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Dokumentenidentifikation DE69935113T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001009039
Titel Kühlvorrichtung für Supraleiter
Anmelder Sumitomo Electric Industries, Ltd., Osaka, JP
Erfinder Nagaishi, Tatsuoki c/o Itami Works of Sumimo, Itami-shi, Hyogo 664-0016, JP;
Itozaki, Hideo c/o Itami Works of Sumimoto, Itami-shi, Hyogo 664-0016, JP
Vertreter CBDL Patentanwälte, 47051 Duisburg
DE-Aktenzeichen 69935113
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.12.1999
EP-Aktenzeichen 994031094
EP-Offenlegungsdatum 14.06.2000
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse F17C 13/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 39/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters, und insbesondere eine Vorrichtung des Wärmeisolationstyps zum Kühlen eines Supraleiters. Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus dem Dokument EP-A-549 463.

RELEVANTER STAND DER TECHNIK

Als eine konventionelle Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters ist eine Kühlvorrichtung des Wärmeisolationstyps zum Kühlen einer supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) auf eine Übergangstemperatur (TC) der Supraleitung oder darunter aus der Literatur bekannt (T.S. Lee et al., Rev. Sci. Instrum., 67 (12), 1996). Diese Kühlvorrichtung weist einen äußeren Behälter, einen inneren Behälter, der flüssigen Stickstoff enthält, und einen Wärmeleiter zur Leitung der Wärme des flüssigen Stickstoffs auf. Die Kühlvorrichtung ist ferner mit einem Positions-Einstellmechanismus zum Einstellen des Spaltes zwischen einem an dem vorderen Ende des Wärmeleiters befestigten SQUID-Chip und einem Unterdruckfenster einer an dem äußeren Behälter befestigten becherförmigen Anordnung ausgestattet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Als Resultat von sorgfältigen Studien haben die Erfinder herausgefunden, daß die o.g. Kühlvorrichtung die folgenden Probleme besitzt, nämlich:

  • 1) Der Positionseinstellmechanismus und andere wesentliche Teile besitzen eine große Anzahl von Bauelementen, und ein Federungskörper ist notwendig, um es der becherförmigen Anordnung zu erlauben, sich nach oben und nach unten zu bewegen, wodurch die Vorrichtung dazu tendiert, kompliziert und teuer zu sein.
  • 2) Da der Wärmeleiter aufgrund der Struktur der Vorrichtung ausgedehnt ist, ist die Effizienz der Kühlung des SQUID-Chips nicht immer ausreichend. Auch umfaßt der Wärmeleiter einen Kupferstab und einen Saphirstab, die miteinander verbunden sind. Wenn verschiedene Arten von Bauelementen auf diese Weise miteinander verbunden werden, verschlechtert sich die Wärmeleitfähigkeit an der dazwischen liegenden Verbindungsstelle, was die Möglichkeit enthält, daß die Effizienz der Kühlung des SQUID-Chips weiter abnimmt.
  • 3) Da die Struktur der Vorrichtung kompliziert ist, sind Zusammenbau- und Wartungsmaßnahmen mühselig. Deshalb ist eine Verbesserung in der Handhabbarkeit beim Zusammenbau und bei der Wartung gewünscht.

In Anbetracht dieser Umstände ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung für einen Supraleiter anzugeben, die im Vergleich zu konventionellen Kühlvorrichtungen zu niedrigeren Kosten hergestellt werden kann, die in ihrer Kühlleistung hervorragend ist und die in der Lage ist, die Handhabbarkeit zu verbessern.

