DE1501283B1 - Vorrichtung zur Kuehlung von Objekten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Küh- zur Spule durch das Gehäusematerial eine gewisse lung von Objekten, insbesondere Supraleitungsspulen, minimale Bauhöhe erforderlich, die sich in einem abgeschlossenen evakuierbaren Ein- Zur Abkühlung der Spulenwicklung in einem sol-

satzbehälter befinden und durch die Verdampfung chen bekannten Kryostaten werden beträchtliche eines tiefsiedenden Kältemittels, insbesondere flüs- 5 Mengen des kostspieligen Kältemittels benötigt, inssigen Heliums, auf tiefe Temperaturen abgekühlt besondere, wenn man kürzere Abkühlzeiten anstrebt, werden. In den vorbekannten Kryostaten für Supraleitungs-

Die Tiefkühlung von Supraleitungsspulen stellt spulen wird der Kälteinhalt des flüssigen Heliums nur schwierige technische Probleme sowohl in bezug auf sehr unvollständig ausgenutzt. Eine gewisse Verbesseeine einfache und sichere Konstruktion der Kühl- io rung in wirtschaftlicher Hinsicht ergibt sich, wenn Vorrichtung als auch im Hinblick auf einen wirt- man das innere, für flüssiges Helium vorgesehene schaftlichen Dauerbetrieb, bei dem der Kältemittel- Gefäß mit der Spule zunächst durch flüssigen Stickverbrauch zur Aufrechterhaltung einer gegebenen stoff vorkühlt. Diese Methode ist jedoch in der Praxis tiefen Temperatur gering gehalten werden soll. Bei recht umständlich durchzuführen, weil der Stickstoff sogenannten Supraleitungsspulen ist die Spulenwick- 15 vor dem Einfüllen des Heliums wieder restlos entlung während des Betriebes auf Temperaturen unter- fernt werden muß. Im Spulengefäß verbleibende halb der Sprungtemperatur des Materials der Spulen- Stickstoffreste können zur Eisbildung und damit zur wicklung abzukühlen. Die Sprungtemperaturen der Verstopfung von Zuleitungs- und Abgasrohren für technische Spulen zur Zeit verwendeten Draht- führen. Der Kryostat muß daher nach dem Abkühlen materialien liegen zwar mit etwa 17 bis 15° K ver- ao auf Stickstofftemperatur sorgfältig evakuiert werden, hältnismäßig hoch, jedoch müssen diese Sprung- Der für längere Betriebszeiten in der vorbekannten

temperaturen wegen des magnetischen Verhaltens Vorrichtung erforderliche größere Vorrat an flüsder Materialien im Betrieb beträchtlich unterschritten sigem Helium verursacht weitere Nachteile. So muß werden. Nach dem gegebenen Stand der Technik beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung das kann somit als Kältemittel zur Tiefkühlung von 25 noch im Kryostaten befindliche flüssige Helium ver-Supraleitungsspulen nur flüssiges Helium verwendet dampft werden. Außerdem treten im allgemeinen werden. Weitere technische Entwicklungen zielen auf größere Kältemittelverluste auf, wenn die Supradie Schaffung von Drahtmaterialien mit erheblich leitungsspule in den normalleitenden Zustand (Ohmhöheren Sprungtemperaturen; jedoch sind Werkstoffe scher Widerstand) übergeht, während der eingeprägte mit derartigen Eigenschaften für technische Spulen 30 hohe Supraleitungsstrom im Übergangsintervall noch bisher nicht verwendbar. vorhanden ist. Dabei ergibt sich eine kurzzeitige

Wie bekannt, stellt bereits gasförmiges Helium starke Wärmeentwicklung, die eine entsprechende einen relativ teuren Ausgangsstoff dar. Da die Ver- Verdampfung des kostspieligen Kältemittels zur Folge flüssigungskosten für dieses Gas wegen der tech- hat.

