DE4325727C2

DE4325727C2 - Supraleitender Magnet mit einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE4325727C2
Application number: DE4325727A
Authority: DE
Inventors: Kazuki Moritsu; Takahiro Matsumoto; Shuichi Nakagawa; Shuji Ando; Mitsuhiro Kishida; Hideto Yoshimura; Masashi Nagao; Takashi Inaguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-07-31
Also published as: JP2758786B2; GB9315497D0; US5583472A; GB2269225A; GB2269225B; JPH0653035A; DE4325727A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen supraleitenden Magnet mit einer Kühleinrichtung für sehr niedrige Temperaturen, und insbesondere den Aufbau eines supraleitenden Magneten, der in der Lage ist, die Kühlleistung zu verbessern und dessen Größe verringert werden kann.

Fig. 14 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen supraleitenden Magneten darstellt. In Fig. 14 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine supraleitende Spule. Die supraleitende Spule 1 ist in flüssiges Helium 3 eingetaucht, das in einer Heliumkammer 2 eingeschlossen ist, welche als eine Kühlmittelkammer für sehr niedrige Temperaturen dient. Das flüssige Helium 3 dient als Niedrigtemperatur-Kühlmittel, d. h. als Kühlmittel zur Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen. Im Ergebnis wird die supraleitende Spule 1 auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Vakuumkammer, die um die Heliumkammer 2 herum angeordnet ist. Ein Zwischenraum zwischen der Vakuumkammer 4 und der Heliumkammer 2 ist evakuiert, so daß die beiden Kammern 4 und 2 thermisch isoliert sind.

Die Bezugsziffer 5 bezeichnet ein zweites Hitzeschild, und die Bezugsziffer 6 bezeichnet ein erstes Hitzeschild, wobei die beiden Hitzeschilder so zwischen der Heliumkammer 2 und der Vakuumkammer 4 angeordnet sind, daß sie koaxiale Zylinder bilden, die die Heliumkammer 2 umgeben. Im Ergebnis wird ein Eindringen von Wärme in die Heliumkammer 2 verringert.

Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Behälter für flüssigen Stickstoff, der in einem Bereich des Hitzeschilds 6 ausgebildet ist und flüssigen Stickstoff enthält.

Die Bezugsziffer 9 bezeichnet beispielsweise eine Gifford MacMahon-Zweistufen-Kühlvorrichtung mit einer ersten Wärmestufe 10, die auf eine absolute Temperatur von 80 K (Kelvin) eingestellt ist, einer zweiten Wärmestufe 11, die auf 20 K eingestellt ist, und einem Motorbereich 12. Die Kühlvorrichtung 9 ist in der Axialrichtung des Magneten nach unten von einem oberen Bereich angeordnet und so aufgebaut, daß die erste und die zweite Wärmestufe 10, 11 jeweils das erste und zweite Hitzeschild 6 und 5 kühlen.

Die Bezugsziffer 14 bezeichnet einen Öffnungsbereich, der vorgesehen ist, um flüssiges Helium 3 einzuspritzen und eine elektrisch leitende Leitung zur Versorgung mit elektrischem Strom an die supraleitende Spule 1 einzusetzen. Die Bezugsziffer 14 bezeichnet eine kalte Schalung.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des zuvor erläuterten supraleitenden Magneten erläutert.

Das erste Hitzeschild 6 wird durch den flüssigen Stickstoff 8, der in dem Behälter 7 für flüssigen Stickstoff enthalten ist, und die erste Wärmestufe 10 der Kühlvorrichtung 9 auf 80 K gekühlt. Das zweite Hitzeschild 5 wird durch die zweite Wärmestufe 11 der Kühlvorrichtung 9 auf 20 K gekühlt. Die von außen eindringende Wärme wird in dem Vakuum durch die Vakuumkammer 4 isoliert und durch das erste und zweite Wärmeschild 6, 5 abgeschirmt, so daß ein Eindringen von Wärme in die Heliumkammer 2 verringert wird.

Die supraleitende Spule 1 wird auf eine sehr niedrige Temperatur (beispielsweise 42 K) durch das flüssige Helium 3 in der Heliumkammer 2 gekühlt, so daß ihr supraleitender Zustand beibehalten wird. Wenn ein elektrischer Erregerstrom in diesem Zustand von einer externen Energiequelle, die nicht dargestellt ist, dem supraleitenden Magneten über die elektrisch leitende Leitung, die ebenfalls nicht dargestellt ist, zugeführt wird, wird ein gewünschtes magnetisches Feld erzeugt.

Dennoch erfordert die Tatsache, daß der zuvorbeschriebene herkömmliche supraleitende Magnet ein Hohlmagnet ist und die Kühlvorrichtung 9 vertikal an einem oberen Bereich in der Axialrichtung des Magneten angeordnet ist, daß die Länge, um die ein Kolben, der "Verdränger" genannt wird, hin- und herbewegt wird, eingehalten wird, um die Kühlleistung der Kühlvorrichtung 9 zu erzielen. Daher muß ein großer Spalt zwischen dem ersten Hitzeschild 6 und dem zweiten Hitzeschild 5 und außerdem ein großer Spalt zwischen der Vakuumkammer 4 und dem ersten Hitzeschild 6 beibehalten werden. Im Ergebnis können die Höhe und die Größe des Geräts nicht verringert werden.

Daher hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung einen supraleitenden Magneten zur Überwindung des zuvor erläuterten Problems offenbart, bei dem eine Kühlvorrichtung für sehr niedrige Temperaturen im wesentlichen horizontal angeordnet ist und Heliumgas, das in der Heliumkammer verdampft wurde, wiederverflüssigt wird (DE 43 10 138 A1)

Fig. 15 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die den in der DE 43 10 138 A1 offenbarten herkömmlichen supraleitenden Magnet darstellt. In Fig. 15 bezeichnet die Bezugsziffer 30 eine dreistufige Kühlvorrichtung der Regenerativart, die an einer Endfläche einer Vakuumkammer 4 im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung einer zylindrischen supraleitenden Spule 1 angeordnet ist. Die Bezugsziffer 31 bezeichnet eine eiserne magnetische Abschirmung, die zusammen mit einem eisernen magnetischen Abschirmungsflansch 32 um die Vakuumkammer 4 angeordnet ist. Die Bezugsziffer 33 bezeichnet eine Bohrung, 34 ein Auslaßventil, das an einem Öffnungsbereich 13 befestigt ist, 35 einen Befestigungsschenkel für den supraleitenden Magneten und 36 eine Drucksteuereinheit zur Steuerung des Druckes in einer Heliumkammer 2.

