冷却方法 【技术领域】
本发明涉及超导系统，更具体而言，涉及用于包含一个或多个超导线圈的超导系统的冷却系统和冷却方法。
背景技术
超导系统被用于许多应用中，包括例如转子、磁能储存设备、发电机、电动机和例如磁共振成像(MRI)等磁系统，或用于例如粒子加速器等粒子物理应用中的系统。本发明尽管并非排他但特别致力于一种超导磁系统。
目前提出各种用于冷却超导系统的线圈的方法。一些传统的超导线圈的冷却方法需要将线圈浸入到液态低温致冷剂中或“制冷剂”中。通常使用的制冷剂是液态氦。制冷剂从超导体吸收热量并蒸发，从而将超导体冷却。然而，需要将超导体浸入到制冷剂中具有某些缺点。例如，由于需要在超导体周围提供制冷剂容纳槽，可能导致装置体积庞大。由于所需要的制冷剂的量相对较大，通常制冷剂容纳槽必须为压力容器，从而能够承受因制冷剂在超导磁体失超时蒸发而产生的潜在高压。失超是在超导磁体脱离超导状态并进入有阻状态的情况下可能发生的现象。该失超现象可能导致能量从线圈以热的形式释放，致使环绕线圈的制冷剂蒸发。此外，预计例如液态氦等制冷剂在未来将会变得越来越稀缺，使得使用大量制冷剂的浸没系统更无法令人满意。
其它已知的冷却方法使用例如铜热联接体等热导体，以将热量从超导线圈传递到制冷器的工作流体，而不使用制冷剂作为传热介质。然而，这些系统同样具有某些缺点。例如，在导体的长度上可能发生显著的温度梯度，从而降低超导线圈的性能。当有可能必须使制冷器位于相距线圈较远距离处以减小线圈与制冷器的工作部件间的干扰时，该问题可能致使这种系统不适于与例如磁体等大型线圈共同使用。
申请人已经意识到需要为超导系统提供一种改进的冷却方法。
【发明内容】
根据本发明提供了一种超导系统，该超导系统包括：
至少一个超导线圈，和
制冷剂室，其位于所述超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂；
其中所述系统进一步包括热传导构件，该热传导构件被设置为在使用中便于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室，以将容纳于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述热导性构件在低温温度下具有高热导性；
并且其中所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，由此在使用中汽化的制冷剂可以从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
因此，根据本发明，制冷剂室被提供在超导线圈附近。在使用中位于室中的液态制冷剂可以吸收从超导线圈传输到液态制冷剂的热量并被该从超导线圈传输到液态制冷剂的热量汽化从而将线圈冷却。高热导性构件被特别提供以在使用中便于热量从超导线圈传递到制冷剂室以将位于制冷剂室中的制冷剂汽化。由此，本发明使用热传导路径以在使用中将热量从超导线圈传递到位于邻近线圈的制冷剂室中的制冷剂。制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，例如被连接到制冷剂再凝结单元，从而在使用中位于室中且被来自超导线圈的热量汽化的制冷剂可以流动到制冷剂再凝结单元，以在返回到室之前被再凝结。然后再凝结的制冷剂可以被再一次汽化以开始新的循环。
这样，本发明提供了用于系统的超导线圈或多个超导线圈的冷却系统，在该冷却系统中热量以两个步骤过程被从线圈或多个线圈引出。首先，热量通过热传导经过相对短的距离被传输到附近的制冷剂室，以将在使用中存在于室中的制冷剂汽化。在第二阶段中，汽化的制冷剂担任传热介质以将热量从超导线圈附近移除，从制冷剂室移动到再凝结单元。
已经发现两种不同传热机理的组合，即仅在冷却过程的后一个阶段中使用汽化状态的制冷剂作为传热介质以将热量例如经过较长的范围传送到再凝结单元，通过热传导利用特定的高热导性构件将热量最初从线圈传输到制冷剂，即经过较短的范围，是特别有利的，使本发明能够解决与依靠将线圈浸没到氦槽中的现有技术装置和依靠使用热导体而非制冷剂来将热量经过相当长的距离直接传输到例如制冷器等热泵的工作流体的现有技术装置相关联的问题。
与浸没型装置相比，本发明允许使用的制冷剂的量显著更少，并且与现有技术的制冷剂槽相比相应地减小了需要得到的制冷剂室的大小。这是由于存在致力于便于将热量从线圈传输到制冷剂室的内部以将制冷剂汽化的热传导构件和用于将汽化的制冷剂再凝结的再凝结单元。高热导性构件的存在允许线圈的温度被保持为接近液态制冷剂的温度，而不需要在制冷剂槽中提供大量地制冷剂在线圈附近以担任冷冻贮藏器。根据发明，将线圈浸没到制冷剂中被替代为将线圈与设置为将热量传输到制冷剂室的高热导性构件热接触。由于根据本发明可以存在较少量的制冷剂，在线圈失超的过程中可能发生的潜在压力被减小，为制冷剂室的结构提供更大的灵活性，制冷剂室的结构无需如同传统制冷剂槽被设计为承受高压。此外，通过制冷剂室的大小相对于传统制冷剂槽减小，并提供高热导性构件以将热量传送到室，由于制冷剂无需直接与线圈接触，从而为整个系统的结构例如其大小和构造提供了更大的灵活性。