nischen Schwierigkeiten ebenfalls hoch liegen, sind 35 Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Spulen-Kühlverfahren, bei denen flüssiges Helium verwen- kühlung ist darin zu sehen, daß es praktisch unmögdet wird, im allgemeinen kostspielig. Aus diesem lieh ist, Temperaturen oberhalb 4,2° K, dem Siede-Grund stellt sich für derartige Tiefkühlvorrichtungen punkt des flüssigen Heliums, einzustellen und kondie Aufgabe einer möglichst weitgehenden Senkung stant zu halten. Nach den bisherigen Erfahrungen ist des Kältemittelverbrauchs. Dies gilt insbesondere für 40 aber mit hoher Wahrscheinlichkeit anzunehmen, die Kühlung von Supraleitungsspulen, bei denen mit daß die günstigste Arbeitstemperatur für suprader Spule und dem Spulengehäuse zwangläufig er- leitende Spulen oberhalb von 4,2° K liegt. Außerdem hebliche Massen abzukühlen und kalt zu halten sind. fordern neue entwickelte Werkstoffe gegebenenfalls Eine 50-kG-Spule mit einem vom Magnetfeld erfüll- die Einstellung und Konstanthaltung höherer Temperen Innenraum von etwa 5 cm Durchmesser und etwa 45 raturen. Andererseits ist es bekannt, tiefe Tempe-28 cm Höhe hat beispielsweise eine Masse von etwa raturen mit Hilfe von Verdampferkryostaten zu er-15 kg. zeugen, bei denen flüssiges Helium aus einem Vor-

Nach der bekannten Technik wurden bisher Supra- ratsbehälter in einen Verdampferkörper gefördert leitungsspulen in Flüssigkeitskryostaten von her- wird und diesen unter Verdampfung auf beliebige kömmlicher Bauweise gekühlt. Dabei befindet sich 5° vorwählbare Temperaturwerte zwischen 4,2° K und die Spulenwicklung in einem vakuumisolierten und Raumtemperatur kühlt. Ferner ist zur Kühlung von von einem stickstoffgekühlten Strahlenschutz um- Proben, die im Reaktor bestrahlt werden sollen, eine gebenen Gefäß, welches mit flüssigem Helium gefüllt Vorrichtung bekannt, bei der sich die Probe in einem ist. Die Spulenwicklung liegt dabei in einem Bad von mit einem flüssigen Kältemittel, beispielsweise Neon, flüssigem Helium. Der freie Innenraum einer Zy- 55 gefüllten Einsatzbehälter befindet, dessen oberes linderspule ist entweder ebenfalls von flüssigem Ende als Kühler ausgebildet ist. Der Kühler wird mit Helium erfüllt oder kann bei einer ringförmigen Bau- einem anderen, bei tieferer Temperatur siedenden weise des Kryostaten auf Raumtemperatur gehalten Kältemittel, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt, so werden. Derartige Kryostaten werden in der Fach- daß das aus dem Einsatzbehälter verdampfende Kühlliteratur als »hot hole cryostat« bezeichnet. 60 medium rekondensiert und wieder nach unten ab-

Die bekannten Kryostaten weisen eine Bauhöhe tropft. Um genau die Kondensationstemperatur des auf, die ein Mehrfaches der Spulenhöhe beträgt. höhersiedenden Kühlmediums einstellen zu können, Dieses ungünstige Abmessungsverhältnis ist durch ist ein Heizelement am Kühler vorgesehen. Die Probe das bisher verwendete Kühlprinzip bedingt. Um län- kann mit Hilfe dieser Vorrichtung auf eine einzige gere Betriebszeiten ohne Nachfüllen von Kältemitteln 65 Temperatur, nämlich die Siedetemperatur des höherzu gewährleisten, muß über der Spulenwicklung ein siedenden Kühlmediums, gebracht werden, entsprechender Flüssigkeitsstand vorgesehen werden. . Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, Außerdem ist zur Vermeidung der Wärmeleitung eine Vorrichtung zur Kühlung von Supraleitungs-

