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Die
Erfindung betrifft eine Kälteanlage
mit mindestens
- – einem warmen Verbindungselement,
welches mit zu kühlenden
Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist,
- – einem
kalten Verbindungselement, welches thermisch mit einer Wärmesenke
verbunden ist,
- – einem
Wärmerohr
aus schlecht-wärmeleitendem
Material, welches an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement
und an einem zweiten Ende mit dem kalten Verbindungselement verbunden
ist, und dessen Innenraum zumindest teilweise mit einem nach einem
Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Kältemittel gefüllt ist.
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Eine
Kälteanlage
mit den oben genannten Merkmalen geht beispielsweise aus der
DE 102 11 568 B4 hervor.
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Kühlsysteme,
z. B. Kühlsysteme
für supraleitende
Magnete, verfügen
oftmals über
eine so genannte Badkühlung.
Für eine
solche Badkühlung kann
ein flüssiges
Kältemittel,
z. B. Helium, mit einer Temperatur von typischerweise 4,2 K verwendet
werden. Für
eine Badkühlung
sind jedoch große
Mengen des entsprechenden Kältemittels
notwendig. Bei einem supraleitenden Magneten besteht weiterhin die Möglichkeit,
dass dieser, z. B. durch Überschreiten eines
für das
entsprechende supraleitende Material kritischen Stromes oder eines
kritischen Magnetfeldes, seine supraleitenden Eigenschaften verliert.
In einem solchen Fall tritt an dem supraleitenden Material kurzfristig
eine große
Hitzeentwicklung auf. Die anfallende Wärme führt bei einer Badkühlung zu
einem Sieden des Kältemittels
innerhalb des Kryostaten. In großen Mengen anfallendes gasförmiges Kältemittel
führt zu
einem schnellen Anstieg des Druckes innerhalb des Kryostaten.
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Um
diesem Problem zu begegnen und gleichzeitig die Kosten für das Kältemittel
zu reduzieren, werden Kühlsysteme
ohne ein Kältemittelbad konzipiert.
Solche Kühlsysteme
können
ohne jegliches Kältemittel
auskommen. Die Kälteleistung
wird in diesem Fall lediglich durch Festkörperwärmeleitung in die zu kühlenden
Bereiche eingebracht. Bei einem solchen Kühlsystem können die zu kühlenden Bereiche
durch einen sog. Festkörper-Kryobus aus z. B.
Kupfer mit einer Kältemaschine
verbunden sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die zu kühlenden
Bereiche und die Kältemaschine
mit einem geschlossenen Rohrleitungssystem zu verbinden, in welchem
eine geringe Menge Kältemittel
zirkuliert. Der Vorteil solcher Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad
besteht weiterhin darin, dass diese einfacher an bewegliche zu kühlende Lasten
anzupassen sind als Kühlsysteme,
welche ein Kältemittelbad
aufweisen. Kühlsysteme
ohne ein Kältemittelbad
sind daher insbesondere für
supraleitende Magnete einer so genannten Gantry geeignet, wie sie
in der Ionenstrahltherapie zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Die
Kälteleistung
kann in den zuvor beschriebenen Kühlsystemen typischerweise von
einer Kältemaschine
mit einem Kaltkopf insbesondere einem Stirlingkühler zur Verfügung gestellt
werden.
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Ein
supraleitender Magnet, bei dem ein Kaltkopf mit seiner zweiten Stufe
unmittelbar mechanisch und thermisch mit der Haltestruktur einer
supraleitenden Magnetwicklung verbunden ist, geht z. B. aus der
US 5,396,206 hervor. Die
notwendige Kälteleistung wird
bei dem zuvor genannten supraleitenden Magnet direkt durch Festkörperwärmeleitung
in die supraleitenden Magnetwicklungen eingebracht. Muss jedoch
ein Kaltkopf z. B. zu Wartungszwecken ausgetauscht werden, weist
die vorgenannte Kühlvorrichtung
für einen
supraleitenden Magneten ein entscheidendes technisches Problem auf.
Während
des Austauschvorgangs können
Luft oder andere Gase an der tiefkalten Kontaktfläche, in
diesem Fall der Haltestruktur der supraleitenden Wicklungen, festfrieren.
An diesen Stellen entstehendes Eis führt zu einer schlechten thermischen
Verbindung des anschließend
wieder eingesetzten Kaltkopfes mit der Haltestruktur der Wicklung.
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Um
ein Festfrieren von Gasen an den tiefkalten Kontaktflächen zu
vermeiden, können
diese auf etwa Raumtemperatur erwärmt werden. Dies führt in der
Regel dazu, dass die gesamten zu kühlenden Teile einer Einrichtung,
z. B. die gesamten supraleitenden Wicklungen eines Magneten, auf
Raumtemperatur gebracht werden müssen,
bevor der Kaltkopf ausgetauscht werden kann. Insbesondere für große Systeme
können
eine solche Aufwärmphase
und die anschließende
Abkühlphase
eine lange Zeit in Anspruch nehmen. Dies führt zu langen Ausfallzeiten des
Systems. Die Aufwärm-
und Abkühlphasen
führen
weiterhin zu einem großen
Verbrauch an Energie.
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Alternativ
kann das Anfrieren von Umgebungsgasen an den tiefkalten Kontaktflächen dadurch
vermeiden werden, dass der Raum um diese Kontaktflächen gezielt
mit Gas geflutet wird. Dies ist jedoch aufwändig und führt zu einem großen Verbrauch
an Spülgas
oder zu diesem Zweck verdampftem Kältemittel.
