專利名稱：用于超導(dǎo)磁體的失超能量消散的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫冷卻的超導(dǎo)磁體。具體地，本發(fā)明涉及用于消散在失超(quench) 期間由這樣的磁體所釋放的能量的裝置。
背景技術(shù)：
如在現(xiàn)有技術(shù)中普遍公知的那樣，超導(dǎo)磁體典型地由多個超導(dǎo)導(dǎo)線的線圈組成， 該線圈被冷卻到低溫溫度，典型地大約4K，在該溫度下超導(dǎo)性是可能的。當冷卻時，電流被 引入到超導(dǎo)線圈中。即使當從外部電源斷開時，電流也在線圈中流動，按照所謂的“持久模 式”提供磁場。由于幾個原因的任何一個，磁體線圈的一部分可能不再是超導(dǎo)的。例如，在超導(dǎo)導(dǎo) 線中的缺陷、電線的部分的突然移動、機械碰撞、或外部熱源的作用可能導(dǎo)致磁體線圈的一 部分不再是超導(dǎo)，而轉(zhuǎn)換到其“常態(tài)”，即電阻性模式。電流連續(xù)流動通過線圈，并且在電阻 性部分的歐姆發(fā)熱導(dǎo)致線圈的相鄰部分變成電阻性。結(jié)果是整個線圈變成電阻性并且變 熱。通常，設(shè)置裝置來將失超在磁體內(nèi)部的所有線圈上擴散，使得沒有一個線圈需要消散存 儲在磁場中的所有能量，否則的話該能量可能由于過熱而損壞線圈。圖1示出了包括局部填充了液體制冷劑的低溫恒溫器12的常規(guī)裝置。在低溫恒 溫器12內(nèi)部提供了由多個超導(dǎo)導(dǎo)線的線圈組成的冷卻的超導(dǎo)磁體10，該低溫恒溫器本身 被保持在外部真空室(OVC) 14之內(nèi)。超導(dǎo)導(dǎo)線本身典型地由在保護性的銅基體(copper matrix)之內(nèi)的多個超導(dǎo)導(dǎo)線細絲組成。銅提供了機械保護和并行電流路徑，當超導(dǎo)導(dǎo)線細 絲處于其“常態(tài)”、即電阻性模式時，該并行電流路徑攜帶電流。在低溫容器12和外部真空 室14之間的真空空間中提供有一個或多個熱輻射護罩16。在一些已知的裝置中，將制冷 器17安裝在位于為此提供的臺(turret) 18中的制冷器套筒(sock) 15中，面向低溫恒溫器 一側(cè)。替換地，制冷器17可以被置于入口臺19之內(nèi)，該入口臺保持安裝在低溫恒溫器的頂 部的入口頸(通風管)20。制冷器17提供有效的制冷作用以冷卻在制冷劑容器12內(nèi)部的 氣體制冷劑，在一些裝置中通過將其冷凝成液體。制冷器17還可以用于冷卻輻射護罩16。 如圖1所示，制冷器17還可以是兩級制冷器。第一冷卻級熱地連接到輻射護罩16，并且提 供到第一溫度、典型地在80-100K范圍的冷卻。第二冷卻級提供對氣體制冷劑的到低得多 的溫度、典型地在4-10K范圍的冷卻。通常將負的電連接(electrical connection) 21a穿過低溫恒溫器的主體提供到 磁體10。通常通過穿過通風管20的導(dǎo)體提供正的電連接21。當超導(dǎo)磁體線圈失超時，隨著超導(dǎo)細絲變成電阻性，存儲在磁場中的能量被轉(zhuǎn)變 成熱，并且電流從阻性的超導(dǎo)細絲轉(zhuǎn)入較少阻性的銅基體。典型地，設(shè)置裝置來故意地失超所有共享相同的低溫恒溫器的線圈，當它們中的 一個自發(fā)地失超時。這被稱為“失超傳播”，并且保證當一個線圈失超時，整個磁體失超，使 得在線圈之間盡可能均勻地擴散磁體能量，并且降低任何一個線圈會由于過熱而被損壞的 可能性。失超傳播通常通過將線圈發(fā)熱器連接到在磁體的某些線圈之間的取壓點(tapping
