專利名稱：用于冷卻超導(dǎo)磁體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)磁體及其低溫恒溫器迄今為止通常以如下方式進(jìn)行冷卻為了避 免高的材料應(yīng)力，對(duì)低溫恒溫器容腔緩慢地供入液氮并且通過這種方式使 其冷卻到大致80K的溫度。接著將包含的液氮去除，其方式是這樣長(zhǎng)時(shí)間 地吹入處于環(huán)境溫度的氦，直到不僅液氮而且氣態(tài)氮——盡管不完全地一
一去除掉為止。在此，磁體和低溫恒溫器的溫度平均值重新升高到大致100 至110K?，F(xiàn)在，在低溫恒溫器容腔接著被填充液氮之前，借助于也是計(jì)量 地輸送的液氮使該裝置冷卻到4.5K的溫度。
然而所述方法的缺點(diǎn)在于，特別是液氮的消耗由于由過程導(dǎo)致的大溫 度差而相對(duì)高并且此外所使用的氦的一個(gè)顯著的份額總是損失掉，因?yàn)槠?溢出到周圍環(huán)境或者大氣中。因?yàn)槭澜绶秶鷥?nèi)的氦資源是緊缺的并且由此 導(dǎo)致價(jià)格升高，所以在消耗氦的過程上存在一個(gè)需求，其中可回收盡可能
、液氮的"直接使用"和與此相關(guān)的污染導(dǎo)致即使通過用氦進(jìn)行吹洗 也不能徹底地去除液氮。然而該事實(shí)現(xiàn)在對(duì)于超導(dǎo)磁體的特性具有不期望 的影響，即其失超傾向增高，也就是說突然又表現(xiàn)為歐姆阻抗。此外，上 述方法的缺點(diǎn)在于，由于出現(xiàn)的溫度差——環(huán)境溫度與液氮溫度，冷卻過 程不僅在使用液氮而且在使用氦時(shí)在熱力學(xué)上并且由此也在經(jīng)濟(jì)上極大地 無效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種所述類型的、用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的 方法，該方法避免了上述缺點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)所述目的，提出了一種用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法，該方法的特征在于，這個(gè)或這些超導(dǎo)磁體的冷卻僅僅借助于一個(gè)或多個(gè)處 于至少兩個(gè)溫度水平的氦流進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法的一個(gè)有利的構(gòu)型， 相應(yīng)的始流溫度通過一些溫度不同的氦流或氦流部分的混合產(chǎn)生在此， 在第一步驟中將處于液氮溫度水平和處于環(huán)境溫度水平的氦混合，而在第 二步驟中將處于液氮溫度水平的氦和處于大致10K溫度水平的氦混合。
根據(jù)本發(fā)明，為了冷卻磁體現(xiàn)在僅僅使用氦。液氮必要時(shí)間接地作為 部分的初級(jí)冷源使用，特別是用于預(yù)冷卻氦。由此產(chǎn)生(以相應(yīng)的預(yù)凈化 為先決條件) 一個(gè)具有可忽略的剩余雜質(zhì)的低溫恒溫器容腔。這導(dǎo)致相應(yīng) 被冷卻的超導(dǎo)磁體的失超傾向顯著降低。由此又導(dǎo)致迄今為止顯著的氦損 失的明顯降低，所述氦損失必然與失超效應(yīng)的出現(xiàn)相關(guān)。
此外，在本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法中，冷卻流或冷 卻介質(zhì)與待冷卻磁體之間的溫度差相對(duì)小，這在熱力學(xué)上是有利的。同時(shí)， 氦氣中的傳熱系數(shù)可保持相對(duì)高，其方式是選擇相應(yīng)高的氣體流量。磁體 的所述較平緩的冷卻允許一個(gè)加速的冷卻過程、即允許生產(chǎn)過程的顯著較 短的循環(huán)時(shí)間。
本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法允許借助于僅僅一個(gè)氦制 冷設(shè)備來冷卻和填充磁體。因此，不再需要磁體的低溫恒溫器相對(duì)于大氣 的不期望的打開。此外，通過使用液氮-泵可以相對(duì)快速地對(duì)磁體填充液氮。 此外，本發(fā)明的方法還允許液氮顯著節(jié)省，該液氮在屬于現(xiàn)有技術(shù)的方法 中必須被收集、被凈化并且接著再被液化。此外，顯著降低了最終損失到 大氣中的氦份額。