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spulen zu schaffen, die die Einstellung variabel vor- tung im Kältemittelverbrauch erheblich sparsamer wählbarer Temperaturen oberhalb 4,2° K ermöglicht, und wirtschaftlicher als die bisher bekannten Badbei der die infolge der Eigenschaften von Supra- kryostaten zur Tiefkühlung von Supraleitungsspulen, leitungsspulen gegebenen Risiken auf ein Minimum Ferner hat die Vorrichtung den Vorteil, daß beliebige herabgesetzt sind, bei der die Kältemittelverluste S vorwählbare Temperaturen auch oberhalb der Siedegegenüber der herkömmlichen Badkryostatentechnik temperatur des Kältemediums eingestellt und konstant wesentlich reduziert sind und die einen einfachen, gehalten werden können. Sie ermöglicht also die Eintechnisch sicheren Dauerbetrieb unter optimaler Aus- stellung der jeweils optimalen Betriebstemperatur,
nutzung des Kälteinhalts des flüssigen Kältemittels Zur Vermeidung einer Gefährdung beim Übergang ermöglicht. Das Kennzeichen der Erfindung wird io von supraleitenden in den normalleitenden Zustand darin gesehen, daß der Einsatzbehälter über eine kann es außerdem vorteilhaft sein, den mit dem Einfülleitung und eine Einfüllvorrichtung mit einem Wärmeübertragungsmedium gefüllten Innenraum des an sich bekannten Wärmeübertragungsmedium, vor- Einsatzbehälters durch eine Überdrucksicherung in zugsweise Helium, unter wenigstens annähernder der Art eines einstellbaren selbsttätigen Sicherheits-Konstanthaltung des Drucks im Einsatzbehälter auf 15 ventils, dessen Ansprechdruck wenig über dem einen vorwählbaren konstanten Wert nachfüllbar ist Betriebsdruck liegt, zu sichern. Beim schlagartigen und daß innerhalb des das Objekt aufnehmenden Verdampfen des Wärmeübertragungsmediums wird Einsatzbehälters ein Verdampferkörper angeordnet dann ohne gefährlichen Druckanstieg ein Druckist, wobei in an sich bekannter Weise der Kreislauf ausgleich, vorzugsweise nach einem Gassammeiraum des Kältemediums im Verdampferkörper von der 20 (Heliumrückgewinnungsanlagen), erzielt. Eine vorFüllung des Einsatzbehälters getrennt ist. teilhafte bauliche Anordnung kann dadurch erreicht

Die Kälteleistung des über eine Saugleitung an eine werden, daß der Verdampferkörper die rohrförmige Vakuumpumpe angeschlossenen Verdampferkörpers Spulenwicklung wenigstens an ihrem äußeren Umfang wird dabei zweckmäßig in an sich bekannter Weise umschließt. Dabei kann der Verdampferkörper von durch ein die Saugleistung der Vakuumpumpe in 25 einem an sich bekannten ein- oder mehrteiligen, tief-Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich gekühlten Strahlungsschutzkörper umgeben sein, weldes Verdampferkörpers steuerndes Drosselventil be- eher vorzugsweise an den Abgasanschluß des Verstimmt (deutsche Auslegeschrift 1161 570). dampferkörpers angeschlossen ist. Auf diese Weise

In dieser Vorrichtung befindet sich die Spulen- wird der Kälteinhalt des Abgases im Strahlungswicklung in einem mit dem zunächst gasförmigen 30 schutzkörper ausgenutzt und ein Betrieb mit nur Wärmeübertragungsmedium gefüllten Einsatzbehäl- einem Kältemedium ermöglicht. Der Verdampferter, und die Abkühlung des Wärmeübertragungs- körper und/oder der Strahlungsschutzkörper können mediums und damit auch der mit diesem in Wärme- zweckmäßig aus einer bifilaren Rohrwicklung mit austausch stehenden Spulenwicklung erfolgt durch vorzugsweise im Bereich einer Stirnfläche liegenden einen Verdampferkörper mit getrenntem Kältemittel- 35 Eintritts- und Auslaßöffnungen bestehen. Es erscheint kreislauf. Die Verwendung von gasförmigem Helium ferner zweckmäßig, die Einfülleitung des Einsatzais Wärmeübertragungsmedium ist zwar in der Tief- behälters durch Wärmekontakt mit dem im Gegentemperaturkalorimetrie bereits bekannt, jedoch er- strom geführten Abgas des Verdampferkörpers bzw. folgt dort lediglich das Eintauchen eines Probebehäl- des Strahlungsschutzkörpers zu kühlen. Diese Vorters in ein Heliumbad, wobei der Probebehälter ent- 40 kühlung dient zur Verminderung des Kältemittelweder hoch evakuiert oder mit Helium als Wärme- Verbrauchs.
Übertragungsmedium gefüllt werden kann. _ Bei einer zweckmäßigen Ausbildung kann der

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich in freie Innenraum der Supraleitungsspule gegenüber gedrängter Bauweise auf relativ kleinem Raum unter- dem Innenraum des Einsatzbehälters gasdicht abbringen und benötigt keinen mit flüssigem Stickstoff 45 geschlossen sein, so daß die in den Innenraum der gekühlten Strahlungsschutz. Sie läßt sich in jedem Spule eingeführten Proben auf einer höheren Tempe-Betriebszustand mit nur einem Kältemedium be- ratur als die Spule gehalten werden können (»hot treiben. hole«). Die Einbringung von Proben in den Innen-