Der supraleitende Magnet ist in einer Hohlmagnetverkleidung angeordnet, indem die Heliumkammer 2 zur Aufnahme der supraleitenden Spule 1, ein zweites Hitzeschild 5, ein erstes Hitzeschild 6 und eine Vakuumkammer 4 koaxial angeordnet sind.

Die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 zur Verwendung in dem herkömmlichen supraleitenden Magnet wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 16 beschrieben.

Die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 ist so aufgebaut, daß ein erster Verdränger 16, ein zweiter Verdränger 17 und ein dritter Verdränger 41 verschiebbar in einem Zylinder 40 angeordnet sind, der beispielsweise aus gehonten Rohren besteht und in drei Stufen ausgebildet ist. Weiterhin sind zwischen dem Zylinder 40 und ersten, zweiten und dritten Verdrängern 16, 17 und 41 jeweils eine erste Dichtung 18, eine zweite Dichtung 19 und eine dritte Dichtung 42 zur Verhinderung eines Austretens von Heliumgas 24 vorgesehen. Außerdem sind eine erste Wärmestufe 10, eine zweite Wärmestufe 11 und eine dritte Wärmestufe 43 an der Außenfläche der entsprechenden Stufen des Zylinders 40 angeordnet.

Ein dritter Regenerator 45 in dem dritten Verdränger 41 besteht aus einem Hochtemperaturbereich 45a, der GdRh als Regenerierungsmaterial verwendet, das eine große spezifische Wärme im Bereich von 20 K bis 7,4 K vorbringt, und einem Niedrigtemperaturbereich 45b, der Gd0.5Er0.5Rh als Regenerierungsmaterial verwendet, das eine große spezifische Wärme im Temperaturbereich unterhalb von 7,5 K vorbringt.

Die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 arbeitet wie folgt:

Zunächst wird unter hohem Druck stehendes Heliumgas 24, das durch einen Heliumverdichter 25 komprimiert wurde, in erste, zweite und dritte Expansionskammern 22, 23 und 46 eingebracht, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Verdränger 16, 17 und 41 in ihren untersten Stellungen befinden, ein Ansaugventil 26 wird geöffnet und ein Ausstoßventil 27 geschlossen, so daß ein Zustand hohen Druckes erzeugt wird.

Dann werden die ersten, zweiten und dritten Verdränger 16, 17 und 41 nach oben bewegt und das unter hohem Druck stehende Heliumgas 24 tritt durch die ersten, zweiten und dritten Regeneratoren 20, 21 und 45 und wird den ersten, zweiten und dritten Expansionskammern 22, 23 und 46 zugeführt. Während dieses Vorgangs werden das Ansaugventil 26 und das Ausstoßventil 27 nicht betätigt. Das unter hohem Druck stehende Heliumgas 24 wird auf eine bestimmte Temperatur heruntergekühlt, indem die Materialien in dem ersten Regenerator 22, dem zweiten Regenerator 23 und dem dritten Regenerator 45 regeneriert werden, wenn das Heliumgas 24 durch die Regeneratoren 22, 23 und 45 tritt.

Wenn der erste, zweite und dritte Verdränger 16, 17 und 41 in ihre obersten Stellungen kommen, wird das Ansaugventil 26 geschlossen und das Ausstoßventil 27 geöffnet, so daß das unter hohem Druck stehende Heliumgas 24 in dem Niedrigdruckbereich expandiert und dadurch eine Kühlung bewirkt wird. Dabei wird das Heliumgas 24 zu einem Gas mit niedriger Temperatur, das unter niedrigem Druck steht.

Die nachfolgende Abwärtsbewegung des ersten, zweiten und dritten Verdrängers 16, 17 und 41 bewirkt, daß das Heliumgas 24, das unter niedrigem Druck steht und eine niedrige Temperatur aufweist, durch den ersten, zweiten und den dritten Regenerator 20, 21 und 45 tritt, bevor es durch das Ausstoßventil 27 ausgestoßen wird. Das Heliumgas 24, das unter niedrigem Druck steht und eine niedrige Temperatur hat, kühlt dabei die Regenerierungsmaterialien in dem ersten, zweiten und dritten Regenerator 20, 21 und 45, bevor es dem Heliumverdichter 25 wieder zugeführt wird.

In dem sich ergebenden Zustand, in dem die Kapazitäten der ersten, zweiten und dritten Expansionskammer 22, 23 und 36 minimiert worden sind, wird das Ausstoßventil 27 geschlossen und das Ansaugventil 26 geöffnet. Dadurch wird unter hohem Druck stehendes Heliumgas 24, das durch den Heliumverdichter 25 komprimiert worden ist, zugeführt, so daß die Drücke in der ersten, zweiten und dritten Expansionskammer 22, 23 und 46 von den hohen Drücken verringert werden.

Beispielsweise wird Heliumgas 24 mit einem hohen Druck von 20 bar durch den ersten Regenerator 20 auf 60 K, durch den zweiten Regenerator 21 auf 15 K und durch den dritten Regenerator 45 gekühlt, bevor es der dritten Expansionskammer 46 zugeführt wird.

Wenn das Regenerierungsmaterial in dem dritten Regenerator 45 Blei ist, ist seine spezifische Wärme geringer als die des Heliumgases 24. Daher wird das Heliumgas 24 nicht ausreichend gekühlt, sondern in die dritte Expansionskammer 46 geführt. Im Ergebnis wird die Temperatur in der Expansionskammer angehoben, was zu Verlusten führt. In diesem Fall kann eine unzureichende Temperaturhöhe von etwa 6,5 K verwirklicht werden. Wenn GdRh als Regenerierungsmaterial verwendet wird, ist seine spezifische Wärme größer als die von Blei. Daher kann der Verlust eingeschränkt und entsprechend eine zufriedenstellende Temperaturhöhe von 5,5 K realisiert werden.

Wenn das Regenerierungsmaterial GdRh und Gd0.5Er0.5Rh enthält (das Gewichtsverhältnis von GdRh beträgt 45 bis 65%) kann eine Temperaturhöhe von 4,2 K verwirklicht werden. Wenn die Oberflächenrauheit der Innenfläche des Zylinders 40 0,5 µm RMS betrug, um die Leckage durch den abgedichteten Bereich zu verringern, wurde eine Temperaturhöhe von 3,68 K verwirklicht.

Wenn Er3Ni als Regenerierungsmaterial anstelle von GdRh verwendet wurde, wurde eine ähnliche Temperaturhöhe erzielt.

Es soll angemerkt werden, daß der "hohe Druck" für das Heliumgas 24 etwa 20 bar und der "niedrige Druck" etwa 6 bar betrug.