由于制冷剂室位于超导线圈附近，在使用中热量通过热传导被传输所必须经过的距离相对较小，从而减小所需的热导性材料的量，并避免了与当热量被传输经过较长的范围例如热量被使用热联接件而直接传输到再凝结单元的制冷器时可能发生的热损失和温度梯度相关联的问题。根据本发明，在使用中热量仅需要通过传导被传输到附近的制冷剂室以将制冷剂汽化，然后汽化的制冷剂被用于将热量从线圈附近带走并根据需要例如被输送到制冷器。由于通过使用汽化的制冷剂将热量传送经过给定距离所需要设备的质量和大小比使用例如铜等固体热联接体来传送相应量的热量所需的设备的质量和大小小得多，所以在通到再凝结单元的较长的范围上使用汽化的制冷剂作为传热介质可以允许热量被方便地传递经过相对较长的距离。这使得再凝结单元能够与现有技术的装置所允许的相比位于相距制冷剂室更远距离处，而不会将冷却系统的效率降低到不利的等级。通过去除线圈可以相对于再凝结单元之间的距离的约束，由于再凝结单元可以位于相距线圈的距离足够远处以避免不可接受的再凝结单元的操作被线圈干扰，本发明可以允许使用较大的超导线圈。此外，发现使用制冷剂来将热量传送到再凝结单元能够在线圈与再凝结单元之间获得更佳的振动隔绝，再凝结单元可以包括发动机和其它运动部件。
应该理解的是，本文中凡是提到热导性，除非另有声明，是指在低温温度下的热导性。低温温度可以被认为是低于100K的温度，因此，高热导性构件是在低于100K的低温温度下具有高热导性。在典型的实施例中，系统操作所处于的低温温度可以低于40K。
本发明延伸到一种提供根据本发明的任何方面和实施例的用于冷却超导线圈的系统的方法，和使用根据本发明的任何方面和实施例的系统来冷却超导线圈的方法。
根据本发明的第二方面提供了一种冷却超导线圈的方法，该方法包括：
提供超导系统，该超导系统包括至少一个超导线圈和制冷剂室，该制冷剂室位于所述至少一个超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂，所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，
该方法进一步包括提供热传导构件，该热传导构件被设置为在使用中便于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室以将容纳于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述至少一个线圈移除，其中所述热导性构件在低温温度下具有高热导性；
该方法进一步包括在所述制冷剂室中提供制冷剂，并启动所述至少一个超导线圈，由此通过所述高热导性构件热量从所述超导线圈被传导到所述制冷剂室以将该制冷剂室中的所述制冷剂汽化，并从而将热量从所述至少一个线圈移除，汽化的制冷剂流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述室之前被再凝结。
根据本发明的第三方面提供了一种提供用于冷却超导线圈的系统的方法，该方法包括：
提供超导线圈；
提供制冷剂室，该制冷剂室位于所述超导线圈附近，用于在使用中容纳制冷剂，将所述制冷剂室设置为与制冷剂再凝结单元流体连通；和
将在低温温度下具有高热导性的热导性构件设置为使得其可以在使用中便于热量从所述超导线圈传递到所述制冷剂室以将包含于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述线圈移除，其中汽化的制冷剂然后可以流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
本发明在这些进一步的方面中可以包含关于本发明的第一方面所描述的任何或所有特征。
尽管本发明根据其任何的方面和实施例能够应用于包括需要被冷却的超导线圈的任何超导系统，优选超导系统为超导磁系统，并且优选超导磁线圈被设置为当电流流过其绕组时提供磁场。
本发明可以被应用于高温或低温系统。然而，本发明特别能够应用于所谓“低温”超导系统。在这些系统中，系统的超导线圈必须在临界温度或临界温度以下来操作，以能够实现和/或保持超导性。这些低温超导体的临界温度在低温等级(cryogenic order)中，典型地，例如，低于20K。例如，通常使用在低温超导系统中的超导材料铌钛(NbTi)和铌锡(Nb3Sn)，具有的超导转变温度分别为10.1K和18.5K。为了提供充分的超导性能，包括这些材料的超导体必须被冷却到远在这些临界转变温度之下，例如以允许超强磁体的超导线圈能够在存在高磁场的情况下携带大电流。
虽然本发明关于一个超导线圈进行了详细描述，应该理解的是，系统可以包括任何数目的线圈，如果没有明确声明，凡是提到“线圈”应该被理解为指代“至少一个线圈”，而在存在多个线圈的情况下，“线圈”可以为每个线圈或某个线圈。第二线圈或任何进一步的线圈可以与第一线圈具有相同结构，并且可以包含关于第一线圈所描述的任何或所有特征。
根据系统所针对的应用，至少一个超导线圈可以具有任何大小和构造。线圈可以具有规则或不规则形状。在一些实施例中，超导线圈为环形。线圈可以为部分或整个环形形状。
线圈或多个线圈可以由在较低的例如低温温度下超导的任何合适的材料形成。优选至少一个线圈由铌钛和/或铌锡构成。线圈可以包括例如套筒或护套形式的外壳，用于保护限定绕组的细丝，或者细丝可以被暴露。
根据本发明，当在使用中时，热量通过传导在位于制冷剂室中的制冷剂与超导线圈之间利用高热导性构件传递。在低温温度下具有合适的高水平的热导率的任何材料均可被用于提供高热导性构件，而合适材料的例子在本领域中是已知的。假如任何复合物展现出高水平的热导率，则高热导性构件可以由一种或多种不同材料构成，该一种或多种不同材料可以具有相同或不同的热导率。优选高热导性构件由金属构成或组成。例如，高热导性构件可以由铝构成。然而，在特别优选的实施例中高热导性构件由铜构成或组成。
高热导性构件典型地与在传统超强磁体系统中惯常用于提供结构部件的材料相比具有更高的热导率。上述材料典型地在低温温度下具有小于10W/m/K的较低的热导率，并且包括例如不锈钢、铝合金或玻璃增强聚酯等材料。因此高热导性构件相对于不锈钢具有较高的热导率。
优选高热导性元件在低温温度下具有的热导率在大于100W/m/K的范围中，并且更优选大于200W/m/K。如上所述，本文中所提及的低温温度指代低于100K的温度。因此，热导性构件应该能够在该整个温度范围内，即在任何低于100K的温度下，展现上述范围中的热导率。实际上，可能遇到的最低温度大约为4K。在典型的实施例中，系统可以在4K与50K之间的温度下操作，并且高热导性构件在整个该范围内展现出上述热导率。本文中所描述的例如关于系统的其它部件的任何其它热导率的范围，应该被相似地认为针对于低于100K的温度。
优选高热导性构件在室温下所具有的热导率在大于100W/m/K的范围中。
热导性构件可以具有任何形式并且可以被以任何方式来设置，用于在使用中便于热量通过热传导在线圈与位于制冷剂室中的制冷剂之间传递。例如，热导性构件可以包括一个或多个热导性连接体和/或一层或多层热导性层。
热导性构件可以在至少一个线圈与制冷剂室的内部之间的整个距离上延伸。这样，热导性构件可以在线圈表面与制冷剂室的内部之间提供直接的热传导路径，以能够在使用中直接接触位于室中的制冷剂。优选热导性构件被设置为在使用中在其一端处直接接触线圈的表面，并且在其另一端处直接接触位于制冷剂室中的制冷剂。热导性构件可以沿着线圈与制冷剂室之间的任何合适的路径或多条路径延伸，并且可以延伸通过或围绕任何中间层。
热导性构件可以被设置为将热量在线圈与制冷剂室之间仅在线圈表面区域的选定的点或几个点处，或者在连续或间断的区域形式的多个点处传输。在一些实施例中，热导性构件可以被设置为从线圈的不同部分收集热量并将热量输送到制冷剂室。如此，热导性构件可以将热量从不直接或间接与制冷剂室相邻的线圈的部分输送到在使用中位于室中的制冷剂，或至少输送到其容纳制冷剂的部分。
应该理解的是，实际上，本发明将提供在邻近线圈设置的制冷剂槽中的用于浸没线圈的制冷剂替换为接触线圈以将热量从线圈移除并传递到制冷剂的热传导构件，从而为制冷剂室相对于线圈的位置和大小提供更大的灵活性。线圈与热导性构件之间的接触面积越大，热量可以从线圈引出的效率越高。
在优选的实施例中，热传导构件与线圈的表面区域的大部分相接触。在实施例中，热导性构件围绕线圈的圆周的至少部分延伸。这样，热量可以被直接从线圈的较大部分引出以提高冷却率。热导性构件优选被设置为接触线圈表面的至少25％、更优选至少50％并且最优选至少75％。热导性构件可以至少部分地环绕线圈。在这些实施例中，热传导构件可以接触线圈的径向外表面。热导性构件优选被设置为接触围绕线圈圆周的至少25％、更优选至少50％并且最优选至少75％延伸的线圈的区域。
假设热导性被设置为以某些方式来便于热量被传递到室的内部，则热导性构件相对于制冷剂室的内表面延伸的程度并不是关键的。热导性构件可以，例如仅在一点处接触室的内部。由于本发明允许制冷剂室的大小和存在的制冷剂的体积相对于依靠将线圈或多个线圈浸没在制冷剂中的现有技术装置能够被显著减小，热量可以跟容易地被传递到制冷剂室的有限区域内的任何制冷剂。相对于制冷剂室设置热导性构件的方式可以依据例如在使用中制冷剂室的大小、制冷剂室与线圈之间的距离和位于室中的制冷剂的量等因素来适当选择，以实线期望水平的热传递。热传导构件可以穿透制冷剂室的壁，或者在一些实施例中，设想热传导构件可以至少部分地限定制冷剂室的壁。
在一些实施例中，热导性构件可以被设置为将热量从制冷剂室的一个部分分布到另一个部分。因此，热导性构件可以被设置为其可以将热量从在使用在容纳制冷剂的制冷剂室的部分传导到不容纳制冷剂的制冷剂室的部分。在一些实施例中，上述区域是围绕室的周界例如圆周的不同区域。在一些实施例中，热导性构件可以在一个或多个点处接触制冷剂室的内表面，该一个或多个点可以以与如上所述的热传导构件被设置为相对于线圈延伸的方式相近似的方式在制冷剂室的连续或间断的区域上延伸。在一些实施例中，热导性构件可以围绕制冷剂室的周界或圆周延伸。
在一些实施例中，无需制冷剂室或至少被填充有制冷剂的制冷剂室的一部分与线圈同等延伸，热量仍然可以在使用中被传输到设置在制冷剂室中的制冷剂，从而允许与现有技术的浸没型系统相比能够进一步获得制冷剂室的大小和所需制冷剂的量的减小。然而，由于根据本发明可以使用的制冷剂室的大小相对较小，并且制冷剂室邻近线圈，因此无需沿着这些线路提供任何热分布装置。
在使用中，汽化的制冷剂通过扩散移动到再凝结单元。因此，在制冷剂的汽化与再凝结的循环中的不同阶段，随着制冷剂从邻近线圈的区域移动到再凝结单元并再返回，制冷剂室可能包括液态制冷剂与汽化制冷剂的混合物。