Außerdem kann die Kühlvorrichtung unter weitest- raum der Spule ist mit Hilfe einer Einrichtung zur gehender Ausnutzung des Kälteinhaltes des Kälte- 50 Probeneinführung möglich, welche im Fall der Ermitteis (Verdampfungswärme und Enthalpie des kai- füllung des Innenraumes mit flüssigem Helium beiten Gases) auf die gewünschten Betriebstemperaturen spielsweise in Art einer Gasschleuse ausgebildet sein abgekühlt werden. Man kann zur Abkühlung flüs- kann.

siges Helium als Kältemedium im Verdampferkörper Die apparative Anordnung kann bei gleichem verwenden. Es ist jedoch ferner mit nur geringem 55 Grundprinzip verschieden gestaltet werden. Es erAufwand und ohne Erschwerung des nachfolgenden scheint günstig, einen Aufbau zu wählen, bei dem der Heliumbetriebes möglich, zur Vorkühlung den bil- Verdampferkörper mit Hilfe von schlecht wärmeligeren flüssigen Stickstoff zu verwenden. Die Vor- leitenden Halterungselementen direkt oder unter richtung besitzt ein sehr geringes Totvolumen. Bei Zwischenschaltung des Strahlungsschutzkörpers in Betriebsunterbrechungen oder beim Übergang der 60 dem ihn umgebenden Gehäuse gehaltert ist.
Spule in den normalleitenden Zustand treten dem- Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren für die beentsprechend nur geringfügige Kältemittelverluste schriebene Vorrichtung kann in der Weise ausgeführt auf, die in erster Linie durch die Verdampfung bzw. werden, daß das als Wärmeübertragungsmedium in Erwärmung der im Vergleich zum bekannten Bad- den Innenraum des Einsatzbehälters eingebrachte kryostaten geringen Einfüllmenge des Wärmeüber- 65 Gas auf einem vorgegebenen konstanten Druckwert tragungsmediums im Einsatzbehälter gegeben sind, gehalten wird, während das Wärmeübertragungswährend der Kältemittelverlust im Verdampferkreis- medium und damit die mit ihm in Wärmeaustausch lauf minimal ist. Dadurch erweist sich die Vorrich- stehende Spulenwicklung durch den Verdampferkör-

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per gegebenenfalls bis zur Kondensation des gas- ment 7 angezeigt wird. Ein als Überdrucksicherung oder dampfförmigen Wärmeübertragungsmediums ab- für den Einsatzbehälter 3 dienendes Sicherheitsgekühlt wird. Die bereits beschriebene Einfüllvorrich- ventil 8 ist ebenfalls an die Einfülleitung 4 angeschlostung übernimmt dabei die Aufgabe, jeweils gasför- sen und verbindet den Einsatzbehälter 3 mit einer miges Wärmeübertragungsmedium in den Innenraum 5 nicht gezeichneten Rückgewinnungsanlage für des Einsatzbehälters nachzufordern, so daß der vor- Helium, und außerdem kann über ein Anschlußgegebene Druckwert nicht unterschritten wird. Der ventil 9 eine Verbindung zu einer gleichfalls nicht vorzugebende Druckwert wird durch die einzustel- gezeichneten Vakuumpumpe hergestellt werden, lende Temperatur bestimmt. Der Druckwert liegt da- Am oberen freien Ende des Einsatzbehälters 3 bebei stets über einer Atmosphäre. io findet sich ein Anschlußflansch 10, welcher eine Ein-Bei einem solchen Verfahren kann es außerdem bringvorrichtung 11 zur Einführung von Proben in zweckmäßig sein, daß die Kälteleistung des Ver- den vom Magnetfeld erfüllten Spuleninnenraum, ferdampferkörpers nach Abkühlung des Wärmeüber- ner ein Fühlerelement 12 der Standanzeige sowie tragungsmediums auf die gewünschte Solltemperatur einen Anschluß 13 einer Steuerleitung 14 trägt. Mit in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Wärme- 15 Hilfe des Fühlerelements 12 kann der Flüssigkeitsübertragungsmediums im Einsatzbehälter mit Hilfe stand des bis zur Verflüssigung abgekühlten Wärmevon an sich bekannten Steueranordnungen derart Übertragungsmediums im Einsatzbehälter 3 übersteuerbar ist, daß die Temperatur der Spulenwicklung wacht werden. Das Fühlerelement 12 ist dabei zweckauf einem einstellbaren Wert wenigstens annähernd mäßig als Widerstandsspirale ausgebildet, deren elekkonstant gehalten wird. Diese Regelung der Kälte- ?.o irischer Widerstand sich beim Eintauchen in den leistung erlaubt die Einstellung und Konstanthaltung Flüssigkeitsstand des Wärmeübertragungsmediums von Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von erheblich ändert.

