fā)明設(shè)計(jì)的低溫系統(tǒng)本身可用于任意一種超導(dǎo)技術(shù)裝置，這些超導(dǎo)技術(shù)裝置為其至少一個(gè)超導(dǎo)裝置要求至少一個(gè)超導(dǎo)開關(guān)。所述超導(dǎo)裝置或超導(dǎo)儀器例如可以是一個(gè)電磁鐵、一臺(tái)電機(jī)或一個(gè)變壓器，也可以是一種超導(dǎo)電纜，優(yōu)選是一個(gè)磁共振成像用電磁鐵或一個(gè)相應(yīng)的電磁鐵組，該電磁鐵組借助至少一個(gè)用于運(yùn)行狀態(tài)的超導(dǎo)性持續(xù)電流開關(guān)可被短接。下面就從這樣一種實(shí)施方式出發(fā)開始具體描述。
圖1中總體上用2表示的超導(dǎo)技術(shù)裝置具有一個(gè)帶有一個(gè)低溫恒溫器4的低溫系統(tǒng)3。在該低溫恒溫器4的內(nèi)腔中為了實(shí)現(xiàn)熱隔絕，有一個(gè)輻射屏蔽板5，后者形成一個(gè)真空腔室6。在該真空腔室中安設(shè)有用于一個(gè)MRI的磁鐵系統(tǒng)的四個(gè)超導(dǎo)性電磁鐵7a至7d作為超導(dǎo)裝置。為了用一種被視為第一種冷卻介質(zhì)K1的低溫冷卻介質(zhì)、例如氦冷卻這些磁鐵的超導(dǎo)體，設(shè)有一個(gè)冷卻劑管道系統(tǒng)8。它的冷卻路徑延伸經(jīng)過或穿過這些磁鐵。所述冷卻管道系統(tǒng)8包括一個(gè)冷卻劑腔室9，所述第一種冷卻介質(zhì)K1在穿流過所述磁鐵7a至7d后聚集在該冷卻劑腔室下側(cè)。該第一種冷卻介質(zhì)K1優(yōu)選按照熱虹吸效應(yīng)在所述冷卻劑管道系統(tǒng)8中流動(dòng)，也就是說(shuō)，在此放棄了公知的冷卻池冷卻方式。為此，所述第一種冷卻介質(zhì)K1在所述冷卻劑管道系統(tǒng)8中的上側(cè)與一個(gè)制冷裝置10的冷卻頭11的最低(最冷)冷卻級(jí)熱耦合。在那里，氣態(tài)的氦氣GHe(反復(fù))冷凝成液態(tài)的氦LHe。必要時(shí)也可按照業(yè)已公知的方式將所述管道系統(tǒng)8設(shè)計(jì)成一個(gè)單管系統(tǒng)(為此可參見前面已提到的WO 03/098645 A1)。在這樣的管道系統(tǒng)中，既有更冷的冷卻介質(zhì)流向所述冷卻劑腔室9，也有被加熱后的冷卻介質(zhì)在同一根管道中流回所述處于更高地理位置的冷卻頭11。
所述電串聯(lián)的各電磁鐵7a至7d的端部通過電連接線13a和13b與一個(gè)位于所述低溫恒溫器之外的電源連接。在所述真空腔室6內(nèi)，在該電源的電連接線之間連接有一個(gè)本身已知的熱持續(xù)電流開關(guān)或短路開關(guān)15。利用該開關(guān)可使所述前后串聯(lián)的各電磁鐵7a至7d相互短接。為此，所述開關(guān)15具有一個(gè)超導(dǎo)性連接線段16，后者在需要時(shí)可借助于一個(gè)可受外面控制的電加熱器件17從超導(dǎo)狀態(tài)過渡轉(zhuǎn)變成普通導(dǎo)電狀態(tài)，例如在其上的電壓降U為大約10V時(shí)具有一個(gè)在20至30歐姆之間的電阻R。
為了冷卻該連接線段16，所述開關(guān)15不直接集成組合到帶有所述第一種冷卻介質(zhì)K1的冷卻劑管道系統(tǒng)8中，而是通過第一根單獨(dú)的管道20連接到所述管道系統(tǒng)8下側(cè)的冷卻劑腔室9上。所述第一種冷卻介質(zhì)K1通過這第一根管道20可一直流到所述開關(guān)15。為了使該開關(guān)15與該管道20的下側(cè)閉合端部熱耦合，采用一個(gè)由一種良好導(dǎo)熱性的材料例如銅制成的一塊板21。這塊板21與所述開關(guān)15的內(nèi)部電絕緣，但卻足夠良好地導(dǎo)熱連接，并因此也與所述連接線段16良好傳熱地連接。為此例如可采用一種帶有例如商標(biāo)名稱為“Stycast”(美國(guó)的Emerson and Cuming公司制)的一種適當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹脂粘膠的粘接劑22，所述粘膠必須能充分適用于低溫狀態(tài)下。
