DE3153405C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Kryostaten, die verflüssigte Gase von sehr geringer Temperatur, z.B. flüssiges Helium, enthalten, sind bekannt (GB-PS 13 27 944, US-PS 32 98 187; 41 87 956). Füll- und Entlüftungsrohre sind bei solchen Kryostaten notwendig, einerseits, um überhaupt den Kryostaten mit dem verflüssigten Gas füllen zu können, andererseits aber auch, um im Laufe der Zeit unvermeidlich entstehendes absiedendes Gas entweichen zu lassen.

Eine ständig gegenwärtige Gefahr bei Füll- und Entlüftungsrohren ist in dem Eindringen von Luft nach unten zu sehen. An einer ent­ sprechend kalten Stelle erfolgt die Luftverflüssigung, und die kondensierte flüssige Luft fließt an der Rohrinnenseite nach unten. Kommt dann das Kondensat in den Bereich von extrem kaltem verflüs­ sigtem Gas, eben das erwähnte flüssige Helium, so verfestigt sich die herabrinnende Luft, so daß nach einiger Betriebszeit das Rohr durch einen festen Stopfen verschlossen wird, so daß durch das absiedende flüssige Helium sich im Inneren des Kryostaten ein beträchtlicher Druck aufbaut, der nach einiger Zeit zur Explosion führen würde. Wegen dieser Explosionsgefahr wurden überlicherweise Füll- und Entlüftungsrohre mit verhältnismäßig großem Querschnitt ausgeführt und das Innenrohr mit Sicherheits- oder Hochdruckentlastungsventil vorgesehen. Dieser Druckent­ lastungsweg ist normalerweise geschlossen und somit vor dem Infiltrieren von Luft geschützt und überdies mit dem Dampf des siedenden Kältemittels gefüllt, so daß er einer Verstopfungs­ gefahr nicht unterlag. Bei Verstopfen des außen liegenden Ring­ raumes stand dann immer noch das Innenrohr zur Druckentlastung zur Verfügung. Ohne ein "Auftauen" des ganzen Kryostaten war es jedoch nicht möglich, die normale Funktion der Füll- und Entlüftungsrohre wiederherzustellen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kryostaten der eingangs genannten Art derart abzuwandeln, daß die Gefahr einer Verstopfung der Füll- und Entlüftungsrohre mit Innenrohr durch herabrinnende und sich verfestigende Luft beseitigt ist. Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch die scheinbar ein­ fache Maßnahme, gemäß dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß dem ausströmenden absieden­ den Kältemittel ein kleinerer Querschnitt zur Verfügung steht, was zwar auf den ersten Blick zu einer Erhöhung der Verstopfungsge­ fahr führen könnte, tatsächlich diese aber wesentlich verringert, weil bei gleicher Menge des absiedenden Kältemittels eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, so daß auf jeden Fall weniger Luft überhaupt eindringen kann. Ferner wird in einem engeren Querschnitt auch eine mögliche Zirkulation mit ab­ sinkender Strömung in der Mitte (vgl. "Cryogenics" 1973, Bd. 13, S. 520-523) unterbunden oder zumindest stark behindert. Ferner ist es bei verstopftem Innenrohr problemlos möglich, dieses ohne Betriebsunterbrechung auszubauen und außerhalb des Kryostaten wieder frei zu machen. Aus diesen Überlegungen kann sogar der Querschnitt geringer bemessen werden als bei den bekannten Kryostaten, was nicht nur das Betriebsverhalten im obigen Sinne noch verbessert, sondern auch zu besserer Wärmeisolation und damit geringerer Absiederate führt.

Die Möglichkeit einer Verstopfung kann bei der erfindungsgemäßen Konstruktion noch weiter herabgesetzt werden, und damit praktisch ausgeschlossen werden, wenn die Konstruktion nach Anspruch 3 ge­ wählt wird. Wenn das Innenrohr nicht in das Volumen des Innen­ behälters hineinragt, kommt es nicht in den Bereich, in dem herab­ rinnende flüssige Luft sich verfestigen kann. Verfestigte Luft müßte also den großen Querschnitt des Außenrohres verschließen, was innerhalb der normalen Betriebsdauer eines Kryostaten praktisch ausgeschlossen ist. Auf jeden Fall kann das Innenrohr im Sinne einer vorbeugenden Wartung auch gelegentlich von flüssiger Luft befreit werden.

Weitere spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kryostat; und

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Kryostat gemäß Fig. 1.

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Querschnitts durch den Kryostat soll die Erfindung näher erläutert werden.

Ein Supraleitfähigkeit-Spektrometersystem für die magnetische Kernresonanz arbeitet mit einem Kryostat, der Zimmertemperatur­ zugang zu dem im Innern des Kryostaten erzeugten Magnetfeld durch eine Bohrung 3 längs der Achse des Kryostaten hat.

Der Kryostat enthält in einem Zentralbehälter 110 eine supra­ leitfähige Solenoidanordnung 50. Der Zentralbehälter 110 ent­ hält ein Haupt-Kühlmittel, vorzugsweise flüssiges Helium, um den supraleitfähigen Zustand der Wicklungen aufrechtzuerhalten, die die Solenoidanordnung 50 bilden.

