DE3621562C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten zum Kühlen eines Objektes durch ein Kältemittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.

Bei einem bekannten Kryostaten (US-PS 42 77 949) ist zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil eine Wärmekupplung vorgesehen. Die Wärmekupplung weist einen notwendigerweise vertikal angeordneten zylinderartigen Körper auf, der innen derart unterteilt ist, daß in ihm enthaltenes unter hohem Druck stehendes Gas unter der Wirkung eines Temperaturgradienten in dem Körper zirkulieren kann. Der Wärmekupplung wird die im Kälteapparat erzeugte Kälte über ein unter hohem Druck stehendes Gas als Träger zugeführt. Das Gas tritt in den Körper der Wärmekupplung ein und nach Erwärmung wieder aus diesem aus. In dem Körper strömt das Gas durch einen Röhrenwärmetauscher. Gleichzeitig wird weiteres unter hohem Druck stehendes Fluid (gasförmig) dem Körper zugeführt. Der Boden des Körpers ist mit dem das Kältemittel enthaltenden Teil verbunden und im Betrieb des Kryostaten steigt im Bereich des Bodens des Körpers erwärmtes Gas nach oben, und das weiter oben befindliche kältere Gas strömt nach unten, wodurch eine Zirkulation erhalten wird. Wird nun der Kälteapparat zwecks Wartung oder dergleichen abgeschaltet, so endet die Zirkulation in dem Körper der Wärmekupplung und das in ihm befindliche Gas wird geschichtet, wobei das kältere Gas sich in den oberen Schichten befindet. Hierdurch wird in gewisser Weise eine Sperre gebildet, durch die verhindert wird, daß die nach dem Abschalten sich erhöhende Temperatur des Kälteapparates auf den das Kältemittel enthaltenden Teil übertragen wird.

Es ist weiterhin ein Kryostat bekannt (US-PS 42 23 540), bei welchem ebenfalls verhindert werden soll, daß nach dem Abschalten des Kälteapparates die sich dann erhöhende Temperatur des Kälteapparates auf den das Kältemittel enthaltenden Teil übertragen wird. Hierfür wird mittels des nach dem Abschalten des Kälteapparates teilweise verdampfenden flüssigen Kältemittels eine Sperre zwischen den Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil gebildet.

Es ist schließlich ein Kryostat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (DE-OS 33 04 375), bei welchem das erste Element der Wärmekupplung aus einem Kühlarm besteht, der sich vom Kälteapparat erstreckt und in und außer Eingriff mit einem dem das Kältemittel enthaltenden Teil zugeordneten Zwischenschild gebracht werden kann, wobei bei Berührung zwischen dem Kühlarm und dem Zwischenschild Wärmeübergang zwischen diesen beiden Elementen hergestellt ist und dann, wenn die Berührung zwischen den Elementen unterbrochen ist, auch der Wärmeübergang zwischen ihnen unterbrochen ist. Nachteilig ist es bei dem bekannten Kryostat, daß durch die erforderliche Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Kühlarmes die Gesamtausführung komplexer und schwerer wird.

Außerdem wird bei der Betätigung der Antriebsvorrichtung für den Kühlarm Wärme erzeugt, die auf den Kühlarm übertragen wird, wodurch dessen Wärmeleitfähigkeit verringert wird.

Weiterhin müssen, um Wärme durch direkte Berührung zwischen dem Kühlarm und dem Zwischenschild zu leiten, die sich im evakuierten Raum befinden, der Kühlarm und der Zwischenschild sich in einer Berührung miteinander befinden, die so fest bzw. dicht wie möglich ist. Daher müssen der das Kühlarmende aufnehmende Rind des Zwischenschildes und das entsprechende Ende des Kühlarmes genau bearbeitet sein, und der Kühlarm muß mit großer Kraft in den Ring gepreßt werden. Wenn die Bearbeitung qualitativ verbessert wird, ergeben sich natürlicherweise höhere Herstellungskosten, und außerdem ist die Wärmeerzeugung beim Antrieb des Kühlarmes um so größer, je höher die Kraft zum Einpressen des Kühlarmes in den Ring ist, wodurch, wie oben bereits festgestellt, die Wärmeleitfähigkeit des Kühlarmes verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kryostaten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszuführen, daß das Herstellen und Unterbrechen des Wärmeüberganges zwischen den beiden Elementen der Wärmekupplung mit einfacheren Mitteln erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1.