3point)而獲得。當通過失超線圈而產(chǎn)生阻性或感性電壓時，該電壓導(dǎo)致在鍵合到磁體的線 圈的發(fā)熱器中的消散，由此導(dǎo)致所有的線圈失超。在該裝置中固有的是，所有存儲的磁體能 量將作為熱被消散到多個導(dǎo)線和導(dǎo)線被纏繞于其上的線圈架(former)，由此保留在低溫恒 溫器內(nèi)部。該熱快速地汽化液體制冷劑并且從低溫恒溫器排出。在失超期間產(chǎn)生的熱的大部 分被銅導(dǎo)線和線圈架吸收，因此保留在低溫恒溫器內(nèi)部，即使制冷劑排出。于是，在將磁體 恢復(fù)到其超導(dǎo)狀態(tài)之前必須將該熱從低溫恒溫器去除。通常地，這典型地通過如下來完成或者重新填充液體制冷劑并通過排出蒸發(fā)和 汽化的氣體制冷劑而去除熱，或者通過利用冷的氣體制冷劑沖刷。兩種處理都是耗時的且 耗費制冷劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，降低在失超期間在低溫恒溫器內(nèi)部消散的熱的量， 而不是去除在失超期間在導(dǎo)線和線圈架內(nèi)部存儲的熱。通過降低在制冷劑容器內(nèi)部消散的 熱的量，降低了冷卻的量，并且可以降低制冷劑的消耗。通過降低在低溫恒溫器內(nèi)部消散的 熱的量，可以降低對線圈的損壞的可能性。


本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點從以下結(jié)合附圖對以非限制性例子方式的 某些實施例的描述中變得清楚，其中，圖1示意性示出了常規(guī)的超導(dǎo)磁體的徑向剖面圖；并且圖2示出了本發(fā)明的示例性實施例的電路圖。
具體實施例方式按照本發(fā)明，設(shè)置用于響應(yīng)于失超的開始、消散在制冷劑容器外部的磁場中存儲 的能量的裝置。如上提到的那樣，由于多個可能的原因中的任何一個，失超可能自發(fā)地發(fā)生。圖2示出了本發(fā)明的實施例的電路圖。如通常的那樣，多個磁體線圈10被串聯(lián)， 并且被連接到外部電線(current lead) 22、22a用于將線圈連接到外部電源。超導(dǎo)開關(guān)23 跨接在線圈10的串聯(lián)連接上。一旦電流通過外部電線22、22a被引入到線圈10中，則超導(dǎo) 開關(guān)23被接通，并且電流按照持久模式流過線圈10和開關(guān)23。電流基本上保持不變，除非 失超發(fā)生。虛線24標出了低溫恒溫器的邊界。按照本發(fā)明的一個方面，添加第二超導(dǎo)開關(guān)25。該第二超導(dǎo)開關(guān)25由與一段超導(dǎo) 導(dǎo)線28相關(guān)聯(lián)的阻性發(fā)熱元件26組成。超導(dǎo)導(dǎo)線28具有特別的阻性基體而不是銅。這 種導(dǎo)線本身是公知的，并且可以利用銅-鎳構(gòu)造。短的該導(dǎo)線通常被用在常規(guī)的超導(dǎo)開關(guān) 23中，該超導(dǎo)開關(guān)使得能夠進行持久模式操作。然而，按照本發(fā)明的該實施例，提供長的該 導(dǎo)線，例如纏繞在線軸或圓柱體上使得其‘正常的’電阻在IkQ數(shù)量級。該段導(dǎo)線28被串 聯(lián)置于線圈10和負的電線或‘地’ 22a之間。示出了阻性發(fā)熱器26，其被連接在磁體的某 些線圈10之間的節(jié)點30和負的電線或‘地’22a之間。在替換實施例中，阻性發(fā)熱器26可以被連接在電相鄰的超導(dǎo)線圈之間的選擇的節(jié)點之間。提供了一對背靠背二極管32，串聯(lián) 在節(jié)點30和發(fā)熱器26之間，以便響應(yīng)于被施加于磁體線圈10的斜坡電壓來阻斷阻性發(fā)熱 器26的導(dǎo)電。從在線圈10和阻性基體超導(dǎo)導(dǎo)線28之間的節(jié)點34，到從低溫恒溫器外部可達的 任何合適的類型的電引線(current lead-through) 36，提供了電連接33。電引線36必須 合適地對于高壓絕緣并且能夠?qū)τ趲酌腌姅y帶數(shù)百安培的電流。按照本發(fā)明的一個方面， 非常高的功率電阻38被連接在電引線36和負的電線或‘地’連接22a之間。在操作中，在任何線圈10中發(fā)生的任何失超，將導(dǎo)致電壓橫跨在發(fā)熱器26上。該 電壓通過二極管32的正向電壓(forward voltage)被降低，但是將導(dǎo)致發(fā)熱器26使得阻 性基體超導(dǎo)導(dǎo)線28變熱，導(dǎo)致其失超。該操作類似于常規(guī)的失超傳播電路，典型地被用于 響應(yīng)于在一個線圈中的失超，引起在磁體的其它線圈中的失超。一旦超導(dǎo)導(dǎo)線28失超，其 電阻增加。