DE102004037173B3 - Cryogenic cooler for workpiece incorporates cold head attached to two-stage cooler with attachments to sealed cryostat and with radiation shield inside vacuum-tight housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Rückverflüssigung von kryogenen Gasen, mit einem Außenmantel, der einen Vakuumraum begrenzt, und einem darin eingebauten Kaltkopf eines Kryokühlers, der mindestens zwei Kältestufen aufweist und der zumindest teilweise von einem Strahlungsschild umgeben ist.The The invention relates to a cooling device for reliquefaction of cryogenic gases, with an outer shell that has a vacuum space limited, and a built-in cold head of a cryocooler, the at least two cold stages and at least partially of a radiation shield is surrounded.
Aus
Möglichkeiten
zur kryogenverlustfreien Kühlung
eines supraleitenden Magnetsystems mit einem mehrstufigen Kryokühler werden
zum Beispiel in
Der
beispielsweise zweistufige Kaltkopf des Kryokühlers ist üblicherweise in einem separaten, unter
Vakuum stehenden Hüllrohr
(wie z.B. in
In
Diese Varianten haben allerdings gewisse Nachteile: Der Aufbau und die Konstruktion des Kryostaten wird aufwändiger und komplizierter. Ferner führt der Einbau des zusätzlichen, den Kaltkopf des Kryokühlers aufnehmenden Hüllrohrs zu einem zusätzlichen Wärmeeintrag auf den Kaltkopf. Bei Verwendung eines zusätzlichen Halsrohres für den Kaltkopf kommt es durch Wärmeleitung in der Heliumgassäule und in der Rohrwand und unter Umständen durch Konvektionsströmungen im Heliumgas zu einem weiteren Wärmeeintrag auf den Heliumbehälter beziehungsweise den Kaltkopf des Kühlers. Außerdem können feste, starre oder auch flexibel ausgeführte, thermische Verbindungselemente zwischen Kaltkopf und Kryostaten Vibrationen des Kaltkopfes auf den Kryostaten übertragen. Da zudem im Regenerator der zweiten Stufe des Kaltkopfes von Kryokühlern, wie Puls rohrkühlern oder Gifford-McMahon-Kühlern, im Temperaturbereich unter 10 K üblicherweise magnetische Regeneratormaterialien verwendet werden und der Regenerator sich unter Umständen relativ nahe am magnetischen Zentrum des NMR-Magnetsystems befindet, muss der Regenerator in der Regel abgeschirmt werden, so dass das Magnetfeld am Ort der NMR-Probe nicht gestört wird und umgekehrt die Funktion des Regenerators nicht beeinträchtigt wird. Schließlich stellt sich bei Ausfall des Kryokühlers ein instabiler Zustand ein, wobei sich vor allem die Temperaturen von Kryostat-Komponenten, wie z.B. dem Strahlungsschild, bis zu einem neuen Gleichgewichtszustand dauernd ändern. In einem Magnetsystem für hochauflösende Kernresonanzspektroskopie (NMR) kann das dazu führen, dass NMR-Messungen nicht mehr möglich werden, da sich der Shimzustand des Magneten fortlaufend ändert, oder dass im schlimmsten Fall der Magnet trocken läuft und quencht.These However, variants have certain disadvantages: The structure and the Construction of the cryostat becomes more complicated and complicated. Furthermore, leads the Installation of additional, the cold head of the cryocooler receiving cladding tube to an additional heat input on the cold head. When using an additional neck tube for the cold head it comes by heat conduction in the helium gas column and in the pipe wall and possibly by convection currents in the Helium gas to another heat input on the helium container respectively the cold head of the radiator. Furthermore can solid, rigid or flexible, thermal fasteners between cold head and cryostat vibrations of the cold head on transmitted to the cryostat. In addition, because in the regenerator of the second stage of the cold head of cryocoolers, such as Pulse tube coolers or Gifford-McMahon coolers, in the temperature range below 10 K usually magnetic regenerator materials are used and the regenerator in some circumstances located relatively close to the magnetic center of the NMR magnet system, In general, the regenerator must be shielded so that the magnetic field not disturbed at the location of the NMR sample and vice versa, the function of the regenerator is not affected. After all If the cryocooler fails, it will become unstable in particular the temperatures of cryostat components, such as. the radiation shield, to a new state of equilibrium change constantly. In a magnet system for high-resolution Nuclear Magnetic Resonance (NMR) may cause NMR measurements to fail more is possible because the shim state of the magnet continuously changes, or that in the worst case, the magnet runs dry and quenches.