Bei einem Kryostaten gemäß der Erfindung fließt das wärmeleitende Strömungsmittel in kleine bzw. schmale Spalte zwischen Wärmeübertragungsgliedern der beiden Elemente, wodurch die Wärmeleitung durch Wärmediffusion zwischen zusammenwirkenden Wärmeübertragungsgliedern der beiden Elemente so verbessert ist, daß ausgezeichnete Wärmeleitung erzielt wird. Die Wärmeübertragung erfolgt im wesentlichen durch Wärmeleitung der Wärmediffusion. Daher ist es nicht erforderlich, ein wärmeleitendes Strömungsmittel unter hohem Druck zu verwenden, um die gewünschte Wärmeleitung hervorzurufen. Vielmehr kann ein wärmeleitendes Strömungsmittel unter einem Druck verwendet werden, der im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist. Somit braucht bei der Konstruktion praktisch keine Rücksicht auf Druckfestigkeit genommen zu werden, was als Folge zu einem geringeren Gewicht des Kryostaten bzw. der Wärmekupplung führt.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß kein Konstruktionsteil erforderlich ist, um die thermische Kopplung hervorzurufen bzw. aufzuheben. Dementsprechend ist die Wärmeübertragung in der Wärmekupplung auch nicht durch Wärme beeinflußt, die durch Betätigung des beweglichen Konstruktionsteiles hervorgerufen wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Abwandlungen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kältemaschine für einen supraleitenden Magneten,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt zur Darstellung eines Beispiels für die bei der Kältemaschine gemäß Fig. 1 verwendete Wärmekupplung,

Fig. 3 und 4 Aufsichten zur schematischen Darstellung von Abwandlungen der Wärmeübergangsplatten bei der wärmeleitenden Kupplung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Zufuhreinrichtung für das wärmeleitende Medium bei der wärmeleitenden Kupplung und

Fig. 6 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Kältemaschine nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Kältemaschine (Kryostat) weist als zu kühlendes Objekt einen supraleitenden Magneten 10 auf, der in in einem Kältemittelgefäß (im folgenden einfach als Gefäß bezeichnet) 12 enthaltendes flüssiges Helium 14 eingetaucht ist. Das Gefäß 12 befindet sich in einem evakuierten Gehäuse 16. Zwischen dem Gehäuse 16 und dem Gefäß 12 sind zwei Abstrahlabschirmungen (im folgenden einfach als Abschirmungen bezeichnet) 18 und 20 so angeordnet, daß sie das Gefäß 12 doppelt umschließen. Die beiden Abschirmungen 18 und 20 sind dabei über entsprechende wärmeleitende Kupplungen 22 und 24 mit einem Kälteapparat 26 verbunden. Die Wärmekupplungen 22 und 24 besitzen jeweils denselben Aufbau.

