DE3621562C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kryostaten zum Kühlen eines Objektes
durch ein Kältemittel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
Bei einem bekannten Kryostaten (US-PS 42 77 949) ist zwischen
dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil eine
Wärmekupplung vorgesehen. Die Wärmekupplung weist einen notwendigerweise
vertikal angeordneten zylinderartigen Körper auf,
der innen derart unterteilt ist, daß in ihm enthaltenes unter
hohem Druck stehendes Gas unter der Wirkung eines Temperaturgradienten
in dem Körper zirkulieren kann. Der Wärmekupplung
wird die im Kälteapparat erzeugte Kälte über ein unter hohem
Druck stehendes Gas als Träger zugeführt. Das Gas tritt in den
Körper der Wärmekupplung ein und nach Erwärmung wieder aus diesem
aus. In dem Körper strömt das Gas durch einen Röhrenwärmetauscher.
Gleichzeitig wird weiteres unter hohem Druck stehendes
Fluid (gasförmig) dem Körper zugeführt. Der Boden des
Körpers ist mit dem das Kältemittel enthaltenden Teil verbunden
und im Betrieb des Kryostaten steigt im Bereich des Bodens des
Körpers erwärmtes Gas nach oben, und das weiter oben befindliche
kältere Gas strömt nach unten, wodurch eine Zirkulation erhalten
wird. Wird nun der Kälteapparat zwecks Wartung oder dergleichen
abgeschaltet, so endet die Zirkulation in dem Körper
der Wärmekupplung und das in ihm befindliche Gas wird geschichtet,
wobei das kältere Gas sich in den oberen Schichten befindet.
Hierdurch wird in gewisser Weise eine Sperre gebildet,
durch die verhindert wird, daß die nach dem Abschalten sich erhöhende
Temperatur des Kälteapparates auf den das Kältemittel
enthaltenden Teil übertragen wird.
Es ist weiterhin ein Kryostat bekannt (US-PS 42 23 540), bei
welchem ebenfalls verhindert werden soll, daß nach dem Abschalten
des Kälteapparates die sich dann erhöhende Temperatur des
Kälteapparates auf den das Kältemittel enthaltenden Teil übertragen
wird. Hierfür wird mittels des nach dem Abschalten des
Kälteapparates teilweise verdampfenden flüssigen Kältemittels
eine Sperre zwischen den Kälteapparat und dem das Kältemittel
enthaltenden Teil gebildet.
Es ist schließlich ein Kryostat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
bekannt (DE-OS 33 04 375), bei welchem das erste
Element der Wärmekupplung aus einem Kühlarm besteht, der
sich vom Kälteapparat erstreckt und in und außer Eingriff mit
einem dem das Kältemittel enthaltenden Teil zugeordneten Zwischenschild
gebracht werden kann, wobei bei Berührung zwischen
dem Kühlarm und dem Zwischenschild Wärmeübergang zwischen diesen
beiden Elementen hergestellt ist und dann, wenn die Berührung
zwischen den Elementen unterbrochen ist, auch der Wärmeübergang
zwischen ihnen unterbrochen ist. Nachteilig ist es bei
dem bekannten Kryostat, daß durch die erforderliche Antriebsvorrichtung
zum Bewegen des Kühlarmes die Gesamtausführung komplexer
und schwerer wird.
Außerdem wird bei der Betätigung der Antriebsvorrichtung für
den Kühlarm Wärme erzeugt, die auf den Kühlarm übertragen wird,
wodurch dessen Wärmeleitfähigkeit verringert wird.
Weiterhin müssen, um Wärme durch direkte Berührung zwischen dem
Kühlarm und dem Zwischenschild zu leiten, die sich im evakuierten
Raum befinden, der Kühlarm und der Zwischenschild sich in
einer Berührung miteinander befinden, die so fest bzw. dicht
wie möglich ist. Daher müssen der das Kühlarmende aufnehmende
Rind des Zwischenschildes und das entsprechende Ende des Kühlarmes
genau bearbeitet sein, und der Kühlarm muß mit großer
Kraft in den Ring gepreßt werden. Wenn die Bearbeitung qualitativ
verbessert wird, ergeben sich natürlicherweise höhere Herstellungskosten,
und außerdem ist die Wärmeerzeugung beim Antrieb
des Kühlarmes um so größer, je höher die Kraft zum Einpressen
des Kühlarmes in den Ring ist, wodurch, wie oben bereits
festgestellt, die Wärmeleitfähigkeit des Kühlarmes verringert
wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kryostaten gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 derart auszuführen, daß das Herstellen
und Unterbrechen des Wärmeüberganges zwischen den beiden
Elementen der Wärmekupplung mit einfacheren Mitteln erzielt
wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teiles des Patentanspruchs 1.