因為使用了具有特別的阻性基體材料的長段的導(dǎo)線28，所以其電阻可以在IkQ 數(shù)量級。該電阻與外部電阻器38并聯(lián)，該外部電阻器例如可以具有10Ω的電阻。二極管 32引入正向電壓，必須克服該正向電壓，任何電流才能流過發(fā)熱器26。該正向電壓小，不會 阻礙發(fā)熱器26響應(yīng)于失超事件有效發(fā)熱，但是會阻礙電流在斜坡期間通過發(fā)熱器26被轉(zhuǎn) 移，即，通過外部電源將電流繼續(xù)弓丨入到磁體或從磁體去除。假定IOlA的電流流過線圈10，IA將流過電線28，消散I2R = I2XlOOO = Ikff的 熱。另一方面，100A將流過外部電阻器38，消散I2R= IOO2XlO = IOOkW的熱。顯然，通過 示例性數(shù)值表明，來自磁場的大部分能量在低溫恒溫器外部被消散。在低溫恒溫器內(nèi)部消 散的減少的熱比常規(guī)的裝置消耗少得多的制冷劑，在該常規(guī)的裝置中所有的熱都消散在低 溫恒溫器內(nèi)部。一些能量被消散在失超線圈之內(nèi)并且相應(yīng)的熱將消散在制冷劑容器之內(nèi)。必須確定外部電阻器38的大小來消散大部分的磁體能量。其必須具有使得其在 僅幾秒種消散或吸收該能量以便保護失超的線圈不會過熱的電阻。在失超的線圈內(nèi)部消散 的大多數(shù)能量仍將作為熱被釋放到超導(dǎo)導(dǎo)線的銅基體中并且保留在低溫恒溫器內(nèi)部。另一 方面，其它線圈不會失超，而是保持超導(dǎo)性。它們不會通過它們的導(dǎo)線的任何歐姆發(fā)熱被加 熱。來自磁場的大多數(shù)存儲的能量將在外部通過電阻器38被消散或吸收。因此，總的磁體 能量的大部分將被從低溫恒溫器中去除并且將明顯降低用于后續(xù)冷卻的要求。當存儲在磁場中的能量已經(jīng)被消散時，電流將停止流過發(fā)熱器26，并且導(dǎo)線28將 冷卻，并且恢復(fù)到其超導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)開關(guān)23可以被斷開，并且電流通過常規(guī)的斜坡過程 (ramping procedure)再次被引入到磁體中。當斜降完成，超導(dǎo)開關(guān)23可以被接通并且磁 體恢復(fù)到其操作的持久模式。在該電路中，示例性電數(shù)值是磁體工作電流500A開關(guān)25的‘正常，電阻1k Ω外部電阻器38的電阻10Ω出現(xiàn)在外部電阻器38上的最大電壓5kV通過外部電阻器38的初始功率消散2. 5MW磁體電感25H初始di/dt 在開關(guān)導(dǎo)線28的失超之后-200A/s。
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本發(fā)明相應(yīng)地提供一種系統(tǒng)，其中，在失超期間磁體能量的相當部分消散在磁體 系統(tǒng)的低溫制冷的部分的外部，從而減少消耗的制冷劑的量并且減小后續(xù)冷卻下來的時 間。特別地參考了通過部分浸沒在液體制冷劑被冷卻的磁體描述了本發(fā)明，其中，在 制冷劑容器內(nèi)部消散的能量導(dǎo)致液體制冷劑的消耗。然而，本發(fā)明可以被應(yīng)用于其它類型 的磁體。例如，一些磁體直接通過低溫制冷器通過熱傳導(dǎo)鏈接被冷卻。在這樣的裝置中盡 管沒有液體制冷劑消耗的問題，然而在磁體內(nèi)部的熱消散將導(dǎo)致增加的低溫制冷要求、功 率消耗和‘停機時間(down time)’，在該停機時間期間磁體不可用。在其它裝置中，使用減 少了的量的制冷劑。這樣的裝置包括冷卻循環(huán)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中少量的制冷劑被包含在小 的儲液器中，并且被提供給在磁體周圍延伸的熱傳導(dǎo)管。氣體制冷劑從磁體吸收熱，并且通 過低溫制冷器被冷卻。在磁體和制冷劑之間的熱對流保證有效熱傳遞。這樣的系統(tǒng)傾向于 具有密封的制冷劑系統(tǒng)，并且消散在這樣的系統(tǒng)中的附加的熱不會導(dǎo)致制冷劑消耗，但是 會導(dǎo)致增加的低溫制冷要求、功率消耗和‘停機時間’，在該停機時間期間磁體不可用。本發(fā) 明可以被有用地應(yīng)用于這些裝置的任何一種，并且不限于通過局部浸沒在液體制冷劑中被 冷卻的磁體。
