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)與至少一個超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體以及與該超導(dǎo)體電連接的一個超導(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)不要求直接用本來的開關(guān)過程來實(shí)現(xiàn)電流隔離時。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/或磁場強(qiáng)度來取消該處的超導(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或美國專利申請US 3255335A或US 4602231A。
通常超導(dǎo)開關(guān)位于具有低溫冷卻介質(zhì)的一個低溫系統(tǒng)內(nèi)。該低溫冷卻介質(zhì)也被用于冷卻一個象例如一個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MRI磁鐵的液氦池中可達(dá)到好幾個瓦特。這樣的熱量輸入通常是不能被接受的。尤其對于重復(fù)冷凝的封閉式低溫冷卻系統(tǒng)來說更是如此。在這樣的重復(fù)冷凝的封閉式低溫冷卻系統(tǒng)中由一個例如所謂的低溫冷卻機(jī)形式的制冷裝置的一個冷卻頭來提供產(chǎn)冷量。這樣的低溫冷卻機(jī)尤其可設(shè)計成Gifford McMahon或斯特林類型或設(shè)計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)與至少一個超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體以及與該超導(dǎo)體電連接的一個超導(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，為冷卻所述至少一個裝置的超導(dǎo)體，在所述低溫冷卻介質(zhì)的一個冷卻劑腔室上連接有一管道，所述超導(dǎo)開關(guān)的超導(dǎo)連接線段熱耦合在該管道的一端，該管道具有這樣一個橫斷面縮窄處，使得在激活所述加熱器件時所產(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低溫冷卻介質(zhì)通過該橫斷面縮窄處所傳輸?shù)漠a(chǎn)冷量。
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)通過位于所述管道中的低溫冷卻介質(zhì)與冷卻超導(dǎo)裝置的超導(dǎo)體的那部分低溫冷卻介質(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)生的熱量流流動到與所述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。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。一個或許存在于所述開關(guān)中的多余的損耗功率隨后會導(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。因此可有利地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)冷量限制到所需的值。
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低溫介質(zhì)內(nèi)。從而一方面保證對于所述連接線段充分良好的冷卻，另一方面不會導(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嗟牡蜏乩鋮s介質(zhì)中。
所述冷卻劑腔室有利地是一個冷卻劑管道系統(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超導(dǎo)裝置的冷卻路徑。由此可將所述低溫冷卻介質(zhì)限制到所必需的量。
在這樣的情況下，比較有利地是使所述低溫冷卻介質(zhì)按照所謂的熱虹吸效應(yīng)在所述冷卻劑管道系統(tǒng)中循環(huán)。為此可參照例如WO 03/098645A1。
優(yōu)選借助至少一個制冷裝置的至少一個冷卻頭可將所述產(chǎn)冷量輸入在所述冷卻劑管道系統(tǒng)中循環(huán)流動的低溫冷卻介質(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。
所述至少一個超導(dǎo)裝置和所述超導(dǎo)開關(guān)可設(shè)置在一個共同的真空腔室中。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。
所述低溫冷卻介質(zhì)也可有利地按照熱虹吸效應(yīng)在所述管道中循環(huán)。
所述低溫冷卻介質(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，需要以氦作為低溫冷卻介質(zhì)。當(dāng)采用氧化的高溫超導(dǎo)材料(HTC超導(dǎo)材料)時，當(dāng)然也可采用其他類型的低溫冷卻介質(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。


下面借助于附圖簡略示出的按照本發(fā)明的低溫系統(tǒng)的一優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明予以詳細(xì)說明。附圖中圖1極簡略地表示一個具有按照本發(fā)明設(shè)計的低溫系統(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。
兩附圖中相互對應(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)裝置為其至少一個超導(dǎo)裝置要求至少一個超導(dǎo)開關(guān)。所述超導(dǎo)裝置或超導(dǎo)儀器例如可以是一個電磁鐵、一臺電機(jī)或一個變壓器，也可以是一種超導(dǎo)電纜，優(yōu)選是一個磁共振成像用電磁鐵或一個相應(yīng)的電磁鐵組，該電磁鐵組借助至少一個用于運(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)裝置具有一個帶有一個低溫恒溫器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，有一個輻射屏蔽板5，后者形成一個真空腔室6。在該真空腔室中安設(shè)有用于一個MRI的磁鐵系統(tǒng)的四個超導(dǎo)性電磁鐵7a至7d作為超導(dǎo)裝置。為了用一種低溫冷卻介質(zhì)M、例如氦冷卻這些磁鐵的超導(dǎo)體，設(shè)有一個冷卻劑管道系統(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包括一個冷卻劑腔室9，所述低溫冷卻介質(zhì)在穿流過所述磁鐵7a至7d后聚集在該冷卻劑腔室下側(cè)。所述低溫冷卻介質(zhì)M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，也就是說，在此放棄了公知的冷卻池冷卻方式。為此，所述低溫冷卻介質(zhì)M在所述冷卻劑管道系統(tǒng)8中的上側(cè)與一個制冷裝置10的冷卻頭11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。