flüssigem Helium (4,2° K) sowie auch oberhalb des Der Verdampferkörper 2 ist über eine Abgaskritischen Punktes von Helium (5,2° K), in welchem auslaßleitung 15 an einen gleichfalls als bifilare Rohr-Bereich die günstigsten Betriebstemperaturen für 25 wicklung ausgeführten Strahlungsschutzkörper 16 an-Supraleitungsspulen liegen dürften.' geschlossen, der den Einsatzbehälter 3 umgibt und Zur Kostensenkung kann die Abkühlung der dessen Abgasauslaß 17 mit der in der Zeichnung Spulenwicklung außerdem zweckmäßig in der Weise nicht dargestellten Heliumrückgewinnungsanlage in stufenartig erfolgen, daß der Verdampferkörper zu- Verbindung steht.

nächst mit einem tiefsiedenden Kältemedium von 30 Der Strahlungsschutzkörper 16 ist zusammen mit höherer Siedetemperatur, vorzugsweise mit Stickstoff dem Einsatzbehälter 3 von Schichten aus sogenannabgekühlt wird und daß daran anschließend eine ten Superisolierungen 18 umgeben, die im wesentweitere Temperaturabsenkung durch die Verdamp- liehen durch mehrere Lagen dünner, metallisierter fung von Kältemedium tieferer Siedetemperatur im Folien mit Luftzwischenraum gebildet werden. Dieser Verdampferkörper erfolgt. 35 Innenaufbau ist zur weiteren Wärmeisolierung von Die Verwendung der erfindungsgemäßen Tiefkühl- einem evakuierbaren Mantelbehälter 19 umschlossen, Vorrichtung ermöglicht die verschiedensten baulichen der über einen mit Verschlußventil versehenen AnAnordnungen, wie beispielsweise Kryostaten mit von schlußflansch 20 ebenfalls mit der bei Position 9 nicht flüssigem Helium freiem Innenraum (»hot hole«) gezeigten Vakuumpumpe in Verbindung steht, sowie Kryostaten mit horizontaler Spulenanordnung 40 Der Mantelbehälter 19 wird von einem Gestell 21 oder auch Kryostaten, bei denen die Spulenwicklung getragen, unter dem ein Vorratsgefäß 22 für das flüswährend des Betriebs aus einer vertikalen in eine sige Kältemedium (Helium, Stickstoff) angeordnet ist. horizontale Lage geschwenkt werden kann. Diese Das Vorratsgefäß 22 steht über einen zugeordneten konstruktiven Möglichkeiten waren bei den bisher Anschlußflansch 23 ebenfalls mit der in der Zeichbekannten Badkryostaten nicht gegeben. Die Tief- 45 nung nicht dargestellten Heliumrückgewinnungskühlvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung anlage in Verbindung.

schafft ferner bei hoher Betriebssicherheit die Grund- Aus dem Flüssigkeitsstand im Vorratsgefäß 22 lage für einen weitgehend wartungsfreien Dauer- führt eine vakuumisolierte Steigrohrleitung 24 zum betrieb über längere Betriebszeiten. Einlaßanschluß der Rohrwicklung des Verdampferin der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer 50 körpers 2, welcher abgasseitig an den Strahlungs-Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung sehe- schutzkörper 16 angeschlossen ist, dessen Abgasmatisch dargestellt; es zeigt auslaß 17 über eine Evakuierungsleitung 25 unter Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Tiefkühl- Zwischenschaltung eines druckgesteuerten Regelvorrichtung gemäß der Erfindung, die unmittelbar ventils 26 und eines Drosselventils 27 mit einer weiauf einem Heliumvorratsgefäß aufgebaut ist, 55 teren, als Förderpumpe dienenden Vakuumpumpe 28 F i g. 2 einen Schnitt durch die in F i g. 1 gezeigte in Verbindung steht. Diese weitere Vakuumpumpe 28 Tiefkühlvorrichtung mit Supraleitungsspule in ver- ist auslaßseitig an die bereits mehrfach erwähnte, in größertem Maßstab. der Zeichnung nicht dargestellte Heliumrückgewin-

Man erkennt eine röhrenförmige Supraleitungs- nungsanlage angeschlossen.