Eine Methode, um einige dieser Nachteile zu vermeiden, und dennoch ein teilweise kryogenverlustfreies System zu realisieren, ist die Verwendung einer mit einem Kryokühler gekühlten Vorrichtung, die zur Rückverflüssigung eines einzelnen verdampften Kryogens eingesetzt werden kann. In einer bislang gebräuchlichen Kryostatanordnung für beispielsweise ein supraleitendes Magnetsystem wird der Magnet gewöhnlicherweise in einem mit flüssigem Helium von 4,2 K gefüllten Behälter eingebaut. Der He-Behälter ist in der Regel von einem abgasgekühlten Strahlungsschild und einem weiteren, mit flüssigem Stickstoff gekühlten Schild umgeben, so dass der Wärmeeintrag auf den Heliumbehälter von außenminimiert wird. Die passive Kühlung durch die verdampfenden Kryogene führt dazu, dass in gewissen Zeitabständen flüssiges Helium und Stickstoff nachgefüllt werden müssen.One way of avoiding some of these drawbacks while still achieving a partial cryogenic loss-free system is to use a cryocooler-cooled device that can be used to re-liquefy a single vaporized cryogen. In a hitherto conventional cryostat arrangement for, for example, a superconducting magnet system, the magnet is usually installed in a container filled with liquid helium of 4.2 K. The He container is usually from a gas-cooled radiation shield and another, with surrounded by liquid nitrogen cooled shield, so that the heat input to the helium tank is minimized from the outside. Passive cooling by the evaporating cryogens causes liquid helium and nitrogen to be replenished at certain intervals.
In
In ähnlicher Weise wurde auch die Rückverflüssigung von Helium für sich alleine in einem Aufbewahrungsbehälter für Helium mit dem zweistufigen Kaltkopf eines Kryokühlers schon durchgeführt.In similar Way was also the re-liquefaction from helium for alone in a storage container for helium with the two-stage cold head a cryocooler already done.
In beiden Fällen (Stickstoff- oder Helium-Verflüssiger) befindet sich der Kaltkopf des Kryokühlers in einem Außenmantel, der einen Vakuumraum begrenzt. Bei Verwendung von mehrstufigen Kryokühlern ist es üblich, dass Teile des Kaltkopfes von einem Strahlungsschild umgeben sind, der mit einer (aber nicht der kältesten) Kältestufe kontaktiert ist, so dass der Kaltkopf im Bereich tiefer Temperaturen gut gegen Wärmestrahlung isoliert ist.In both cases (Nitrogen or helium liquefier) is the cold head of the cryocooler in an outer shell, which limits a vacuum space. When using multi-stage cryocoolers is it is customary that parts of the cold head are surrounded by a radiation shield, the one with (but not the coldest) cold stage is contacted, so that the cold head in the range of low temperatures good against heat radiation is isolated.
Wie schon oben erwähnt, weisen diverse konventionelle Kryostatanordnungen, wie sie speziell bei Magnetsystemen für hochauflösende Kernresonanzspektroskopie (NMR) zum Einsatz kommen, allerdings nicht nur ein Kryogen auf: neben einem mit flüssigem Helium gefüllten und den Magneten enthaltenden Behälter existiert zum Beispiel zusätzlich ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Strahlungsschild. Somit müsste man sowohl einen eigenen Helium-Verflüssiger als auch einen eigenen Stickstoff-Verflüssiger verwenden, wenn gleichzeitig die Verluste an Helium und Stickstoff reduziert werden sollen bzw. ein verlustfreier Betrieb erreicht werden soll. Dies würde einen erheblichen zusätzlichen apparativen Aufwand und höhere Investitions- und Betriebskosten bedeuten.As already mentioned above, have various conventional Kryostatanordnungen, as specifically in Magnetic systems for high-resolution Nuclear Magnetic Resonance (NMR) are used, but not just a cryogen on: next to a filled with liquid helium and the container containing the magnet exists, for example, additionally one with liquid Nitrogen cooled Radiation shield. Thus, would have you have your own helium liquefier as well as your own Nitrogen liquefier use, if at the same time the losses of helium and nitrogen should be reduced or achieved a loss-free operation shall be. This would a significant extra equipment expenditure and higher Investment and operating costs mean.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, mit der eine bestehende Kryostatanordnung, die mindestens zwei kryogene Flüssigkeiten enthält, insbesondere eine Kryostatanordnung, die eine supralei tende Magnetanordnung umfasst, ohne großen apparativen Aufwand und ohne zusätzliche Nachteile so nachgerüstet werden kann, dass nach außen keine oder zumindest nur geringere Verluste von einigen oder allen vorhandenen kryogenen Flüssigkeiten als üblich auftreten.task It is therefore an object of the present invention to provide a cooling device, with the existing cryostat assembly, the at least two cryogenic liquids contains in particular, a cryostat assembly having a superconducting magnet arrangement includes, without big equipment expenditure and without additional Disadvantages so retrofitted that can be outward no or at least only minor losses of some or all existing ones cryogenic fluids as usual occur.