Da die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 durch den ersten Regenerator 20, der das Kupfernetz als Regenerierungsmaterial verwendet, den zweiten Regenerator 21, der Bleikugeln als Regenerierungsmaterial verwendet, und den dritten Regenerator 45, der aus einem Hochtemperaturbereich 45a mit GdRh als Regenerierungsmaterial und einem Niedrigtemperaturbereich 45b mit Gd0.5Er0.5Rh als Regenerierungsmaterial besteht, gebildet wird, kann eine exzellente Kühlleistung erzielt werden, so daß die erste Wärmestufe 10 50 bis 80 K, die zweite Wärmestufe 11 10 bis 20 K und die dritte Wärmestufe 43 2 bis 4,5 K erreicht. Daher kann der supraleitende Magnet stabil arbeiten.

Fig. 17 stellt die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 im montierten Zustand dar. Ein L-förmiges Rohr 50 aus nicht rostendem Stahl, das als Auslaßbereich dient, ist so an dem oberen Bereich der Heliumkammer 2 befestigt, daß ein Ende des L-förmigen Rohrs 50 der Heliumgasatmosphäre, das in der Heliumkammer 2 verdampft, zugewandt ist. Weiterhin ist ein dreistufiger Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30, der aus nicht rostendem Stahl besteht, an der Endfläche der Vakuumkammer 4 befestigt, wobei der Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung der supraleitenden Spule 1 angeordnet ist. Das L- förmige Rohr 50 und der Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 sind miteinander durch Faltenbalge 52 verbunden. Der Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 hat eine erste Stufe 53 aus Kupfer und eine zweite Stufe 54, die jeweils mit einem ersten Hitzeschild 6 und einem zweiten Hitzeschild 5 thermisch verbunden sind.

Die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 ist wie folgt befestigt: die dritte Wärmestufe 43 ist so in den Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingesetzt, daß die dritte Wärmestufe 43 der Heliumgasatmosphäre ausgesetzt wird, die in dem L-förmigen Rohr 50 aufgenommen wird; und die erste Wärmestufe 10 und die zweite Wärmestufe 11 sind thermisch mit dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 verbunden.

Da der Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 wie zuvor erläutert an der Endfläche der Vakuumkammer 4 befestigt ist und im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung der supraleitenden Spule 1 verläuft, kann der Abstand für die Hin- und Herbewegung jedes Verdrängers, der zu der Kühlleistung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 beiträgt, beibehalten werden, während keine Notwendigkeit mehr besteht, die Spalte zwischen der Heliumkammer 2, dem zweiten Hitzeschild 5, dem ersten Hitzeschild 6 und der Vakuumkammer 4 zu vergrößern. Im Ergebnis kann die Größe des supraleitenden Magnet verringert werden. Weiterhin wird durch die Anordnung, daß die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 lösbar an dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 befestigt ist, ermöglicht, daß die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 ohne ein Auseinanderbauen des Geräts entfernt werden kann. Im Ergebnis kann die Wartung erleichtert werden.

Fig. 18 stellt die thermischen Verbindungen zwischen dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30, dem ersten Hitzeschild 6 und dem zweiten Hitzeschild 5 dar. In dem zweiten Hitzeschild 5 ist ein zweiter ausgeschnittener Bereich 60 ausgebildet. Weiterhin weist der erste Hitzeschild 6 einen ersten ausgeschnittenen Bereich 61 auf, der so angeordnet ist, daß der zweite ausgeschnittene Bereich 60 erscheint. Außerdem weist die Vakuumkammer 4 einen ausgeschnittenen Bereich 62 auf, der so angeordnet ist, daß der erste ausgeschnittene Bereich 61 erscheint.

Durch das Herstellen von Verbindungen zwischen der ersten Stufe 53 und dem ersten Hitzeschild 6 und zwischen der zweiten Stufe 54 und dem zweiten Hitzeschild 5 unter Verwendung von flexiblen Leitern 53, die jeweils beispielsweise aus Kupferdraht hergestellt sind, werden die erste Stufe 53 und das erste Hitzeschild thermisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise werden die zweite Stufe 54 und das zweite Hitzeschild 5 miteinander thermisch verbunden. Weiterhin sind eine zweite Strahlungsabdeckung 55 und eine erste Strahlungsabdeckung 56 vorgesehen, um den zweiten ausgeschnittenen Bereich 60 bzw. den ersten ausgeschnittenen Bereich 61 abzudecken. Außerdem ist eine Abdeckplatte 57 aus nicht rostendem Stahl an der Vakuumkammer 4 befestigt, um den ausgeschnittenen Bereich 62 abzudecken.

Die erste Stufe 53 und die zweite Stufe 54 des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30, deren eine Endbereiche an der Endfläche der Vakuumkammer 4 und deren andere Endbereiche an dem L-förmigen Rohr 50 unter Zwischenschaltung der Faltenbalge 52 befestigt sind, sind so angeordnet, daß sie in dem ausgeschnittenen Bereich 62 und dem ersten ausgeschnittenen Bereich 61 erscheinen. Im Ergebnis können die erste Stufe 53 und die zweite Stufe 54 leicht die thermische Verbindungen zwischen dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30, dem ersten und dem zweiten Hitzeschild 6, 5 in der Weise herstellen, daß die Verbindungen nicht durch das erste und zweite Hitzeschild 6, 5 und die Vakuumkammer 4 behindert werden. Weiterhin verhindert die Anordnung, daß der erste und zweite ausgeschnittene Bereich 61, 60 durch die erste und die zweite Strahlungsabdeckung 56, 55 bedeckt werden, ein Eindringen von Wärme von außen.

Fig. 19 stellt die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 dar. Der Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung weist an seiner Innenfläche, an der die erste Stufe 53 befestigt ist, ein Wärmeleitelement 64 mit einer geneigten Fläche neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung auf. Die erste Wärmestufe 10 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 weist neben der Kühlvorrichtung 30 ein Wärmeleitelement 65 mit einer geneigten Fläche auf, in dem eine Rändelung ausgebildet ist, die der geneigten Fläche des Wärmeleitelements 64 neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 zugewandt ist.

Weiterhin sind das Wärmeleitelement 64 neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 und das Wärmeleitelement 65 neben der Kühlvorrichtung 30 jeweils an der Innenfläche des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 angeordnet, an der die zweite Stufe und die zweite Wärmestufe der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 vorgesehen sind. Das Wärmeleitelement 64 neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 und das Wärmeleitelement 65 neben der Kühlvorrichtung 30 bestehen aus Kupfer, das ein exzellent wärmeleitendes Material ist.