spule 1, welche von einem Verdampferkörper 2 in 60 Das Regelventil 26 steht über die als Dampfdruck-Form einer becherförmigen, bifilaren Rohrwicklung thermometer ausgebildete Steuerleitung 14, an welche umgeben ist. Die Supraleitungsspule 1 und der Ver- ein zur Dampfdruck- und damit Temperaturmessung dampferkörper 2 liegen im Innenraum eines Einsatz- vorgesehenes Anzeiseinstrument 14 a angeschlossen behälters 3, der über eine Einfülleitung 4 mit einer ist, mit dem Innenraum des Einsatzbehälters 3 in Ver-Einfüllvorrichtung 5 in Verbindung steht, mit deren 65 bindung. An dieser Stelle kann in alternativer Aus-Hilfe Heliumgas aus einer Gasflasche 6 in den Innen- bildung auch ein elektromagnetisches Regelventil 26 raum des Einsatzbehälters 3 eingefüllt werden kann, und an Stelle der als Dampfdruckthermometer auswobei der Einfülldruck von einem Druckmeßinstru- gebildeten Stuerleitung 14 ein elektrischer Tempe-

raturregler mit einem elektrischen Temperaturmeß- Im Bereich der Einmündung des Heberanschlußfühler verwendet werden. rohres 48 in die Rohrspirale ist in einer gasdurch-

F i g. 2 zeigt Einzelheiten des Aufbaues der Kühl- lässigen Umhüllung 50 eine Aktivkohlefüllung 51

vorrichtung. Man erkennt hier deutlicher die topf- untergebracht, die in gekühltem Zustand zur Ver-

förmige, bifilare Rohrwicklung des Verdampferkör- 5 besserung des Vakuums im Mantelbehälter 19 ver-

pers 2, welcher die aus einem Spulenkörper 29 einer wendet wird.

Spulenwicklung 30 und Zentrierstücken 31 zusam- Der Strahlungsschutzkörper 16 trägt an seinem mengesetzte Supraleitungsspule 1 umschließt. Die oberen Ende ein mit ihm in wärmeleitender Verbin-Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 und die dung stehendes ringförmiges Verlängerungsstück 52, Supraleitungsspule 1 sind in den Einsatzbehälter 3 io welches über ein vorzugsweise mittels Tauchlötung eingeschlossen, der von schlecht wärmeleitenden Stif- angesetztes Verbindungsstück 53 mit einem Abten32 getragen wird, welche in als Wärmedrosseln schlußstück 54 und einem in dieses Abschlußstück dienenden, in eine gekühlte Trägerplatte 33 ein- 54 eingesetzten, das Einbringrohr 42 umgebenden gesetzten Rohrstücken 34 gehalteft sind. Die gekühlte Strahlungsschutzrohr 55 in wärmeleitender Verbin-Platte 33 ruht ihrerseits auf schlecht wärmeleitenden 15 dung steht. Der Strahlungsschutzkörper 16 sowie das Trageelmenten 35, die ebenso wie die Stifte 32 sym- Strahlungsschutzrohr 55 sind, wie bereits in F i g. 1 metrisch am Umfang der abgestützten Bauteile an- dargestellt, mit einer Superisolierung 18 in Form aufgeordnet sind und die in eine Grundplatte 36 ein- gewickelter, metallbeschichteter Folien umgeben,
gelegt sind. Zur Kühlung der Platte 33 dient eine An den Einsatzbehälter 3 ist die Einfülleitung 4 Rohrspirale 37, die an den Abgasauslaß 17 des Strah- ao (vgl. F i g. 1) angeschlossen, welche ebenfalls die gelungsschutzkörpers 16 angeschlossen ist. Der Auslaß kühlte Platte 33 durchstößt und in einen vakuumder Spirale 37 führt zu einem vakuumummantelten ummantelten Gaszuführungsanschlußflansch 56 mün-Anschlußflansch 38, der gemäß F i g. 1 mit der als det. Die in einer Lötstelle 58 mit der Platte 33 ver-Förderpumpe dienenden weiteren Vakuumpumpe 28 bundene Einfülleitung 4 ist mit Schraubenwindungen in Verbindung steht. as 57 in Wärmekontakt mit dem im Gegenstrom geführ-

Der Einsatzbehälter 3 ist an seinem oberen Ende ten Abgas des Verdampferkörpers 2 in der Abgas-

mit einem Deckelstück 39 verschlossen, welches in auslaßleitung 15 und im Strahlungsschutzkörper 16

eine lösbare Tauchlötung 40 eingesetzt ist. Das angeordnet. Die Anschlußflanschteile 20, 38, 49 und

Deckelstück 39 nimmt die Zentrierstücke 31 der 56 sind in die Grundplatte 36 eingesetzt.