此外，從圖2中可以看到，所述第一根管道20在其朝向所述銅板21的一端和所述冷卻劑腔室9之間具有一預(yù)定的橫斷面縮窄處23。該橫斷面縮窄處優(yōu)選設(shè)置在朝向所述銅板21的那一半管道的下部。所述橫斷面縮窄處23的橫斷面面積F在此應(yīng)當(dāng)這樣選擇，即，使得在激活所述加熱器件17時(shí)所引起的、通過圖中一條箭頭線表示的流入所述冷卻劑腔室9中的第一種冷卻介質(zhì)K1內(nèi)的熱量流W被限制到最低程度。這意味著，在激活加熱器件時(shí)所引起的損耗功率U2/R應(yīng)當(dāng)大于由位于所述冷卻劑腔室中的第一種冷卻介質(zhì)所提供的產(chǎn)冷量或制冷量。
對(duì)于已公知的磁共振成像用(MRI)磁鐵組和熱短路開關(guān)來(lái)說(shuō)，所述橫斷面縮窄處23的直徑在大約0.8mm至11.2mm之間，這樣其橫斷面面積F就大約在0.5mm2至100mm2之間。所述橫斷面面積F優(yōu)選在7mm2至30mm2之間，相應(yīng)地其橫斷面直徑也優(yōu)選在2mm和10mm之間。由此可以在激活加熱器件17的情況下和/或通過沿所述連接線段產(chǎn)生的熱功率(U2/R普通導(dǎo)電)使所述開關(guān)15僅僅以一個(gè)在0.1W至好幾個(gè)0.1W間的耗散功率保持在普通導(dǎo)電狀態(tài)下。借助所述橫斷面縮窄可限制(所謂的“夾帶限制(Entrainment-Limit)”)所述冷卻劑管道系統(tǒng)8以及進(jìn)而所述制冷裝置10所需提供的產(chǎn)冷量。按照這樣的觀點(diǎn)所需具體選擇的橫斷面面積F的數(shù)值可通過簡(jiǎn)單的試驗(yàn)來(lái)確定。
為了限制在所述超導(dǎo)開關(guān)15中的溫度上升幅度以便斷開該超導(dǎo)開關(guān)15或?yàn)榱吮３衷谒鲞B接線段16內(nèi)的普通導(dǎo)電狀態(tài)下的電阻以及為了限制與此相關(guān)的為閉合所述開關(guān)所需的太長(zhǎng)的再冷卻時(shí)間，而設(shè)有另一根管道25。通過該管道25使該在銅板21區(qū)域內(nèi)的開關(guān)與所述冷卻裝置10的一更高的溫度水平熱耦合連接，該更高溫度水平高于在所述冷卻劑腔室9中的第一種冷卻介質(zhì)K1的溫度水平。為此，該另一根管道25例如與所述冷卻裝置10的冷卻頭11的第二冷卻級(jí)12傳熱地連接，該冷卻級(jí)例如也可以用于冷卻所述輻射屏蔽板5以及因此處于一個(gè)相對(duì)于冷卻頭11的下端處溫度水平而言更高的溫度水平上。該冷卻級(jí)12例如處于一個(gè)15至30K之間的溫度水平上。但是必要時(shí)在大約15至30K的情況下取而代之地也可以采用一個(gè)幾瓦低產(chǎn)冷量的附加冷卻頭。在所述另一根管道25中應(yīng)該存在第二種冷卻介質(zhì)K2，該第二種冷卻介質(zhì)K2優(yōu)選在所述超導(dǎo)連接線段16的工作溫度下、亦即在其超導(dǎo)狀態(tài)下至少在最冷處、也就是說(shuō)在所述開關(guān)15的區(qū)域內(nèi)冷凍成塊。因此在所選擇的實(shí)施方式范圍內(nèi)有利地采用氫或者必要時(shí)采用氖作為第二種冷卻介質(zhì)K2。隨著斷開所述開關(guān)或者激活所述加熱元件17以便使所述超導(dǎo)連接線段16從超導(dǎo)狀態(tài)過渡轉(zhuǎn)變到普通導(dǎo)電狀態(tài)，亦即隨著所謂的斜面特性(Rampen)，所述開關(guān)開始變熱。這一點(diǎn)是這樣來(lái)確保的，即，當(dāng)在所述開關(guān)中耗散出的熱量超過所述借助于第一種冷卻介質(zhì)K1的熱虹吸效應(yīng)所要在管道20內(nèi)傳遞的產(chǎn)冷量時(shí)。當(dāng)溫度上升達(dá)到所述第二種冷卻介質(zhì)K2的三相點(diǎn)(在采用氫的情況下為13.8K)時(shí)，該第二種冷卻介質(zhì)融化，隨后就在所述另一根管道25中利用熱虹吸效應(yīng)激起冷卻介質(zhì)循環(huán)。只要所述開關(guān)的溫度達(dá)到所述另一根管道的上端在冷卻級(jí)12處的溫度，就開始這種循環(huán)，這樣的話，由冷卻級(jí)12將產(chǎn)冷量輸出到該第二種冷卻介質(zhì)上。由此有利地限制了開關(guān)溫度的進(jìn)一步上升。該情況可以從圖1所示內(nèi)容中獲知，其中對(duì)于作為冷卻介質(zhì)K2的示例而采用的氫，其液態(tài)用LH2表示以及其氣態(tài)用GH2表示。