權(quán)利要求
一種用于低溫冷卻的超導(dǎo)磁體的能量消散裝置，該超導(dǎo)磁體包括串聯(lián)連接的多個超導(dǎo)線圈(10)并且被容納于低溫恒溫器(24)之內(nèi)，該能量消散裝置包括 具有與所述超導(dǎo)線圈(10)串聯(lián)的超導(dǎo)電流路徑(28)的超導(dǎo)開關(guān)(25)；和 在所述低溫恒溫器外部的電阻器(38)，其與所述超導(dǎo)開關(guān)(25)的超導(dǎo)電流路徑(28)并聯(lián)電連接，其中，所述超導(dǎo)開關(guān)被布置(26，32，30)為，響應(yīng)于施加于按照與該超導(dǎo)開關(guān)(25)的超導(dǎo)電流路徑(28)熱接觸地提供的相關(guān)聯(lián)的發(fā)熱器元件(26)的電流而斷開，其特征在于，所述發(fā)熱器元件被連接在位于電相鄰的超導(dǎo)線圈(10)之間的節(jié)點(30)與位于電相鄰的超導(dǎo)線圈(10)之間的另一個節(jié)點(30)或電氣地(22a)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在所述低溫恒溫器外部的所述電阻器(38)具有 比斷開時的超導(dǎo)開關(guān)(25)更低的電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，與所述發(fā)熱器元件(26)串聯(lián)地提供一對反 并聯(lián)二極管(32)。
4.一種從低溫冷卻的超導(dǎo)磁體中去除所存儲的能量的方法，該超導(dǎo)磁體包括多個串聯(lián) 連接的多個超導(dǎo)線圈(10)并且被容納于低溫恒溫器(24)之內(nèi)，所述方法包括-提供具有與所述超導(dǎo)線圈(10)串聯(lián)的超導(dǎo)電流路徑(28)的超導(dǎo)開關(guān)(25)和控制該 超導(dǎo)開關(guān)(25)的發(fā)熱器元件(26)，所述發(fā)熱器元件被連接在位于電相鄰的超導(dǎo)線圈(10) 之間的節(jié)點(30)與位于電相鄰的超導(dǎo)線圈(10)之間的另一個節(jié)點(30)或電氣地(22a) 之間；-提供在低溫恒溫器外部的電阻器(38)，其與所述超導(dǎo)開關(guān)(25)的超導(dǎo)電流路徑(28) 并聯(lián)電連接，并且響應(yīng)于在線圈(10)的任何一個中的失超的開始，斷開所述超導(dǎo)開關(guān)(25)，使得將在線 圈中流動的電流通過在低溫恒溫器外部的所述電阻器(38)轉(zhuǎn)移，其中，當失超發(fā)生時，所 述發(fā)熱器元件(26)承受電壓，但是當磁體操作于持久模式時不承受電壓，其中，發(fā)熱器通 過響應(yīng)于所施加的電壓和所產(chǎn)生的通過發(fā)熱器元件的電流的發(fā)熱，斷開所述超導(dǎo)開關(guān)25。
全文摘要
一種用于低溫冷卻的超導(dǎo)磁體的能量消散裝置，該超導(dǎo)磁體包括串聯(lián)連接的多個超導(dǎo)線圈(10)并且被容納于低溫恒溫器(24)之內(nèi)，該能量消散裝置包括具有與超導(dǎo)線圈(10)串聯(lián)的超導(dǎo)電流路徑(28)的超導(dǎo)開關(guān)(25)；和在低溫恒溫器外部的電阻器(38)，與超導(dǎo)開關(guān)(25)的超導(dǎo)電流路徑(28)并聯(lián)電連接。所述超導(dǎo)開關(guān)被布置(26，32，30)為，響應(yīng)于施加于相關(guān)聯(lián)的發(fā)熱器(26；40)的電流而斷開。
文檔編號H01F6/00GK101937750SQ201010220078
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者休·A·布萊克斯 申請人:英國西門子公司