DE4143393C2 - Cyrostat - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Cryostaten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fig. 1 zeigt einen Cryostaten (Kälteregler) nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der EP 0260036 A2, offenbart ist. Der bekannte Cryostat besteht aus einem Behälter 1 für eine cryogene Mischung (im folgenden Cryogen-Behälter genannt), der ein zu kühlendes Objekt beherbergt, wie z. B. Spulen eines nicht dargestellten supraleitenden Magneten und der darüber hinaus ein flüssiges Cryogen enthält, wie z. B. verflüssigtes Helium, das auf einer Temperatur von 4,2 K gehalten wird, wobei das zu kühlende Objekt in das flüssige Cryogen eingetaucht ist.

Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Kühleinheit 2, einen ersten Wärmeschutz 4, der aus Wänden besteht, die den Cryogenbehälter 1 umgeben, und einen zweiten Wärmeschutz 5, der aus Wänden besteht, die zwischen dem Cryogenbehälter 1 und dem ersten Wärmeschutz 4 liegen und den Cryogenbehälter 1 umgeben. Der erste und zweite Wärmeschutz 4 und 5 halten die Wärmeeinstrahlung von außen auf den Cryogenbehälter 1 ab und leiten die Wärme zur Kühleinheit 2. Der erste und zweite Wärmeschutz 4 und 5 bilden ein zu kühlendes Teil 3, das durch die Kühleinheit 2 zu kühlen ist.

Außen herum um den Cryogenbehälter 1 und um den ersten und zweiten Wärmeschutz 4 und 5 ist ein Vakuumbehälter 6 angeordnet, dessen Inneres in einem Zustand des Vakuums gehalten wird, so daß auf diese Weise eine Vakuum-Wärmeisolierung aufrechterhalten wird.

Die Kühleinheit 2 hat einen Hauptblock 2a, der außerhalb des Vakuumbehälters 6 angeordnet ist und ferner einen länglichen, zum Beispiel zylindrischen Teil 2b mit einem oberem Ende, das mit dem Hauptblock 2a verbunden ist und sich von diesem Hauptblock aus gemäß Fig. 1 nach unten in den Vakuumbehälter 6 erstreckt, wobei sein unteres Ende nahe dem ersten Wärmeschutz 4 liegt; die Kühleinheit 2 hat ferner ein zweites, längliches, zum Beispiel zylindrisches Teil 2c mit kleinerem Durchmesser als das erste zylindrische Teil 2b, wobei die beiden Teile koaxial zueinander angeordnet sind. Das zweite zylindrische Teil 2c hat ein oberes Ende, das mit dem unteren Ende des ersten zylindrischen Teiles 2b verbunden ist und erstreckt sich durch eine Öffnung 4a im ersten Wärmeschutz 4 hindurch und sein unteres Ende liegt nahe beim zweiten Wärmeschutz 5.

Die Kühleinheit 2 ist mit Hilfe eines Flansches 7 am Vakuumbehälter 6 befestigt. Zwischen dem Vakuumbehälter 6 und dem Flansch 7 ist ein Balg 8 vorgesehen, mit dessen Hilfe Schwingungen der Kühleinheit 2 absorbiert werden können, so daß diese Schwingungen nicht auf den Vakuumbehälter 6 übertragen werden können.

Die Kühleinheit 2 hat einen ersten Kühlabschnitt 9 und einen zweiten Kühlabschnitt 14. Der erste Kühlabschnitt 9 ist ringförmig und er ist so angeordnet, daß er das erste zylindrische Teil 2b in der Nähe der Kühleinheit 2 umgibt. Der erste Kühlabschnitt 9 umfaßt einen Kragenteil 9a, dessen innere Umfangsfläche mit der äußeren zylindrischen Umfangsfläche des ersten zylindrischen Teiles 2b in Berührung steht und mit ihr verbunden ist sowie einen Flanschteil 9b, dessen innere Kante mit der unteren Kante des Kragenteils 9a verbunden ist.

Ein erstes thermisches Verbindungsteil 10 in Flanschform steht mit der unteren Fläche des Flanschteiles 9b des ersten Kühlabschnittes in Verbindung, um auf diese Weise die Wärme gut zu übertragen.

Mit dem ersten thermischen Verbindungsteil 10 steht eine erste Wärmeleitungsplatte 11 in Verbindung und mit dieser Platte wiederum steht ein erstes biegsames Leitungsteil 12 in Verbindung, das seinerseits mit dem ersten Wärmeschutz 4 in Verbindung steht. Das erste thermische Verbindungsglied 10, die erste Wärmeleitungsplatte 11 und das erste biegsame Leitungsteil 12 zusammen stellen eine thermische Verbindung zwischen dem ersten Kühlabschnitt 9 und dem ersten Wärmeschutz 4 her. Das erste biegsame Leitungsteil 12 absorbiert alle Naßveränderungen, die aufgrund von Wärmeschwankungen auftreten können.