為了阻止通過所述另一根管道25從所述開關(guān)15向所述冷卻裝置10中傳導(dǎo)太多的熱量，該管道有利地至少在部分區(qū)段中設(shè)計(jì)為有弱的導(dǎo)熱性能。
為了確定上述“夾帶限制”處的尺寸要區(qū)分兩種基本不同的情況a)所述開關(guān)15在斷開狀態(tài)下的損耗功率U2/R大于所述冷卻裝置10所提供的產(chǎn)冷量PRes。在這種情況下，所述熱虹吸管應(yīng)該將傳遞到液態(tài)冷卻介質(zhì)K1上的功率限制到最大產(chǎn)冷量PRes(參見圖3的曲線圖)。如果在所述開關(guān)15與所述冷卻劑腔室9中的冷卻介質(zhì)K1之間不存在其他的熱連接或者可忽略不計(jì)，則過剩的損耗功率會(huì)導(dǎo)致連續(xù)地加熱處于斷開狀態(tài)下的開關(guān)。然而這種不希望發(fā)生的加熱可以借助于在所述另一根管道25中的熱虹吸管有利地進(jìn)行限制。
b)所述開關(guān)15在斷開狀態(tài)下的熱損耗功率U2/R小于所述冷卻裝置10所提供的產(chǎn)冷量PRes。在這種情況下，這樣設(shè)計(jì)所述第一根管道20中的熱虹吸管是有利的，即，通過液體對(duì)流可傳遞的最大功率比在開關(guān)中所損耗的功率U2/R小一些，例如為30％至95％。通過采用一個(gè)附加的在所述開關(guān)15與液態(tài)冷卻介質(zhì)K1之間的純導(dǎo)熱支路按照?qǐng)D4所示的曲線圖地改變?cè)谏厦鎍)情況下所給出的傳熱特征曲線。由此通過在開關(guān)內(nèi)在斷開狀態(tài)下通常產(chǎn)生的熱損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)該開關(guān)在斷開狀態(tài)下(亦即高于超導(dǎo)材料的躍變溫度Tc)的穩(wěn)定運(yùn)行。在功率低于Plim時(shí)所述開關(guān)如傳統(tǒng)的直接通過采用冷卻介質(zhì)K1進(jìn)行的冷卻池冷卻方法那樣被良好地冷卻。
為了達(dá)到一更快的再冷卻時(shí)間，所述開關(guān)溫度TU/R2應(yīng)該只是略低于所述臨界溫度Tc。為此，有利地設(shè)置具有第二種冷卻介質(zhì)K2的熱虹吸管的所述第二根管道25。以這種方式，開關(guān)的發(fā)熱量與通常的結(jié)構(gòu)相比明顯減少。
在上述實(shí)施方式中出發(fā)點(diǎn)是所述帶有電磁鐵7a至7d的超導(dǎo)技術(shù)裝置2的超導(dǎo)體要借助一個(gè)冷卻劑管道系統(tǒng)8進(jìn)行冷卻，在該管道系統(tǒng)8中必要時(shí)要使所述第一種冷卻介質(zhì)K1按照熱虹吸效應(yīng)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)然也有其他適用的冷卻方式可將導(dǎo)體保持在其超導(dǎo)材料的臨界躍變溫度之下。
不言而喻，按照本發(fā)明構(gòu)造的用于一個(gè)超導(dǎo)技術(shù)裝置的低溫系統(tǒng)也可應(yīng)用在這樣一些超導(dǎo)裝置上，即，它們的導(dǎo)體也允許在高于液氦溫度的溫度下進(jìn)行冷卻。在此，這樣的導(dǎo)體尤其涉及一種所謂的其臨界躍變溫度高于液氮的沸點(diǎn)77K的高(臨界)溫(度)超導(dǎo)材料。對(duì)于所述開關(guān)的超導(dǎo)連接線段可選擇一種相應(yīng)的材料。那么，對(duì)于所述第二種冷卻介質(zhì)K2可以選擇一種其三相點(diǎn)高于所采用的超導(dǎo)材料的躍變溫度的冷卻介質(zhì)。但也可想象，為此采用另一種具有不同的臨界躍變溫度的超導(dǎo)材料。