Ausgehend vom Stand der Technik wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens zwei Kältestufen des Kaltkopfes des Kryokühlers für sich jeweils mit einer Wärme übertragenden Vorrichtung thermisch leitend verbunden sind, die jeweils in die Hals- oder Aufhängerohre eines Kryostaten zur Aufbewahrung von mindestens zwei verschiedenen kryogenen Flüssigkeiten eingeführt weiden kann.outgoing From the prior art, this object is achieved according to the invention solved, that at least two cold stages the cold head of the cryocooler for themselves each with a heat transferring Device are thermally conductively connected, each in the Neck or suspension tubes a cryostat for storing at least two different ones cryogenic fluids introduced grazing can.
Eine derartige Kühlvorrichtung bietet die folgenden Vorteile: Es lassen sich bestehende Kryostatanordnungen, und im Speziellen solche, die supraleitende Magnete enthalten, ohne (oder mit nur geringen) Anpassungen so nachrüsten, dass auch bei Verwendung mehrerer Kryogene mit einem geringen apparativen Aufwand ein kryogenverlustfreier Betrieb möglich wird. Es ist keine Neukonstruktion des Kryostaten notwendig. Der durch die Vorrichtung entstehende zusätzliche Wärmeeintrag in den Kryostaten ist bei geeigneter Konstruktion bescheiden und relativ genau voraussagbar. Die Wärme übertragenden Vorrichtungen, in denen die Verflüssigung der Kryogene stattfindet, sind so gestaltet, dass sie berührungslos in die Hals- oder Aufhängerohre der Kryostatanordnung eingeführt werden können. Das abdampfende Gas wird thermodynamisch effizient verflüssigt, da der Dampf nicht überhitzt wird und somit nicht erst wieder auf Verflüssigungstemperatur heruntergekühlt werden muss. Der Kaltkopf des Kryokühlers ist so weit vom magnetischen Zentrum einer in dem Kryostaten eingebauten supraleitenden Magnetanordnung entfernt, dass sich Störungen durch das magnetische Regeneratormaterial auf die Magnetanordnung viel weniger stark bemerkbar machen als wenn der Kaltkopf direkt in den Kryostaten integriert werden würde. Umgekehrt wird auch die Funktion des Kryokühlers durch das Magnetfeld der Magnetanordnung weniger beeinträchtigt. Fällt der Kryokühler aus oder muss er wegen Wartungsarbeiten ausgeschaltet werden, so erfüllt die Kryostatanordnung, wenn sie z.B. zur Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung verwendet wird, immer noch ihren Zweck, was eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Zudem kann der Nutzer frei über die Betriebsweise (konventionell oder kryogenverlustfrei) bestimmen.Such a cooling device offers the following advantages: existing cryostat arrangements, and in particular those containing superconducting magnets, can be retrofitted without (or with only minor) adaptations so that even when using a plurality of cryogens with a low outlay on equipment, cryogenic loss-free operation becomes possible becomes. No redesign of the cryostat is necessary. The additional heat input into the cryostat resulting from the device is modest and relatively predictable with suitable design. The heat transferring devices in which the liquefaction of the cryogens takes place are designed so that they can be introduced without contact into the neck or suspension tubes of the cryostat assembly. The evaporating gas is liquefied thermodynamically efficient, because the steam is not overheated and therefore does not have to be cooled down again to condensing temperature. The coldhead of the cryocooler is so far away from the magnetic center of a superconducting magnet assembly installed in the cryostat that disturbances from the magnetic regenerator material to the magnet assembly are much less noticeable than if the coldhead were integrated directly into the cryostat. Conversely, the function of the cryocooler is less affected by the magnetic field of the magnet assembly. If the cryocooler fails or has to be switched off due to maintenance work, the cryostat arrangement, when it is used, for example, for cooling a superconducting magnet arrangement, still fulfills its purpose, which ensures high operational reliability. In addition, the user can freely determine the mode of operation (conventional or cryogenic loss-free) men.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist zumindest eine der Wärme übertragenden Vorrichtungen einen Hohlraum auf, der mit einer offenen Leitung, insbesondere einer Rohrleitung, verbunden ist. Durch die Leitung wird das aus dem Flüssigkeitstank des Kryostaten verdampfte Kryogen in den Hohlraum an der Kältestufe geführt, wo es verflüssigt wird. Das Kondensat fließt anschließend durch die Rohrleitung wiederum in den Flüssigkeitstank des Kryostaten zurück. In der Funktionsweise entspricht die Wärme übertragende Vorrichtung in dieser Form den aus der Wärmetechnik bekannten Wärmerohren.In a particularly preferred embodiment the cooling device according to the invention has at least one of the heat transferring Devices have a cavity that communicates with an open conduit, in particular a pipeline, is connected. Through the line this will be out of the liquid tank of the cryostat evaporated cryogen into the cavity at the cold stage guided, where it is liquefied. The condensate flows subsequently through the pipeline in turn into the liquid tank of the cryostat back. In operation, the heat transfer device corresponds in this form of heat engineering known heat pipes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine der Wärme übertragenden Vorrichtungen eine metallische, die Wärme sehr gut leitenden Verbindung auf, an deren Ende aus dem Flüssigkeitstank des Kryostaten verdampftes Kryogen verflüssigt wird und anschließend wieder in das Flüssigkeitsbad des Flüssigkeitstanks des Kryostaten zurückfließt. Diese Verbindung wird am anderen Ende an eine Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers angeflanscht. Es sind beliebige Kombinationen der Wärme übertragenden Vorrichtungen möglich. So kann beispielsweise an die erste Kältestufe eines zweistufigen Kaltkopfes eine metallische die Wärme sehr gut leitende Verbindung angeflanscht werden, während die zweite Kältestufe mit einer Rohrleitung verbunden ist.In a further preferred embodiment The invention comprises at least one of the heat transferring devices a metallic, the heat very good conductive connection on, at the end of the liquid tank the cryostat evaporated liquefied and then again into the liquid bath of the liquid tank of the Cryostat flows back. These Connection is at the other end to a cold stage of the cold head of the cryocooler flanged. They are any combinations of heat transferring Devices possible. For example, the first cold stage of a two-stage Kaltkopfes a metallic heat very good conductive connection be flanged while the second cold stage connected to a pipeline.
Insbesondere für hochauflösende NMR-Verfahren ist es vorteilhaft, wenn der Kryokühler ein Pulsrohrkühler ist, da Pulsrohrkühler besonders vibrationsarm betrieben werden können. Pulsrohrkühler sind ferner auch sehr betriebsicher und wartungsarm.Especially for high-resolution NMR methods it is advantageous if the cryocooler is a pulse tube refrigerator, since pulse tube cooler can be operated particularly low vibration. Pulse tube coolers are also very safe and low maintenance.
Jedoch ist der Betrieb der Kühlvorrichtung auch sehr gut mit einem Gifford-McMahon-Kühler möglich. Ein Nachteil dieses Kryokühlers im Vergleich zu einem Pulsrohrkühler sind die größeren Vibrationen. Dieser Nachteil kommt dann nicht zum Tragen, wenn zwischen Kryokühler und Kryostatanordnung weiche Abdichtelemente verwendet werden, wie weiter unten beschrieben.however is the operation of the cooler too very good with a Gifford McMahon cooler possible. One Disadvantage of this cryocooler in comparison to a pulse tube cooler are the bigger vibrations. This disadvantage does not apply if between cryocooler and Cryostat assembly soft sealing elements are used, as further described below.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine beidseitig offene Verbindungsleitung vorgesehen ist, über die der Kaltkopf des Kryokühlers mit mindestens einem Hals- oder Aufhängerohr des Flüssigkeitstanks mit dem tiefstsiedenden Kryogen, in die keine Wärme übertragende Vorrichtung eingeführt wird, verbunden werden kann, wobei die Leitung mit mindestens zwei Kältestufen des Kaltkopfes und unter Umständen auch mit einem Regeneratorrohr oberhalb der kältesten Kältestufe thermisch kontaktiert ist, und wobei die Leitung nach thermischen Kontakt mit der kältesten Kältestufe in den am Kaltkopf montierten Hohlraum mündet oder entlang der metallischen Verbindung in den Flüssigkeitstank geführt wird. Das sich in der Leitung befindende Gas wird am Kaltkopf des Kryokühlers abgekühlt und an der kältesten Kältestufe verflüssigt, so dass sich aufgrund des resultierenden Sogs eine Strömung in der Leitung durch die Hals- oder Aufhängerohre hin zur Kühlvorrichtung ausbildet. Die Gasströmung bewirkt, dass die Hals- oder Aufhängerohre durch das sich erwärmende Gas gekühlt werden und dadurch im Idealfall der Wärmeeintrag über die Hals- oder Aufhängerohre komplett kompensiert wird. Durch diese Umlaufströmung zur Kühlung von Hals- bzw. Aufhängerohren kann der Wärmeeintrag auf den Kryostaten weiter reduziert werden.Especially It is advantageous if at least one connection line open on both sides is provided over the cold head of the cryocooler with at least one neck or hanger ear of the liquid tank with the cryogenic cryogen into which no heat transfer device is introduced can be connected, wherein the line with at least two cold stages of the cold head and possibly also thermally contacted with