Oberhalb des Zentralbehälters 110 ist ein Zusatzbehälter 114′ für ein sekundäres Kühlmittel in Wärmeberührung mit der Kammer vorgesehen, die vom Mantel 114 begrenzt ist, welcher vorzugs­ weise aus Aluminium der Nominaldicke 4,826 mm hergestellt ist. Hierdurch weist die Kammer einen isothermi­ schen Mantel von der Temperatur des sekundären Kühlmittels, vorzugsweise flüssigem Stickstoff auf.

Von der Außenseite des Kryostat führt ein Entlüftungs- und Füll­ rohr 130 zum Zentralbehälter 110. Dieses Rohr 130 besteht vor­ zugsweise aus rostfreiem Stahl, um die Wärmeableitfähigkeit vom Flüssigheliumbehälter zur Außenseite des Kryostaten auf ein Minimum einzuschränken. Das Rohr 130 ist notwendigerweise durch koaxiale Rohre wie z.B. 136 abgeschirmt, die jeweils Teil der entsprechenden ineinander geschachtelten, durch die Mäntel 112, 114, 116 und 118 begrenzten Kammern bilden. Von einem Wärme­ übertragungskragen 133 wird Wärme an den durch das Rohr 130 strö­ menden Dampf des absiedenden Heliums übertragen, um den iso­ thermischen Mantel 112 auf fester Temperatur zu halten. Ein zweites Füll- und Entlüftungsrohr für den Zentralbehälter, von identischem Aufbau wie das beschriebene Rohr, ist nicht gezeigt.

Der Kryostat wird von einem Mantel 118 umgeben, der ein her­ metisch abgedichtetes, äußeres Gefäß darstellt und die mecha­ nische Unversehrtheit gewährleistet und ein Vakuum aufrecht­ erhält.

In den Mänteln 112 und 116 sind, wie die Zeichnung zeigt, mit Prallplatten versehene Öffnungen 135 und 137 vorgesehen. Eine ähnliche Öffnung im Mantel 114, die in Fig. 1 nicht zu sehen ist, stellt eine Verbindung zwischen allen Innenräumen der Schachtelkonstruktion her, so daß diese Innenräume nach dem Entlüften durch eine Auspumpöffnung 120 alle auf dem gleichen Druck gehalten werden.

In Fig. 2 ist die besondere Verbesserung der Erfindung im einzel­ nen zu sehen. Das Füll- und Entlüftungsrohr 130 wird durch eine Kombination aus einem Druckentlastungsventil 228 und einem Ver­ bindungsstück 210 geschlossen. Das Verbindungstück 210 ist so gestaltet, daß es mit dem Rohr 130 in Verbindung treten und ein Hochdruckentlastungsventil 215 aufnehmen kann. Zum Füllen des Zentralbehälters kann das Verbindungsstück 210 abgenommen werden. Ein im Rohr 130 angeordnetes, weiteres Rohr 220 steht durch die Seitenwand des Verbindungsstücks 210 über einen Strömungs­ messer 225 mit dem Hauptdruckentlastungsventil 228 in Verbindung. um dampfförmig gewordenes Helium entweichen zu lassen. Das primäre Druckentlastungsventil 228 ist typischer­ weise so eingestellt, daß es sich bei einem Druck von ca. 0,034 bar öffnet, während das sekundäre Druckentlastungsventil 215 typischer­ weise so eingestellt ist, daß es sich bei einem Druck von ca. 0,068 bar öffnet. Das Infiltrieren von Luft wird durch das primäre Druckentlastungsventil 228 auf ein Minimum eingeschränkt, und die Diffusion und anschließende Kondensation und Verfestigung von ins Innere des Rohres 220 eindringender Umgebungsluft führt zu keinem katastrophalen Ausfall der Vorrichtung, da ein alterna­ tiver Druckentlastungsweg durch das sekundäre Druckentlastungs­ ventil 215 zur Verfügung steht.

Das der Steuerung dienende Rohr 220 ist bei einer Ausführungs­ form der Erfindung ein rostfreies Stahlrohr mit einem Außen­ durchmesser von 6,350 mm (0,152 mm Wanddicke). Der Außendurchmesser des Füll- und Entlüftungsrohrer 130 beträgt 15,875 mm (0,152 mm Wanddicke), so daß ein nominaler Spielraum von 4,699 mm zwischen diesen rohrförmigen Oberflächen erhalten wird. Das Querschnitts­ verhältnis für die Fläche des Ringraumes außerhalb des Rohres 220 der des Inneren des Rohres 220 beträgt etwa 4,5. Damit zeichnet sich der sekundäre Druckentlastungsweg durch einen besonders nie­ drigen relativen Druckwiderstand aus. Das ist beim vorliegenden Anwendungsfall besonders wichtig, da ein Normalleitendwerden des supraleitfähigen Solenoids zu berücksichtigen ist, was eine soforti­ ge Druckentlastung erfordert, um eine Zerstörung zu vermeiden.