Ein Indium-Draht 66 ist zwischen dem Wärmeleitelement 64 neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 und dem Wärmeleitelement 65 neben der Kühlvorrichtung 30 vorgesehen. Indium ist ein weiches Material, das eine thermische Verbindung herstellt. Weiterhin ist ein Bolzen 69 zur Befestigung eines Flansches 68 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 über eine Tellerfeder 70, die ein elastisches Element darstellt, mit einem Befestigungsflansch 67 des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 befestigt. Außerdem ist ein O-Ring 71 als Dichtungselement zwischen dem Befestigungsflansch 67 und dem Flansch 68 angeordnet.

Wenn der Flansch 68 an dem Befestigungsflansch 67 durch den Bolzen 69 befestigt wird, gleitet der Flansch 68, wobei die Verbindung durch den O-Ring 71 luftdicht gehalten wird. Die Befestigungskraft des Bolzens 69 deformiert den Indium-Draht 66 plastisch, so daß die thermische Verbindung zwischen dem Wärmeleitelement 64 neben dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 und dem Wärmeleitelement 65 neben der Kühlvorrichtung 30 hergestellt wird.

Eine übermäßig große Anzugskraft des Bolzens 69 und Verschiebungen der Elemente aufgrund einer thermischen Kontraktion sowie Schwingungen werden durch die Tellerfeder 70 aufgenommen, so daß ein Brechen der Elemente und eine fehlerhafte thermische Verbindung verhindert werden können. Weiterhin kann durch ein weiteres Anziehen des Bolzens 69 die Befestigungskraft auch dann beibehalten werden, wenn die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 sich zusammenzieht, nachdem sie an dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 angebracht und ausreichend gekühlt wird.

Weiterhin ist die geneigte Fläche des Wärmeleitelements 65 neben der Kühlvorrichtung 30 gerändelt, so daß die Befestigungskraft zwischen dem Indium-Draht 66 und der gerändelten Fläche vergrößert wird. Wenn daher die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 entfernt werden soll, kann dies so erfolgen, daß der Indium-Draht 66, der plastisch deformiert worden ist, an der geneigten Fläche des Wärmeleitelements 65 neben der Kühlvorrichtung 30 anhaftet.

Da bei dem herkömmlichen supraleitenden Magnet die Kühlvorrichtung 9 wie zuvor beschrieben vertikal in der Axialrichtung des Magnet angeordnet ist, kann die Position der Magnetvorrichtung nicht abgesenkt und entsprechend die Gesamtgröße nicht verringert werden.

Da bei dem durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung offenbarten supraleitenden Magnet die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 im wesentlichen horizontal angeordnet ist, um das in der Heliumkammer 2 verdampfte Heliumgas wieder zu verflüssigen, kann die Höhe des Geräts und damit auch die Gesamtgröße des Geräts verringert werden. Weiterhin kann der Weg, um den der Verdränger sich hin- und herbewegt, beibehalten werden, so daß die Kühlleistung verbessert wird. Es wird jedoch ein Spalt zwischen dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 und der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 gebildet, wobei der Spalt mit Heliumgas gefüllt ist, das durch das L-förmige Rohr 50 aufgenommen in der Heliumkammer 2 verdampft wurde. Weiterhin tritt ein thermischer Gradient in jeder Stufe des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 auf. Das Heliumgas wird in dem Hochtemperaturbereich des Zylinders 40 erhitzt und in dem Niedrigtemperaturbereich gekühlt, so daß Wärmekonvektion auftritt. Dies führt dazu, daß die Temperatur der ersten Wärmestufe 10, die den Niedrigtemperaturbereich darstellt, erhöht wird. Damit tritt das Problem auf, daß die Kühlleistung der Kühlvorrichtung beeinträchtigt wird.

Aus der DE 43 10 138 A1 ist ein supraleitender Magnet bekannt, bei dem ein Heliumbehälter eine zylindrische supraleitende Spule enthält, die durch flüssiges Helium auf eine tiefe Temperatur herunterkühlt. Eine zweite und eine erste Wärmeabschirmung und ein Vakuumbehälter sind koaxial derart angeordnet, daß sie den Heliumbehälter umgeben. Weiterhin ist eine mehrstufige regenerative Kühlvorrichtung vorgesehen, die in einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingesetzt ist und dazu dient, Heliumgas erneut zu verflüssigen.

Aus der US-PS 5 092 130, gegen die der Patentanspruch 1 abgegrenzt ist, ist ein supraleitender Magnet bekannt, der eine supraleitende Spule, eine Niedrigtemperatur- Kühlmittelkammer für sehr niedrige Temperaturen zu Kühlung der supraleitenden Spule, ein die Niedrigtemperatur- Kühlmittelkammer umgebendes Hitzeschild, eine das Hitzeschild umgebende Vakuumkammer, ein Zylinder zur Befestigung einer Kühlvorrichtung, dessen eines Ende einer Umgebung eines Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases zugewandt ist, das in der Niedrigtemperatur-Kühlmittelkammer vedampft, und dessen anderes Ende an der Vakuumkammer befestigt ist, und eine mehrstufige regenerative Kühlvorrichtung aufweist, die in den Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingesetzt ist und in diesem befestigt ist sowie dazu dient, das Niedrigtemperatur-Kühlmittelgas, das dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung zugeführt wird, in zumindest einem Bereich einer Wärmestufe wieder zu verflüssigen. Der in dieser Druckschrift beschriebene supraleitende Magnet weist keinen Wärmeisolator zwischen dem Befestigungszylinder und der Kühlvorrichtung auf.