Die Erfinder haben ferner basierend auf den o.g. Erkenntnissen Studien durchgeführt und schließlich die vorliegende Erfindung gemacht. Die Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen äußeren Behälter, der im wesentlichen wie ein Becher geformt ist, und einen Innengewindeabschnitt an einer inneren Randseite eines offenen Endes davon und ein Fenster an einer Bodenwand davon umfaßt, einen inneren Behälter, der im wesentlichen wie ein Becher geformt und in dem äußeren Behälter angeordnet ist und der an einem offenen Ende davon eine äußere Randseite besitzt, die mit einem Außengewindeabschnitt versehen ist, der dazu ausgebildet ist, in den Innengewindeabschnitt einzugreifen, und einen Wärmeleiter, der an einer dem Fenster zugewandten Position so angeordnet ist, daß er durch den inneren Behälter hindurchdringt, wobei ein Ende im Inneren des Behälters positioniert und das andere Ende außerhalb des inneren Behälters positioniert ist und wobei an dem anderen Ende ein Supraleiter befestigt ist, wobei ein Raum zwischen dem äußeren Behälter und dem inneren Behälter, der durch das Eingreifen des Innengewindeabschnitts und des Außengewindeteils definiert ist, so unter Unterdruck gesetzt ist, daß er eine Unterdruckwärmeisolationsschicht bildet. Zum Zeitpunkt des Kühlens des Supraleiters ist ein Kühlmittel zum Kühlen des Supraleiters in den inneren Behälter eingebracht.

Vorzugsweise ist eine Leitung zum Übertragen von Information, die mittels des Supraleiters erhalten ist, an den Supraleiter angeschlossen, und der innere Behälter ist mit einem Auslaß zum Herausziehen der Leitung dort hindurch ausgebildet.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung ferner ein ringförmiges Dichtungsteil, das in der Unterdruckwärmeisolationsschicht angeordnet ist und das sowohl gegen den inneren Behälter als auch gegen den äußeren Behälter an einem Teil der Innenseite der Unterdruckwärmeisolationsschicht als dem eingreifenden Teil des Innengewindeabschnitts und des Außengewindeabschnitts anliegt, um die Unterdruckwärmeisolationsschicht abzudichten.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung in diesem Fall ferner ein Überbrückungsteil, das in dem inneren Behälter angeordnet ist und das ein mit einem Teil des Innenrandes des inneren Behälters unterhalb des Dichtungsteils verbundenes Ende besitzt und dessen anderes Ende mit einem Teil des inneren Randes des inneren Behälters oberhalb des Dichtungsteils verbunden ist, um die Wärmeleitung des Kühlmittels bezüglich des Dichtungsteils zu überbrücken. Es ist ferner bevorzugt, daß der innere Behälter aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt ist.

Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die rein beispielhaft und nicht als die Erfindung beschränkend angegeben werden, verstanden werden.

Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden sich aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung ergeben. Wie auch immer, es sollte verstanden werden, daß die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur als Beispiele gegeben sind, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und des Schutzbereichs der Erfindung sich für die Fachleute aus dieser detaillierten Beschreibung ergeben werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

2 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

3 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

4 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

5 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei wurden Teile, die einander identisch entsprechen, mit identischen Bezugszeichen versehen, ohne deren überlappende Erläuterungen zu wiederholen.

1 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, umfaßt die Kühlvorrichtung 1 (Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters) einen im wesentlichen becherförmigen äußeren Behälter 2, der aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFRP) hergestellt ist, und einen im wesentlichen becherförmigen, aus GFRP hergestellten inneren Behälter 3, der darin derart angeordnet ist, daß ihre Bodenwände einander zugewandt sind. In den inneren Behälter 3 ist flüssiger Stickstoff 8 als Kühlmittel eingefüllt. GFRP besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als die von Metallen, und nichtmagnetische Eigenschaften.

Ferner ist die innere Randseite des offenen Endes des äußeren Behälters 2 mit einem Innengewindeabschnitt 21 versehen. Umgekehrt ist die äußere Randseite des inneren Behälters 3 mit einem Außengewindeabschnitt 31 versehen, der dazu ausgebildet ist, in den Innengewindeabschnitt 21 einzugreifen. Wenn diese Gewindeabschnitte 21 und 31 ineinander eingreifen, sind der äußere Behälter 2 und der innere Behälter 3 miteinander verbunden. Auch ist der Druck in dem durch dieses Eingreifen definierten Innenraum zwischen dem äußeren Behälter 2 und dem inneren Behälter 3 auf ein Fast-Vakuum reduziert. Dieser Zustand wird beibehalten, wie nachfolgend noch erläutert werden wird, um so eine Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 zu bilden.

