用於冷卻超導磁體的方法

2023-05-26 12:15:36

專利名稱：用於冷卻超導磁體的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於冷卻至少一個超導磁體的方法。
背景技術：
超導磁體及其低溫恆溫器迄今為止通常以如下方式進行冷卻為了避 免高的材料應力，對低溫恆溫器容腔緩慢地供入液氮並且通過這種方式使 其冷卻到大致80K的溫度。接著將包含的液氮去除，其方式是這樣長時間 地吹入處於環境溫度的氦，直到不僅液氮而且氣態氮——儘管不完全地一
一去除掉為止。在此，磁體和低溫恆溫器的溫度平均值重新升高到大致100 至110K。現在，在低溫恆溫器容腔接著被填充液氮之前，藉助於也是計量 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在於，特別是液氮的消耗由於由過程導致的大溫 度差而相對高並且此外所使用的氦的一個顯著的份額總是損失掉，因為其 溢出到周圍環境或者大氣中。因為世界範圍內的氦資源是緊缺的並且由此 導致價格升高，所以在消耗氦的過程上存在一個需求，其中可回收儘可能
、液氮的"直接使用"和與此相關的汙染導致即使通過用氦進行吹洗 也不能徹底地去除液氮。然而該事實現在對於超導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為歐姆阻抗。此外，上 述方法的缺點在於，由於出現的溫度差——環境溫度與液氮溫度，冷卻過 程不僅在使用液氮而且在使用氦時在熱力學上並且由此也在經濟上極大地 無效率。

發明內容
本發明的目的是提供一種所述類型的、用於冷卻至少一個超導磁體的 方法，該方法避免了上述缺點。
為了實現所述目的，提出了一種用於冷卻至少一個超導磁體的方法，該方法的特徵在於，這個或這些超導磁體的冷卻僅僅藉助於一個或多個處 於至少兩個溫度水平的氦流進行。
根據本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法的一個有利的構型， 相應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生在此， 在第一步驟中將處於液氮溫度水平和處於環境溫度水平的氦混合，而在第 二步驟中將處於液氮溫度水平的氦和處於大致10K溫度水平的氦混合。
根據本發明，為了冷卻磁體現在僅僅使用氦。液氮必要時間接地作為 部分的初級冷源使用，特別是用於預冷卻氦。由此產生(以相應的預淨化 為先決條件) 一個具有可忽略的剩餘雜質的低溫恆溫器容腔。這導致相應 被冷卻的超導磁體的失超傾向顯著降低。由此又導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的出現相關。
此外，在本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法中，冷卻流或冷 卻介質與待冷卻磁體之間的溫度差相對小，這在熱力學上是有利的。同時， 氦氣中的傳熱係數可保持相對高，其方式是選擇相應高的氣體流量。磁體 的所述較平緩的冷卻允許一個加速的冷卻過程、即允許生產過程的顯著較 短的循環時間。
本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法允許藉助於僅僅一個氦制 冷設備來冷卻和填充磁體。因此，不再需要磁體的低溫恆溫器相對於大氣 的不期望的打開。此外，通過使用液氮-泵可以相對快速地對磁體填充液氮。 此外，本發明的方法還允許液氮顯著節省，該液氮在屬於現有技術的方法 中必須被收集、被淨化並且接著再被液化。此外，顯著降低了最終損失到 大氣中的氦份額。
根據本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法的一個有利的構型， 以如下方式進行這個或這些超導磁體的冷卻將由處於環境溫度水平的氦 流和處於液氮溫度水平的氦流組成的第一混合物並且接著將由處於液氮溫 度水平的氦流和處於大致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。