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EP 0 696 380 B1 offenbart
einen supraleitenden Magneten mit einer kältemittelfreien Kälteanlage.
Die offenbarte Kälteanlage
verfügt über einen thermischen
Bus aus gut wärmeleitfähigem Material wie
z. B. Kupfer, welcher mit dem supraleitenden Magneten verbunden
ist. Der thermische Bus ist weiterhin mit zwei Kaltköpfen verbindbar.
Die beiden Kaltköpfe
sind symmetrisch zu dem thermischen Bus angeordnet. Sie können jeweils
von entgegengesetzten Seiten an den thermischen Bus herangefahren
werden. Auf diese Weise kann einer oder beide Kaltköpfe in thermischen
Kontakt mit dem thermischen Bus gebracht werden. Die Kälteleistung
wird entsprechend von einem oder auch beiden Kaltköpfen in
den thermischen Bus eingebracht.
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Zum
Austausch eines der beiden Kaltköpfe der
oben genannten Anlage kann dieser von dem thermischen Bus mechanisch
zurückgefahren
werden, wodurch der entsprechende Kaltkopf ebenfalls thermisch von
dem thermischen Bus getrennt wird. In diesem Fall wird die Kälteleistung
lediglich durch den einen verbleibenden Kaltkopf zur Verfügung gestellt. Ein
Austausch des zurückgefahrenen
Kaltkopfes kann nun erfolgen, ohne dass der supraleitende Magnet
erwärmt
werden muss. Bei der in
EP
0 696 380 B1 offenbarten Kälteanlage müssen die Kaltköpfe jedoch
mechanisch beweglich ausgeführt
werden, was eine Vielzahl von tieftemperaturtauglichen bewegbaren
Bauteilen und eine entsprechende, möglicherweise störanfällige Mechanik
voraussetzt.
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DE 102 11 568 B4 offenbart
eine Kälteanlage mit
zwei Kaltköpfen,
welche über
ein Rohrleitungssystem, in dem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt
zirkulierbar ist, mit den zu kühlenden
Teilen einer Einrichtung verbunden sind. Das Rohrleitungssystem
weist eine Verzweigung auf. An den Enden der Äste befindet sich je ein Kältemittelraum,
der mit jeweils einem Kaltkopf verbunden ist. Flüssiges Kältemittel sinkt, ausgehend
von einem dieser Kältemittelräume, schwerkraftgetrieben
zu den zu kühlenden
Teilen der Einrichtung, an welchen der Wärmeübergang erfolgt. Gasförmiges Kältemittel
steigt in dem Rohrleitungssystem wiederum zu den beiden Kaltköpfen auf,
wo es rückverflüssigt wird.
Ein derartiger Kreislauf des Kältemittels
kann in dem Rohrleitungssystem sowohl in dem Fall stattfinden, in
dem lediglich ein Kaltkopf arbeitet, als auch in dem Fall, in dem
beide Kaltköpfe
arbeiten. Wird die Kälteanlage derart
dimensioniert, dass auch ein einzelner Kaltkopf die für die zu
kühlenden
Teile der Einrichtung notwendige Kälteleistung aufbringt, kann
im laufenden Betrieb der Kälteanlage
der weitere (zweite) Kaltkopf ausgetauscht werden. Zur Minimierung
von thermischen Verlusten ist das Rohrleitungssystem zwischen der
Verzweigung und den Kältemittelräumen, die
jeweils mit einem Kaltkopf verbunden sind, aus schlecht wärmeleitendem
Material hergestellt. Auf diese Weise können die Verluste durch Festkörperwärmeleitung
in den Ästen
zwischen der Verzweigung und dem jeweiligen Kältemittelraum begrenzt werden.
Gasförmiges
Kältemittel
wird jedoch stets auch zu dem Punkt aufsteigen, an dem sich kein oder ein
abgeschalteter Kaltkopf befindet. So können zwar die Verluste durch
Festkörperwärmeleitung
begrenzt werden, nicht jedoch die Verluste, welche durch zirkulierendes
Kältemittel
verursacht werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage anzugeben, bei der
die zu kühlenden
Teile einer Einrichtung mit einem Wärmerohr, in dem ein Kältemittel
nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierbar ist, mit einer Wärmsenke
verbunden sind, wobei die zu kühlenden
Teilen der Einrichtung ohne eine mechanische Trennung weitgehend
thermisch von der Wärmesenke
entkoppelbar sein sollen.
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Diese
Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegen dabei die folgenden Überlegungen zugrunde:
Der Wärmeaustausch
zwischen der Wärmesenke
und den zu kühlenden
Teilen einer Einrichtung erfolgt im Wesentlichen durch das in dem
Wärmerohr
nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbare Kältemittel. Zur thermischen
Trennung der Wärmesenke
von den zu kühlenden
Teilen der Einrichtung kann das Wärmerohr über eine an seinen Innenraum angeschlossene
Rohrleitung abgepumpt werden. Das Wärmerohr soll gleichzeitig aus
einem schlecht wärmeleitfähigen Material
hergestellt sein. Durch diese Maßnahmen wird die thermische
Verbindung zwischen der Wärmesenke
und den zu kühlenden
Teilen der Einrichtung bis auf ein durch die Festkörperwärmeleitfähigkeit
des Wärmerohres
definiertes geringes Maß herabgesetzt.