Bei einem Kryostaten gemäß der Erfindung fließt das wärmeleitende
Strömungsmittel in kleine bzw. schmale Spalte zwischen
Wärmeübertragungsgliedern der beiden Elemente, wodurch die Wärmeleitung
durch Wärmediffusion zwischen zusammenwirkenden Wärmeübertragungsgliedern
der beiden Elemente so verbessert ist,
daß ausgezeichnete Wärmeleitung erzielt wird. Die Wärmeübertragung
erfolgt im wesentlichen durch Wärmeleitung der Wärmediffusion.
Daher ist es nicht erforderlich, ein wärmeleitendes Strömungsmittel
unter hohem Druck zu verwenden, um die gewünschte
Wärmeleitung hervorzurufen. Vielmehr kann ein wärmeleitendes
Strömungsmittel unter einem Druck verwendet werden, der im wesentlichen
gleich dem Atmosphärendruck ist. Somit braucht bei
der Konstruktion praktisch keine Rücksicht auf Druckfestigkeit
genommen zu werden, was als Folge zu einem geringeren Gewicht
des Kryostaten bzw. der Wärmekupplung führt.
Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß kein Konstruktionsteil
erforderlich ist, um die thermische Kopplung hervorzurufen
bzw. aufzuheben. Dementsprechend ist die Wärmeübertragung in
der Wärmekupplung auch nicht durch Wärme beeinflußt, die durch
Betätigung des beweglichen Konstruktionsteiles hervorgerufen
wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung mit verschiedenen Abwandlungen anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine
Kältemaschine für einen supraleitenden
Magneten,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt zur Darstellung
eines Beispiels für die bei der
Kältemaschine gemäß Fig. 1 verwendete Wärmekupplung,
Fig. 3 und 4 Aufsichten zur schematischen Darstellung
von Abwandlungen der Wärmeübergangsplatten
bei der wärmeleitenden Kupplung gemäß Fig. 2,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Beispiels
für eine Zufuhreinrichtung für das
wärmeleitende Medium bei der wärmeleitenden
Kupplung und
Fig. 6 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung
der Kältemaschine nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Kältemaschine (Kryostat)
weist als zu kühlendes
Objekt einen supraleitenden Magneten 10 auf, der
in in einem Kältemittelgefäß (im folgenden einfach als
Gefäß bezeichnet) 12 enthaltendes flüssiges Helium 14
eingetaucht ist. Das Gefäß 12 befindet sich in einem
evakuierten Gehäuse 16. Zwischen dem Gehäuse 16 und
dem Gefäß 12 sind zwei Abstrahlabschirmungen (im folgenden
einfach als Abschirmungen bezeichnet) 18 und
20 so angeordnet, daß sie das Gefäß 12 doppelt umschließen.
Die beiden Abschirmungen 18 und 20 sind
dabei über entsprechende wärmeleitende Kupplungen 22
und 24 mit einem Kälteapparat 26 verbunden.
Die Wärmekupplungen 22 und 24 besitzen
jeweils denselben Aufbau.
Fig. 2 veranschaulicht im vergrößertem Maßstab die
Wärmekupplung
22. Diese umfaßt gemäß Fig. 2 Elemente in Form einer ersten und einer
zweiten Endplatte 28 bzw. 30. Die erste Endplatte 28
besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ist mit dem
Kälteapparat 26 verbunden, während die ebenfalls eine
hohe Wärmeleitfähigkeit besitzende zweite Endplatte
30 mit der Abschirmung 18 verbunden ist. Die beiden
Endplatten 28 und 30 stehen einander (flächig) gegenüber.