Fig. 2 veranschaulicht im vergrößertem Maßstab die Wärmekupplung 22. Diese umfaßt gemäß Fig. 2 Elemente in Form einer ersten und einer zweiten Endplatte 28 bzw. 30. Die erste Endplatte 28 besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist mit dem Kälteapparat 26 verbunden, während die ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzende zweite Endplatte 30 mit der Abschirmung 18 verbunden ist. Die beiden Endplatten 28 und 30 stehen einander (flächig) gegenüber. Mehrere zylindrische Wärmeübertragungs- bzw. Wärmeübergangsglieder 32A- 32D jeweils verschiedener Durchmesser sind an der der zweiten Endplatte 30 zugewandten Fläche der ersten Endplatte 28 durch Löten oder mittels an sich bekannter Befestigungsmittel zufriedenstellender Wärmeleitfähigkeit koaxial befestigt. Weiterhin sind mehrere zylindrische Wärmeübergangsglieder 34A-34D jeweils unterschiedlicher Durchmesser an der der ersten Endplatte 28 zugewandten Fläche der zweiten Endplatte 30 auf dieselbe Weise (wie für die Wärmeübergangsglieder 32A-32D beschrieben) koaxial befestigt. Die zylindrischen Wärmeübergangsglieder 32A-32D und 34A-34D bestehen jeweils aus einem guten Wärmeleiter, während das im Zentrum angeordnete Wärmeübergangsglied 34D tatsächlich eine massive Stange oder ein Stab ist. Die Wärmeübergangsglieder 32A-32D an der ersten Endplatte 28 und die entsprechenden Glieder 34A-34D an der zweiten Endplatte 30 sind koaxial zueinander und einander abwechselnd so angeordnet, daß sie zwischen sich jeweils einen kleinen radialen Abstand festlegen. Bei der beschriebenen Ausführungsform beträgt dieser kleine Abstand etwa 0,5 mm, ist jedoch nicht darauf beschränkt.

Ein zwischen der ersten und zweiten Endplatte 28 bzw. 30 festgelegter Raum, in dem die Wärmeübergangsglieder 32A-32D und 34A-34D angeordnet sind, ist mittels eines Balgens 36, dessen beide Enden mit erster und zweiter Endplatte 28 bzw. 30 verbunden sind, luftdicht abgedichtet. In den genannten Raum führt eine Ansaug/Absaug-Leitung 38 hinein, die über ein Umschaltventil mit einer Vakuumerzeugungseinheit zum Evakuieren des Raums und einer Wärmeleitmedium-Zufuhreinheit zum Zuführen von gasförmigem Helium als wärmeleitendes Medium in Form eines Strömungsmittels verbunden ist. Zylindrische Tragelemente 40 und 42 aus glasfaserverstärktem Kunststoff sind an ihren beiden Enden koaxial zueinander an erster und zweiter Endplatte 28 bzw. 30 angebracht. Der Balgen 36 und die Wärmeübergangsglieder 32A-32D sowie 34A-34D sind innerhalb der durch die zylindrischen Tragelemente 40 und 42 gebildeten doppelten Tragwand angeordnet. Die Tragelemente 40 und 42 halten eine feste axiale Lagenbeziehung zwischen den beiden Endplatten 28 und 30 und somit eine feste axiale Lagenbeziehung zwischen erster und zweiter Gruppe der zylindrischen Wärme- Übergangsglieder 32A-32D sowie 34A-34D aufrecht, während sie gleichzeitig auch für eine Wärmeisolierung zwischen den beiden Baugruppen sorgen. Außerdem dienen sie zur Aufrechterhaltung eines konstanten radialen Spalts oder Zwischenraums zwischen den jeweils benachbarten ersten und zweiten Wärmeübergangsgliedern 32A-32D und 34A-34D.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung kann die Wärmekupplung 22 (oder 24) aktiviert und deaktiviert werden, indem der vom Balgen 36 umschlossene Raum mit gasförmigem Helium als wärmeleitendes Medium gefüllt und evakuiert wird. Genauer gesagt: durch Einführung von gasförmigem Helium in den Raum kann ein Wärmeübergang mittels des gasförmigen Heliums zwischen den beiden Gruppen der Wärmeübergangsglieder 32A-32D und 34A-34D erzielt werden. Hierdurch wird die Kupplung 22 (oder 24) aktiviert. Wenn der Raum evakuiert wird, wird ein nur geringer, auf Abstrahlung beruhender Wärmeübergang zwischen den Gruppen der Wärmeübergangsglieder 32A-32D und 34A-34D erreicht. In diesem Fall ist die Kupplung 22 (oder 24) deaktiviert.