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Erfindungsgemäß soll die
Kälteanlage
mindestens ein warmes Verbindungselement enthalten, welches mit
zu kühlenden
Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist, weiterhin soll
die Kälteanlage
ein kaltes Verbindungselement enthalten, welches thermisch mit einer
Wärmesenke
verbunden ist. Ein Wärmerohr
aus schlecht-wärmeleitendem
Material soll an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement
und an einem zweiten Ende mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement
verbunden sein. Der Innenraum des Wärmerohrs soll zumindest teilweise
mit einem nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Kältemittel
gefüllt
sein. Weiterhin soll die Kälteanlage
eine Rohrleitung umfassen, die mit einem ersten Ende mit dem Innenraum des
Wärmerohrs
verbunden ist. Zur thermischen Trennung der Verbindungselemente
soll erfindungsgemäß das Kältemittel über die
Rohrleitung aus dem Wärmerohr
abpumpbar sein. Weiterhin soll das kalte Verbindungselement (103)
mittels einer Heizung (401) erwärmbar sein.
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Die
Vorteile einer Kälteanlage
mit den zuvor genannten Merkmalen sind vor allem darin zu sehen, dass
eine Wärmeübertragung über das
Wärmerohr deutlich
herabgesetzt wird, indem das Kältemittel
aus dem Inneren des Wärmerohres
abgepumpt wird. Auf diese Weise können die zu kühlenden
Teile einer Einrichtung thermisch von der Wärmesenke weitgehend entkoppelt
werden, ohne dass eine zweite Wärmesenke
benötigt
wird und ohne dass eine oder mehrere Wärmesenken mechanisch bewegt
werden müssen.
Wird die Wärmesenke,
welche mechanisch lösbar
mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist, aus der Kälteanlage
entfernt, kann das kalte Verbindungselement binnen einer kurzen
Zeit mittels der Heizung (401) soweit erwärmt werden,
dass insbesondere Luft oder andere in der Umgebungsatmosphäre enthaltene
Gase nur in geringem Maß an
der Oberfläche
des kalten Verbindungselements anfrieren. Eine Eisbildung an den
Kontaktflächen
zwischen dem kalten Verbindungselement und der Wärmesenke kann auf diese Weise
größtenteils
vermieden werden. Aufgrund der verminderten Eisbildung wird der thermische
Kontakt beim Wiedereinsetzen der Wärmsenke deutlich besser ausfallen
als in dem Fall, in dem sich deutliche Eisbildung an den Kontaktflächen zeigt.
Weiterhin bleibt der kryogene Bereich, in dem sich die zu kühlenden
Teile der Einrichtung befinden, bedingt durch die thermische Entkopplung, vor
in diesen Bereich eindringenden Wärmeströmen bewahrt. Auf diese Weise
bleiben auch bei einem Austausch der Wärmesenke die zu kühlenden
Teile einer Einrichtung auf der gewünschten tiefen Temperatur.
Mit den zuvor genannten Maßnahmen
kann eine Kälteanlage
angegeben werden, welche es gestattet, auch bei einer Verwendung
einer einzelnen Wärmesenke,
ohne dass ein Er wärmen
der zu kühlenden
Teile notwendig wird, die Wärmesenke
abzuschalten, auszutauschen, zu warten bzw. temporär zu entfernen.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage
ist besonders für
Einrichtungen auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik geeignet.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den von
Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen
hervor. Dabei kann die Ausführungsform
nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder
vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die
Kälteanlage
nach der Erfindung zusätzlich
noch folgende Merkmale aufweisen:
- – Das Kältemittel
kann als ein Zweiphasengemisch vorliegen. Insbesondere kann das
Kältemittel
als ein Zweiphasengemisch aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase
vorliegen. Vorteilhaft kann auf diese Weise die latente Wärme des Phasenübergangs
flüssig-gasförmig für eine Verbesserung
der Wärmeankopplung
zwischen dem kalten und dem warmen Verbindungselement über das
Wärmerohr
ausgenutzt werden. Gasförmiges
Kältemittel
wird in diesem Fall an dem Ende des Wärmerohres, welches mit dem
kalten Verbindungselement verbunden ist, kondensieren, während flüssiges Kältemittel
an dem Ende des Wärmerohres,
welches mit dem warmen Verbindungsmittel verbunden ist, verdampft.
- – Die
Rohrleitung kann derart ausgestaltet sein, dass zumindest Teile
der Rohrleitung geodätisch höher als
der Flüssigkeitsspiegel
des Kältemittels liegen.
Durch eine wie zuvor beschriebene Ausgestaltung der Rohrleitung
kann verhindert werden, dass flüssiges
Kältemittel
durch die Rohrleitung bis an einen Punkt gelangt, an dem die Rohrleitung
mit dem äußeren, gegebenenfalls
warmen Teil, der Kälteanlage
verbunden ist. Auf diese Weise kann ein unnötiger Wärmeeintrag in den kryogenen
Bereich insbesondere in das Wärmerohr
vermieden werden.
- – Die
zu kühlenden
Teile der Einrichtung können in
einem evakuierbaren Kryostaten angeordnet sein und das zweite Ende
der Rohrleitung kann außerhalb
des Kryostaten liegen. Tiefkalte Teile einer Einrichtung können vorteilhaft
mittels eines evakuierbaren Kryostaten thermisch vor ihrer Umgebung
isoliert werden. Eine solche thermische Isolation stellt eine effektive
Isolation für
tiefkalte Teile einer Einrichtung dar. Insbesondere bei solchen
tiefkalten Teilen einer Einrichtung ist es wünschenswert, eine Eisbildung
an den Kontaktflächen
des kalten Verbindungselementes zu vermeiden. Der Einsatz einer
Kälteanlage
gemäß dem vorstehenden
Ausführungsbeispiel
ist daher für
Vorrichtungen mit tiefkalten Teilen vorteilhaft.