Der erste Kühlabschnitt 9 und das erste thermische Verbindungsglied 10 ist von einer ersten zylindrischen Ummantelung 13 umgeben, die ein erstes, zylindrisches Teil 13a aufweist. Die erste Ummantelung weist ferner einen flanschförmigen Teil 13b auf, dessen äußere Kante mit dem unteren Ende des zylindrischen Teils 13a in Verbindung steht. Der Raum innerhalb der ersten Ummantelung 13 ist mit Heliumgas gefüllt.

Der zweite Kühlabschnitt 14 ist ringförmig und ist außen am unteren Ende des zweiten zylindrischen Teiles 2c befestigt. Mit dem zweiten Kühlabschnitt 14 steht zur thermischen Überleitung ein scheibenförmiges, zweites thermisches Verbindungsteil 15 in Verbindung. Mit dem zweiten Kühlabschnitt 14 steht ferner eine zweite Wärmeleitungsplatte 16 in Verbindung und ein zweites biegsames Leitungsteil 17 stellt den Kontakt mit dem zweiten Wärmeschutz 5 her. Das zweite thermische Verbindungsteil 15, die zweite Wärmeleitungsplatte 16 und das zweite biegsame Leitungsteil 17 bilden zusammen eine thermische Verbindung zwischen dem zweiten Kühlabschnitt 14 und dem zweiten Wärmeschutz 5. Das zweite biegsame Leitungsteil 17 absorbiert jede thermische Zusammenziehung, die aufgrund von Temperaturänderungen auftreten könnte.

Der zweite Kühlabschnitt 14 und das zweite thermische Verbindungsteil 15 sind von einer zweiten Ummantelung 18 mit einem zylindrischen Teil 18a umgeben, und der Raum innerhalb der zweiten Ummantelung 18 ist mit Heliumgas gefüllt. Das obere Ende des zylindrischen Teils 18 ist mit der Innenkante des flanschförmigen Teils 13b verbunden. Die zweite Ummantelung 18 hat ebenfalls ein scheibenförmiges Teil 18b, dessen Umfangskante mit dem unteren Ende des zylindrischen Teils 18a verbunden ist.

Eine Kompressoreinheit 19 führt der Kühleinheit 2 komprimiertes Heliumgas zu und versorgt ferner einen nicht dargestellten Ventil-Antriebsmotor, der in der Kühleinheit 2 eingebaut ist, mit elektrischer Energie.

Es wird nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen Vorrichtung beschrieben. Die Wärmemenge, die in den Cryogenbehälter 1 eindringt, hängt von den Temperaturen des ersten und zweiten Wärmeschutzes 4, 5 ab. Da die Temperaturen des Wärmeschutzes 4 und des Wärmeschutzes 5 niedrig sind, wird das Eindringen von Wärme vermindert, so daß der Verbrauch von flüssigem Helium, das die Spulen des supraleitenden Magneten oder irgendwelcher anderen zu kühlenden Gegenstände kühlt, die im Cryogenbehälter enthalten sind, vermindert wird. Der erste Wärmeschutz 4 und der zweite Wärmeschutz 5 werden demzufolge mit Hilfe einer Kühleinheit 2 gekühlt, um den Verbrauch von flüssigem Helium zu vermindern.

Wenn die Kühleinheit 2 in Betrieb gesetzt wird, dann werden der erste und zweite Kühlabschnitt 9 und 14 auf jeweils etwa 80 K und etwa 20 K gekühlt; dies führt dazu, daß der erste Wärmeschutz 4 über das thermische Verbindungsteil 10, das flanschförmige Teil 13b, die erste Wärmeleitungsplatte 11 und das erste biegsame Leitungsteil 12 gekühlt wird und der zweite Wärmeschutz 5 wird über das zweite thermische Verbindungsteil 15, das scheibenförmige Teil 18b, die zweite Wärmeleitungsplatte 16 und das zweite biegsame Leitungsteil 17 gekühlt.

Die Kühleinheit 2 (einschl. des ersten und zweiten zylindrischen Teils 2b und 2c) muß manchmal für eine Auswechslung oder für eine Reparatur entfernt werden. Aus diesem Grunde ist sowohl der erste Kühlabschnitt 9 als auch der zweite Kühlabschnitt 14 so ausgebildet, daß sie jeweils vom ersten thermischen Verbindungsteil 10 und vom zweiten thermischen Verbindungsteil 15 getrennt werden können.