An einem Teil des inneren Randes des äußeren Behälters 2 an der Innenseite der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 als dem eingreifenden Teil zwischen dem Innengewindeabschnitt 21 und dem Außengewindeabschnitt 31 (nahe dem eingreifenden Teil) innerhalb der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 ist eine ringförmige Nut 22 gebildet. Ein O-Ring 5 ist als Dichtungselement in die ringförmige Nut 22 gesetzt. Der O-Ring 5 wird gegen den äußeren Rand des inneren Behälters 3 gedrückt, wodurch der Fast-Vakuum-Zustand in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 gehalten wird. Ferner ist ein ringförmiges Überbrückungsteil 33 in dem inneren Behälter 3 an dessen oberer Endseite vorgesehen. Das untere Ende des Überbrückungsteils 33 ist mit dem Innenrand des inneren Behälters in einem Bereich unterhalb des O-Rings 5 verbunden. Das obere Ende des Überbrückungsteils 33 ist mit dem inneren Rand des inneren Behälters 3 in einem Bereich oberhalb des O-Rings 5 verbunden, wodurch ein geschlossener Raum 34 durch den inneren Rand des inneren Behälters 3 und das Überbrückungsteil 33 definiert wird. In dem inneren Behälter 3 besitzt die Seitenwand im unteren Bereich, der die Stelle einschließt, an welcher das untere Ende des Überbrückungsteils 33 verbunden ist, eine Dicke, die kleiner ist als die in dessen oberen Bereich.

Die Bodenwand des äußeren Behälters 2 ist ferner mit einer Öffnung 26 versehen. Mit der äußeren Oberfläche des äußeren Behälters 2 um die Öffnung 26 herum ist ein Saphirblatt 23 als Fenster verbunden, das eine Dicke besitzt, die z.B. im Bereich einiger hundert Mikrometer liegt und die kleiner ist, als die der Bodenwand des äußeren Behälters 2, um die Öffnung 26 zu verschließen. Das Saphirblatt 23 besitzt eine magnetische Permeabilität und Transluzenz. Ferner ist ein O-Ring 24 zwischen dem Saphirblatt 23 und der äußeren Oberfläche des äußeren Behälters 2 im Bereich der Öffnung 26 angeordnet, der die Verbindung zwischen der Öffnung 26 und dem Saphirblatt 23 abdichtet.

Ferner tritt ein Saphirstab 6 als thermischer Leiter in fixierter Weise durch die Bodenwand des inneren Behälters 3 an einer Stelle, die konzentrisch mit der Öffnung 26 liegt, während der resultierende hindurchgetretene Abschnitt mit einem Kleber abgedichtet ist, der im wesentlichen aus Epoxydharz besteht. Ein Ende des Saphirstabes 6 ist in dem inneren Behälter 3 positioniert, um in Kontakt mit dem flüssigen Stickstoff 8 zu sein. Das andere Ende des Saphirstabes 6 ist in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 angeordnet, genauer gesagt an einer Position außerhalb des inneren Behälters 3 gegenüberliegend dem Saphirblatt 23. An dem anderen Ende des Saphirstabes 6 ist ein supraleitender Magnetsensor 7 mit einer hohen Übergangstemperatur (Hoch-TC) als Supraleiter installiert. In dem Umgebungsbereich unterhalb der Bodenwand des äußeren Behälters 2 ist eine Probe 40, die einer magnetischen Messung unterzogen werden soll, so angeordnet, daß sie dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 durch das Saphirblatt 23 zugewandt ist.

Verbunden mit dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 ist eine Leitung 21 zum Übermitteln der magnetischen Information in dem Umgebungsbereich der Probe 40, die mittels des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 erhalten wird. Die Leitung 21 verläuft durch einen Auslaß 25, der in der Seitenwand des inneren Behälters 3 so gebildet ist, daß er von dem Überbrücksteil 33 umgeben wird, und ist aus der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 durch einen im oberen Bereichs des Überbrückungsteils 33 geformten Auslaß 35 aus der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 gezogen, um mit einem Signalverarbeitungsmittel 90 verbunden zu werden. Der Auslaß 25 ist mit einem Kleber 32, der im wesentlichen aus einem Epoxydharz besteht, abgedichtet, wodurch der Fast-Vakuum-Zustand in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 erhalten bleibt. Wenn flüssiger Stickstoff 8 in den inneren Behälter 3 über dessen oberes Ende eingefüllt wird, wird eine Kühlvorrichtung 1 für einen Supraleiter wie in 1 erhalten.

Bei einer solchermaßen konfigurierten Kühlvorrichtung 1 kühlt der in dem inneren Behälter 3 aufgenommene flüssige Stickstoff 8 den hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 auf eine Temperatur im Bereich derjenigen des flüssigen Stickstoffs (ungefähr 77 K) über den Saphirstab 6. In diesem gekühlten Zustand ist der hoch-TC-supraleitende Magnetsensor 7 in der Lage, als Magnetsensor zum Detektieren des durch die Probe 40 induzierten schwachen Magnetismus zu dienen. Da der Endabschnitt des Saphirstabes 6, der die Temperatur des flüssigen Stickstoffs 8 leitet, und der hoch-TC-supraleitende Magnetsensor 7 in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 angeordnet sind, ist der hoch-TC-supraleitende Magnetsensor 7 auch an dem Wärmeaustausch mit der Außenseite gehindert. Deshalb ist ein stabiler Betrieb des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 sichergestellt, da sein gekühlter Zustand beibehalten wird.

Da die Kühlvorrichtung 1 eine solche Struktur hat, daß der Außengewindeabschnitt 31 des inneren Behälters 3 in den Innengewindeabschnitt 21 des äußeren Behälters 2 eingreift, um den äußeren Behälter 2 und den inneren Behälter 3 miteinander zu verbinden, kann der Abstand zwischen der Bodenwand des äußeren Behälters 2 und der Bodenwand des inneren Behälters 3 einfach und frei durch Verändern der Eingriffsstellung zwischen den Gewindeabschnitten 21 und 31 eingestellt werden. Als Folge ist der Abstand zwischen dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 und dem Saphirblatt 23 (Fenster) einfach einzustellen, so daß der Abstand dazwischen optimiert wird, wodurch die Meßsensitivität der Probe 40 verbessert werden kann. Z.B. führt das Erhöhen des Schraubens des inneren Behälters 3 in den äußeren Behälter 2 dazu, daß der hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 sich dem Saphirblatt 23nähert, so daß der Abstand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 zu der Probe 40 1 mm oder weniger wird, wodurch eine magnetische Messung mit einer sehr hohen Sensitivität einfach und verläßlich ausgeführt werden kann. Da der Abstand zwischen dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 und dem Saphirblatt 23 durch Verändern der Eingriffsstellung zwischen den Gewindeabschnitten 21 und 31 eingestellt wird, ist ein Positionseinstellmechanismus mit einer großen Anzahl von Teilen und einer komplizierten Struktur, wie er bei der konventionellen Vorrichtung vorgesehen ist, unnötig. Als Folge kann die Kühlvorrichtung 1 preisgünstiger hergestellt werden.

Da der Saphirstab 6 (Wärmeleiter) sich nicht außerhalb des äußeren Behälters 2 erstreckt, um langgestreckt zu sein, kann die Distanz, über welche die Wärme des flüssigen Stickstoffs 8 zu leiten ist, verkürzt werden, um so Wärmeverluste zu unterdrücken. Deshalb kann die Leistung des Kühlens des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 verbessert werden. Da der Saphirstab 6 nicht langgestreckt ist, kann der thermische Leiter aus einer einzigen Art von Element, z.B. Saphir, hergestellt werden, wodurch die Leistungen des Kühlens des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter im Vergleich zu konventionellen Wärmeleitern, bei denen verschiedene Arten von Elementen miteinander verbunden werden, verbessert werden.

Da der flüssige Stickstoff 8 über das offene Ende des inneren Behälters 3 von oben zugeführt werden kann, kann ferner die Handhabbarkeit zum Zeitpunkt des Einfüllens eines Kühlmittels verbessert werden. Da die Behälter 2 und 3 einfach dadurch miteinander verbunden werden, daß der Außengewindeabschnitt 31 des inneren Behälters in den Innengewindeabschnitt 21 des äußeren Behälters 2 eingreifen kann, sind die konventionellen umständlichen Handlungen zum Befestigen und Abnehmen der Behälter 2 und 3 nicht notwendig. Als Folge kann die Handhabbarkeit zum Zeitpunkt des Zusammenbaus und der Wartung bemerkenswert verbessert werden.

Da die Leitung 21, die mit dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 verbunden ist, durch einen im oberen Bereich des Überbrückungsteils 33 gebildeten Auslaß 35 über den Auslaß 25 des inneren Behälters 3 aus der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4herausgezogen ist, ist es für die Leitung 21 ausreichend, zwei Öffnungen in derselben Richtung zu passieren, um nach außen geführt zu werden. Deshalb kann die Tätigkeit des Herausführens der Leitung 71 im Vergleich zu der konventionellen Tätigkeit des Hin- und Herführens zwischen zwei Öffnungen vereinfacht werden, wodurch die Handhabbarkeit weiter verbessert werden kann.

Da die Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 mit dem O-Ring 5 in einem als Eingriffsabschnitt zwischen den Gewindeabschnitten 21 und 31 dienenden Teil auf der inneren Seite der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 abgedichtet ist, können in ausreichender Weise Unterdruckverluste unterdrückt werden, d.h. Luft kann daran gehindert werden, von dem Eingriffsabschnitt in die Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 zu fließen. Als Folge wird vorteilhaft der Zustand des reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 aufrechterhalten, wodurch der gekühlte Zustand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter stabil gehalten werden kann.

Das Überbrückungsteil 33 überbrückt den durch die Seitenwand des inneren Behälters 3 geleiteten Wärmefluß von dem flüssigen Stickstoff 8, so daß die Wärme des flüssigen Stickstoffs 8 der Frontseite des in Kontakt mit der Seitenwand des inneren Behälters 3 stehenden O-Rings 5 in den Umgebungsbereich des oberen Endes der Seitenwand des inneren Behälters 3 entkommt, wodurch der O-Ring 5 in zufriedenstellender Weise daran gehindert wird, beim Kühlen über die Seitenwand des inneren Behälters 3 auszuhärten. Deshalb wird die Dichtfunktion daran gehindert, durch das Aushärten des O-Rings 5 vermindert zu werden, wodurch der Zustand des reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 weiter vorteilhaft gehalten wird. Als Folge kann der gekühlte Zustand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter stabil gehalten werden.

Da der innere Behälter 3 aus GFRP mit einer Wärmeleitfähigkeit unterhalb derer von Metallen hergestellt ist, kann die Wärme des flüssigen Stickstoffs daran gehindert werden, durch den inneren Behälter 3 geleitet und dadurch an die Außenseite abgegeben zu werden. Als Folge ist die Fähigkeit des Bewahrens von flüssigem Stickstoff 8 verbessert. Da die thermische Leitfähigkeit des inneren Behälters 3 als solche niedrig ist, kann der O-Ring 24 davor geschützt werden, durch die durch den äußeren Behälter 2 und den in Kontakt mit dem inneren Behälter 3 stehenden O-Ring 5 geleitete Wärme gekühlt zu werden. Damit ist die Dichtung mit dem O-Ring 24 in zufriedenstellender Weise am Brechen gehindert. Dadurch kann der Zustand reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 weiter vorteilhaft gehalten werden, wodurch der gekühlte Zustand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter stabil gehalten werden kann.

Da der äußere Behälter 2 und der innere Behälter 3 aus GFRP hergestellt sind, welches nicht-magnetisch ist, kann die magnetische Messung der Probe 40 mittels des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 davor geschützt werden, magnetisch beeinflußt zu werden. Deshalb kann der schwache Magnetismus in der Umgebung der Probe 40 mit sehr hoher Genauigkeit und Präzision gemessen werden.

Da der Auslaß 25 so angeordnet ist, daß er von dem Überbrückungsteil 33 umgeben ist, wird der von dem Kleber 32 gebildete Dichtungsbereich nicht mit flüssigem Stickstoff 8 gekühlt, unabhängig davon, wo der Füllstand des flüssigen Stickstoffs 8 liegt. Deshalb kann der Dichtungsabschnitt daran gehindert werden, sich durch den Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kleber 32 und dem inneren Behälter 3 abzuschälen. Als Folge kann der abgedichtete Zustand in befriedigender Weise gehalten werden, so daß vorteilhaft der Zustand des reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 gehalten wird, wodurch der gekühlte Zustand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter stabil gehalten werden kann.