Mehrere zylindrische Wärmeübertragungs- bzw. Wärmeübergangsglieder 32A-
32D jeweils verschiedener Durchmesser sind an der der
zweiten Endplatte 30 zugewandten Fläche der ersten
Endplatte 28 durch Löten oder mittels an sich bekannter
Befestigungsmittel zufriedenstellender Wärmeleitfähigkeit
koaxial befestigt. Weiterhin sind mehrere
zylindrische Wärmeübergangsglieder 34A-34D jeweils
unterschiedlicher Durchmesser an der der ersten Endplatte
28 zugewandten Fläche der zweiten Endplatte
30 auf dieselbe Weise (wie für die Wärmeübergangsglieder
32A-32D beschrieben) koaxial befestigt. Die
zylindrischen Wärmeübergangsglieder 32A-32D und
34A-34D bestehen jeweils aus einem guten Wärmeleiter,
während das im Zentrum angeordnete Wärmeübergangsglied
34D tatsächlich eine massive Stange oder
ein Stab ist. Die Wärmeübergangsglieder 32A-32D
an der ersten Endplatte 28 und die entsprechenden
Glieder 34A-34D an der zweiten Endplatte 30 sind
koaxial zueinander und einander abwechselnd so angeordnet,
daß sie zwischen sich jeweils einen kleinen
radialen Abstand festlegen. Bei der beschriebenen
Ausführungsform beträgt dieser kleine Abstand etwa
0,5 mm, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Ein zwischen der ersten und zweiten Endplatte 28 bzw.
30 festgelegter Raum, in dem die Wärmeübergangsglieder
32A-32D und 34A-34D angeordnet sind, ist mittels
eines Balgens 36, dessen beide Enden mit erster und
zweiter Endplatte 28 bzw. 30 verbunden sind, luftdicht
abgedichtet. In den genannten Raum führt eine
Ansaug/Absaug-Leitung 38 hinein, die über ein Umschaltventil
mit einer Vakuumerzeugungseinheit zum
Evakuieren des Raums und einer Wärmeleitmedium-Zufuhreinheit
zum Zuführen von gasförmigem Helium als wärmeleitendes
Medium in Form eines Strömungsmittels verbunden
ist. Zylindrische Tragelemente 40 und 42 aus
glasfaserverstärktem Kunststoff sind an ihren beiden
Enden koaxial zueinander an erster und zweiter Endplatte
28 bzw. 30 angebracht. Der Balgen 36 und die
Wärmeübergangsglieder 32A-32D sowie 34A-34D sind
innerhalb der durch die zylindrischen Tragelemente
40 und 42 gebildeten doppelten Tragwand angeordnet.
Die Tragelemente 40 und 42 halten eine feste axiale
Lagenbeziehung zwischen den beiden Endplatten 28 und
30 und somit eine feste axiale Lagenbeziehung zwischen
erster und zweiter Gruppe der zylindrischen Wärme-
Übergangsglieder 32A-32D sowie 34A-34D aufrecht,
während sie gleichzeitig auch für eine Wärmeisolierung
zwischen den beiden Baugruppen sorgen. Außerdem dienen
sie zur Aufrechterhaltung eines konstanten radialen
Spalts oder Zwischenraums zwischen den jeweils benachbarten
ersten und zweiten Wärmeübergangsgliedern
32A-32D und 34A-34D.
Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung
kann die Wärmekupplung 22 (oder 24) aktiviert
und deaktiviert werden, indem der vom Balgen 36 umschlossene
Raum mit gasförmigem Helium als wärmeleitendes
Medium gefüllt und evakuiert wird.
Genauer gesagt: durch Einführung von gasförmigem
Helium in den Raum kann ein Wärmeübergang mittels des
gasförmigen Heliums zwischen den beiden Gruppen der
Wärmeübergangsglieder 32A-32D und 34A-34D erzielt
werden. Hierdurch wird die Kupplung 22
(oder 24) aktiviert. Wenn der Raum evakuiert wird,
wird ein nur geringer, auf Abstrahlung beruhender
Wärmeübergang zwischen den Gruppen der Wärmeübergangsglieder
32A-32D und 34A-34D erreicht. In diesem
Fall ist die Kupplung 22 (oder 24) deaktiviert.
Wenn die Kupplungen 22 und 24 im Normalbetrieb
der Kältemaschinen aktiviert bleiben, können
die Abschirmungen 18 und 20 durch den Kälteapparat
26 ausreichend gekühlt werden. Wenn aus irgend einem
Grund, beispielsweise zum Schmelzen einer gefrorenen
Verunreinigung, die sich in einer Arbeitsmediumstrecke
des Kälteapparats 26 gebildet hat, die Temperatur des
Kälteapparats 26 erhöht werden muß, werden die
Kupplungen 22 und 24 deaktiviert. In diesem
Fall ergibt sich eine Wärmeisolation zwischen Kälteapparat
26 und Abschirmungen 18 und 20. Aus diesem
Grund erfahren die Abschirmungen 18 und 20 bei Instandsetzung,
Wartung oder Inspektion des Kälteapparats
26 keine Temperaturerhöhung. Die Temperatur des supraleitenden
Magneten 10 erhöht sich dabei gleichfalls
nicht.
Die Wärmeübergangsglieder 32A-
32D und 34A-34D der Ausführungsform nach Fig. 2 sind
nicht auf die zylindrische Form beschränkt. Vielmehr
können sie beliebige andere Formen besitzen, sofern
sie nur im Raum zwischen erster und zweiter Endplatte
28 bzw. 30 ausreichend große, einander gegenüberstehende
Flächen festlegen.
Fig. 3 veranschaulicht eine Abwandlung, bei welcher
Wärmeübergangsglieder 32A-32H und 34A-34G aus
einem hoch wärmeleitenden Werkstoff die Form flacher
Platten besitzen und an den betreffenden ersten und
zweiten Endplatten 28 bzw. 30 so befestigt sind, daß
sie einander abwechselnd mit einem geringen Abstand
dazwischen parallel zueinander angeordnet sind.
Bei der in Fig. 4 dargestellten weiteren Abwandlung
sind die Wärmeübergangsglieder der einen Gruppe (z. B.
32A-32H) radial verlaufend angeordnet, während die
Wärmeübergangsglieder der anderen Gruppe (z. B. 34A-
34H) sich mit dem Wärmeübergangsgliedern der ersten
Gruppe abwechselnd und mit einem kleinen Abstand davon
angeordnet sind.
Das wärmeleitende Medium ist nicht
auf Helium beschränkt, vielmehr kann je nach den an
die Wärmekupplung gestellten Anforderungen
auch Stickstoff, Argon, Neon oder Wasserstoff
verwendet werden. Außerdem kann das wärmeleitende
Medium im Betrieb in einem beliebigen Zustand vorliegen,
sofern es nur fließfähig ist; beispielsweise
kann es in Gasform, in flüssiger Form, in einer Gas-
Flüssigkeit-Doppelphase, einer Gas-Feststoff-Doppelphase,
einer Flüssigkeit-Feststoff-Doppelphase, einer
Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Dreifachphase oder einem
Druckzustand,
in welchem keine deutliche Phasendifferenz
oder -trennung besteht, vorliegen. Gleichermaßen kann
auch ein wärmeleitendes Medium verwendet werden, das
bei normaler Betriebstemperatur (d. h. im Normalbetrieb
des Kälteapparats 26) fest ist und fließfähig wird,
wenn die Temperatur geringfügig abfällt bzw. ansteigt
(d. h. bei Beendigung des Betriebs des Kälteapparats 26).
Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für die Wärmeleitmedium-
Zufuhreinheit, wobei den Teilen von Fig. 1
entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie
vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen
beschrieben sind. Wenn flüssiges Helium 14 zum Kühlen
des supraleitenden Magneten 10 im Kältemittelgefäß 12
verdampft, wird es über ein Sammelrohr 100, eine
Leitung 102 und ein Ventil zur Außenluft entlassen.
Eine von der Leitung 102 abzweigende Zweigleitung
106 liefert dieses gasförmige Helium, das als
wärmeleitendes Medium dient, über ein Ventil 108,
eine Leitung 110 und ein Ventil 112 zu den
Wärmekupplungen 22 und 24.
Aufgrund dieser Anordnung ist keine getrennte Zufuhreinheit
erforderlich, so daß die Wärmekupplungen
22 und 24 und mithin die Kältemaschine kompakt
ausgebildet sein können. Die Kupplungen
24 und 22 sind außerdem über eine Leitung 116, in
welche Ventile 112 und 114 eingeschaltet sind, mit
der Vakuumerzeugungseinheit verbunden.
Wie in Fig. 6 dargestellt, ist es
weiterhin möglich, das Kältemittelgefäß 12 mit dem
Kälteapparat 26 thermisch über eine
Wärmekupplung 120 zu verbinden, welche denselben Aufbau
besitzt wie die Kupplungen 22 und 24 für die Abstrahlabschirmungen
18 bzw. 20. In diesem Fall kann eine
der Kupplungen 22 und 24 für die Abschirmungen
18 bzw. 20 weggelassen werden. Die
Kältemaschine kann nicht nur für das
Kühlen eines supraleitenden Magneten, sondern auch
eines anderen Bauteils eingesetzt werden, der auf
eine kryogene Temperatur gekühlt werden muß.