In Verbindung mit dem oben beschriebenen Cryostaten nach dem Stand der Technik besteht ein Problem insofern, als dann, wenn die Kühleinheit 2 betätigt wird, der Druck innerhalb der ersten Ummantelung 13 negativ (niedriger als der Atmosphärendruck) wird, wobei Luft in den Raum der ersten Ummantelung 13 durch einen nicht besonders dargestellten, abgedichteten Teil eindringt und im Raum innerhalb der Ummantelung 13 zu Eisbildung führen kann.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß es dann, wenn die Kühleinheit aufgrund einer Auswechslung oder einer Reparatur entfernt wird, notwendig ist, das Anschlußteil, auf dem die Kühleinheit 2 montiert ist, mit einem nicht dargestellten Gasbeutel abzudecken und diesen Gasbeutel mit Heliumgas zu füllen, bevor die Kühleinheit entfernt wird. Eine solche Arbeit ist zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt hiernach die Aufgabe zugrunde, einen Cryostaten anzugeben, bei dem das zu kühlende Teil wirksam gekühlt werden kann. Ferner soll der Raum innerhalb der Ummantelung auf einem positiven Druck selbst dann gehalten werden, wenn die Kühleinheit betätigt wird, so daß eine Leckage von Luft in die Ummantelung hinein vermieden werden kann. Schließlich soll die Kühleinheit leicht und ohne großen Aufwand für eine Auswechslung oder eine Reparatur entfernt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben, wobei weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten hervortreten werden. Es zeigen:

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Cryostaten nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Cryostaten nach der Erfindung,

Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Cryostaten nach Fig. 2, wobei die Kühleinheit entfernt worden ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Teile, die identisch oder ähnlich mit denjenigen in der Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 sind, haben die identischen Bezugsziffern erhalten und auf ihre besondere Beschreibung ist verzichtet worden.

Der Cryostat nach dieser Ausführungsform weist als Besonderheit ein Verbindungsrohr 51 auf, das den Raum 42 innerhalb der ersten, aus dem zylindrischen Teil 13a und dem flanschförmigen Teil 13b bestehenden Ummantelung 13 mit einem Raum 41 innerhalb des Cryogenbehälters verbindet, in dem das Cryogen-Gas, das aus der Verdampfung des flüssigen Cryogens entsteht, enthalten ist, wobei der Druck positiv ist.

Das Verbindungsrohr 51 ist vorzugsweise an dem Ende des Raumes 42 angesetzt, der nahe am Hauptblock 2a der Kühleinheit 2 liegt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht das Verbindungsrohr 51 aus Metall und ist mit der Ummantelung 13 über einen Befestigungsflansch 52 verbunden, der nicht nur zur Befestigung des Verbindungsrohres 51 mit der Ummantelung 13 dient, sondern ebenso zur Befestigung der Kühleinheit 2 am Vakuumbehälter 6, ähnlich dem Flansch 7 gemäß Fig. 1. Der Befestigungsflansch 52 ist ringförmig und ist am oberen Ende der ersten Ummantelung 13 angeordnet.

Der Befestigungsflansch 52 hat einen ringförmigen Sprüh-Abschnitt 53, der sich rund um die obere Kante des zylindrischen Teils 13a der ersten Ummantelung 13 herum erstreckt. Der Sprühabschnitt 53 dient zum Einsprühen von Cryogengas, um auf diese Weise eine Gas-Abdeckung zu bilden, die das obere Ende des Raumes 42 innerhalb der ersten Ummantelung 13 abdichtet, und auf diese Weise den Eintritt von Luft dann verhindert, wenn die Kühleinheit 2 mit ihren zylindrischen Teilen 2b und 2c entfernt wird und wenn die Öffnung des Verbindungsrohres 51 dabei in Richtung auf die Atmosphäre geöffnet wird.

Wenn die Kühleinheit 2 betätigt wird, dann wird der erste Kühlabschnitt 9 auf etwa 80 K abgekühlt und der zweite Kühlabschnitt 14 wird auf etwa 20 K abgekühlt, wie bei der Ausführungsform nach dem Stand der Technik. Der Raum 42 innerhalb der Ummantelung wird ebenfalls auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt und der Druck im Raum 42 neigt dazu, abzufallen. Da der Raum 42 durch das Verbindungsrohr 51 mit dem Cryogenbehälter 1 verbunden ist, wird Heliumgas vom Raum 41 über das Verbindungsrohr 52 in den Raum 42 geleitet, so daß der Druck im Raum 42 davor bewahrt wird, negativ zu werden und er wird auf diese Weise positiv gehalten. Demzufolge wird eine Leckage von Luft in den Raum 42 hinein von der Atmosphäre her verhindert und einer Eisbildung durch die eingeflossene Luft wird vorgebeugt.