a regenerator above the coldest cold stage is, and wherein the line after thermal contact with the coldest cold stage into the cavity mounted on the cold head or along the metallic Compound in the liquid tank to be led. The in-line gas is cooled at the cold head of the cryocooler and at the coldest cold stage liquefied so that due to the resulting suction a flow in the line through the neck or suspension tubes to the cooling device formed. The gas flow causes the neck or suspension tubes by the heating gas chilled and thereby ideally the heat input via the neck or suspension tubes is completely compensated. Through this circulation flow for cooling neck or hanger ears can the heat input be further reduced on the cryostat.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist in der Verbindungsleitung zwischen den Hals- oder Aufhängerohren und dem Kaltkopf ein Ventil und/oder eine Pumpe zur Regelung des Gasflusses vorgesehen. Hierdurch kann bei Bedarf der Gasstrom gedrosselt oder der optimale Gasfluss eingeregelt werden, wenn z. B. die Sogwirkung am Kaltkopf so groß ist, dass der Gasstrom größer wird als es für die optimale Kühlung der Aufhänge- oder Halsrohre ausreichend wäre.at a development of this embodiment is in the connecting pipe between the neck or hanger ears and the cold head, a valve and / or a pump for controlling the Gas flow provided. As a result, if necessary, the gas flow throttled or the optimal gas flow are adjusted when z. B. the suction effect on the cold head is so big that the gas flow becomes larger as it is for the optimal cooling the suspension or neck tubes would be sufficient.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der kältesten Kältestufe des Kaltkopfes Helium bei einer Temperatur von 4,2 K oder bei tieferer Temperatur verflüssigt werden kann, da sich hierdurch eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten im Tiefsttemperaturbereich bietet. Somit können der Helium-Verlust und die Nachfüllvorgänge reduziert werden bzw. kann bei genügend großer Kälteleistung des Kryokühlers ein verlustfreier Betrieb erreicht werden.Especially It is advantageous if at the coldest cold stage of the cold head helium be liquefied at a temperature of 4.2 K or at a lower temperature can, as a result of a variety of uses in the cryogenic range offers. Thus, the helium loss and the refilling operations are reduced be or can be enough greater Cooling capacity of the cryocooler a lossless operation can be achieved.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt beinhaltet, dass an einer Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers flüssiger Stickstoff bei 77 K oder bei einer tieferen Temperatur erzeugt werden kann. Durch die Verwendung der Wärme übertragenden Vorrichtungen in einer Kryostatanordnung mit einem Behälter mit flüssigem Stickstoff können daher die Stickstoffverluste reduziert oder bei genügend großer Kälteleistung des Kryokühlers ein verlustfreier Betrieb erreicht werden.One Another advantageous aspect includes that at a cold stage the cold head of the cryocooler liquid Nitrogen can be generated at 77 K or at a lower temperature can. By using the heat transferring Devices in a Kryostatanordnung with a container with liquid Nitrogen can therefore reduces the nitrogen losses or at sufficiently high cooling capacity of the cryocooler a lossless operation can be achieved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Kältestufe des Kaltkopfes, welche nicht die kälteste ist, mit dem den Kaltkopf zumindest teilweise umgebenden Strahlungsschild thermisch leitend verbunden. Auf diese Weise wird der Wärmeeintrag durch Strahlung auf die kälteren Komponenten des Kaltkopfes wesentlich reduziert.In an advantageous embodiment becomes a cold stage the cold head, which is not the coldest, with the cold head at least partially surrounding radiation shield thermally conductive connected. In this way, the heat input by radiation on the colder ones Components of the cold head significantly reduced.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Wärme übertragende Vorrichtung zumindest teilweise innerhalb des Außenmantels der Kühlvorrichtung, also innerhalb des Vakuumraums, zu liegen kommt. Dies ist insbesondere für den Teil der Wärme übertragenden Vorrichtung relevant, der mit dem Kaltkopf des Kryokühlers verbunden ist. Somit ist dieser Teil der Wärme übertragenden Vorrichtung nach außen gegen Wärmeleitung sehr gut isoliert.Moreover, it is advantageous if the heat-transferring device at least partially comes to rest within the outer jacket of the cooling device, ie within the vacuum space. This is particularly relevant to the part of the heat transfer device which is connected to the cold head of the cryocooler. Thus, this part of the heat transfer device is very well insulated against heat conduction to the outside.
Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wärme übertragende Vorrichtung im Bereich außerhalb des Außenmantels zumindest teilweise von einem ersten Rohr umgeben ist. Dieses Rohr dient der Wärmeisolation der Wärme übertragenden Vorrichtung. Es kann, muss aber nicht über seine ganze Länge denselben Durchmesser aufweisen. So kann es zum Beispiel konstruktionsbedingt günstiger sein, für einen Teil des Rohres den kleinstmöglichen, für den Rest aber einen größeren Durchmesser zu wählen.Of Furthermore, it is particularly advantageous when the heat transferring Device in the area outside of the outer jacket at least partially surrounded by a first tube. This pipe serves the heat insulation the heat transferring Contraption. It may or may not be the same over its entire length Have diameter. For example, it may be cheaper due to the design be, for a part of the tube the smallest possible, for the rest but a larger diameter to choose.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei das die Wärme übertragende Vorrichtung umgebende erste Rohr an einem Ende offen und dort mit dem Vakuumraum des Außenmantels verbunden ist, während es am anderen Ende gasdicht mit der Rohrleitung oder der metallischen Verbindung der Wärme übertragenden Vorrichtung verbunden ist. Wird bei dieser Ausführungsform der Vakuumraum der Kühlvorrichtung evakuiert, so steht auch der vom ersten Rohr umgebene Teil der Wärme übertragenden Vorrichtung unter Vakuum. Die Wärme übertragende Vor richtung ist dann in diesem Bereich sehr gut nach außen gegen Wärmeleitung isoliert.In a preferred embodiment is the heat transferring Device surrounding the first tube open at one end and there with the vacuum space of the outer jacket is connected while it gas-tight at the other end with the pipeline or the metallic one Compound of heat transferring Device is connected. In this embodiment, the vacuum space of the cooler evacuated, so is also surrounded by the first tube part of the heat transferring Device under vacuum. The heat transferring Before direction is then in this area very well outward against heat conduction isolated.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist das die Wärme übertragende Vorrichtung umgebende erste Rohr an beiden Enden gasdicht mit der Rohrleitung oder der metallischen Verbindung der Wärme übertragenden Vorrichtung verbunden und über einen separaten Anschluss zur Evakuierung versehen. Der Innenraum des Rohres kann hierdurch evakuiert und der vom Rohr umgebene Teil der Wärme übertragenden Vorrichtung sehr gut nach außen gegen Wärmeleitung isoliert werden.at another advantageous embodiment is that the heat transferring Device surrounding first tube at both ends gas-tight with the Piping or metallic connection of the heat transferring Device connected and over provided a separate connection for evacuation. The interior of the tube can thereby be evacuated and the part surrounded by the tube the heat transferring Device very good to the outside against heat conduction be isolated.
Besonders günstig ist es, wenn die Rohrleitung oder die metallische Verbindung der Wärme übertragenden Vorrichtung zumindest teilweise von einem weiteren, zweiten Rohr umgeben ist, welches mit dem Strahlungsschild thermisch leitend verbunden ist. Dieses Rohr ist innerhalb des ersten Rohres angeordnet, welches – wie eben beschreiben – der Vakuumisolierung dient. Auf diese Weise ist der vom zweiten Rohr umgebene Teil der Wärme übertragenden Vorrichtung sehr gut nach außen gegen Wärmestrahlung isoliert.Especially Cheap it is when the pipeline or metallic connection of the Heat transferring Device at least partially from another, second tube is surrounded, which with the radiation shield thermally conductive connected is. This tube is located inside the first tube, which - how just to describe - vacuum insulation serves. In this way, the part surrounded by the second tube is the Heat transferring Device very good to the outside against heat radiation isolated.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die eben beschriebenen, die Wärme übertragende Vorrichtung umgebenden Rohre zumindest abschnittsweise flexibel, insbesondere als Balg, ausgeführt sind.Especially It is advantageous if the just described, the heat transferring Device surrounding pipes at least partially flexible, in particular as bellows are.