Die Anordnung des zusätzlichen Rohres 220 innerhalb des Rohres 130 hat sich als ein Mittel erwiesen, mit dem die Absiedegeschwindig­ keit aus dem Zentralbehälter drastisch verringert wird.

Bei einer typischen Messung der Absiederate für den oben be­ schriebenen Kryostaten, jedoch ohne das Rohr 220, ergibt sich ein Verbrauch an flüssigem Helium von 11 cm³/Std. Bei dem gleichen Kryostaten ergibt sich nach erfindungsgemäßer Ausrüstung ein Verbrauch von 8 cm³/Std. Diese Messungen sollten die Größe einer Kombination eines durch Konvektion und durch Abstrahlung wirkenden Transportes längs des Wärmeweges zeigen, den das Innere des Rohres 130 (gemeinsam mit restlichen Wärmeverlusten verschiedenen Ursprungs) bildet.

Vorzugsweise ist das Füll- und Entlüftungsrohr 130 und das darin angeordnete Rohr 220 in einem Strahlungswärme-Austauschverhältnis angeordnet. Das bedeutet, daß die einander benachbarten, einander zugewandten Oberflächen der Rohre 130 und 220 so behandelt sind, daß ihr Emissionsvermögen verbessert wird, um dadurch die Strahlungs­ emission und -absorption zwischen diesen Oberflächen zu fördern. Diese Rohre stützen ganz deutlich ein thermisches Gefälle in Längsrichtung; die Strahlungsverbesserung zwischen diesen Oberflächen dient dazu, jegliches thermische Gefälle in radialer Richtung zu verringern oder auf ein Minimum einzuschrän­ ken. Folglich werden die radialen Komponenten konvektiver Ströme im Ringbereich zwischen diesen Oberflächen ähnlich auf ein Mini­ mum eingeschränkt, während Längskomponenten der konvektiven Strö­ me einem etwas höheren effektiven thermischen Widerstand ausgesetzt sind durch den Wärmeaustausch mit der jeweiligen inneren Oberfläche des Rohres 130 und der äußeren Oberfläche des Rohres 220.

Das im Inneren angeordnete Rohr 220 beim bevorzugten Ausführungs­ beispiel wird hypothetisch als ein axial verteiltes Umlenkorgan be­ trachtet. Strahlungsenergie, die im Bereich des Verschlusses des Entlüftungs- und Füllrohres vorhanden ist, wird zwischen der Innen­ fläche des Rohres 130 und der benachbarten Außenfläche des Rohres 220 mehrfach reflektiert. Die einander zugewandten, benachbarten Oberflächen der Rohre 130 und 220 sind so behandelt, daß sie das Emissionsvermögen verbessern, was zur Folge hat, daß die einfallende Strahlung absorbiert wird und sich nicht in nennenswertem Ausmaß längs der Innenseite des Füll- und Entlüftungsrohres 130 ausbrei­ tet. Der axiale Strahlungsfluß durch das Innere des Rohres 220 ist im Querschnitt verringert, so daß die Größe dieses Verlustes deut­ lich reduziert ist. Ferner bildet das eingesetzte Rohr 220 mit kleinem Durchmesser einen zusätzlichen Gaströmungswiderstand, da der wirksame Querschnitt des primären Entlüftungsweges eingeschränkt ist, wodurch der Wärmetransport durch konvektive Ströme längs des eingesetzten Rohres nach unten reduziert ist.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die verbesserten thermischen Eigenschaften der Erfindung durch Abweichungen von der koaxialen Anordnung des in die Mitte eingesetzten Rohres 220 im Rohr 130 nicht beeinflußt werden. Bei Berührung des unteren Endes des Rohres 220 mit der Innenwand des Rohres 130 wurde keine nennens­ werte Leistungsminderung beobachtet.

Claims (6)

1. Kryostat bestehend aus einem Innenbehälter für eine kryogene Flüssigkeit, der von wenigstens einem Außenmantel umgeben ist, und wenigstens einem Füll- und Entlüftungsrohr in dessen Innerem ein sich über wenigstens einen Teil von dessen Länge erstrecken­ des Innenrohr angeordnet ist, das aus einem die Wärme schlecht leitenden Material besteht und dessen Inneres mit einem Druck­ entlastungsventil in Verbindung steht, während der Ringraum zwischen dem Füll- und Entlüftungsrohr und dem Innenrohr mit einem zweiten Druckentlastungsventil in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Inneren des Innenrohres (220) in Verbindung stehen­ de Druckentlastungsventil (228) bei einer Druckdifferenz öffnet. die niedriger ist als die, bei der das zweite, mit dem Ringraum in Verbindung stehende Druckentlastungsventil (215) öffnet,

2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen­ rohr (220) eine begrenzte Länge hat und nicht in das Volumen des Innenbehälters (110) hineinragt.

3. Kryostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Füll- und Entlüftungsrohr (130) aus rostfreiem Stahl besteht.

4. Kryostat nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (220) aus rostfreiem Stahl besteht.

5. Kryostat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberfläche des Innenrohres (220) hohes Strahlungs­ emissionsvermögen hat.

6. Kryostat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Innenfläche des Füll- und Entlüftungsrohrs (130) hohes Strahlungsemissionsvermögen hat.