必要時也可按照業(yè)已公知的方式將所述管道系統(tǒng)8設(shè)計成一個單管系統(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并因此進(jìn)一步流向有待冷卻的連接線段16，也有被加熱后的冷卻介質(zhì)在同一根管道中流回所述冷卻頭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具有一個超導(dǎo)性連接線段16，后者在需要時可借助于一個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時具有一個在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低溫冷卻介質(zhì)M的冷卻劑管道系統(tǒng)8中，而是通過一根單獨(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。所述低溫冷卻介質(zhì)M通過這根管道20可一直流到所述開關(guān)15。為了使該開關(guān)15與所述管道20的下側(cè)閉合端部熱耦合，采用一個由一種良好導(dǎo)熱性的材料例如銅制成的一塊板21形式的熱量匯流線(Wrme-Bus)。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中的低溫冷卻介質(zhì)M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低溫冷卻介質(zhì)穿過所述縮窄處所提供的產(chǎn)冷量或制冷量。
對于已公知的磁共振成像用(MRI)磁鐵組和熱短路開關(guān)來說，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僅僅以一個在0.1W至好幾個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)值可通過簡單的試驗(yàn)來確定。
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中必要時要使所述低溫冷卻介質(zhì)按照熱虹吸效應(yīng)進(jìn)行循環(huán)流動。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。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)所述至少一個超導(dǎo)裝置是一個MRI設(shè)備的磁鐵。不言而喻，所述超導(dǎo)裝置當(dāng)然也可以是一個射束控制導(dǎo)向裝置所用的磁鐵或一個儲能器設(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)裝置也可以是一個變壓器的繞組或一個電機(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)與至少一個超導(dǎo)裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體以及與與該超導(dǎo)體電連接的一個超導(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)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，為冷卻所述至少一個裝置(7a至7d)的超導(dǎo)體，在所述低溫冷卻介質(zhì)(M)的一個冷卻劑腔室(9)上連接有一管道(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，該管道(20)具有這樣一個橫斷面縮窄處(23)，使得在激活所述加熱器件(17)時所產(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)中的低溫冷卻介質(zhì)(M)通過該橫斷面縮窄處(23)所傳輸?shù)漠a(chǎn)冷量。
2.按照權(quán)利要求1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。
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)位于所述管道(20)的一段面朝所述超導(dǎo)開關(guān)(15)的管道段內(nèi)。
4.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述冷卻劑腔室(9)是一個冷卻劑管道系統(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超導(dǎo)裝置(7a至7d)的冷卻劑路徑。
5.按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述低溫冷卻介質(zhì)(M)按照熱虹吸效應(yīng)在所述冷卻劑管道系統(tǒng)(8)中循環(huán)。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，借助至少一個制冷裝置(10)的至少一個冷卻頭(11)可將所述產(chǎn)冷量輸入位于所述冷卻劑管道系統(tǒng)(8)中的低溫冷卻介質(zhì)(M)中。
7.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述至少一個超導(dǎo)裝置(7a至7d)和所述超導(dǎo)開關(guān)(15)設(shè)置在一個共同的真空腔室(6)中。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述低溫冷卻介質(zhì)(M)按照熱虹吸效應(yīng)在所述管道(20)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，所述低溫冷卻介質(zhì)(M)是氦。
10.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)計成持續(xù)電流開關(guān)。
11.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述至少一個超導(dǎo)裝置(7a至7d)是磁共振成像用磁鐵。
12.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。
13.按照權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述至少一個超導(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)中的低溫冷卻介質(zhì)(M)與至少一個超導(dǎo)裝置(7a至7d)以及一個與電連接該超導(dǎo)裝置的超導(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。在所述至少一個超導(dǎo)裝置(7a至7d)的一個冷卻劑腔室(9)上應(yīng)當(dāng)連接一管道(20)，所述超導(dǎo)連接線段(16)熱耦合在該管道(20)的一端。為了確保在激活該加熱器件(17)時能可靠地加熱所述超導(dǎo)連接線段(16)，該管道(20)具有一個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)。
文檔編號H01L39/20GK1790764SQ20051012688
公開日2006年6月21日 申請日期2005年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者彼得·范哈塞爾特 申請人:西門子公司