Supraleitungsspule 1 in entsprechend angepaßten 30 Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Zentrierringen 41 auf und trägt außerdem ein aus wird nach dem Zusammenbau unter Evakuierung des

schlecht wärmeleitendem Material bestehendes Ein- Mantelbehälters 19 zunächst der Einsatzbehälter 3

bringrohr 42. evakuiert. Dann wird an der Einfüllvorrichtung 5 ein

Das Einbringrohr 42 ist durch eine Deckelplatte der gewünschten Temperatur entsprechender Über-43 des Mantelbehälters 19 hindurchgeführt und mit 35 druck eingestellt und das Wärmeübertragungseiner O-ringgedichteten Verschlußplatte 44 gasdicht medium, z. B. Heliumgas, in den Einsatzbehälter 3 verschlossen. Zwischen der Deckelplatte 43 und dem eingelassen. Nunmehr wird der Verdampferkörper 2 Einbringrohr 42 ist zur leichteren Justierung und zum in Betrieb genommen, d. h., es wird mit Hilfe der als Ausgleich von Wärmedehnungen eine bewegbare Ver- Förderpumpe dienenden weiteren Vakuumpumpe 28 bindung vorgesehen, welche einen Federbalg 45 auf- 40 flüssiges Helium aus dem Vorratsgefäß 22 über die weist, der einerseits an den am oberen Ende des Ein- Steigrohrleitung 24 und das Heberanschlußrohr 48 in bringrohres 42 befestigten Abschlußflansch 10 und die Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 gesaugt, andererseits an ein Ringstück 46 angeschlossen ist, wo es verdampft und die gewünschte Abkühlung herweiches seinerseits gasdicht mit der Deckelplatte 43 beiführt. Das Abgas durchströmt den Strahlungsverbunden ist. 45 schutzkörper 16 und die Rohrspirale 37, kühlt diese

Die Verschlußplatte 44 des Einbringrohres 42 ent- und gelangt schließlich über das Regelventil 26, das hält eine O-Ring-Verschraubung 47, durch die das Drosselventil 27 und die weitere Vakuumpumpe 28 in Fühlerelement 12 (vgl. Fig. 1) der Standanzeige hin- das Heliumrückgewinnungssystem. Bei einer Vordurchgeführt werden kann. Die ebenfalls in der kühlung mit Stickstoff wird das Abgas in die Atmo-Deckelplatte 43 vorgesehenen Anschlüsse der Steuer- 50 Sphäre abgeblasen.

leitung 14 sowie der Einbringvorrichtung 11 sind in Durch die Abkühlung sinkt der Druck des gas-

der Darstellung der F i g. 2 nicht eingezeichnet. förmigen Heliums im Einsatzbehälter 3, was jedoch

Zur Verbindung mit der in den Kältemittelvorrat durch automatisch nachströmendes Gas von der Einhineinreichenden Steigrohrleitung24 (Fig. 1) ist ein füllvorrichtung5 sogleich wieder ausgeglichen wird. Heberanschlußrohr 48 aus schlecht wärmeleitendem 55 Wenn schließlich die Solltemperatur erreicht ist und Material vorgesehen, welches die gekühlte Platte 33 wenn dieser Temperaturwert unterhalb der kritischen durchstößt und an seinem oberen Ende als Einlaß- Temperatur des Heliums liegt, so kondensiert im Einanschluß der Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 satzbehälter 3 die Heliumfüllung. Es bildet sich ein in den Einsatzbehälter 3 mündet. An seinem unteren Flüssigkeitsbad, dessen Niveau ansteigt, da von der Ende befindet sich eine weitere O-Ring-Verschrau- 60 Einfüllvorrichtung 5 fortgesetzt Heliumgas nachgeliebung 49. Die Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 fert wird. Ist ein mit dem Fühlerelement 12 einstellendet in einem Ringraum 59 am Einsatzbehälter 3. bares maximales Füllniveau erreicht, wird der Gas-Von dort führt die Abgasauslaßleitung 15 aus zustrom von der Einfüllvorrichtung 5 abgestellt. Die schlecht wärmeleitendem Material zum Einlaß Temperatur des Heliumbades im Einsatzbehälter 3 des als bifilare Rohrwicklung ausgeführten Strah- 65 wird dann mit Hilfe des dampfdruckgesteuerten lungsschutzkörpers 16. Der Abgasauslaß 17 des Regelventils 26 durch die regelbare Kälteleistung des Strahlungsschutzkörpers 16 ist an die Rohrspirale 37 Verdampferkörpers 2 auf dem vorwählbaren Wert angeschlossen. konstant gehalten.

