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.