Wenn die Kühleinheit 2 gemäß der Abbildung in Fig. 3 während einer Auswechslung oder einer Reparatur entfernt wird, dann wird Heliumgas aus dem Sprühabschnitt 53 innerhalb des Befestigungsflansches 52 ausgesprüht und es entsteht auf diese Weise eine durch Gas gebildete Abdeckung 54. Aufgrund dieser durch Gas gebildeten Abdeckung 54 wird einem Eindringen von Luft in den Raum 42 entgegengewirkt.

Auf diese Weise ist es unnötig, einen Gasbeutel oder ähnliche Werkzeuge zum Verhindern des Lufteintritts in den Raum 42 zu der Zeit zu verwenden, in der die Kühleinheit 2 entfernt wird.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 liegt der Raum, in dem sich das Cryogengas befindet, innerhalb des Cryogenbehälters 1; ein solcher Raum kann jedoch auch innerhalb eines getrennten Behälters sein, so z. B. in einem getrennten Heliumgas-Reservoir, das dazu vorgesehen ist, das Heliumgas, das aus der Verdampfung des flüssigen Heliums im Cryogenbehälter 1 entstanden ist, zu sammeln.

Das Verbindungsrohr 51 kann auch eine Form aufweisen, die von der dargestellten abweicht und kann sich längs eines Weges erstrecken, der ebenfalls vom dargestellten abweicht und es kann ferner aus einem Werkstoff bestehen, der kein Metall ist. Es können auch mehrere Verbindungsrohre 51 vorhanden sein.

Die Kühleinheit 2 bei den dargestellten Ausführungsformen ist eine zweistufige Bauart, die Zahl der Stufen kann aber auch eins oder mehr als zwei sein.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist das Cryogen ein flüssiges Helium; es kann jedoch auch jedes andere Cryogen, z. B. Stickstoff, verwendet werden.

Die Erfindung kann bei einem Kälteregler (Cryostat) in einer Vorrichtung verwendet werden, die anderen Zwecken dient, als eine Vorrichtung zur Darstellung magnetischer Kernresonanzen.

Claims (8)

1. Cryostat mit
   einem Vakuumbehälter (6),
   einem Cryogenbehälter (1), der im Vakuumbehälter (6) angeordnet ist und ein flüssiges Cryogen enthält,
   einem Raum (41), in dem ein durch Verdampfung des flüssigen Cryogens entstandenes Cryogengas gespeichert ist,
   einer Kühleinheit (2) mit einem länglichen Teil (2b), das sich in den Vakuumbehälter (6) hinein erstreckt und einen Kühlabschnitt (36) aufweist,
   einem gekühlten Teil (4), das durch den Kühlabschnitt (36) der Kühleinheit (2) gekühlt wird und einer Ummantelung (13a), die das längliche Teil (2b) umgibt,
   dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungsrohr (51) einen Raum (42) innerhalb der Ummantelung (13a) mit dem Raum (41) verbindet, in dem das Cryogengas gespeichert ist.
2. 2. Cryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte Teil (4) ein Wärmeschutz ist, der den Cryogenbehälter (1) umgibt.
3. 3. Cryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum (41), in dem das Cryogengas gespeichert ist, ein positiver Druck herrscht.
4. 4. Cryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (41), in dem das Cryogengas gespeichert ist, der Cryogenbehälter (1) ist.
5. 5. Cryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (2) einen Hauptblock (2a) umfaßt, der außerhalb des Vakuumbehälters (6) liegt und daß das Verbindungsrohr (51) an ein Ende des Raumes innerhalb der Ummantelung (13a) angeschlossen ist, das nahe dem Hauptblock (2a) liegt.
6. 6. Cryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil, in den sich das Verbindungsrohr (51) in den Raum (42) innerhalb der Ummantelung (13) öffnet, einen Sprühabschnitt (53) zum Einsprühen von Cryogengas aufweist, um auf diese Weise eine Gasabdeckung (54) zu bilden, mit deren Hilfe der Eintritt von Luft dann verhindert wird, wenn die Kühleinheit (2) mit ihrem länglichen Teil (2b) entfernt wird.
7. 7. Cryostat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (51) mit Hilfe eines Befestigungsflansches (52) an das Ende der Ummantelung (13) angeschlossen ist, das nahe dem Hauptblock (2a) liegt, wobei der Sprühabschnitt (53) innerhalb des Flansches (52) ausgebildet ist.
8. 8. Cryostat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprühabschnitt (53) sich längs des Umfanges des nahe dem Hauptblock (2a) liegenden Endes der Ummantelung (13) verläuft.