Claims (5)
1. Kryostat zum Kühlen eines Objektes (10) durch ein Kältemittel
(14), umfassend
einen das Kältemittel enthaltenden Teil (12), wobei das Objekt in das Kältemittel eingetaucht ist,
ein den das Kältemittel enthaltenden Teil umschließendes Vakuumgehäuse (16),
einen Kälteapparat (26) zum Kühlen des das Kältemittel enthaltenden Teiles, und
eine Wärmekupplung, die zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil in einem evakuierten Raum angeordnet ist, um den Wärmeübergang zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil herzustellen und zu unterbrechen, wobei
die Wärmekupplung ein erstes Element (28), welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem Kälteapparat verbunden ist, und ein zweites Element (30) aufweist, welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem das Kältemittel enthaltenden Teil verbunden und mit dem ersten Element thermisch koppelbar und entkoppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elementen (28 bzw. 30) ein geschlossener Raum gebildet ist und die beiden Elemente jeweils eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsgliedern (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H; 34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) aufweisen, die in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H) des ersten Elementes und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) des zweiten Elementes ineinandergreifend mit einem kleinen Spalt zwischen ihnen angeordnet sind, so daß sie einander zugewandt sind, und daß das thermische Koppeln und Entkoppeln der beiden Elemente (28 bis 30) durch Zuführen eines wärmeleitenden Strömungsmittels in den geschlossenen Raum bzw. durch Abführen des wärmeleitenden Strömungsmittels aus dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.
einen das Kältemittel enthaltenden Teil (12), wobei das Objekt in das Kältemittel eingetaucht ist,
ein den das Kältemittel enthaltenden Teil umschließendes Vakuumgehäuse (16),
einen Kälteapparat (26) zum Kühlen des das Kältemittel enthaltenden Teiles, und
eine Wärmekupplung, die zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil in einem evakuierten Raum angeordnet ist, um den Wärmeübergang zwischen dem Kälteapparat und dem das Kältemittel enthaltenden Teil herzustellen und zu unterbrechen, wobei
die Wärmekupplung ein erstes Element (28), welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem Kälteapparat verbunden ist, und ein zweites Element (30) aufweist, welches hohe Wärmeleitfähigkeit hat und mit dem das Kältemittel enthaltenden Teil verbunden und mit dem ersten Element thermisch koppelbar und entkoppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elementen (28 bzw. 30) ein geschlossener Raum gebildet ist und die beiden Elemente jeweils eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsgliedern (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H; 34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) aufweisen, die in dem geschlossenen Raum angeordnet sind, die Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32D bzw. 32A bis 32H) des ersten Elementes und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34D bzw. 34A bis 34G bzw. 34A bis 34H) des zweiten Elementes ineinandergreifend mit einem kleinen Spalt zwischen ihnen angeordnet sind, so daß sie einander zugewandt sind, und daß das thermische Koppeln und Entkoppeln der beiden Elemente (28 bis 30) durch Zuführen eines wärmeleitenden Strömungsmittels in den geschlossenen Raum bzw. durch Abführen des wärmeleitenden Strömungsmittels aus dem geschlossenen Raum hervorgerufen wird.
2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
wärmeleitende Strömungsmittel dieselbe Substanz wie das
Kältemittel in dem das Kältemittel enthaltenden Teil (12)
ist und daß das wärmeleitende Strömungsmittel und das Kältemittel
von einem gemeinsamen Kältemittelzufuhrsystem zugeführt
werden.
3. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32D) des ersten Elementes
(28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34D) des
zweiten Elementes (30) jeweils eine Mehrzahl von zylindrischen
Gliedern aufweisen, die unterschiedliche Durchmesser
haben und konzentrisch angeordnet sind.
4. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32H) des ersten Elementes
(28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34G) des
zweiten Elementes (30) jeweils eine Anzahl von parallel
zueinander angeordneten Platten aufweisen, und daß die
Platten des ersten Elementes und die Platten des zweiten
Elementes einander abwechselnd so angeordnet sind, daß benachbarte
Platten sich mit einem kleinen Abstand gegenüberstehen.
5. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmeübertragungsglieder (32A bis 32H) des ersten Elementes
(28) und die Wärmeübertragungsglieder (34A bis 34H) des
zweiten Elementes (30) jeweils eine Anzahl radial angeordneter
flacher Platten aufweisen, und daß die radial angeordneten
Platten des ersten Elementes und des zweiten Elementes
einander abwechselnd derart angeordnet sind, daß benachbarte
Platten sich mit einem kleinen Abstand gegenüberstehen.
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