- – Es
kann eine mehrstufige Kältemaschine
mit einer ersten und einer zweiten Stufe vorhanden sein, wobei die
Wärmesenke
von der zweiten Stufe gebildet sein kann und die erste Stufe mechanisch
lösbar
mit einem innerhalb des Kryostaten angeordneten Wärmeschild
verbunden sein kann. Eine mehrstufige Kältemaschine ist für tiefkalt
zu kühlende
Teile einer Einrichtung geeignet. Vorteilhaft kann ein Wärmeschild
als eine weitere Maßnahme
zur thermischen Isolation eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße thermische
Trennung der zu kühlenden
Teile einer Einrichtung von der zweiten Stufe der Kältemaschine
ist vorteilhaft, da insbesondere bei mechanisch komplexen Kühlsystemen
der Vorteil einer thermischen Trennung ohne bewegliche Teile zum
Tragen kommt.
- – Zumindest
Teile der Kältemaschine
können
in einem von dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, evakuierbaren
Wartungsraum auswechselbar angebracht sein. Mit Hilfe eines weiteren, von
dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, ebenfalls evakuierbaren
Wartungsraums kann der Auswechselvorgang der Kältemaschine vorgenommen werden,
ohne dass das Vakuum des Kryostaten gebrochen werden muss. Der Wartungsvorgang
gestaltet sich in dieser Weise besonders einfach und effektiv.
- – Die
Kälteanlage
kann um eine Achse drehbar sein, welche im Wesentlichen parallel
zu einer Symmetrieachse des Wärmerohres
verläuft.
Das Wärmerohr
kann weiterhin in einem ersten Bereich, der mit dem warmen Verbindungselement verbunden
ist, einen größeren Querschnitt
aufweisen als in einem zweiten Bereich, der mit dem kalten Verbindungselement
verbunden ist. Die Teile des Wärmerohres,
die den ersten und den zweiten Bereich miteinander verbinden, können derart
ausgestaltet sein, dass in dem zweiten Bereich kondensiertes Kältemittel
ungehindert unter dem Einfluss der Schwerkraft zu dem ersten Bereich
gelangen kann. Eine Kälteanlage
mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere vorteilhaft
für bewegliche,
in diesem Fall drehbar angeordnete zu kühlende Teile einer Einrichtung verwendet
werden. Durch die spezielle Ausgestaltung des Wärmerohres wird auch bei einer
Drehung der zu kühlenden
Teile einer Einrichtung jederzeit der thermische Kontakt zwischen
der Kältemaschine
und den zu kühlenden
Teilen der Einrichtung gewährleistet.
- – Die
Rohrleitung kann an ihren Enden nahe der Symmetrieachse des Wärmerohres
mit dem Wärmerohr
und der Außenseite
des Kryostaten verbunden sein. Die Rohrleitung kann weiterhin in Verlaufsrichtung
mindestens einen der Achse nahen Zwischenbereich aufweisen. Durch
eine Ausgestaltung der Rohrleitung, wie sie zuvor beschrieben ist,
kann bei einer Drehung der zu kühlenden
Teile einer Einrichtung verhindert werden, das Kältemittel durch die Rohrleitung
bis an das warme Ende der Rohrleitung vordringt, welches außerhalb
des Kryostaten befestigt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass
sich eine Zirkulation des Kältemittels
in der Rohrleitung zwischen dem innerhalb des Wärmerohres befindlichen tiefkalten
Bereich und dem Ende der Rohrleitung, welches außerhalb des Kryostaten angebracht
ist, stattfindet. Besonders vorteilhaft kann durch die zuvor beschriebene
Ausgestaltung der Rohrleitung Wärmever luste
durch eine wie zuvor beschriebene Zirkulation des Kältemittels
unterbunden werden.
- – Der
Zwischenbereich der Rohrleitung kann einen V-förmigen Verlauf in Richtung
der Achse A aufweisen. Eine V-förmig
gebogene Rohrleitung stellt eine besonders einfache und effektive
Ausgestaltungsform der Rohrleitung dar.
- – Das
Wärmerohr
kann im Wesentlichen in der Form eines Kegelstumpfes ausgestaltet
sein. Durch eine Ausbildung des Wärmerohres in der Form eines
Kegelstumpfes kann eine besonders einfache kostengünstige und
effektive Form des Wärmerohrs
angegeben werden.
- – Die
Kälteanlage
kann ein Zusatzkühlsystem
umfassen, welches zumindest die folgenden Merkmale aufweist: Einen
Kältemittelraum,
welcher mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist; eine Zuleitung,
durch welche der Kältemittelraum von
einem geodätisch
höher gelegenen
Ort außerhalb
des Kryostaten mit einem zweiten Kältemittel befüllbar ist;
ein Rohrleitungssystem, welches thermisch großflächig mit den zu kühlenden Teilen
der Einrichtung verbunden ist und in welchen das zweite Kältemittel
bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist; eine Abgasleitung,
durch welche gasförmiges
zweites Kältemittel
aus dem Rohrleitungssystem entweichen kann. Durch ein Zusatzkühlsystem
mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere bei großen zu kühlenden
Massen eine Beschleunigung der Abkühlphase erreicht werden. Indem über die
Zuleitung ein zweites Kältemittel
von einem geodätisch
höher gelegenen
Ort außerhalb des
Kryostaten in den Kältemittelraum
gefüllt
wird, wird zusätzliche
Kühlleistung
für die
zu kühlenden Teile
einer Einrichtung bereitgestellt. Gegebenenfalls abdampfendes zweites
Kältemittel
kann über die
Abgasleitung aus dem Rohrleitungssystem entweichen. Auf diese Weise
wird die Bildung eines Überdruckes
in dem Rohrleitungssystem verhindert. Innerhalb des Rohrleitungssystems
kann das zweite Kältemittel
nach einem Thermosiphoneffekt zirkulieren und so für eine effektive
zusätzliche
Kühlung
sorgen. Die Verbindungselemente können aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise
aus Kupfer, bestehen. Das Wärmerohr
kann aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit
geringer als der von Kupfer, vorzugsweise aus Edelstahl, bestehen.
Durch eine derartige Ausgestaltung der Verbindungselemente aus einem
gut wärmeleitfähigen Material wie
z. B. Kupfer, kann eine besondere effektive thermische Ankopplung
sowohl an die Wärmesenke
wie auch an die zu kühlenden
Teile der Einrichtung erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohres
ist vor allem durch das innerhalb des Wärmerohrs zirkulierende Kältemittel
bedingt. Wird das Wärmerohr
selbst aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material
wie z. B. Edelstahl hergestellt, so kann durch Abpumpen des Kältemittels
eine besonders starke Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.
- – Die
Einrichtung kann eine Gantry-Vorrichtung zur Strahlentherapie sein,
und die zu kühlenden Teile
können
die Magnete der Gantry zur Ablenkung eines Teilchenstrahls sein.
Die erfindungsgemäße Kälteanlage
ist für
eine Gantry besonders geeignet, da die zu kühlenden Magnete um eine Rotationsachse
der Gantry gedreht werden. Insbesondere können vorteilhaft ein oder mehrere supraleitende
Gantry-Magnete mit
der Kälteanlage
gekühlt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend
nicht angesprochenen Ansprüchen
sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuternden Zeichnung hervor.
In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage
in leicht schematisierter Form angedeutet. Dabei zeigen deren
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1 den
Querschnitt einer Kälteanlage,
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2 den
Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage,
-
3 den
Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage
mit einem Zusatzkühlsystem,
-
4 den
Querschnitt einer Kälteanlage, wobei
das kalte Verbindungselement erwärmbar
ist,
-
5 den
Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage,
wobei das kalte Verbindungselement erwärmbar ist und
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6 den
Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage
mit einem Zusatzkühlsystem,
wobei das kalte Verbindungselement erwärmbar ist.
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Sich
in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen
versehen. Nicht näher
ausgeführte
Teile sind allgemeiner Stand der Technik.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Kälteanlage 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. In
einem Kryostaten 108 befinden sich die zu kühlenden
Teile 102 einer Einrichtung. Die zu kühlenden Teile 102 der
Einrichtung können
z. B. die Magnetwicklungen eines supraleitenden Magneten oder andere
Teile der Supraleitungstechnik sein. Innerhalb des Kryostaten 108 ist
zur Verbesserung der thermischen Isolierung ein Wärmeschild 112 angebracht. Die
Kühlleistung
für die
zu kühlenden
Teile 102 der Einrichtung wird durch eine Kältemaschine 109,
z. B. einem Kaltkopf oder einen Stirlingkühler, zur Verfügung gestellt.
Vorzugsweise kann ein Kaltkopf eingesetzt werden, der nach dem Gifford-McMahon-Prinzip
arbeitet. Eine solche zweistufige Kältemaschine 109 kann
gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
mit ihrer ersten Stufe 111 thermisch mit dem Wärmeschild 112 verbunden
sein. Die Verbindung zwischen der ersten Stufe 111 der
Kältemaschine 109 und
dem Wärmeschild 112 kann
vorzugsweise eine mechanische lösbare
Verbindung, z. B. eine Schraub- oder Klemmverbindung sein, welche gleichzeitig
einen guten thermischen Kontakt der Bauteile gewährleistet. Die zweite Stufe 110 der
Kältemaschine 109 stellt
die eigentliche Wärmesenke 104 der
Kälteanlage 100 dar.
Die zweite Stufe 110 der Kältemaschine 109 ist
thermisch mit einem kalten Verbindungselement 103 verbunden.
Die entsprechende Verbindung kann vorzugsweise eine Schraubverbindung
sein. D. h. die Kältemaschine 109 wird
mit ihrer zweiten Stufe 110 in das kalte Verbindungselement 103 lösbar einge schraubt.
Jede andere mechanische Verbindung, welche lösbar ist und gleichzeitig einen
guten thermischen Kontakt zwischen der zweiten Stufe 110 der
Kältemaschine 109 und
dem kalten Verbindungselement 103 gewährleistet, ist ebenfalls für das in 1 dargestellte
Ausführungsbeispiel
geeignet. Die Verbindungselemente 101 und 103 können ebenfalls
ein Teil der zu kühlenden
Teile 102 einer Einrichtung bzw. der Wärmesenke 104 sein.
Sie können
weiterhin in die entsprechenden Bauteile integriert sein oder dauerhaft
fest mit diesen verbunden sein.
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Die
Kältemaschine 109 befindet
sich gemäß dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel,
teilweise in einem separat evakuierbaren Wartungsraum 113.
Dieser Wartungsraum 113 ist von dem übrigen evakuierbaren Raum des
Kryostaten 108 abgetrennt. Das kalte Verbindungselement 103 ist
mit einem Wärmerohr 105 gut
wärmeleitend
und vorzugsweise auch mechanisch verbunden. Auf der gegenüberliegenden
Seite ist das Wärmerohr 105 mit
einem warmen Verbindungselement 101 verbunden. Diese Verbindung
ist ebenfalls gut wärmeleitend
ausgestaltet und kann vorzugsweise auch eine mechanische Verbindung
sein. Das warme Verbindungselement 101 ist wiederum gut
wärmeleitend
mit den zu kühlenden Teilen 102 einer
Einrichtung verbunden. Innerhalb des Wärmerohres 105 befindet
sich ein Kältemittel 106,
welches in dem Wärmerohr 105 gemäß einem Thermosiphoneffekt
zirkulieren kann. Das Wärmerohr 105 selbst
besteht aus einem schlecht-wärmeleitenden
Material.
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Das
Wärmerohr 105 kann
vollständig
mit dem Kältemittel 106 gefüllt sein.
Es kann sich in diesem Fall insbesondere um ein Gas handeln, welches als
Kältemittel 106 verwendet
wird. Im oberen kalten Bereich des Wärmerohres 105 kann
das Kältemittel in
diesem Fall das Gas temperaturbedingt eine höhere Dichte annehmen, als im
unteren warmen Bereich des Wärmerohres 105.
Aufgrund der auf diese Weise entstehenden Dichteunterschiede des
Gases, kann sich in dem Wärmerohr 105 eine
Zirkulation nach dem Thermosiphoneffekt einstellen. Diese Zirkulation
bewirkt eine besonders gute Wärmeankopplung zwi schen
den zu kühlenden
Teilen 102 der Einrichtung und der Wärmesenke 104.
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Weiterhin
kann das Wärmerohr 105 lediglich teilweise
mit einem Kältemittel 106 gefüllt sein.
Insbesondere kann das Kältemittel 106 als
Zweiphasengemisch vorliegen. In diesem Fall kann sich eine Zirkulation
des Kältemittels 106 in
den zwei verschiedenen Phasen einstellen, z. B. flüssig-gasförmig. Demgemäß wird gasförmiges Kältemittel
in dem Teil des Wärmerohres 105,
welcher sich in thermischem Kontakt mit dem kalten Verbindungsstück 103 befindet, verflüssigt. Kondensiertes
Kältemittel 106 bewegt sich
schwerkraftgetrieben in den in 1 weiter
unten dargestellten Teil des Wärmerohres 105,
welcher sich in thermischem Kontakt mit dem warmen Verbindungsstück 101 befindet.
In diesem Teil des Wärmerohres 105 gibt
das Kältemittel 106 die
Kälteleistung an
das warme Verbindungsstück 101 (und
somit auch an die zu kühlenden
Teile der Einrichtung 102) ab, woraufhin gasförmiges Kältemittel 106 wieder
in den oberen Teil des Wärmerohres
aufsteigt. In diesem Fall wirkt das kalte Verbindungsstück 103 als Kondensator
und das warme Verbindungsstück
als Verdampfer. Auf diese Weise kann eine gute thermische Verbindung
zwischen der Kältemaschine 109 bzw.
dessen zweiter. Stufe 110 und den zu kühlenden Teilen 102 einer
Einrichtung gewährleistet
werden.
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Im
Betrieb einer Kälteanlage 100 kann
sich die Notwendigkeit ergeben, dass eine Kältemaschine 109 z.
B. zu Wartungsarbeiten oder aufgrund eines Defekts ausgetauscht
werden muss. Bevor die Kältemaschine 109 aus
der Kälteanlage 100 entfernt
wird, wird das Kältemittel 106,
welches sich innerhalb des Wärmerohres 105 befindet, über eine
nach außen führende Rohrleitung 107 abgepumpt.
Es ist in vielen Fällen
ausreichend, das Kältemittel 106 zum überwiegenden
Teil aus dem Wärmerohr 105 abzupumpen;
es kann aber auch vollständig
aus dem Wärmerohr 105 entfernt
werden. Indem das Kältemittel 106 aus
dem Wärmerohr 105 entfernt
wird, wird die Wärmeleitfähigkeit
des Wärmerohres 105 erheblich
herabgesetzt. Zwischen dem kalten Ver bindungselement 103 und
dem warmen Verbindungselement 101 findet im Folgenden eine
Wärmeleitung
lediglich infolge von Festkörperwärmeleitung über das
Material des Wärmerohres 105 statt.
Wird das Wärmerohr 105 aus
einem schlecht wärmeleitenden
Material wie z. B. Edelstahl hergestellt, kann die thermische Leitung
zwischen den Verbindungselementen 101, 103 auf
ein Minimum reduziert werden. Als Materialien für das Wärmerohr 105 sind neben
Edelstahl auch verschiedene Kunststoffe, Keramiken oder andere tieftemperaturgeeignete
Werkstoffe verwendbar. Eine weitere Maßnahme zur Minimierung der
Wärmeleitung
ist, das Wärmerohr 105 besonders
dünnwandig zu
fertigen. Das Wärmerohr 105 kann
weiterhin einen geringen Durchmesser und eine große Länge aufweisen.
Auf diese Weise stellt das Material des Wärmerohres 105 einen
besonders großen
Wärmewiderstand
dar.
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Nachdem
das Kältemittel 106 aus
dem Wärmerohr 105 über die
Rohrleitung 107 abgepumpt worden ist, kann der Wartungsraum 113 belüftet werden.
Bedingt durch die in den Wartungsraum 113 einströmende Umgebungsluft
beginnt sich das kalte Verbindungselement 103 sowie die
vormals kalten Teile der Kältemaschine 109 zu
erwärmen.
Der Wartungsraum 113 kann ebenfalls mit einem speziellen Spülgas, wie
z. B. getrocknete Luft, Stickstoff oder Helium geflutet werden.