Die Druckschrift DE 45 20 593 A1 offenbart einen supraleitenden Magneten. Dabei ist eine von einer Wärmeabschirmung umgebende supraleitende Spule in einem Vakuumbehälter angeordnet, der wiederum mit einer magnetischen Abschirmung umgeben ist. Zusätzlich ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Wärmeabschirmung vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Probleme gemäß dem Stand der Technik zu lösen und einen supraleitenden Magneten zu schaffen, dessen Gesamtgröße verringert werden kann, indem die Länge von dessen Magnetvorrichtung in Radialrichtung verkürzt ist, dessen Leistung verbessert werden kann und in dem Heliumgas verflüssigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen supraleitenden Magneten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so, angeordnet ist, daß der schnurförmige Wärmeisolator um die Außenfläche des Zylinders der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung herumgewunden ist, kann der Spalt zwischen dem Zylinder der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung mit dem Wärmeisolator gefüllt werden. Daher kann eine Wärmekonvektion des Niedrigtemperatur-Kühlmittels verhindert, Wärme effektiv isoliert und die Form und die Größe hinreichend frei bestimmt werden. Im Ergebnis kann eine Wärmeisolation, die sich an den Zwischenraum zwischen dem Zylinder der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung anpassen kann, einfach verwirklicht werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß der Wärmeisolator, der zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingeschlossen werden soll, durch Einsacken granulatförmigen wärmeisolierenden Materials gebildet ist, kann sich der Wärmeisolator beim Einschließen leicht der Form des Spaltes zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung anpassen.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so angeordnet ist, daß die Teilungsplatte zum Teilen des Stroms des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in der Axialrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann der Strom des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in dem Spalt zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in der Axialrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung geteilt und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so angeordnet ist, daß die Teilungsplatte zum Teilen des Stroms des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in der Umfangsrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann der Strom des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in dem Spalt zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlmittelvorrichtung in der Umfangsrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung geteilt und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist, daß der rohrförmige und schlecht wärmeleitende Grundkörper an der Außenfläche des Zylinders der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und ein Dichtungsmittel zum Abdichten des Zwischenraums zu der Innenfläche des Zylinders zur Befestigung der Kühlvorrichtung an dem schlecht wärmeleitenden Grundkörper befestigt ist, kann ein Strom des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung in dem Spalt zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung und eine Wärmekonvektion verhindert werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß die Einlaßöffnung des Zylinders zum Befestigen der Kühlvorrichtung, durch den die Kühlvorrichtung eingesetzt wird, geneigt ist, kann der Wärmeisolator leicht in der Weise eingesetzt werden, daß er nicht in der Einlaßöffnung des Zylinders zur Befestigung der Kühlvorrichtung, durch die die Kühlvorrichtung eingesetzt wird, hängenbleibt. Im Ergebnis kann der Wärmeisolator leicht eingesetzt und eingeschlossen werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so angeordnet ist, daß der Wärmeisolator in dem Rohr, das in der Axialrichtung in zwei Bereiche aufgeteilt ist, vorgesehen ist, kann der Wärmeisolator leicht an dem Zylinder der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung befestigt werden.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen einer dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 3 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 4 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 5 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 6 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX der Fig. 6;

Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die einen Zustand darstellt, in dem eine Teilungsplatte des supraleitenden Magnet gemäß der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt ist;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 11A bis 11C sind Schnittansichten, die die Form eines Dichtungsmittels zur Verwendung in dem supraleitenden Magnet gemäß der dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 12 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen einer dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 13 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen einer dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 14 ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines herkömmlichen supraleitenden Magnet;

Fig. 15 ist eine teilweise aufgebrochene perpektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines herkömmlichen supraleitenden Magnet;

Fig. 16 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung in dem herkömmlichen supraleitenden Magnet darstellt;

Fig. 17 eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau zur Befestigung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung des herkömmlichen supraleitenden Magnet darstellt;

Fig. 18 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht, die die Verbindung zwischen dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung und dem Hitzeschild in dem herkömmlichen supraleitenden Magnet darstellt; und

Fig. 19 eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen einer dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem herkömmlichen supraleitenden Magnet darstellt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung des supraleitenden Magnet, der in der DE 43 10 138 A1 offenbart und in den Fig. 15 bis 19 gezeigt ist. In der Zeichnung sind sich entsprechende Elemente mit denselben Bezugsziffern versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen. Die Beschreibung erfolgt nur für die charakteristischen Bereiche der vorliegenden Erfindung.

Erste Ausführungsform

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und einem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 100 ein Konvektionsverhinderungsrohr, das aus einem hohlen Teflon-Rohr hergestellt ist und als ein wärmeisolierendes Element dient. Das Konvektionsverhinderungsrohr 100 ist spiralförmig um die Außenfläche einer jeden Stufe eines Zylinders 40 einer dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden. Die Bezugsziffer 101 bezeichnet einen Abstandhalter, der an der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 befestigt ist, um einen axialen Schlupf des Konvektionsverhinderungsrohrs 100 zu verhindern.

Bei dieser Ausführungsform ist das Konvektionsverhinderungsrohr 100 um die Außenfläche einer jeden Stufe des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden. Weiterhin ist in einem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 der Abstandhalter 101 befestigt und die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 eingesetzt. Obwohl das Konvektionsverhinderungsrohr 100 eine axiale Reibungskraft von dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 beim Einsetzen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 erhält, verhindert der Abstandhalter 101 ein axiales Verschieben. Da das Konvektionsverhinderungsrohr 100 rohrförmig ausgebildet ist, wird es beim Einsetzen elastisch verformt, so daß es zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingeschlossen ist.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der ersten Ausführungsform beschrieben. Das in der Heliumkammer 2 verdampfte Heliumgas neigt dazu, in einen Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung einzudringen. Das Konvektionsverhinderungsrohr 100, das zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingeschlossen ist, schränkt jedoch das Eindringen von Heliumgas ein.

Wie zuvor beschrieben wurde, ist das Konvektionsverhinderungsrohr 100 um die Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden, wobei das Konvektionsverhinderungsrohr 100 in dem Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingeschlossen ist. Daher wird das Eindringen von Heliumgas in den Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 1 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingeschränkt, so daß die Wärmekonvektion von Heliumgas aufgrund des thermischen Gradienten, der in dem Zylinder 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 auftritt, verhindert werden kann. Daher kann eine Wärmeisolation effektiv ausgeführt und entsprechend eine Beeinträchtigung der Kühlvorrichtung in der Kühlleistung verhindert werden. Weiterhin kann der Wärmeisolator leicht gewunden, die Form und die Abmessungen können frei bestimmt und der Zusammenbau erleichtert werden.

Zweite Ausführungsform

Eine zweite Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl bei der ersten Ausführungsform das Konvektionsverhinderungsrohr 100, das aus dem hohlen Teflon-Rohr hergestellt ist, spiralförmig um die Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden ist, ist bei der zweiten Ausführungsform das Konvektionsverhinderungsrohr 100, das hier ebenfalls aus einem Teflon-Rohr mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt hergestellt ist, um den Zylinder 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden. Bei dieser Ausführungsform kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Dritte Ausführungsform

Eine dritte Ausführungsform ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Während bei der ersten und zweiten Ausführungsform das Teflon-Rohr, das als Konvektionsverhinderungsrohr 100 dient und in der Form eines hohlen Rohrs oder mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt vorliegt, spiralförmig um die Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden ist, liegt bei der dritten Ausführungsform das Konvektionsverhinderungsrohr 100 in der Form eines Teflon-Rings mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt vor, wobei der Teflon- Ring in den Zylinder 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 eingesetzt ist, um dieselbe zu umgeben. Mit dieser Ausführungsform kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Vierte Ausführungsform

Bei der ersten Ausführungsform ist das Konvektionsverhinderungsrohr 100, das aus dem hohlen Teflon- Rohr hergestellt ist, spiralförmig um die Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 herumgewunden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist nun bei der vierten Ausführungsform ein schnurähnliches Konvektionsverhinderungselement 102, das aus verwebten Glasfibern besteht, um den Zylinder 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung herumgewunden. Mit dieser Ausführungsform kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Obwohl die Ausführungsformen 1 bis 4 ein Konvektionsverhinderungsrohr 100 oder ein Konvektionsverhinderungselement 102 aus Teflon oder Glasfiber als schnurähnlichen Wärmeisolator verwenden, ist der Wärmeisolator nicht auf Teflon oder Glasfiber beschränkt und jedes andere schlecht wärmeleitende Material, beispielsweise Asbest, kann verwendet werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die den wesentlichen Bereich der Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 106 ein wärmeisolierendes Füllelement, das als Wärmeisolator dient, der zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingeschlossen werden soll. Das wärmeisolierende Füllelement 106 wird gebildet, indem Quarzsand 107 in einen aus Teflon bestehenden Beutel 108 eingesackt wird.

Da bei der fünften Ausführungsform das wärmeisolierende Füllelement 106 durch Einsacken von Quarzsand 107 in den Beutel 108 gebildet ist, können die Kosten reduziert und die Handhabung vereinfacht werden. Weiterhin "verwirbelt" der Quarzsand 107 in dem Beutel 108 und ist so leicht an die Form der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung anpaßbar. Im Ergebnis kann der Spalt geschlossen und die Wärmekonvektion verhindert werden. Daher kann die Beeinträchtigung in der Kühlleistung der Kühlvorrichtung verhindert werden. Da der Quarzsand 107 ein schlecht wärmeleitendes Material ist, kann eine Wärmeleitung zwischen einem heißen Bereich und einem kalten Bereich in dem Zylinder 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 verhindert werden.

Obwohl bei der fünften Ausführungsform das wärmeisolierende Füllelement 106 durch Einsacken des Quarzsandes 107 in dem Teflon-Beutel 108 erfolgt, muß der Beutel 108 nicht aus Teflon bestehen. Jedes Material mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit kann verwendet werden. Beispielsweise kann ein Glasfibergewebe verwendet werden. Das einzusackende Material ist nicht auf Quarzsand 107 beschränkt, sofern das verwendete Material in der Form von Körnern mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit vorliegt. Beispielsweise können granulatförmiges Glas oder granulatförmige Keramik verwendet werden.

Sechste Ausführungsform

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die die Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Fig. 5 bezeichnet die Bezugsziffer 109 eine Teilungsplatte, die zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung angeordnet ist. Die Teilungsplatte 109 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von dünnen Rippen 110 an einem Blatt, das aus einem schlecht wärmeleitenden Material, beispielsweise Teflon, besteht, parallel zu den dünnen Rippen 110 angeordnet werden. Die Rippen 110 sind um die Außenfläche des Zylinders 40 in der Weise herumgewunden und befestigt, daß die dünnen Rippen 110 senkrecht zur der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 stehen.

Da bei der sechsten Ausführungsform der Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung senkrecht zu der Axialrichtung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 durch die Rippen 110 der Teilungsplatte 109 geteilt wird, wird eine Strömung des Heliumgases in Axialrichtung verhindert. Im Ergebnis kann eine Beeinträchtigung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung verhindert werden.

Wenn der Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 aufgrund von Abmessungsfehlern streut und erweitert ist, kann der Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 klein gehalten werden. Im Ergebnis verhindert ein Labyrintheffekt die Axialströmung des Heliumgases. Wenn der Spalt verengt worden ist, führt die Anordnung, daß die Dicke der Rippen 110 der Teilungsplatte 109 verringert ist, um eine Elastizität aufzuweisen, dazu, daß die Rippen 110 geneigt werden. Im Ergebnis werden die Kopfbereiche der Rippen 110 in Kontakt mit dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 gebracht, so daß das Entstehen einer Axialströmung des Heliumgases verhindert wird.

Da die Dicke der Rippen 110 der Teilungsplatte 109 verringert ist, um eine Elastizität zu schaffen, kann eine Streuung der Innen- und Außendurchmesser des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 aufgenommen werden. Im Ergebnis kann die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 in den Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingesetzt werden. Daher kann der Zusammenbau vereinfacht werden.

Siebte Ausführungsform

Die siebte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Während bei der sechsten Ausführungsform die Teilungsplatte 109 mit einer Mehrzahl von dünnen Rippen 110, die integral an dem Blatt ausgebildet sind und parallel zu diesem verlaufen, um die Außenfläche des Zylinders 40, herumgewunden und an dieser befestigt sind, ist bei der siebten Ausführungsform ein längliches Teflonblatt mit einem T-förmigen Querschnitt um die Außenfläche des Zylinders 40 herumgewunden und an dieser befestigt. In diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Die sechste und siebte Ausführungsform verwenden Teflon als Material für die Teilungsplatte 109, aber die Teilungsplatte 109 braucht nicht aus Teflon zu bestehen, wenn das verwendete Material ein schlecht wärmeleitendes Material ist.

Beispielsweise kann ein schlecht wärmeleitendes Kunststoff- oder Gummimaterial verwendet.

Obwohl bei der sechsten und siebten Ausführungsform eine Mehrzahl von Rippen 110 parallel zu der Axialrichtung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 angeordnet sind, ist es ausreichend, eine oder mehrere Rippen 110 anzuordnen.

Zwar ist bei der sechsten und siebten Ausführungsform die Teilungsplatte 109 an der Außenfläche des Zylinders 40 befestigt, sie kann jedoch auch an der Innenfläche des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 vorgesehen sein.

Achte Ausführungsform

Die achte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Bereich der Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Fig. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IX- IX der Fig. 7.

In den Fig. 6 und 7 bezeichnet die Bezugsziffer 111 eine Teilungsplatte, die zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 angeordnet ist. Die Teilungsplatte 110 ist so aufgebaut, daß eine Mehrzahl dünner Rippen 112 integral an einem Blatt, das beispielsweise aus Teflon besteht, ausgebildet sind und parallel zu dem Blatt verlaufen. Die Teilungsplatte 111 ist um die Außenfläche des Zylinders 40 herumgewunden und an dieser befestigt, so daß die Rippen 112 in der Axialrichtung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 angeordnet sind.

Da die achte Ausführungsform so aufgebaut ist, daß der Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 in der Umfangsrichtung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 durch die Rippen 112 der Teilungsplatte 111 aufgeteilt ist, wird ein Strömen des Heliumgases in der Umfangsrichtung verhindert. Im Ergebnis kann eine Beeinträchtigung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung verhindert werden.

Die Rippen 112 der Teilungsplatte 111 sind dünn ausgebildet, um eine gewisse Elastizität zu schaffen. Daher werden die Rippen 112 wie in Fig. 8 gezeigt geneigt, selbst wenn der Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 streut. Im Ergebnis kann die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 in den Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingesetzt werden, während die Kopfenden der Rippen 112 in die Innenfläche des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingebracht werden. Dadurch kann der Zusammenbau erleichtert werden.

Obwohl bei der achten Ausführungsform das Material der. Teilungsplatte 111 Teflon ist, ist die Teilungsplatte 11 nicht auf Teflon als Material beschränkt, wenn das verwendete Material ein schlecht temperaturleitendes Material ist. Beispielsweise können ein schlecht wärmeleitender Kunststoff oder Gummi verwendet werden.

Obwohl bei den achten Ausführungsform eine Mehrzahl von Rippen 112 parallel zu der Axialrichtung der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 vorgesehen ist, ist es lediglich notwendig, daß eine oder mehrere Rippen 112 vorgesehen sind.

Neunte Ausführungsform

Die neunte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Bereich der Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in einem supraleitenden Magnet gemäß der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Fig. 9 bezeichnet die Bezugsziffer 113 einen rohrförmigen Grundkörper, der als schlecht wärmeleitender Grundkörper dient, der an der Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 befestigt ist. Der Grundkörper 113 weist an seiner Außenfläche eine Mehrzahl von Nuten 113a in seiner Umfangsrichtung auf. Die Bezugsziffer 114 bezeichnet ein ringförmiges Dichtungsmittel 114, das in der Nut 113a des Grundkörpers 113 angeordnet ist und den Zwischenraum zu dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 abdichtet. Das Dichtungsmittel 114 kann auch ein Kolbenring aus Teflon sein.

Bei der neunten Ausführungsform ist der Grundkörper 113 zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 angeordnet. Im Ergebnis kann eine Wärmekonvektion verhindert werden. Weiterhin verhindern die Dichtungsmittel 114 eine Axialströmung des Heliumgases in dem Spalt zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30. Im Ergebnis kann eine Beeinträchtigung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung verhindert werden.

Weiterhin ermöglicht die Anordnung der Dichtungsmittel 114 eine Streuung, die bei der Bearbeitung des Innen- und Außendurchmessers des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 und des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 auftritt. Daher kann die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 in den Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 eingesetzt werden. Im Ergebnis kann der Zusammenbau vereinfacht werden.

Zehnte Ausführungsform

Die zehnte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Während bei der neunten Ausführungsform der rohrförmige Grundkörper 113 aus einem Element besteht, ist der Grundkörper 113 bei der zehnten Ausführungsform unterteilt. In diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden.

Das Dichtungsmittel 114 ist nicht auf einen C-förmigen Querschnitt beschränkt. Das Dichtungsmittel 114 muß lediglich einen Dichtungseffekt zu dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung aufweisen. Weiterhin können eine U-Dichtung oder eine V-Dichtung verwendet werden, wie sie in den Fig. 11A bis 11C gezeigt sind.

Elfte Ausführungsform

Die elfte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 12 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Bereich einer Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in den supraleitenden Magnet gemäß der elften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

In Fig. 12 bezeichnet die Bezugsziffer 115 eine geneigte Fläche, die in der Einlaßöffnung des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung zum Einsetzen der Kühlvorrichtung 30 vorgesehen ist.

Da bei der elften Ausführungsform die geneigte Fläche 115 in der Einlaßöffnung des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 für das Einsetzen der Kühlvorrichtung 30 vorgesehen ist, verfängt sich schwammähnliche Material 103 nicht in der Einlaßöffnung der Kühlvorrichtung beim Einsetzen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30, in der das schwammähnliche Material 103, welches als Wärmeisolator dient, an der Außenfläche befestigt ist. Daher wird sie durch die geneigte Fläche geführt und kann weich eingesetzt werden. Im Ergebnis kann der Zusammenbau vereinfacht werden.

Zwölfte Ausführungsform

Die zwölfte Ausführungsform stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 13 ist eine Schnittansicht, die einen wesentlichen Bereich der Verbindung zwischen der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung in dem supraleitenden Magnet gemäß der zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Fig. 13 bezeichnet die Bezugsziffer 116 ein Rohr, das als Wärmeisolator dient und an der Außenfläche des Zylinders 40 der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung 30 befestigt ist. Das Rohr 116 hat einen Innendurchmesser, der mit dem Außendurchmesser des Zylinders 40 übereinstimmt, und einen Außendurchmesser, der mit dem Innendurchmesser des Zylinders 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 übereinstimmt. Weiterhin ist das Rohr 116 in der Axialrichtung der Kühlvorrichtung in zwei Bereiche unterteilt. Das Rohr 116 kann aus einem schlecht wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Phenol-Kunstharz oder einem Epoxid-Glas-Kunstharz bestehen.

Da bei der zwölften Ausführungsform das Rohr 116 in zwei Bereiche unterteilt ist, kann das Rohr 116 leicht befestigt werden. Im Ergebnis wird der Zusammenbau erleichtert.

Indem die Bearbeitungsgenauigkeit des Rohrs 116 verbessert wird, kann der Spalt zu dem Zylinder 51 zur Befestigung der Kühlvorrichtung 30 verringert und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden.

Obwohl der supraleitende Magnet gemäß jeder Ausführungsform so ausgebildet ist, daß er für ein Magnet-Resonanz-Diagnosegerät verwendbar ist, kann die vorliegende Erfindung auch für eine magnetische Levitationsstraße, ein Synchrotron-Strahlungs- oder ein Kristallziehgerät oder desgleichen verwendet werden.

Obwohl jede Ausführungsform so angeordnet ist, daß sie für die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung verwendbar ist, die im wesentlichen parallel zu der Axialrichtung der zylindrischen supraleitenden Spule angeordnet ist, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung für eine dreistufige regenerative Kühlvorrichtung verwendet werden, die horizontal in einer supraleitenden Spule angeordnet ist, welche eine Rennstreckenform aufweist.

Obwohl die vorliegende Erfindung für die dreistufige regenerative Kühlvorrichtung 30 verwendet wird, kann sie ebenso für eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmestufe verwendet werden, von der ein Bereich eine Kühlleistung hat, die in der Lage ist, flüssiges Helium wiederzuverflüssigen.

Die vorliegende Erfindung kann auch auf eine zweistufige regenerative Kühlvorrichtung eine vierstufige regenerative Kühlvorrichtung angewendet werden.