制冷剂室可以以确保当在使用中制冷剂位于室内时热量可以被从线圈通过高热导性构件传输到制冷剂的任何方式来提供。制冷剂室位于超导线圈附近。换而言之，制冷剂靠近线圈，并且可以与线圈相邻。例如，室可以直接与线圈相邻，或通过一个或多个中间层与线圈相分隔。制冷剂室被设置为在使用中位于室中的制冷剂不与线圈直接接触。换而言之，线圈不是被完全或部分地浸没在液态制冷剂中。
由于高热导性构件将热量传送到制冷剂室的内部，制冷剂室的壁可以在低温温度下具有较低的热导率，例如小于10W/m/K。然而，设想在一些实施例中热导性构件可以形成制冷剂室的壁。
应该理解的是，由于本发明的实施例仅需要包含相对少量的制冷剂，制冷剂室的尺寸可以相对较小，从而允许与将线圈完全或部分地浸没在制冷剂槽中的传统系统相比能够获得更为紧凑的装置。制冷剂可以被限制在由制冷剂室的位置所限定的围绕线圈的有限区域。这能够使得超导线圈和系统的其它部件显著地比传统系统所允许的更小更便宜。此外，由于使用的制冷剂的量相对较小，系统可以更为经济地运行，并且制冷剂消耗的减少可以有利地降低对未来可能将更加稀缺的已经消耗殆尽的例如液氦等制冷剂的供给的需求。
虽然与传统装置相比，本发明允许存在的制冷剂的量显著减小，可能期望使用大于所需的制冷剂的体积以为系统提供在冷却器(cooler)失效时依然能继续工作的能力。本发明可以被应用于具有体积范围泛宽的制冷剂室的系统，例如从1升到500升，或者，在一些实施例中，从2升到100升。
在一些实施例中，制冷剂室至少部分地环绕超导线圈。制冷剂室可以或可以不完全环绕线圈。在实施例中，制冷剂室周向地环绕线圈。在实施例中，制冷剂室围绕线圈的圆周的至少50％并且更优选至少75％延伸。在实施例中，制冷剂室为环形。制冷剂室优选不与线圈同等延伸(coextensive)。在优选的实施例中，线圈具有与制冷剂室邻近的区域，也有不与制冷剂室邻近的区域。例如，制冷剂室不需要在线圈的整个外表面区域上延伸。
应该理解的是，在存在有多于一个线圈的实施例中，可以提供一个或多个制冷剂室与系统的每个超导线圈相关联，或者一个制冷剂室可以与多于一个线圈相关联。
根据本发明，一旦热量从线圈被传递到室中的制冷剂，热量通过制冷剂来被传输经过到达再凝结单元的全部剩余距离。这与一些现有技术系统不同，在这些现有技术系统中固体热导体将热量直接传输到再凝结单元的工作流体，而非传输到汽化以担任传热介质的液态制冷剂。
制冷剂室以允许液态或汽化的制冷剂在使用中能够在制冷剂室与再凝结单元之间移动的方式被连接到再凝结单元。优选制冷剂室使用管道来连接到再凝结单元，即中空管道，汽化的制冷剂可以流动通过该中空管道。管道应该由在低温温度下具有低热导率的材料形成，并优选具有小于10W/m/K的热导率。制冷剂室优选包括通向管道的出口。连接管道优选为刚性管。
优选管道延伸经过制冷剂室出口与再凝结构件即其制冷剂接触部件之间的整个距离。应该理解的是，在存在多个线圈的情况下，再凝结单元可以与一个或多个线圈相关联，并且可以具有与各个线圈相关联的一个或多个再凝结单元。
连接管道可以具有任何合适的长度。在超导线圈为由超导磁体构成的超导磁线圈的优选的实施例中，再凝结单元应该位于相距超导线圈充分距离处，以减小再凝结单元的操作受到与线圈相关联的磁场干扰的危险。典型地，超导线圈越大，与线圈相关联的杂散磁场越大，并且可能需要使再凝结单元进一步远离超导线圈。根据本发明，按照需要再凝结单元可以位于距离线圈大约1m或更远距离处。从而允许再凝结单元的制冷器位于受到线圈干扰的区域之外。在使用热导体来将热量输送经过从线圈到再凝结单元的整个距离的传统装置中，将热量输送经过相应距离所需的固体热导体的大小和质量将过大。
系统优选被设置为允许再凝结的制冷剂在重力的影响下返回到制冷剂室。在优选的实施例中，再凝结单元因此被设置为在使用中位于制冷剂室的水平高度之上，以允许再凝结的制冷剂在重力的影响下，例如通过向下滴回到制冷剂室中返回到制冷剂室。
再凝结单元可以具有任何合适的结构。再凝结单元优选包括制冷器。制冷器在本低温超导性领域中是周知的器件，并且是使用气体作为工作流体以将热量从一个或多个冷却阶段(cold stages)传递到室温的往复式热发动机(reciprocating heat engine)。由此再凝结单元优选包括工作流体。制冷器可以具有为给定应用提供所需水平的制冷剂冷却的任何合适的结构。例如，比如具有大型磁体的大型线圈，将需要较大水平的冷却能。再凝结单元优选包括至少一个冷却指(cooling finger)，在使用中利用该冷却指制冷剂可以再凝结。
本发明延伸到包含制冷剂的根据本发明的任何方面或实施例的系统。制冷剂优选为液氦。
在制冷剂室包含制冷剂的实施例中，优选制冷剂室的至少一部分不包含液态制冷剂，而方法包括初始仅将制冷剂室部分地填充有制冷剂。在优选的实施例中，制冷剂室初始被填充液态制冷剂至低于室的高度的50％的水平。该水平是在装置使用之前并且在任何制冷剂汽化之前的水平。在这些实施例中，根据需要，通过热导性构件的适当的结构，热量依然可以从线圈或制冷剂室的不邻近制冷剂的区域传递，以使得制冷剂室的整个或大部分能够参与到冷却中。
在优选的实施例中，本发明可以提供可旋转的系统，在该可旋转的系统中即使当线圈旋转时线圈的冷却仍然可以进行。优选线圈，(及其制冷剂室)，可以沿着任一个方向旋转到90度，而不会妨碍线圈的冷却。这可以通过提供至少部分地环绕线圈的制冷剂室并且在使用中仅将室部分地填充有制冷剂使得当线圈旋转时制冷剂仍然可以环绕线圈圆周的至少一部分来实现。于是线圈和制冷剂室的倾斜只不过可以导致制冷剂围绕线圈流动以再次找到其自己的水平(find its own level)。这些实施例尤其能够应用于环形线圈，在这些实施例中制冷剂室至少部分地环绕线圈。在一些实施例中制冷剂室优选为周向弯曲的。在汽化的制冷剂以在重力作用下的方式返回到制冷剂室的这些优选实施例中，可旋转的水平可以最终仅由汽化的制冷剂在重力作用下返回到室中的能力所约束。
应该理解的是，本发明的系统包括作为系统的一部分的制冷剂回路，制冷剂在其汽化和优选地再凝结的循环过程中可以流动通过该制冷剂回路。该回路包括制冷剂室、再凝结单元和任何连接管道或多个连接管道。
在本发明的一些实施例中，制冷剂回路被密封，使得固定量的制冷剂将存在于系统的整个操作中，例如降温、升温或失超。在一些实施例中，密封的回路可以包含膨胀容器，用于容纳制冷工作物质(cryogenic working substance)在例如室温的较高温度下所增加的体积。在其它可替代的实施例中，密封回路可以具有恒定的容积，并被设计为承受制冷物质(cryogenic substance)在例如室温的较高温度下的额外压力。
如上所述，本发明免去了围绕线圈设置制冷剂槽的需要。本发明允许超导线圈被安装在室温真空容器中，优选通过一个或两个辐射屏蔽和一些绝缘件与环形相分隔。应该理解的是，真空容器不需要能够承受当线圈失超时可能发生的较大过压。这是由于在线圈失超的情况下可能会引起沸腾的存在于系统中的制冷剂的量相对较低，不足以需要使用压力容器，与使用制冷剂的传统装置例如液氦槽不同。如果在失超的过程中任何制冷剂以蒸汽的形式被减少，其可以被安全地释放到环境中，或被收集并再凝结以重复利用。在优选的实施例中，线圈或各个线圈被安装在真空容器中，优选在室温真空容器中。真空容器优选提供系统的最外层。一个或多个辐射屏蔽优选位于线圈或各个线圈的外侧，优选在真空容器与线圈之间。优选一个或多个绝缘层位于(最外面的)辐射屏蔽与真空容器壁之间。
由于高热导性构件被提供以便于热量在当使用时位于制冷剂室中的制冷剂与超导线圈之间传递，并且由于使用包含在使用中被再凝结的相对少量的制冷剂的小型制冷剂室，本发明提供了与包含传统制冷剂槽的现有技术装置可以提供的相比更为紧凑的装置，并且通过去除将线圈浸没在制冷剂槽中的需要，为系统的设计提供了更大的自由度。例如，制冷剂室可以位于相距线圈较短距离处以便于制造，或者为给定构造的线圈提高线圈支撑和压力管理(stressmanagement)，并且可以为线圈选择材料，和不需要必须适于浸没在液氦中的其它环绕部件。
系统可以进一步包括用于支撑线圈的支撑构件。由于热导性构件的存在，可以将热导性较差的或没有热导性的层设置在制冷剂室与超导线圈之间，而不会损害制冷剂在使用中冷却线圈的能力，因为热量通过热导性构件仍然可以被传输到制冷剂。在一些实施例中，支撑体因此可以位于线圈与制冷剂室之间，优选在其径向外侧。在一些实施例中，支撑构件被提供在线圈的外侧，并可以至少部分地周向环绕线圈或多个线圈。在本发明的这些实施例中，发现超导线圈与惯常卷绕在内部线圈架上且被位于直接与线圈相邻并在线圈外侧的例如氦槽中的制冷剂冷却的线圈相比可以在更加极端的条件中操作。
在一些实施例中可以能够去除对任何线圈的内部支撑的需要。使用外部支撑可以将线圈内可利用的空间最大化，并减小在通向线圈的内部的区域中的线圈的衰减效应，从而允许线圈的大小减小。例如，与依靠使用内部支撑的装置相比使用直径更小的线圈可以获得相似的磁场，从而允许将设备制造地更加紧凑。
在包括支撑构件的实施例中，无论相对于线圈位于内部或是外部，支撑构件可以由任何合适的材料或多种材料制成或构成，以根据线圈的例如大小和构造为线圈提供所需程度的支撑，并且无论是否存在有任何辅助支撑。支撑构件优选由与高热导性构件不同的材料构成或形成。支撑构件优选在低温温度下具有低热导率，优选在小于10W/m/K的范围中。优选支撑体在低温温度下具有比高热导性构件更低的热导率。在一些实施例中，支撑体为不锈钢支撑体。在制冷剂室环绕支撑构件的实施例中，制冷剂室仅在支撑构件的外表面的选定的部分上延伸，即在使用中支撑构件有不邻近制冷剂室的区域。优选制冷剂室覆盖的表面区域小于支撑构件的最外表面的区域。其上延伸有制冷剂室的支撑构件的部分对应于其上延伸有制冷剂室的线圈的部分。
在一些实施例中，支撑构件限定制冷剂室的至少一部分。例如，至少制冷剂室的内壁可以由支撑构件提供。在实施例中，支撑构件包括位于其中的空腔，该空腔限定制冷剂室的至少一部分。在一些实施例中，空腔为开放的空腔，并且最优选其形式为限定在支撑体的外表面中的通道。在这些实施例中，支撑构件可以在其外表面中限定至少一个制冷剂接纳通道。该通道可以为周向延伸通道。而且通道可以围绕支撑体的整个圆周或仅其一部分延伸。
根据本发明的进一步的方面，提供了一种超导系统，包括：
至少一个超导线圈；
制冷剂室，其位于所述超导线圈附近，用于在使用中包含制冷剂；和
一个或多个热导体，该一个或多个热导体被设置为在使用中便于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室以将包含于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述一个或多个热导体在低温温度下具有高热导性；
其中所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，由此在使用中汽化的制冷剂可以从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
根据本发明的该进一步的方面，各个所述一个或多个热导体优选在低温温度下具有至少200W/m/K的热导率。所述一个或多个热导体优选由铜形成。所述一个或多个热导体可以被设置为在所述超导线圈的表面与所述制冷剂室的内部之间提供直接的热传导路径。所述一个或多个热导体可以被设置为其可以将热量从在使用中不包含制冷剂的所述制冷剂室的部分传导到在使用中包含所述制冷剂的所述制冷剂室的部分。所述制冷剂室可以至少部分地周向环绕所述线圈。所述一个或多个热导体可以被设置为在使用中将热量从没有被所述制冷剂室环绕的所述线圈的部分传导到所述制冷剂室。
所述系统可以被设置使得再凝结的制冷剂可以在重力的影响下返回到所述制冷剂室。所述超导系统可以为超导磁系统，所述超导线圈被设置为当电流通过该超导线圈时产生磁场。
在实施例中，所述系统可以进一步包括用于支撑所述线圈的支撑构件，其中所述支撑构件位于所述超导线圈与所述制冷剂室之间。所述支撑构件可以至少部分地环绕所述线圈。所述支撑构件在低温温度下具有的热导率小于10W/m/K。所述一个或多个热导体可以比所述支撑构件具有更高的热导率。
所述系统可以进一步在所述制冷剂室中包括制冷剂。所述室包含液态制冷剂，该液态制冷剂将所述制冷剂室填充至低于所述室的高度的50％的水平。
根据进一步的方面，本发明可以提供一种冷却超导线圈的方法，该方法包括：
提供超导系统，该超导系统包括至少一个超导线圈和制冷剂室，该制冷剂室位于所述至少一个超导线圈附近，用于在使用中包含制冷剂，所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通；
提供一个或多个热导体，该一个或多个热导体被设置为在使用中便于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室以将包含于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述至少一个线圈移除，其中所述一个或多个热导体在低温温度下具有高热导性；
在所述制冷剂室中提供制冷剂，并启动所述至少一个超导线圈，由此通过所述一个或多个热导体热量从所述超导线圈被传导到所述制冷剂室以将该制冷剂室中的所述制冷剂汽化，并从而将热量从所述至少一个线圈移除，汽化的制冷剂流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
根据本发明的又一个方面，本发明可以提供一种提供用于冷却超导线圈的系统的方法，该方法包括：
提供超导线圈；
提供制冷剂室，该制冷剂室位于所述超导线圈附近，用于在使用中包含制冷剂，将所述制冷剂室设置为与制冷剂再凝结单元流体连通；和
将在低温温度下具有高热导性的一个或多个热导体设置为使得其可以在使用中便于热量从所述超导线圈传递到所述制冷剂室以将包含于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述线圈移除，其中汽化的制冷剂然后可以流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
根据又一个实施例，本发明可以提供一种使用如下所述的系统来冷却超导线圈的方法，该系统包括至少一个超导线圈；制冷剂室，其位于所述超导线圈附近，用于在使用中包含制冷剂；和一个或多个热导体，该一个或多个热导体被设置为在使用中便于热量从所述至少一个超导线圈传递到所述制冷剂室以将包含于该制冷剂室中的制冷剂汽化并从而将热量从所述至少一个线圈移除，所述一个或多个热导体在低温温度下具有高热导性，其中所述制冷剂室与制冷剂再凝结单元流体连通，由此在使用中汽化的制冷剂可以从所述制冷剂室流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结，该方法包括在所述制冷剂室中提供制冷剂，并启动所述超导线圈，由此通过所述一个或多个高热导性导体热量从所述超导线圈被传导到所述制冷剂室以将该制冷剂室中的所述制冷剂汽化，并从而将热量从所述线圈移除，汽化的制冷剂流动到所述制冷剂再凝结单元以在返回到所述制冷剂室之前被再凝结。
【附图说明】
下面将参照附图仅通过示例的方式对本发明的一些优选实施例进行描述，其中附图包括：
图1为沿着包括本发明的冷却系统的超导磁系统的纵向轴线在竖直方向上截取的纵向剖视图，并且该视图对应于沿着图3的1-1线的截面；
图2为从系统的一端沿着图1的2-2线在竖直方向上截取的横向剖视图；
图3表示图1和图2中展示的系统的示意透视图，指示了位于系统两端的线圈的相互关系以及它们各自的再凝结单元，为了清晰图中忽略了一些细节；
图4示意性地表示了可以将根据本发明的线圈和支撑体容纳在真空容器中而不需要提供氦槽的方法；和
图5为与图4相对应展示将氦槽增加到系统的效果的视图。
【具体实施方式】
以下将参照图1至图3对本发明的优选实施例进行描述。系统为超导磁系统。系统大体上为环形形状，并限定沿纵向轴线的长度L，和限定在垂直于纵向轴线的径向方向上的直径R。系统包括第一和第二超导线圈3、3”，该第一和第二超导线圈3、3”为环形形状，且在相反的轴线端部处被安装在公共支撑体12的内表面上。线圈被设置以当使用中电流通过线圈的绕组时提供磁场。支撑体12为圆柱体套筒的形式。
应该理解的是，在第二超导线圈3’的区域中的系统结构与位于另一端的线圈即第一超导线圈3的区域中的系统结构相同，因此以下将关于第一线圈3和与第一线圈3相关联冷却系统对本发明进行详细描述。系统的与第二超导线圈3’相关的对应部件被标识有相同的附图标记，但是还注释有上标符号(“’”)。为了简洁，仅对与第二超导线圈3’有关的系统的主要特征进行了标示。
线圈3为铌钛或铌锡低温超导线圈，这些材料仅在临界温度以下表现为超导体。对铌钛和铌锡而言，超导转变温度分别为10.1K和18.5K。为了提供良好的性能，并能够在存在高磁场时具有较大的电流密度，由这些材料制造的超导线圈必须被冷却到远低于超导转变温度以下。如本领域中已知的那样，超导线圈可以包括环绕线圈的细丝的保护屏蔽。超导线圈不被卷绕在任何心轴上，而仅被位于线圈的径向外侧的支撑体12支撑。空腔4被限定在环形线圈3的中心处。应该理解的是，本发明可适用于在超导应用中使用的任何其它类型的线圈，形状规则或不规则的线圈，例如，用于诸如星温磁缩熔合器(stellerators)、粒子加速器、托卡马克(tokamaks)等应用中的双极、四极、六极、D形线圈或其它线圈。
支撑体12包括径向最内表面13和径向外表面15。第一超导线圈3被安装在围绕支撑构件12的内表面13周向延伸的空腔中。第一超导线圈3包括径向内表面5和与支撑体的内表面13相接触的径向最外表面7。超导线圈还限定连接内表面5与外表面7的第一和第二表面9和11。支撑体12由在低温温度(cryogenic temperature)下具有低热导率的高强度材料形成，例如不锈钢。不锈钢在低温温度下具有约0.2W/m/K的热导率。支撑体12也是环形形状的。
图2更加清楚地展示了支撑体12如何周向地环绕线圈3的整个周界。
制冷剂室17由支撑体12部分限定。制冷剂室17被布置在支撑体12的径向外侧。凹进通道30被设置在支撑体12的外表面15中。凹进通道30被支撑体12从超导线圈的外表面径向间隔开。通道30限定内壁19和轴向间隔侧壁21。
围绕支撑体12周向延伸的盖板23在通道30的任一侧处被焊接到支撑体12的外表面，以封闭通道并限定制冷剂接收室17。
图2更加清楚地展示了通道30在与超导线圈3的位置相对应的区域中围绕支撑体12周向延伸。在使用中，如图1和图2中室17的阴影部分所表示的，室被填充有一定量的制冷剂，例如液氦。室围绕线圈和支撑体的圆周完全延伸，除了位于到达通向再凝结单元33的管道31的出口的底部处的区域。这样，围绕支撑体12和超导线圈3周向延伸的封闭室17被提供，封闭室17并非与超导线圈直接热接触，而是被低热导率支撑体12的一部分从超导线圈间隔开。
由于支撑体12具有低热导率，或者可以根本不展现任何导热特性，为了在超导线圈与制冷剂室17的内部形状之间提供导热路径，高热导性构件25被提供。高热导性构件25为铜连接体的形式，其被焊接在超导线圈3的内表面5的一端(见图1)。铜热导构件在低温温度下具有的热导率大约为至少20W/m/K。这明显大于在超导系统的结构部件的结构中惯常所使用的例如不锈钢、铝合金或玻璃增强聚酯等材料的热导率，不锈钢、铝合金或玻璃增强聚酯在低温温度下具有的热导率分别为0.2W/m/K、2W/m/K和0.01W/m/K。
导热构件25围绕超导线圈3和支撑体12的边缘延伸，其另一端终结在塞27中。塞27穿透盖板23并具有焊接到其最内面对表面的接触板29。接触板29在制冷剂室17内被联接到盖板23的内表面。如此，接触板29限定室17的内表面的一部分。高热导性构件25、塞27和接触板29均由高热导性材料形成，例如铜。塞27可以被电子束焊接到盖板29。导热构件具有比支撑体12更高的热导率。
从图2中可以更为清楚地看到，热导性构件25围绕制冷剂室17的整个外圆周延伸，被设置在制冷剂室17的径向外侧，带有穿透盖板并在周向分隔的点处限定室的外壁的塞27。设置在制冷剂室内侧的内接触板29围绕制冷剂室的内部的整个内圆周延伸。如此，热量可以从线圈的任何部分传输到制冷剂室内部的任何部分，并且热导性构件可以将热量从制冷剂室的邻近线圈的一部分的部分分布到制冷剂室的邻近线圈的另一部分的部分。实际上，尽管如图2中所示制冷剂仅位于制冷剂室的下部中，热量可以从与制冷剂室的被填充有制冷剂的部分不相邻的线圈的上方区域中的部分传输到室的下部，从而被制冷剂吸收以使制冷剂被热导性构件汽化。室可以例如被填充液态制冷剂到达室的高度的约50％的水平。
在系统的上方区域中，管道31在其底部开通到制冷剂室中，并通向再凝结单元33。管道在其下端具有出口，该出口通向制冷剂室中以允许当制冷剂在制冷剂室中被汽化时制冷剂能够被传送到管道中从而到达再凝结单元33。这是通过沿着支撑体和线圈的圆周部分在通向管道的出口的底部区域中将盖板截断来实现的。再凝结单元为制冷器的形式，该制冷器包括工作流体和冷却指35，通过该冷却指35汽化的制冷剂可以再凝结，之后在重力的影响下向下滴回到支撑体上并回落到制冷剂室中。
下面将对系统冷却线圈3的操作进行描述。如图1和图2中示意地示出的，例如液氦等液态制冷剂位于制冷剂室中，图1和图2将制冷剂表示为阴影区域。液态制冷剂最初被填充至制冷剂室的高度的约50％。在使用中，超导线圈被启动，导致热量产生。凭借热传导构件25的围绕支撑体和线圈的整个外圆周周向延伸的部分以及在周向间隔的点处穿透室的塞27，热量通过热传导利用高热导率构件25从围绕线圈的整个圆周被传递到制冷剂室17的内部。输送到制冷剂室的一部分的热量通过焊接到限定了制冷剂室17的外壁的盖板的内部的接触板29可以被分布到室的其它部分。如此，即使是在与制冷剂室17包含液态制冷剂的部分不径向相邻的线圈的上方区域中产生的热量，通过同时位于制冷剂室的外部和内部中的热导性构件也可以被分布到制冷剂室的含有液态制冷剂的其它部分。由于高热导性构件25，尽管插入于线圈与制冷剂室之间的结构支撑体12呈现非常低的热传导性，热量仍然可以被传输到制冷剂室中的制冷剂。
应该理解的是，液态制冷剂可以被保持在任何期望的水平，并且室可以例如被完全填充。然而，已经发现如果水平被保持在低于设备的高度的约50％，则线圈可以绕着其轴线沿任一方向旋转至90°，而不会妨碍冷却设备的操作，由于液态制冷剂将仅仅在制冷剂室内移动以找到相同的水平，保留制冷剂室的在其上方区域中的部分不包含液氦，而汽化的氦可以通过该制冷剂的在其上方区域中的不包含液氦的部分被传输到管道31的底部。
到达室中的液态制冷剂的热量导致制冷剂汽化。汽化的制冷剂通过扩散沿着图2和图3中箭头的方向向上移动朝向通向再凝结单元33的管道31的出口的底部。制冷剂流动与再凝结指35相接触并被冷却，从而再凝结。再凝结的制冷剂滴落到位于管道的底部处的支撑体的外表面上，并在重力的影响下移动回到制冷剂室中。
如此，热量通过制冷剂的汽化和再凝结被从超导线圈移除。应该理解的是热量通过两个机理被传递离开线圈。热量利用热导性构件通过传导过程经过线圈与制冷剂室之间的相对较短的距离从线圈移动到制冷剂室中的制冷剂。用于将热量从制冷剂室传递到再凝结单元的机理为将制冷剂本身作为传热介质的扩散机理。通过使用合适的管道组，再凝结单元可以位于相距线圈任何期望距离处。如此，再凝结单元可以位于可能受到由使用中的超导线圈产生的任何磁场所引起的妨碍的区域之外。使用制冷剂作为传热介质将热量经过线圈与再凝结单元之间的热传送路径的这段相对较长的部分从制冷剂室传递到再凝结单元可以避免如果使用固体导体时可能遭受的发生显著的温度梯度的问题。此外，使用汽化氦作为传热介质可以显著地减小系统的庞大程度。并且与使用热导体能够实际实现的热传输距离相比能够使热传输经过的更长的距离。作为例子，为了将2W的热量传导经过1m的距离，通过粗略的说明性计算，在路径长度上的温差为0.5K，需要传导率为600W/m/K并具有约100mm的直径且质量约为600Kg的固体铜热联接件。所需的导体的质量与涉及的距离的平方成正比。应该理解的是，在本发明的实施例中制冷剂室位于超导线圈附近，并且仅需要在较短的范围上进行热传导。发现使用液态氦作为传热介质还可以在再凝结单元与超导线圈之间提供更好的振动隔绝。
由于超导线圈无需像传统装置中那样被浸入到槽中或制冷剂中，如示出的实施例中所示支撑体可以位于线圈的外部。例如，如果需要线圈可以在其外表面上通过坚硬卡圈而被加固。这可以允许线圈与通常卷绕在心轴或其它内部支撑体上并且被位于围绕其外部表面的氦槽冷却的线圈相比能够在更为极端的条件中操作。
由于线圈并非被内部线圈架支撑或被氦槽环绕，线圈可以被制造地更加紧凑，这增加了线圈的效率，并减少了生成期望的磁场所需的超导体的量。
此外，与传统的浸没型装置相比，制冷剂室中所需的制冷剂的量相对较小，而且制冷剂室本身的大小可以被减小，以提供更加空间高效(spaceefficient)的装置。这是因为通过使用热导性元件热量被迅速地没有显著损失地从线圈的所有区域传送到制冷剂室，并且热量可以被分布到制冷剂室内以确保输送到所提供的制冷剂的量被最大化。
制冷剂回路，即制冷剂室、管道和再凝结单元可以被密封，使得贯穿整个操作循环，包括降温、升温以及可能发生的失超，回路均包含固定量的制冷物质。密封的回路可以包含扩大的容器，用于容纳制冷剂在室温下增加的体积。在其它的实施例中，密封的回路可以具有恒定的容积，并且可以被设计为承受制冷剂在被升温到室温时所增加的压力。
由于位于系统中的制冷剂的量相对较小，在发生失超的情况下，即线圈从超导状态变为有阻状态，将其磁能转化为热量，并导致大部分或全部制冷剂汽化，释放的蒸汽的量可以被减少到可以被安全地释放到环境中或被收集以再利用的程度。由于例如液氦等制冷剂预计将变为相对稀缺的资源，使用较小量的氦来操作系统并允许氦被再循环利用的能力是有利的。
图4和图5示出了本发明通过允许取消氦槽而可以提供的优点。图4示出了如果磁体被传统氦槽环绕时需要被包含的层。放置在支撑体52中的磁线圈50被氦容器环绕，该氦容器将氦层54收集在线圈和支撑体的外表面与容器的内表面之间。在该装置中，一个或多个辐射屏蔽56被放置在氦容器的外侧。绝缘层例如多层绝缘58被放置在辐射屏蔽或多个辐射屏蔽56与作为最外面的部件的真空容器60之间。
图4示出了氦层54如何根据本发明可以被去除，从而提供更加紧凑的设备，在该设备中线圈通过一个或两个薄辐射屏蔽和一些多层绝缘可以被放置在其成型元件中并被安装在室温真空容器中。辐射屏蔽被设置为拦截来自环绕该设备的环境的任何热辐射，该装置可以在例如室温下，减小磁体上的热负荷。系统的对应部分被标示有上标符号(“’”)。