Der untere Teil der Seitenwand des inneren Behälters 3 einschließlich der Stelle, wo das untere Ende des Überbrückungsteils 33 verbunden ist, besitzt eine Dicke, die kleiner ist als die des oberen Teils, während das untere Ende des Überbrückungsteils 33 mit dieser dünneren Wandseite verbunden ist, wodurch die Wärme wahrscheinlicher in Richtung des Überbrückungsteils 33 als in den dickeren Bereich der Seitenwand des inneren Behälters 3 fließt. Als Folge kann der O-Ring 5 weiter davor geschützt werden, durch Kühlung auszuhärten, so daß der Zustand des reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4vorteilhaft gehalten werden kann, wodurch der gekühlte Zustand des hoch-TC-supraleitenden Magnetsensors 7 weiter stabil gehalten werden kann.

2 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer zweiten Ausführungsform der Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2 gezeigt, ist das Fenster 27 der Kühlvorrichtung 10 (Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters) integral mit dem äußeren Behälter 2 durch Abspanen vom Inneren des Behälters 2 her gebildet. Falls das Material des äußeren Behälters 2 keine Transluzenz besitzt, könnte das Fenster 27 keine Transluzenz besitzen. Es ist jedoch nicht immer notwendig, daß das Fenster 27 Transluzenz besitzt. Da das Fenster 27 zusammen mit dem äußeren Behälter 2 nicht magnetisch ist, kann die magnetische Messung der Probe 40 vorteilhaft durchgeführt werden. Bei der Kühlvorrichtung 10 kann, wie bei der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1, der Abstand zwischen dem Fenster 27 und dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 durch Einstellen des Betrages des Schraubens des Außengewindeabschnittes 31 in den Innengewindeabschnitt 21.

3 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer dritten Ausführungsform der Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei der Kühlvorrichtung 20 (Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters) wie in 3 gezeigt ist der Auslaß 25 niedriger angeordnet als das untere Ende des Überbrückungsteils 33. Da die Kühlvorrichtung 20 den Auslaß 35 in dem bei der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1 vorgesehenen Überbrücksteil 33 nicht benötigt, ist die Herstellung einfacher, wodurch die Kühlvorrichtung 20 preisgünstiger hergestellt werden kann. Auch ist es in diesem Fall ausreichend, daß die Leitung 71 durch eine einzige Öffnung hindurchtritt, um nach außen geführt zu werden, wodurch der Vorgang des Hindurchführens der Leitung 71 einfacher gemacht werden kann als bei dem konventionellen Vorgang des Hindurchführens durch zwei Öffnungen. Auch kann bei der Kühlvorrichtung 20, wie in 3 gezeigt, der Füllstand des flüssigen Stickstoffs 3 niedriger gesetzt werden als der Auslaß 25, so daß der durch den Kleber 32 gebildete Dichtungsabschnitt ausreichend daran gehindert ist, sich abzuschälen.

4 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer vierten Ausführungsform der Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei der Kühlvorrichtung 30 (Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters) wie in 4 ist der geschlossene Raum 34, der bei der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1 gebildet ist, mit einem wärmeisolierenden Material, das z.B. aus einem Urethanschaummaterial oder dergleichen hergestellt sein kann, gefüllt. Bei der solchermaßen konfigurierten Kühlvorrichtung 30 ist die Wärmeleitung von dem Überbrückungsteil 33 zu der Seitenwand des inneren Behälters 3 durch das wärmeisolierende Material 36 ausreichend blockiert, so daß der durch den Kleber 32 gebildete Dichtungsabschnitt nicht direkt mit flüssigem Stickstoff 8 gekühlt wird. Damit kann der Dichtungsabschnitt davor geschützt werden, sich aufgrund der Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kleber 32 und dem inneren Behälter 3 abzuschälen. Als Folge kann der abgedichtete Zustand ausreichend gehalten werden, so daß der Zustand des reduzierten Drucks (Fast-Vakuum) in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 vorteilhaft gehalten werden kann, wobei der hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 weiter stabil gehalten werden kann.

5 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Konfiguration einer fünften Ausführungsform der Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 5 gezeigt, besitzt die Kühlvorrichtung 60 (Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters) kein bei der in 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1 vorgesehenes Überbrückungsteil 33. Die solchermaßen konfigurierte Kühlvorrichtung 60 kann preisgünstiger hergestellt werden, da es dabei kein Überbrückungsteil 33 gibt. In diesem Fall können der O-Ring 5 und der Kleber 32 davor geschützt werden, direkt gekühlt zu werden, wenn der Füllstand des flüssigen Stickstoffs 8 unterhalb des O-Rings 5 und des Auslasses 25 wie in 5 gezeigt eingestellt wird, wodurch der Zustand des reduzierten Drucks in der Unterdruckwärmeisolationsschicht 4 an der Verschlechterung gehindert werden kann. Bei den o.g. Kühlvorrichtungen 1, 10, 20, 30 und 60 können als Supraleiter auch andere Supraleiter als der hoch-TC-supraleitende Magnetsensor 7 als Supraleiter genutzt werden, z.B. ein SQUID. Als Kühlmittel wird in diesem Fall eines gewählt, das die Übergangstemperatur (TC) zur Supraleitung des Supraleiters erreichen kann. Ferner ist der Wärmeleiter nicht auf den Saphirstab 6 limitiert, sondern kann aus jedem Element hergestellt sein, das solche Eigenschaften wie exzellente Wärmeleitfähigkeit, geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, nicht-magnetische Eigenschaft, besitzt, z.B. Rubin. Auch muß der Saphirstab 6 (Wärmeleiter) nicht die Form eines Stabes besitzen, sondern kann z.B. eben geformt sein. Auch ist der Kleber 32 zum Abdichten des Auslasses 25 nicht auf einen hauptsächlich aus Epoxydharz zusammengesetzten beschränkt, sondern kann zusammengesetzt sein aus anderen ungesättigten Polyesterharzen oder kann organische Bestandteile in der Art des Materials des inneren Behälters 3 umfassen. Ferner kann der Auslaß 25 durch Schmelzen anstelle von Kleben mit dem Kleber 32 abgedichtet sein.

Bei der Kühlvorrichtung 1, 20, 30, 60 kann das Saphirblatt 23 an die äußere Oberfläche des äußeren Behälters 2 durch Unterdruck angezogen werden, anstatt damit durch Kleben verbunden zu sein. Der Zustand des reduzierten Drucks in der Unterdruckwärmeisolationsschicht kann auch auf diese Weise aufrechterhalten werden. Als Folge kann die Menge des verwendeten Klebers reduziert und der Verfahrensschritt des Klebens kann weggelassen werden. Ferner kann beim Kleben des Saphirblattes 23 an die äußere Oberfläche des äußeren Behälters 2 der O-Ring 24 weggelassen werden. Als Folge kann die Krümmung des Saphirblattes 23 unter Unterdruck vermindert werden. Ferner kann der Spalt zwischen dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 und dem Saphirblatt 23 weiter verringert werden, wodurch der Abstand zwischen dem hoch-TC-supraleitenden Magnetsensor 7 und der Probe 40 reduziert werden kann. Ferner muß das Fenster nicht immer Transluzenz besitzen, solange es nicht magnetisch ist.