Zudem erweist es sich als sehr günstig, wenn auch die Wärme übertragende Vorrichtung zumindest abschnittsweise flexibel, insbesondere als Balg oder in Form von zu Litzen verflochtenen Drähten, ausgeführt ist. Somit kann eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung realisiert werden, bei der die Wärme übertragende Vorrichtung mitsamt den sie umgebenden Rohren flexibel ist, was deren Einbau in die Hals- oder Aufhängerohre einer Kryostatanordnung wesentlich erleichtern kann.moreover turns out to be very cheap if also the heat transferring Device at least partially flexible, in particular as a bellows or in the form of strands braided into strands. Thus, an embodiment of the Cooling device according to the invention be realized, in which the heat transferring Device together with the surrounding pipes is flexible, what their Installation in the neck or suspension tubes a cryostat can significantly facilitate.
In diesem Zusammenhang ist es ferner vorteilhaft, wenn sich die Wärme übertragende Vorrichtung und die sie umgebenden Rohre an mindestens einer Stelle mittels einer gasdichten Kupplung miteinander verbinden und voneinander trennen lassen. Die Kupplung ist so aufgebaut, dass die Funktionalität der Wärme übertragenden Vorrichtung mitsamt den sie umgebenden Rohren nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch wird das Anbringen der Kühlvorrichtung an einer Kryostatanordnung wesentlich erleichtert.In In this context, it is also advantageous when the heat transferring Device and the surrounding pipes in at least one place connect to each other by means of a gas-tight coupling and from each other disconnect. The coupling is constructed so that the functionality of the heat transferring Device is not affected, including the surrounding pipes. This will attach the cooling device to a cryostat assembly much easier.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung am Kryostaten zur Aufbewahrung kryogener Flüssigkeiten gasdicht befestigt werden kann. Dies kann entweder an den Hals- oder Aufhängerohren oder am Außenmantel der Kryostatanordnung ausgeführt sein.In a further embodiment The invention provides that the cooling device on the cryostat for storing cryogenic liquids can be attached gas-tight. This can be done either on the neck or hanger ears or on the outer jacket executed the cryostat assembly be.
Alternativ und bevorzugt kann die Kühlvorrichtung außerhalb des Kryostaten, z.B. an der Raumdecke oder an einem separaten Ständer, befestigt werden. Auf der Kryostatanordnung lastet dann nicht noch das Gewicht der Kühlvorrichtung. Dies erhöht unter Umständen die mechanische Stabilität der Kryostatanordnung.alternative and preferably, the cooling device outside of the cryostat, e.g. attached to the ceiling or on a separate stand become. The weight of the cryostat assembly is then not reduced the cooling device. This elevated in certain circumstances the mechanical stability the cryostat arrangement.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Abdichtung zwischen Kühlvorrichtung und Kryostat ein weiches, Vibrationen nicht übertragendes Verbindungselement vorgesehen ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass – besonders für hochauflösende NMR-Verfahren – keine störenden beziehungsweise nur wenige Schwingungen der Kühlvorrichtung auf die Kryostatanordnung übertragen werden.In In this context, it is particularly advantageous if for sealing between cooling device and cryostat a soft, vibration non-transmitting connector is provided. In this way it is guaranteed that - especially for high-resolution NMR methods - none disturbing or only a few vibrations of the cooling device transmitted to the Kryostatanordnung become.