根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法的一個(gè)有利的構(gòu)型， 以如下方式進(jìn)行這個(gè)或這些超導(dǎo)磁體的冷卻將由處于環(huán)境溫度水平的氦 流和處于液氮溫度水平的氦流組成的第一混合物并且接著將由處于液氮溫 度水平的氦流和處于大致10K溫度水平的氦流組成的第二混合物輸送給所 述待冷卻的磁體。


下面借助于附圖中所示的實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè) 超導(dǎo)磁體的方法以及該方法的其他有利的構(gòu)型，這些有利構(gòu)型是從屬權(quán)利 要求的主題。
具體實(shí)施例方式
為了清楚起見，在附圖中沒有示出一些需要的調(diào)節(jié)閥。但基于下面的 方法說明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說這些調(diào)節(jié)閥的圖示是多余的。
附圖示意性示出一個(gè)氦制冷回路，該氦制冷回路用于冷卻兩個(gè)超導(dǎo)磁
體Ml和M2。借助于一個(gè)單級(jí)或多級(jí)的壓縮機(jī)單元C (在此優(yōu)選使用螺 桿壓縮機(jī)系統(tǒng))吸入大致環(huán)境壓力的氦并且將其壓縮到大致13至20巴之 間的壓力(高壓)。在圖中未示出必要時(shí)連接在壓縮機(jī)單元C后面的(水) 冷卻器和油分離器。
高壓氦流通過管路1被輸送給第一換熱器E1并且在該第一換熱器中逆 著中壓氦流和低壓氦流以及逆著通過管路2被引導(dǎo)通過換熱器El的液氮 冷卻到大致80K，下面還將對(duì)所述中壓氦流和低壓氦流進(jìn)行描述。
接著進(jìn)行被冷卻了的高壓氦流的優(yōu)選吸附式構(gòu)造的凈化A。在該凈化 級(jí)A中進(jìn)行必要時(shí)存在的、不期望的殘余雜質(zhì)例如空氣的分離。吸附單元 A優(yōu)選冗余地構(gòu)成并且此外具有用于使負(fù)載了的吸附介質(zhì)再生的裝置。
通過管路3從第一換熱器E1中抽出的氦流現(xiàn)在可以分為三個(gè)分流4、 11和15。首先提及的分流通過管路4被輸送給一個(gè)膨脹透平X并且在該 膨脹透平中減壓到2至3巴之間的中壓。接著，該中壓氦流通過管路區(qū)段 5至10被引導(dǎo)通過兩個(gè)換熱器E2和El并且在該中壓氦流輸送給壓縮機(jī) 單元C之前在這些換熱器中被加熱到環(huán)境溫度。
上述的第二氦分流通過管路11輸送給第二換熱器E2并且在該換熱器 中逆著待加熱的過程流進(jìn)一步冷卻。該氦分流在通過了換熱器E2之后通 過管路12輸送給第二膨脹透平X'并且在該第二膨脹透平中同樣在產(chǎn)生冷 量的情況下在大致10K的溫度時(shí)減壓到2至3巴之間的中壓。在換熱器 El中加熱到環(huán)境溫度之后，通過管路區(qū)段13、 14、 19至21和10將該中 壓氦流也輸送給壓縮機(jī)單元C。
上述的第三氦分流可通過管路區(qū)段15和7至10同樣輸送給壓縮機(jī)單 元C。
由此，三個(gè)中壓氦流處于不同的溫度水平。它們是在第二膨脹透平
X'中減壓的、具有大致10K溫度的氦流；位于換熱器E1出口處的、具有 大致80K溫度的氦流；在管路8中的、在換熱器E2和El中加熱到環(huán)境 溫度的氦流。如己經(jīng)提及的那樣，附圖示出一個(gè)氦制冷設(shè)備，該氦制冷設(shè)備用于冷
卻僅僅兩個(gè)超導(dǎo)磁體Ml和M2。磁體Ml和M2的低溫恒溫器容腔在真正 的冷卻過程之前如果需要的話(多次)被抽真空、被吹洗并且通過被干燥 的氦氣的循環(huán)很大程度上去除不期望的殘余物或雜質(zhì)例如空氣和濕汽。在 附圖中為了清楚起見未示出對(duì)此所需的裝置。
在真正的冷卻過程開始時(shí)，在閥a打開的情況下通過管路區(qū)段26和30 將處于環(huán)境溫度的中壓氦氣輸送給這個(gè)或這些待冷卻的磁體Ml/M2。同 時(shí)，在閥b打開的情況下通過管路區(qū)段24和30將具有大致80K溫度的中 壓氦氣輸送給待冷卻的磁體M1/M2。通過上述兩個(gè)中壓氦流的混合可以在 環(huán)境溫度與大致80K的溫度之間調(diào)節(jié)出期望的任意始流溫度(Vorlauf-temperatur)。由此實(shí)現(xiàn)磁體Ml/M2的從環(huán)境溫度直至大致80K溫度的連 續(xù)冷卻。
在閥f打開的情況下，從磁體M1/M2抽出的、被加熱了的返回氣體通 過管路區(qū)段31和25又被輸送給換熱器E1、在該換熱器中被加熱并且接著 通過管路區(qū)段20、 21和10輸送給壓縮機(jī)單元C。
一旦磁體Ml/M2已經(jīng)達(dá)到大致超過80K的溫度(通過管路26的氦輸 入在這個(gè)時(shí)刻已經(jīng)又關(guān)閉并且僅僅通過管路24輸入氦)，則閥c打開，使 得具有大致IOK溫度的中壓氦氣可通過管路區(qū)段16和30混入或輸送給磁 體M1/M2。借助于該方法步驟進(jìn)一步降低了始流溫度。
此外，離開磁體M1/M2的、被加熱了的返回氣體在閥f打開的情況下 通過管路區(qū)段31和25被輸送給第一換熱器E1。但是，該回輸僅僅進(jìn)行這 樣長(zhǎng)的時(shí)間，直到確定的溫度(該溫度在50與60K之間取值)被低于。 然后使閥f閉合并且使閥g打開。現(xiàn)在，被加熱了的返回氣體可通過管路 區(qū)段31和17輸送給第二換熱器E2。該返回氣體從該第二換熱器中通過管 路區(qū)段18至21和10被輸送給壓縮機(jī)單元C。
如果從磁體Ml/M2抽出的返回氣體的溫度達(dá)到了第二膨脹透平X'的出 口溫度，則使閥g閉合并且使閥h打開。現(xiàn)在，被加熱了的返回氣體通過 管路區(qū)段31和23輸送給換熱器E2的冷端并且在其中被加熱。該返回氣 體經(jīng)由管路區(qū)段18至21和10通過換熱器El也被輸送給壓縮機(jī)單元C。
當(dāng)從磁體M1/M2抽出的返回氣體的溫度與膨脹透平X'的出口溫度之間 的確定的溫度差(該溫度差優(yōu)選取值為0.5至1K)被低于時(shí)，使閥c閉合 并且使閥d打開。現(xiàn)在，磁體M1/M2通過管路區(qū)段28和30被供入來自杜瓦D的液氮、在此完全被置于飽和蒸汽溫度并且被填充液氮。在此排擠
出的冷氦氣可被輸送給壓縮機(jī)單元c和/或用于冷卻另外的磁體，這些另
外的磁體的冷卻過程在時(shí)間上錯(cuò)開地進(jìn)行。對(duì)此替代地，該氦氣也可以通
過一個(gè)圖中未示出的管路被回輸?shù)交虮粔旱蕉磐逥中；然而為此需要使用 液氦-泵。
前述程序的流程可以——隨著低溫恒溫器的凈化而開始并且隨著低溫 恒溫器被填充液氮而結(jié)束——全自動(dòng)地進(jìn)行。這具有其優(yōu)點(diǎn)即可以排除 人為的錯(cuò)誤行為。
本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法特別是適用于在氦制冷設(shè) 備中實(shí)現(xiàn)，該氦制冷設(shè)備用于并行地冷卻超導(dǎo)MRI磁體和對(duì)低溫恒溫器填 充液體。此外，當(dāng)需要相對(duì)平緩的冷卻、僅應(yīng)該或允許出現(xiàn)相對(duì)小的溫度 差、必須對(duì)冷卻速度進(jìn)行控制、相對(duì)高的氦流量是有優(yōu)點(diǎn)或期望的并且雜 質(zhì)是不期望的時(shí)，可以總是使用本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方 法。
本發(fā)明的用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法允許對(duì)一個(gè)或多個(gè)磁體進(jìn) 行并行的和時(shí)間上錯(cuò)開的冷卻和填充，其中，待冷卻磁體的數(shù)量原理上可 任意地多。
權(quán)利要求
1. 一種用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法，其特征在于，這個(gè)或這些超導(dǎo)磁體的冷卻僅僅借助于一個(gè)或多個(gè)處于至少兩個(gè)溫度水平的氦流進(jìn)行。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，以如下方式進(jìn)行這個(gè)或這 些超導(dǎo)磁體的冷卻將由處于環(huán)境溫度水平的氦流和處于液氮溫度水平的 氦流組成的第一混合物并且接著將由處于液氮溫度水平的氦流和處于大致10K溫度水平的氦流組成的第二混合物輸送給所述待冷卻的磁體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于冷卻至少一個(gè)超導(dǎo)磁體的方法。根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)或這些超導(dǎo)磁體的冷卻僅僅借助于一個(gè)或多個(gè)處于至少兩個(gè)溫度水平的氦流進(jìn)行。
文檔編號(hào)H01F6/04GK101536123SQ200780040631
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者A·昆迪希 申請(qǐng)人:林德股份公司