Wenn die Kupplungen 22 und 24 im Normalbetrieb der Kältemaschinen aktiviert bleiben, können die Abschirmungen 18 und 20 durch den Kälteapparat 26 ausreichend gekühlt werden. Wenn aus irgend einem Grund, beispielsweise zum Schmelzen einer gefrorenen Verunreinigung, die sich in einer Arbeitsmediumstrecke des Kälteapparats 26 gebildet hat, die Temperatur des Kälteapparats 26 erhöht werden muß, werden die Kupplungen 22 und 24 deaktiviert. In diesem Fall ergibt sich eine Wärmeisolation zwischen Kälteapparat 26 und Abschirmungen 18 und 20. Aus diesem Grund erfahren die Abschirmungen 18 und 20 bei Instandsetzung, Wartung oder Inspektion des Kälteapparats 26 keine Temperaturerhöhung. Die Temperatur des supraleitenden Magneten 10 erhöht sich dabei gleichfalls nicht.

Die Wärmeübergangsglieder 32A- 32D und 34A-34D der Ausführungsform nach Fig. 2 sind nicht auf die zylindrische Form beschränkt. Vielmehr können sie beliebige andere Formen besitzen, sofern sie nur im Raum zwischen erster und zweiter Endplatte 28 bzw. 30 ausreichend große, einander gegenüberstehende Flächen festlegen.

Fig. 3 veranschaulicht eine Abwandlung, bei welcher Wärmeübergangsglieder 32A-32H und 34A-34G aus einem hoch wärmeleitenden Werkstoff die Form flacher Platten besitzen und an den betreffenden ersten und zweiten Endplatten 28 bzw. 30 so befestigt sind, daß sie einander abwechselnd mit einem geringen Abstand dazwischen parallel zueinander angeordnet sind.

Bei der in Fig. 4 dargestellten weiteren Abwandlung sind die Wärmeübergangsglieder der einen Gruppe (z. B. 32A-32H) radial verlaufend angeordnet, während die Wärmeübergangsglieder der anderen Gruppe (z. B. 34A- 34H) sich mit dem Wärmeübergangsgliedern der ersten Gruppe abwechselnd und mit einem kleinen Abstand davon angeordnet sind.

Das wärmeleitende Medium ist nicht auf Helium beschränkt, vielmehr kann je nach den an die Wärmekupplung gestellten Anforderungen auch Stickstoff, Argon, Neon oder Wasserstoff verwendet werden. Außerdem kann das wärmeleitende Medium im Betrieb in einem beliebigen Zustand vorliegen, sofern es nur fließfähig ist; beispielsweise kann es in Gasform, in flüssiger Form, in einer Gas- Flüssigkeit-Doppelphase, einer Gas-Feststoff-Doppelphase, einer Flüssigkeit-Feststoff-Doppelphase, einer Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Dreifachphase oder einem Druckzustand, in welchem keine deutliche Phasendifferenz oder -trennung besteht, vorliegen. Gleichermaßen kann auch ein wärmeleitendes Medium verwendet werden, das bei normaler Betriebstemperatur (d. h. im Normalbetrieb des Kälteapparats 26) fest ist und fließfähig wird, wenn die Temperatur geringfügig abfällt bzw. ansteigt (d. h. bei Beendigung des Betriebs des Kälteapparats 26).

Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für die Wärmeleitmedium- Zufuhreinheit, wobei den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen beschrieben sind. Wenn flüssiges Helium 14 zum Kühlen des supraleitenden Magneten 10 im Kältemittelgefäß 12 verdampft, wird es über ein Sammelrohr 100, eine Leitung 102 und ein Ventil zur Außenluft entlassen. Eine von der Leitung 102 abzweigende Zweigleitung 106 liefert dieses gasförmige Helium, das als wärmeleitendes Medium dient, über ein Ventil 108, eine Leitung 110 und ein Ventil 112 zu den Wärmekupplungen 22 und 24.