Da die vorliegende Erfindung wie zuvor beschrieben aufgebaut ist, können folgende Effekte erzielt werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so angeordnet ist, daß der schnurähnliche Wärmeisolator um die Außenfläche des Zylinders einer mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung herumgewickelt ist, kann der Wärmeisolator leicht gewunden und die Form und die Abmessungen zufriedenstellend frei bestimmt und eine Wärmeisolation an den Zwischenraum zwischen dem Zylinder der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung einfach angepaßt werden. Weiterhin ist der Wärmeisolator zwischen dem Zylinder der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingeschlossen, so daß die Wärmekonvektion des Niedrigtemperatur-Kühlmittels verhindert, Wärme effektiv isoliert und die Kühlleistung verbessert werden kann.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß der Wärmeisolator, der durch Einsacken des granulatförmigen wärmeisolierenden Materials gebildet wird, zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingeschlossen ist, verwirbelt das granulatförmige wärmeisolierende Material in dem Beutel, so daß der Wärmeisolator zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung ohne Spalt eingeschlossen werden kann. Im Ergebnis kann die Wärmekonvektion des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases verhindert und die Kosten des Wärmeisolators verringert werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß die Teilungsplatte zum Teilen der Strömung des Niedrigtemperätur-Kühlmittelgases in Axialrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann die Axialströmung des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases verhindert und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden. Im Ergebnis können Dimensionsstreuungen des Zylinders aufgrund von Bearbeitungsungenauigkeiten aufgenommen werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß die Teilungsplatte zum Teilen der Strömung des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in der Umfangsrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung zwischen der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung und dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann eine Strömung des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in Umfangsrichtung verhindert und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden. Weiterhin können Abmessungsabweichungen des Zylinders aufgrund von Bearbeitungsungenauigkeiten aufgenommen werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß der rohrförmige und schlecht wärmeleitende Grundkörper an der Außenfläche des Zylinders der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung befestigt ist, und ein Dichtungsmittel zum Abdichten des Zwischenraums zu der Innenfläche des Zylinders zur Befestigung der Kühlvorrichtung an dem schlecht wärmeleitenden Grundkörper befestigt ist, kann eine Strömung des Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases verhindert und die Wärmekonvektion eingeschränkt werden. Weiterhin können Abmessungsabweichungen des Zylinders aufgrund von Herstellungsungenauigkeiten aufgenommen werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß die Einlaßöffnung des Zylinders zur Befestigung der Kühlvorrichtung, durch die die Kühlvorrichtung eingesetzt wird, geneigt ist, kann der Wärmeisolator leicht eingesetzt und somit der Zusammenbau vereinfacht werden.

Da der supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet ist, daß der Wärmeisolator in dem Rohr ausgebidet ist, das in zwei Bereiche in der Axialrichtung unterteilt ist, kann der Wärmeisolator frei an der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung befestigt werden.

Dei Erfindung löst durch die Aufgabe, einen supraleitenden Magnet zu schaffen, dessen Größe durch Verkürzung der radialen Länge einer magnetischen Vorrichtung von dieser verringert und dessen Kühlleistung verbessert werden kann. Ein Ende eines Zylinders zur Befestigung einer Kühlvorrichtung ist einer Umgebung aus Heliumgas, das in einer Heliumkammer verdampft wird, zugewandt, und das andere Ende ist im wesentlichen horizontal an einer Vakuumkammer befestigt. Weiterhin ist eine dreistufige regenerative Kühlvorrichtung in dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingesetzt und befestigt. Ein Wärmeisolator wie beispielsweise ein Konvektionsverhinderungsrohr, das aus einem hohlen Teflon-Rohr hergestellt ist, ist um die Außenfläche jeder Stufe des Zylinders der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung herumgewunden. Das Konvektionsverhinderungsrohr ist in einem Spalt zwischen dem Zylinder zur Befestigung der Kühlvorrichtung und der dreistufigen regenerativen Kühlvorrichtung ohne einen Spalt eingeschlossen, so daß eine Wärmekonvektion des Heliumgases verhindert wird.

Claims

1. Supraleitender Magnet mit:
einer supraleitenden Spule (1);
einer Niedrigtemperatur-Kühlmittelkammer (2) für sehr niedrige Temperaturen, in der die supraleitende Spule (1) aufgenommen ist und die ein Kühlmittel für sehr niedrige Temperaturen zur Kühlung der supraleitenden Spule (1) ent hält;
einem Hitzeschild (5, 6), das die Niedrigtemperatur- Kühlmittelkammer (2) umgibt;
einer Vakuumkammer (4), die das Hitzeschild (5, 6) um gibt;
einem Zylinder (51) zur Befestigung einer Kühlvor richtung, dessen eines Ende einer Umgebung eines Niedrigtem peratur-Kühlmittelgases zugewandt ist, das in der Niedrig temperatur-Kühlmittelkammer (2) verdampft und dessen anderes Ende an der Vakuumkammer (4) befestigt ist; und
einer mehrstufigen regenerativen Kühlvorrichtung (30), die in den Zylinder (51) zur Befestigung der Kühlvorrichtung eingesetzt und in diesem befestigt ist und dazu dient, das Niedrigtemperatur-Kühlmittelgas, das dem Zylinder (51) zur Befestigung der Kühlvorrichtung zugeführt wird, in zumindest einem Bereich einer Wärmestufe (10, 11) wieder zu verflüs sigen;
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Zylinder (51) zur Befestigung der Kühlvor richtung und der Kühlvorrichtung (30) ein schnurähnlicher Wärmeisolator (102) vorgesehen ist.

2. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolator (100, 102, 105, 106) ein Wärmeisolator ist, der durch Einsacken granulatförmiger wärmeisolierender Materialien gebildet ist.

3. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolator eine Teilungsplatte zur Teilung eines Stroms eines Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in der Axialrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrich tung (30) ist.

4. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolator eine Teilungsplatte (109) zur Teilung ei nes Stroms eines Niedrigtemperatur-Kühlmittelgases in der Umfangsrichtung der mehrstufigen regenerativen Kühlvorrich tung (30) ist.

5. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Wärmeisolator ein schlecht wärmeleitender Grundkörper (113), der an der Außenfläche des Zylinders (51) zur Befesti gung der Kühlvorrichtung (30) angeordnet ist, und ein Dich tungsmittel (114), das an der Außenfläche des schlecht wärme leitenden Grundkörpers (113) vorgesehen ist, um einen Zwi schenraum zu der Innenfläche des Zylinders (51) zur Befesti gung der Kühlvorrichtung (30) abzudichten, gehören.

6. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlaßöffnung des Zylinders (51) zur Befestigung der Kühlvorrichtung (30), durch die die Kühlvorrichtung (30) ein gesetzt wird, geneigt ausgeführt ist.

7. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeisolator (100, 102, 105, 106) aus zwei rohrförmigen Elementen besteht, die durch Teilung in der Axialrichtung ge bildet sind.