此外，上述實(shí)施方式是假設(shè)所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置是一個(gè)MRI設(shè)備的磁鐵。不言而喻，所述超導(dǎo)裝置當(dāng)然也可以是一個(gè)射束控制導(dǎo)向裝置所用的磁鐵或一個(gè)儲(chǔ)能器設(shè)備中的磁鐵。由于所述超導(dǎo)開關(guān)并不一定就是一個(gè)用于相應(yīng)磁鐵的短路開關(guān)，因此，所述超導(dǎo)裝置也可以是一個(gè)變壓器的繞組或一個(gè)電機(jī)的繞組或一段電纜。
權(quán)利要求
1.一種具有一低溫系統(tǒng)(3)的超導(dǎo)技術(shù)裝置(2)，該低溫系統(tǒng)(3)中的可被一制冷裝置(10)冷卻的低溫冷卻介質(zhì)(M)與至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體以及與一個(gè)超導(dǎo)開關(guān)(15)的與該超導(dǎo)體電連接的超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合，其中，該超導(dǎo)連接線段(16)配置有加熱器件(17)，后者用于受控制地將該連接線段(16)的超導(dǎo)材料過渡轉(zhuǎn)變到普通導(dǎo)電狀態(tài)，其特征在于，-在所述用作第一種冷卻介質(zhì)(K1)并用于冷卻所述至少一個(gè)裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體的低溫冷卻介質(zhì)的一個(gè)冷卻劑腔室(9)上連接有第一根管道(20)，所述超導(dǎo)開關(guān)(15)的超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合在該管道(20)的一端，該第一根管道(20)具有這樣一個(gè)橫斷面縮窄處(23)，使得在激活所述加熱器件(17)時(shí)所產(chǎn)生的能量耗散大于所述制冷裝置(10)借助于在所述冷卻劑腔室(9)中的第一種冷卻介質(zhì)(K1)所提供的產(chǎn)冷量，以及-設(shè)有另一根封閉的管道(25)，通過該另一根管道(25)使所述超導(dǎo)開關(guān)(15)的超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合到一更高溫度水平上，該溫度水平高于在所述冷卻劑腔室(9)中的第一種冷卻介質(zhì)(K1)的溫度水平。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述另一根管道(25)中基于熱虹吸效應(yīng)調(diào)節(jié)所述第二種冷卻介質(zhì)(K2)的循環(huán)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述橫斷面縮窄處(23)的橫斷面積(F)在0.5mm2至100mm2之間，優(yōu)選在7mm2至30mm2之間。
4.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述橫斷面縮窄處(23)位于所述第一根管道(20)的一段面朝所述超導(dǎo)開關(guān)(15)的管道段內(nèi)。
5.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一種冷卻介質(zhì)(K1)基于熱虹吸效應(yīng)在所述第一根管道(20)中循環(huán)。
6.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第一種冷卻介質(zhì)(K1)是氦。
7.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述冷卻劑腔室(9)是一個(gè)冷卻劑管道系統(tǒng)(8)的一部分，該冷卻劑管道系統(tǒng)(8)帶有經(jīng)過或穿過所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)的冷卻劑路徑。