Wie vorstehend erläutert, besitzt die Kühlvorrichtung für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung eine solche Konfiguration, daß der Außengewindeabschnitt des inneren Behälters in den Innengewindeabschnitt des äußeren Behälters eingreift, um so den inneren Behälter und den äußeren Behälter miteinander zu verbinden. Als Folge kann der Abstand zwischen der Bodenwand des äußeren Behälters und der Bodenwand des inneren Behälters einfach und frei durch Verändern der Eingriffsposition zwischen den Gewindeabschnitten eingestellt werden, wodurch der Spalt zwischen dem Supraleiter und dem Fenster einfach und verläßlich eingestellt werden kann. Deshalb ist ein herkömmlicher Positionseinstellmechanismus mit einer großen Anzahl von Komponenten und einer komplizierten Struktur unnötig, wodurch die Vorrichtung preisgünstig hergestellt werden kann. Ferner ist der die Kühlvorrichtung konstituierende Wärmeleiter für einen Supraleiter gemäß der vorliegenden Erfindung nicht wie konventionelle langgestreckt und ist, da er nicht langgestreckt ist, aus einer Art von Element hergestellt, wodurch die Leistung des Kühlens des Supraleiters bemerkenswert verbessert werden kann. Da der innere Behälter und der äußere Behälter allein durch das Eingreifen deren jeweiliger äußerer und innerer Gewindeabschnitte verbunden sind, sind nicht wie konventionell üblich umständliche Verfahrensschritte zum Befestigen und Abnehmen der Behälter notwendig. Deshalb kann die Handhabbarkeit beim Zusammensetzen und Warten der Vorrichtung bemerkenswert verbessert werden.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Kühlen eines Supraleiters (1), umfassend:

einen äußeren Behälter (2), der im wesentlichen wie ein Becher geformt ist, umfassend einen Innengewindeabschnitt (21) an einer Innenrandseite eines offenen Endes davon und ein Fenster (23) an einer Bodenwand davon;

einen inneren Behälter (3), der im wesentlichen wie ein Becher geformt ist und in dem äußeren Behälter (2) angeordnet ist und der an einem offenen Ende eine Außenrandseite besitzt, die mit einem Außengewindeabschnitt (31) versehen ist, der dazu ausgebildet ist, in den Innengewindeabschnitt (21) einzugreifen; und

wobei ein Raum zwischen dem äußeren Behälter (2) und dem inneren Behälter (3), der durch das Eingreifen des Innengewindeabschnitts (21) und des Außengewindeteils (31) definiert ist, so unter Unterdruck gesetzt ist, daß er eine Unterdruckwärmeisolationsschicht (4) bildet,

gekennzeichnet durch einen Wärmeleiter (6), der an einer dem Fenster (23) zugewandten Position so angeordnet ist, daß er durch den inneren Behälter (3) hindurchdringt, wobei ein Ende im Inneren des inneren Behälters (3) positioniert ist und das andere Ende außerhalb des inneren Behälters (3) positioniert ist und wobei an dem anderen Ende ein Supraleiter befestigt ist.
Kühlvorrichtung für einen Supraleiter (1) nach Anspruch 1, wobei ein Kühlmittel zum Kühlen des Supraleiters in dem inneren Behälter (3) eingebracht ist. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter (1) nach Anspruch 1, wobei eine Leitung (71) zum Übertragen von Information, die mittels des Supraleiters (7) erhalten wird, an den Supraleiter (7) angeschlossen ist und wobei der innere Behälter (3) mit einem Auslaß (25) zum Herausziehen der Leitung (71) dort hindurch ausgebildet ist. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein ringförmiges Dichtungsteil (5), das in der Unterdruckwärmeisolationsschicht (4) angeordnet ist und das sowohl den inneren Behälter (3) als auch gegen den äußeren Behälter (2) an einem Teil der Innenseite der Unterdruckwärmeisolationsschicht (4) als dem eingreifenden Teil des Innengewindeabschnitts (21) und des Außengewindeabschnitts (31) anliegt, um die Unterdruckwärmeisolationsschicht (4) abzudichten. Kühlvorrichtung für einen Supraleiter (1) nach Anspruch 4, ferner umfassend ein Überbrückungsteil (33), das in dem inneren Behälter (3) angeordnet ist und das ein mit einem Teil des Innenrandes des inneren Behälters unterhalb des Dichtungsteils (5) verbundenes Ende besitzt und dessen anderes Ende mit einem Teil des Innenrandes des inneren Behälters (3) oberhalb des Dichtungsteils (5) verbunden ist, zum Überbrücken der Wärmeleitung eines Kühlmittels bezüglich des Dichtungsteils (5). Kühlvorrichtung für einen Supraleiter (1) nach Anspruch 1, wobei der innere Behälter (3) aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt ist.






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