下面藉助於附圖中所示的實施例詳細解釋本發明的用於冷卻至少一個 超導磁體的方法以及該方法的其他有利的構型，這些有利構型是從屬權利 要求的主題。
具體實施例方式
為了清楚起見，在附圖中沒有示出一些需要的調節閥。但基於下面的 方法說明，對於本領域技術人員來說這些調節閥的圖示是多餘的。
附圖示意性示出一個氦製冷迴路，該氦製冷迴路用於冷卻兩個超導磁
體Ml和M2。藉助於一個單級或多級的壓縮機單元C (在此優選使用螺 杆壓縮機系統)吸入大致環境壓力的氦並且將其壓縮到大致13至20巴之 間的壓力(高壓)。在圖中未示出必要時連接在壓縮機單元C後面的(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並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被引導通過換熱器El的液氮 冷卻到大致80K，下面還將對所述中壓氦流和低壓氦流進行描述。
接著進行被冷卻了的高壓氦流的優選吸附式構造的淨化A。在該淨化 級A中進行必要時存在的、不期望的殘餘雜質例如空氣的分離。吸附單元 A優選冗餘地構成並且此外具有用於使負載了的吸附介質再生的裝置。
通過管路3從第一換熱器E1中抽出的氦流現在可以分為三個分流4、 11和15。首先提及的分流通過管路4被輸送給一個膨脹透平X並且在該 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段 5至10被引導通過兩個換熱器E2和El並且在該中壓氦流輸送給壓縮機 單元C之前在這些換熱器中被加熱到環境溫度。
上述的第二氦分流通過管路11輸送給第二換熱器E2並且在該換熱器 中逆著待加熱的過程流進一步冷卻。該氦分流在通過了換熱器E2之後通 過管路12輸送給第二膨脹透平X'並且在該第二膨脹透平中同樣在產生冷 量的情況下在大致10K的溫度時減壓到2至3巴之間的中壓。在換熱器 El中加熱到環境溫度之後，通過管路區段13、 14、 19至21和10將該中 壓氦流也輸送給壓縮機單元C。
上述的第三氦分流可通過管路區段15和7至10同樣輸送給壓縮機單 元C。
由此，三個中壓氦流處於不同的溫度水平。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；位於換熱器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中加熱到環境 溫度的氦流。如己經提及的那樣，附圖示出一個氦製冷設備，該氦製冷設備用於冷
卻僅僅兩個超導磁體Ml和M2。磁體Ml和M2的低溫恆溫器容腔在真正 的冷卻過程之前如果需要的話(多次)被抽真空、被吹洗並且通過被乾燥 的氦氣的循環很大程度上去除不期望的殘餘物或雜質例如空氣和溼汽。在 附圖中為了清楚起見未示出對此所需的裝置。
在真正的冷卻過程開始時，在閥a打開的情況下通過管路區段26和30 將處於環境溫度的中壓氦氣輸送給這個或這些待冷卻的磁體Ml/M2。同 時，在閥b打開的情況下通過管路區段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。通過上述兩個中壓氦流的混合可以在 環境溫度與大致80K的溫度之間調節出期望的任意始流溫度(Vorlauf-temperatur)。由此實現磁體Ml/M2的從環境溫度直至大致80K溫度的連 續冷卻。
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 過管路區段31和25又被輸送給換熱器E1、在該換熱器中被加熱並且接著 通過管路區段20、 21和10輸送給壓縮機單元C。
一旦磁體Ml/M2已經達到大致超過80K的溫度(通過管路26的氦輸 入在這個時刻已經又關閉並且僅僅通過管路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段16和30混入或輸送給磁 體M1/M2。藉助於該方法步驟進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 通過管路區段31和25被輸送給第一換熱器E1。但是，該回輸僅僅進行這 樣長的時間，直到確定的溫度(該溫度在50與60K之間取值)被低於。 然後使閥f閉合併且使閥g打開。現在，被加熱了的返回氣體可通過管路 區段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 路區段18至21和10被輸送給壓縮機單元C。
如果從磁體Ml/M2抽出的返回氣體的溫度達到了第二膨脹透平X'的出 口溫度，則使閥g閉合併且使閥h打開。現在，被加熱了的返回氣體通過 管路區段31和23輸送給換熱器E2的冷端並且在其中被加熱。該返回氣 體經由管路區段18至21和10通過換熱器El也被輸送給壓縮機單元C。
當從磁體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(該溫度差優選取值為0.5至1K)被低於時，使閥c閉合 並且使閥d打開。現在，磁體M1/M2通過管路區段28和30被供入來自杜瓦D的液氮、在此完全被置於飽和蒸汽溫度並且被填充液氮。在此排擠
出的冷氦氣可被輸送給壓縮機單元c和/或用於冷卻另外的磁體，這些另
外的磁體的冷卻過程在時間上錯開地進行。對此替代地，該氦氣也可以通
過一個圖中未示出的管路被回輸到或被壓到杜瓦D中；然而為此需要使用 液氦-泵。
前述程序的流程可以——隨著低溫恆溫器的淨化而開始並且隨著低溫 恆溫器被填充液氮而結束——全自動地進行。這具有其優點即可以排除 人為的錯誤行為。
本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法特別是適用於在氦製冷設 備中實現，該氦製冷設備用於並行地冷卻超導MRI磁體和對低溫恆溫器填 充液體。此外，當需要相對平緩的冷卻、僅應該或允許出現相對小的溫度 差、必須對冷卻速度進行控制、相對高的氦流量是有優點或期望的並且雜 質是不期望的時，可以總是使用本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方 法。
本發明的用於冷卻至少一個超導磁體的方法允許對一個或多個磁體進 行並行的和時間上錯開的冷卻和填充，其中，待冷卻磁體的數量原理上可 任意地多。
權利要求
1. 一種用於冷卻至少一個超導磁體的方法，其特徵在於，這個或這些超導磁體的冷卻僅僅藉助於一個或多個處於至少兩個溫度水平的氦流進行。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，以如下方式進行這個或這 些超導磁體的冷卻將由處於環境溫度水平的氦流和處於液氮溫度水平的 氦流組成的第一混合物並且接著將由處於液氮溫度水平的氦流和處於大致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
本發明涉及一種用於冷卻至少一個超導磁體的方法。根據本發明，這個或這些超導磁體的冷卻僅僅藉助於一個或多個處於至少兩個溫度水平的氦流進行。
文檔編號H01F6/04GK101536123SQ200780040631
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月31日 優先權日2006年10月31日
發明者A·昆迪希 申請人:林德股份公司