8.按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一種冷卻介質(zhì)(K1)基于熱虹吸效應(yīng)在所述冷卻劑管道系統(tǒng)(8)中循環(huán)。
9.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，借助至少一個(gè)制冷裝置(10)的至少一個(gè)冷卻頭(11)可將所述產(chǎn)冷量輸入位于所述冷卻劑管道系統(tǒng)(8)中的第一種冷卻介質(zhì)(K1)中。
10.按照權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述另一根管道(25)熱耦合到所述冷卻頭(11)的一個(gè)冷卻級(jí)(12)上，該冷卻級(jí)(112)處于一個(gè)比為了冷卻所述第一種冷卻介質(zhì)(K1)所設(shè)置的冷卻級(jí)更高的溫度水平上。
11.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述另一根管道(25)設(shè)計(jì)為有弱的導(dǎo)熱性。
12.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，作為所述第二種冷卻介質(zhì)(K2)，可以采用一種其三相點(diǎn)高于所述連接線段(16)所用超導(dǎo)材料的躍變溫度的冷卻介質(zhì)。
13.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述第二種冷卻介質(zhì)(K2)是氫或氖。
14.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)和所述超導(dǎo)開關(guān)(15)設(shè)置在一個(gè)共同的真空腔室(6)中。
15.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述超導(dǎo)開關(guān)(15)設(shè)計(jì)成持續(xù)電流開關(guān)。
16.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)是磁共振成像用磁鐵。
17.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體具有金屬的低溫超導(dǎo)材料。
18.按照權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體具有氧化的高溫超導(dǎo)材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有一低溫系統(tǒng)(3)的超導(dǎo)技術(shù)裝置(2)，該低溫系統(tǒng)(3)中的第一種冷卻介質(zhì)(K1)與一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)以及一個(gè)與之電連接的超導(dǎo)開關(guān)(15)的超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合，其中，該超導(dǎo)連接線段(16)可借助一加熱器件(17)被熱激活。在所述至少一個(gè)超導(dǎo)裝置(7a至7d)的一個(gè)冷卻劑腔室(9)上連接第一根管道(20)，所述超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合在該管道(20)的一端。為了確保在激活加熱器件(17)時(shí)能可靠地加熱所述超導(dǎo)連接線段(16)，該第一根管道(20)具有一個(gè)阻礙與所述冷卻劑腔室(9)進(jìn)行熱交換的橫斷面縮窄處(23)。此外，所述超導(dǎo)連接線段(16)通過另一根帶有第二種冷卻介質(zhì)(K2)的管道(25)熱耦合在一相對(duì)更高的溫度水平上。
文檔編號(hào)H01F6/00GK1797804SQ20051012698
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者彼得·范哈塞爾特 申請(qǐng)人:西門子公司