Nachdem der Wartungsraum 113 belüftet worden ist, kann die Kältemaschine 109 aus
der Kälteanlage 100 entfernt
werden. Das vormals tiefkalte Verbindungselement 103 ist
von den übrigen
immer noch tiefkalten Teilen, insbesondere dem warmen Verbindungselement 101 und
den zu kühlenden
Teilen 102 einer Einrichtung, thermisch entkoppelt und
wird sich daher schnell auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur
erwärmen.
Da sich das kalte Verbindungselement 103, wie zuvor beschrieben,
von selbst erwärmt,
wird eine Eisbildung durch kondensierendes Gas wie vorzugsweise Umgebungsluft
weitgehend vermieden. Beim Wiedereinsetzen der Kältemaschine 109 ist
daher ein guter thermischer und mechanischer Kontakt zwischen deren
zweiter Stufe 110 und dem kalten Verbindungselement 103 gewährleistet.
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Supraleitende
Magnetwicklungen sind insbesondere für Bestrahlungsanlagen geeignet,
wie sie in der Teilchentherapie z. B. zur Krebsbekämpfung eingesetzt
werden. Solche supraleitenden Magnetwicklungen befinden sich bevorzugt
in einer so genannten Gantry montiert, welche um eine festgelegte
Achse rotierbar ist.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
allgemein mit 100 bezeichneten Kälteanlage, wobei die gesamte
Kälteanlage 100 einschließlich der zu
kühlenden
Teile 102 um eine Achse A rotierbar angeordnet sind. Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform
der Kälteanlage 100 befinden
sich die zu kühlenden
Teile 102 in einem Kryostaten 108, welcher zusätzlich einen
Wärmeschild 112 aufweist. Die
Kältemaschine 109 ist
vorzugsweise bezüglich einer
weiteren Achse B im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet.
Die Kältemaschine 109 ist in
einem Wartungsraum 113 untergebracht, welcher getrennt
von dem Kryostaten 108 evakuierbar ist. Die erste Stufe 111 der
Kältemaschine 109 ist
mit dem Wärmeschild 112 verbunden,
die zweite Stufe 104 der Kältemaschine 109 ist
mit dem kalten Verbindungselement 103 verbunden. Das Wärmerohr 105 befindet
sich mit seinem ersten Teil 202 in thermischer, vorzugsweise
auch mechanischer Verbindung mit dem kalten Verbindungselement 103.
Ein zweiter Teil 201 des Wärmerohres 105 befindet
sich in thermischem, vorzugsweise auch mechanischem Kontakt mit
dem warmen Verbindungselement 101. Der erste Teil 202 des
Wärmerohres 105 weist
einen geringeren Querschnitt als der zweite Teil 201 des
Wärmerohres 105 auf.
Der Teil 203 des Wärmerohres 105,
welcher den ersten Teil 202 und den zweiten Teil 201 des
Wärmerohres 105 verbindet,
ist derart ausgestaltet, dass durch diesen Teil 203 kondensiertes Kältemittel 106 infolge
der Schwerkraft ungehindert von dem ersten Bereich 202 in
den zweiten Bereich 201 gelangen kann. Das gesamte Wärmerohr 105 kann
vorzugsweise die Form eines beidseitig geschlossenen Kegelstumpfes
aufweisen. Ein solches Wärmerohr 105 kann
weiterhin derart mit der Kältemaschine 109 verbunden
sein, dass die Symmetrieachse des Kegelstumpfes mit der Achse B
zusammenfällt.
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Im
Bereich dieser Achse B ist eine Rohrleitung 107 mit dem
Wärmerohr 105 verbunden.
Durch diese Rohrleitung ist das Kältemittel 106 aus
dem Wärmerohr 105 abpumpbar.
Das Kältemittel 106 kann
insbesondere als Zweiphasengemisch flüssig-gasförmig in dem Wärmerohr 105 vorliegen.
Die Rohrleitung 107 weist eine derartige Form auf, dass etwaig
von dem Wärmerohr 105 in
die Rohrleitung 107 eintretende Flüssigkeit 106 nicht
ungehindert zu dem äußeren, in
Verbindung mit dem Kryostaten 108 stehenden Teil der Rohrleitung 107 gelangen
kann. Zu diesem Zweck weist die Rohrleitung 107 einen in Richtung
der Achse A gebogenen Teil 204 auf. Durch eine derartige
Ausgestaltung des Rohres 107 kann auch bei einer Drehung
der gesamten Kälteanlage 100 um
die Achse A verhindert werden, dass Flüssigkeit 106 durch
die Rohrleitung 107 in ständigen Kontakt mit dem äußeren Teil
der Rohrleitung 107 tritt.
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Wie
im Zusammenhang mit 1 beschrieben, kann das Kältemittel 106,
insbesondere flüssiges
Kältemittel 106,
aus dem Wärmerohr 105 durch die
Rohrleitung 107 abgepumpt werden. Auf diese Weise wird
eine thermische Trennung zwischen den zu kühlenden Teilen 102 einer
Einrichtung und der Wärmesenke 104 erreicht.
Um auch bei einer solchen um eine Achse A drehbaren Kälteanlage 100 die
Kältemaschine 109 z.
B. zu Wartungsarbeiten austauschen zu können, wird nach Abpumpen das Kältemittel 106 der
Arbeitsraum 113 belüftet.