Weiterhin ist es möglich, an den Kältestufen des Kaltkopfes des Kryokühlers elektrische Heizungen anzubringen. Bei einer Überschussleistung können die Heizungen so eingeregelt werden, dass der Kryokühler genau den Wärmeeinfall auf die verschiedenen Behälter der Kryostatanordnung kompensiert.Farther Is it possible, at the cold stages of Cold head of the cryocooler to install electric heaters. With an excess power, the Heaters are adjusted so that the cryocooler exactly the heat on the different containers the Kryostatanordnung compensated.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kommen besonders gut zur Geltung, wenn sie Teil einer Kryostatanordnung ist.The Advantages of the cooling device according to the invention are particularly effective when they are part of a cryostat configuration is.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kühlvorrichtung zur Kühlung einer supraleitenden Magnetanordnung dient, insbesondere wenn die supraleitende Magnetanordnung Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.It is particularly advantageous if the cooling Device for cooling a superconducting magnet assembly is used, in particular when the superconducting magnet assembly is part of an apparatus for nuclear magnetic resonance, in particular magnetic resonance imaging (MRI) or magnetic resonance spectroscopy (NMR).
Schließlich ist es möglich, dass in einer mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung versehenen Kryostatanordnung über ein Hals- oder Aufhängerohr mindestens eines Flüssigkeitstanks eine elektrische Heizung in den Flüssigkeitstank eingeführt werden kann. Bei einer Überschussleistung des in der Kühlvorrichtung integrierten Kaltkopfes des Kryokühlers kann somit der Druck in den Flüssigkeitsbehältern über dem Umgebungsdruck und konstant gehalten werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Leistung des Kryokühlers über seine Betriebsfrequenz und/oder die Füllmenge an Arbeitsgas im Kryokühler geregelt wird.Finally is it is possible that in a provided with the cooling device according to the invention cryostat via a Neck or hanger ear at least a liquid tank an electric heater can be inserted into the liquid tank. At an excess power in the cooler integrated cold head of the cryocooler can thus the pressure in the liquid containers above the Ambient pressure and kept constant. It is, however conceivable that the performance of the cryocooler on its operating frequency and / or the capacity regulated at working gas in the cryocooler becomes.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further Advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawings. Likewise the above-mentioned and the further listed features per se or can be used for several in any combination. The shown and described embodiments not as final enumeration but rather have exemplary character for the description the invention.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Rohrleitungen
Dabei
wird das bei höherer
Temperatur siedende Kryogen
Um
die Wärme übertragenden
Vorrichtungen
Zusammenfassend ergibt sich eine Kühlvorrichtung, die es erlaubt, bestehende Kryostatanordnungen, und im Speziellen solche, die supraleitende Magnete enthalten, ohne (oder mit nur geringen) Anpassungen so nachrüsten, dass auch bei Verwendung mehrerer Kryogene mit einem geringen apparativen Aufwand ein kryogenverlustfreier Betrieb möglich wird.In summary results in a cooling device, which allows existing cryostat assemblies, and more specifically those containing superconducting magnets without (or with only minor) adaptations so retrofit, that even when using multiple cryogens with a small apparatus Effort a cryogenic loss-free operation is possible.
- 11
- Kryostatcryostat
- 2a, 2b2a, 2 B
- Flüssigkeitstanksliquid tanks
- 3a, b, c, d3a, b, c, d
- Aufhängerohresuspension tubes
- 44
- Außenmantel des Kryostatenouter sheath of the cryostat
- 55
- Magnetanordnungmagnet assembly
- 66
- Strahlungsschild des Kryostatenradiation shield of the cryostat
- 77
- Kühlvorrichtungcooler
- 88th
- Außenmantel der Kühlvorrichtungouter sheath the cooling device
- 99
- Vakuumraumvacuum space
- 1010
- Kaltkopfcold head
- 1111
- erste Kältestufefirst cold stage
- 1212
- zweite Kältestufesecond cold stage
- 1313
- Strahlungsschild der Kühlvorrichtungradiation shield the cooling device
- 14a, b14a, b
- Wärme übertragenden VorrichtungHeat transferring contraption
- 15a, b15a, b
- Hohlraumcavity
- 16a, b16a, b
- Rohrleitungpipeline
- 17a, b17a, b
- Verbindungconnection
- 18a, b18a, b
- Kryogencryogenically
- 19a, b19a, b
- erstes Rohrfirst pipe
- 2020
- zweites Rohrsecond pipe
- 21a, b21a, b
- Verbindungselementconnecting element
- 22a, b22a, b
- Heizungheater
- 2323
- offene Leitungopen management
- 24a, b24a, b
- WärmeüberträgerHeat exchangers
- 2525
- Regeneratorrohrregenerator
- 2626
- VentilValve
- 2727
- Pumpepump
- 2828
- Raumdeckeceiling
- 2929
- Ständerstand
- 3030
- Dichtungpoetry
- 31a, b31a, b
- Abdichtelementesealing
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