Kühlung von supraleitenden Magneten

Neu gebaute supraleitende Magnete müssen zum ersten Mal von der Umgebung abgekühlt und während des Betriebs kalt gehalten werden.

Für diese erste Kühlung wird ein supraleitender Magnet häufig mit LN2 gefüllt, um zunächst 77 K zu erreichen. Dieses wird dann abgepumpt und LHe zur weiteren Kühlung verwendet. Dieser Prozess ist kompliziert und kostspielig, da das LN2 vollständig entfernt werden muss, da es zu einer Abschreckung führt. Die weitere Kühlung von 77K mit LHe ist kostenintensiv und ineffizient, da teure 4K-Flüssigkeit zur Kühlung von 77K-Material verwendet wird.

Um die Verwendung von LN2 und LHe zur Kühlung zu vermeiden, hat Stirling Cryogenics ein System entwickelt, mit dem ein Magnet von 300 auf 20 K gekühlt werden kann, indem Heliumgas verwendet wird, das nahe an der tatsächlichen Temperatur der Magnetmaterialien liegt.

Das geschlossene Stirling-Heliumgas-Kühlsystem ist über VJ-Rohrleitungen mit den Ein- und Auslässen des LHe-Behälters verbunden. Der zweistufige Stirling-Kältegenerator wird gestartet, um Kühlenergie zu erzeugen, die über den Kryoventilator in den Behälter geleitet wird. Beim Anfahren ist der Kreislauf noch warm, dann sinkt die Temperatur langsam, da der thermischen Masse des Magneten immer mehr Energie entzogen wird.

Im Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis 60 K wird der größte Teil der Kühlleistung vom Stirling-Wärmetauscher der ersten Stufe geliefert. Da bei diesem Konzept die Arbeitstemperatur in der Nähe der tatsächlichen Magnettemperatur liegt, wird die höchste Kühlleistung bereitgestellt, was dieses Konzept sehr effizient macht.

Unterhalb von 60 K, wenn der größte Teil der Wärmeenergie bereits abgeführt ist, übernimmt die zweite Stufe des Stirling-Kryogenerators, die über den gleichen kalten Heliumkreislauf weiter auf 20 K abkühlt.

Je nach thermischer Masse des Magneten dauert die Abkühlung auf 20 K 1-3 Tage, was auch von der maximal zulässigen Abkühlgeschwindigkeit abhängt, damit der Magnet keinen Temperaturschock erleidet.

Nach der Vorkühlung auf 20 K wird das System entkoppelt. Der Vorteil ist, dass die Kühlung mit Heliumgas erfolgt, so dass kein Reinigungsschritt zur Entfernung von N2 erforderlich ist. Da die meiste Energie der thermischen Masse bereits bei 20 K abgeführt wird, verbraucht der verbleibende Schritt auf 4 K nur eine begrenzte Menge LHe oder wird vom internen Kryokühler des MRI durchgeführt.

Ein System nach obigem Konzept kann als Einzelanlage gebaut werden, in der ein Stirling-Kryogenerator jeweils einen Magneten kühlt. Oder es kann mit mehreren Kryogeneratoren aufgebaut werden, die mehrere Magnete parallel kühlen. Die Wahl des Aufbaus hängt von den logistischen Anforderungen und den Wünschen des Kunden ab.

Alle Systeme beinhalten ein ausgeklügeltes Ventil- und Verbindungssystem sowie eine Steuerung zum An- und Abkoppeln der Magnete. Der Bediener muss die Kupplungen der VJ-Linien physisch verbinden. Danach übernimmt das System die Aufgabe und sorgt dafür, dass der Heliumkreislauf in der richtigen Reihenfolge gespült, evakuiert und befüllt wird, um das Risiko des Einfrierens oder der Verunreinigung der kalten Leitungen mit Luft zu vermeiden.

Stirling Cryogenics kann ein maßgeschneidertes System für Ihr spezifisches Projekt entwerfen und anbieten. Bitte kontaktieren Sie uns, um Ihre Anforderungen zu besprechen.

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