Aufgrund dieser Anordnung ist keine getrennte Zufuhreinheit erforderlich, so daß die Wärmekupplungen 22 und 24 und mithin die Kältemaschine kompakt ausgebildet sein können. Die Kupplungen 24 und 22 sind außerdem über eine Leitung 116, in welche Ventile 112 und 114 eingeschaltet sind, mit der Vakuumerzeugungseinheit verbunden.

Wie in Fig. 6 dargestellt, ist es weiterhin möglich, das Kältemittelgefäß 12 mit dem Kälteapparat 26 thermisch über eine Wärmekupplung 120 zu verbinden, welche denselben Aufbau besitzt wie die Kupplungen 22 und 24 für die Abstrahlabschirmungen 18 bzw. 20. In diesem Fall kann eine der Kupplungen 22 und 24 für die Abschirmungen 18 bzw. 20 weggelassen werden. Die Kältemaschine kann nicht nur für das Kühlen eines supraleitenden Magneten, sondern auch eines anderen Bauteils eingesetzt werden, der auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden muß.

Claims (5)

1. Kryostat zum Kühlen eines Objektes (10) durch ein Kältemittel (14), umfassend
einen das Kältemittel enthaltenden Teil (12), wobei das Objekt in das Kältemittel eingetaucht ist,
ein den das Kältemittel enthaltenden Teil umschließendes Vakuumgehäuse (16),
einen Kälteapparat (26) zum Kühlen des das Kältemittel enthaltenden Teiles, und
eine Wärmekupplung, die zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil in einem evakuierten Raum angeordnet ist, um den Wärmeübergang zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil herzustellen und zu unterbrechen, wobei
die Wärmekupplung ein erstes Element (28), welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem Kälteapparat verbunden ist, und ein zweites Element (30) aufweist, welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem das Kältemittel enthaltenden Teil verbunden und mit dem ersten Element thermisch koppelbar und entkoppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elementen (28 bzw. 30) ein geschlossener Raum gebildet ist und die beiden Elemente jeweils eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsgliedern (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H; 34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) aufweisen, die in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H) des ersten Elementes und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) des zweiten Elementes ineinandergreifend mit einem kleinen Spalt zwischen ihnen angeordnet sind, so daß sie einander zugewandt sind, und daß das thermische Koppeln und Entkoppeln der beiden Elemente (28 bis 30) durch Zuführen eines wärmeleitenden Strömungsmittels in den geschlossenen Raum bzw. durch Abführen des wärmeleitenden Strömungsmittels aus dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.

2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Strömungsmittel dieselbe Substanz wie das Kältemittel in dem das Kältemittel enthaltenden Teil (12) ist und daß das wärmeleitende Strömungsmittel und das Kältemittel von einem gemeinsamen Kältemittelzufuhrsystem zugeführt werden.

3. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32D) des ersten Elementes (28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34D) des zweiten Elementes (30) jeweils eine Mehrzahl von zylindrischen Gliedern aufweisen, die unterschiedliche Durchmesser haben und konzentrisch angeordnet sind.

4. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32H) des ersten Elementes (28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34G) des zweiten Elementes (30) jeweils eine Anzahl von parallel zueinander angeordneten Platten aufweisen, und daß die Platten des ersten Elementes und die Platten des zweiten Elementes einander abwechselnd so angeordnet sind, daß benachbarte Platten sich mit einem kleinen Abstand gegenüberstehen.

5. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32H) des ersten Elementes (28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34H) des zweiten Elementes (30) jeweils eine Anzahl radial angeordneter flacher Platten aufweisen, und daß die radial angeordneten Platten des ersten Elementes und des zweiten Elementes einander abwechselnd derart angeordnet sind, daß benachbarte Platten sich mit einem kleinen Abstand gegenüberstehen.