Für den Fall,
dass der Wärmeschild 112 eine
starre Verbindung mit dem Kryostaten 108 aufweist, können die Teile
des Arbeitsraumes 113, die zwischen dem Befestigungsflansch
der ersten Stufe 111 der Kältemaschine mit dem Wärmeschild 112 und
dem Kondensator 103 angeordnet sind, flexibel ausgestaltet
sein. Eine derartige flexible Ausgestaltung kann z. B. mit Hilfe
eines Faltenbalges erfolgen. Um eine Trennung zwischen der zweiten
Stufe 110 der Kältemaschine 109 und
dem Kondensator 103 zu ermöglichen, kann der Kondensator 103 aufgrund
einer flexiblen Ausgestaltung des Wärmerohres 105 entlang
der Achse B bewegbar sein. Das Wärmerohr 105 kann
zu diesem Zweck ebenfalls einen Faltenbalg aufweisen.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
allgemein mit 100 bezeichneten Kälteanlage. Die in 3 dargestellte
Kälteanlage 100 ist
gegenüber
derjenigen, welche in 2 dargestellt ist, um ein zusätzliches
Kühlsystem
erweitert. Ein Kältemittelraum 301 befindet
sich in thermischem, vorzugsweise auch mechanischem Kontakt mit
dem kalten Verbindungselement 103. Dieser Kältemittelraum 301 ist
durch eine Zuleitung 302 von einem geodätisch höher liegenden Ort befüllbar. Als
Kältemittel kann
ein gleiches oder ähnliches
Kältemittel
verwendet werden, wie es auch für
das Wärmerohr 105 verwendet
wird. Verwendbar sind z. B. Helium, Neon oder auch Stickstoff. An
den Kältemittelraum 301 ist ein
Rohrleitungssystem 303 angeschlossen, welches großflächig mit
den zu kühlenden
Teilen 102 einer Einrichtung verbunden ist. Auf diese Weise
kann zusätzliche
Kälteleistung
in die zu kühlenden
Teile 102 einer Einrichtung gebracht werden. Auf diese
Weise können
die Abkühlzeiten
z. B. für
einen supraleitenden Magneten deutlich verringert werden. Gegebenenfalls
in dem Rohrleitungssystem 303 verdampfendes Kältemittel
kann über
eine Abgasleitung 304 aus dem Rohrleitungssystem 303 entweichen.
Auf diese Weise wird ein Überdruck
in dem Rohrleitungssystem 303 vermieden.
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Die
Zusatzkühleinrichtung
kann z. B. derart eingesetzt werden, dass die zu kühlenden
Teile 102 einer Einrichtung zunächst mit Stickstoff, welcher preiswert
und gut verfügbar
ist, vorgekühlt
werden, bevor mit Hilfe der Kältemaschine 109 die
zu kühlenden
Teile 102 auf noch tiefere Temperaturen abgekühlt werden.
Für den
Einsatz der Zusatzkühleinrichtung
ist es technisch notwendig, die Kälteanlage 100 in ihrer
möglichen
Rotation um die Achse A zu stoppen oder zumindest derart langsam
zu bewegen, dass sich in dem Rohrleitungssystem 303 ein schwerkraftgetriebener
Kältemittelkreislauf,
welcher auf einem Thermosyphon-Effekt beruht, einstellen kann.
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4 zeigt
die allgemein aus 1 bekannte Ansicht einer Kälteanlage 100,
wobei das kalte Verbindungselement 103 zusätzlich mit
einem Element 402 verbunden ist, welches mittels einer
Heizung 401 erwärmbar
ist. Wird beim Austausch der Kältemaschine 109 das
Wärmerohr 105 über die Rohrleitung 107 evakuiert,
so wird eine thermische Trennung zwischen dem kalten Verbindungselement 103 und
dem warmen Verbindungselement 101 erreicht. Um ein Anfrieren
von Umgebungsgasen an dem kalten Verbindungselement 103 zu
verhindern, kann dieses durch das mit dem kalten Verbindungselement 103 verbundene
weitere Element 402 gezielt erwärmt werden. Zu diesem Zweck
wird die Heizung 401 verwendet. Indem das kalte Verbindungselement 103 schon
bevor der Wartungsraum 113 belüftet wird auf eine temperaturnahe
Raumtemperatur erwärmt wird,
kann ein Anfrieren von Umgebungsgasen, insbesondere an der Verbindungsstelle
zwischen der Wärmesenke 104 und
dem kalten Verbindungselement 103 nahezu vollständig vermieden
werden. Beim Wiedereinsetzen der Kältemaschine 109 kann somit
ein guter thermischer Kontakt zwischen der Wärmesenke 104 und dem
kalten Verbindungselement 103 oder das etwaiges Eis entfernt
werden muss, gewährleistet
werden.
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5 zeigt
eine Kälteanlage 100,
wie sie allgemein aus 2 bekannt ist. Bei der in 5 dargestellten
Kälteanlage 100 ist
das kalte Verbindungselement 103 mit einem weiteren Element 402,
welches durch eine Heizung 401 erwärmbar ist, verbunden. Ebenso
zeigt 6 eine Kälteanlage 100,
wie sie allgemein aus 3 bekannt ist. Auch bei dieser Kälteanlage 100 ist
das kalte Verbindungselement 103 mittels einer Heizung 401 bzw.
dem mit der Heizung verbundenen Element 402 erwärmbar. Wie
im Zusammenhang mit 4 erklärt, kann auch bei den Kälteanlagen 100,
wie sie in 5 und 6 dargestellt
sind, ein Anfrieren von Umgebungsgasen, insbesondere an der Verbindungsstelle
zwischen der Wärmesenke 104 und
dem kalten Verbindungselement 103 vermieden werden.