Werden Betriebstemperaturen oberhalb der kritischen Temperatur gewünscht, bei denen kein Flüssigkeitsbad des Wärmeübertragungsmediums entsteht, so ist der Kältemitteldurchsatz durch den Verdampferkörper 2 und damit die Temperatur mit Hilfe eines durch einen elektrischen Meßfühler über eine elektrische Regelvorrichtung gesteuerten elektromagnetischen Regelventils einzustellen und konstant zu halten. Im übrigen gelten die bereits erwähnten Gesichtspunkte. Die elektrische Regelung kann selbst- to verständlich auch für Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur (5,2° K) angewendet werden.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kühlung von Objekten, insbesondere Supraleitungsspulen, die sich in einem abgeschlossenen evakuierbaren Einsatzbehälter befinden und durch die Verdampfung eines tiefsiedenden Kältemittels, insbesondere flüssigen Heliums, auf tiefe Temperaturen abgekühlt wer- so den, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzbehälter (3) über eine Einfülleitung (4) und eine Einfüllvorrichtung (5) mit einem an sich bekannten Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Helium, unter wenigstens annähernder Konstanthaltung des Drucks im Einsatzbehälter (3) auf einen vorwählbaren konstanten Wert nachfüllbar ist und daß innerhalb des das Objekt aufnehmenden Einsatzbehälters (3) ein Verdampferkörper (2) angeordnet ist, wobei in an sich bekannter Weise der Kreislauf des Kältemediums im Verdampferkörper (2) von der Füllung des Einsatzbehälters (3) getrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Einsatzbehälter (3) ein vorzugsweise einstellbares Sicherheitsventil (8) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) die rohrförmige Spulenwicklung (30) wenigstens an ihrem äußeren Umfang umschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) von einem an sich bekannten ein- oder mehrteiligen, tiefgekühlten Strahlungsschutzkörper (16) umgeben ist, welcher vorzugsweise an den Ringraum (59) des Verdampferkörpers (2) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) und/oder der Strahlungsschutzkörper (16) aus einer bifilaren Rohrwicklung mit vorzugsweise im Bereich einer Stirnfläche liegenden Eintritts- und Auslaßöffnungen besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfülleitung (4) des Einsatzbehälters (3) gekühlt und vorzugsweise in Wärmekontakt mit Abgasleitungen des Verdampferkörpers (2) und/oder des Strahlungsschutzkörpers (16) in Gegenstromgasf ührung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Innenraum der Supraleitungsspule (1) gegenüber dem Innenraum des Einsatzbehälters (3) gasdicht abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einbringvorrichtung (11) zur Einführung von Proben in den Innenraum der Supraleitungsspule (1) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) mit Hilfe von schlecht wärmeleitenden Halterungselementen (32, 34) direkt oder unter Zwischenschaltung des Strahlungsschutzkörpers (16) in dem ihn umgebenden Gehäuse gehaltert ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Wärmeübertragungsmedium in den Innenraum des Einsatzbehälters (3) eingebrachte Gas auf einem vorgegebenen konstanten Druckwert gehalten wird, während das Wärmeübertragungsmedium und damit die mit ihm in Wärmeaustausch stehende Spulenwicklung (30) durch den Verdampferkörper (2) gegebenenfalls bis zur Kondensation des gas- oder dampfförmigen Wärmeübertragungsmediums abgekühlt wird.

11. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung des Verdampferkörpers (2) nach Abkühlung des Wärmeübertragungsmediums auf die gewünschte Solltemperatur in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Wärmeübertragungsmediums im Einsatzbehälter (3) mit Hilfe eines an sich bekannten Regelventils (26) derart steuerbar ist, daß die Temperatur der Spulenwicklung (30) auf einem einstellbaren Wert wenigstens annähernd konstant gehalten wird.

12. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Spulenwicklung (30) in der Weise stufenweise erfolgt, daß der Verdampferkörper (2) zunächst mit einem tiefsiedenden Kältemedium von höherer Siedetemperatur, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt wird und daß daran anschließend eine weitere Temperaturabsenkung durch die Verdampfung von Kältemedien tieferer Siedetemperatur im Verdampferkörper (2) erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen