DE3635007C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine in ein zu kühlendes Gefäß einsetzbare, zweifache Thermo­ kopplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind dabei auf den thermischen Kontakt zwischen axial fluchtenden Wärmeüber­ gangsstellen eines Kühlers und zugeordneten axial fluchten­ den Wärmeübergangsstellen eines von dem Kühler zu kühlenden Bauteils gerichtet.
Aus der US-PS 36 20 029 ist eine mehrstufige Thermokopp­ lung bekannt, welche eine erste und eine zweite Stufe eines zweistufigen Kühlers oder jede Stufe eines mehr­ stufigen Kühlers mit mehr als zwei Stufen mit Kühlleistung versorgt. Derartige Thermokopplungen können in Verbindung mit einem Joule-Thompson-Kühlkreis verwendet werden, um flüssiges Helium zu rekondensieren und dazwischen ge­ schaltete Strahlungsschirme eines Helium-Kryostaten zu kühlen, wie dies in der US-PS 42 23 540 veranschaulicht ist.
Dort ist ein zweistufiger Kühler mit einem 4°K-Joule- Thompson-Kühlkreis im Füllstutzen eines Helium-Kryostaten angebracht, wo er Strahlungsschirme auf 77°K und 20°K abkühlt sowie das Helium rekondensiert.
Die Kühlung ist am stärksten zwischen dem Anfang des Joule-Thompson-Kühlkreises und dem Ende der ersten Stufe. Der Kühler ist im Füllstutzen verschieblich eingepaßt, damit er für Wartungsarbeiten entfernt werden kann. Herkömmliche toleranzarme Thermokopplungen sind mit einem großen thermischen Gradienten (ΔT) behaftet, so daß ein besserer mechanischer Kontakt angestrebt wird.
Ein Gleitreibungskontakt, wie er in Verbindung mit einer Kryopumpe in der US-PS 45 14 204 gezeigt ist, stellt eine Möglichkeit dar, um Kühlleistung von dem Kühler zu einer Wärmeübergangsstelle und weiter zu den Kryoplatten zu über­ tragen.
Die US-PS 44 84 458 beschreibt einen Kühler zur Konden­ sation von Helium in einem geschlossenen Raum. Da dieser Kühler für die erfindungsgemäße Thermokopplung geeignet ist, wird auf die Beschreibung der US-PS 44 84 458 vor­ liegend Bezug genommen.
Das Problem des Zugangs zu dem in einem Dewar- oder Speichergefäß befindlichen Kühlmittel mit Hilfe flexibler Bälge im Füllstutzen, mit denen die thermische Kontraktion infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem flüssigen Helium von 4°K im Dewar-Gefäß und der Umgebungstemperatur von + 300°K kompensiert wird, ist in dem Buch "Cryogenic Systems" von R. Baron (McGraw-Hill-Verlag, New York 1966) auf Seite 448 sowie in den Aufsätzen von S.J.St. Lorant und D. L. Jassby in der Januar-Ausgabe 1979 von "IEEE Transaction on Magnetics", Bd. MAG-15, Nr. 1 beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Thermo­ kopplung der eingangs erwähnten Art den thermischen Gra­ dienten durch Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen den Wärmeübergangsstellen zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der er­ findungsgemäßen Thermokopplungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Bildung eines innigen Kontaktes zwischen den axial hintereinander angeordneten Wärmeübertragungsbereichen eines Kühlers und den dazu komplementären, axial hintereinander angeordneten Wärmeübergangsstellen eines zu kühlenden Bau­ teils wird erfindungsgemäß eine erste Wärmeübergangsstelle des zu kühlenden Bauteils an einem generell zylindrischen Stützrohrabschnitt angebracht.
Dieser Stützrohrabschnitt läßt sich derart bezüglich der Öffnung eines Gefäßes anordnen, daß sie einen ersten Wärmeübertragungsbereich des Kühlers aufnimmt. Ein zweiter generell zylindrischer, flexibler Stützrohrabschnitt kann zu dem ersten Stützrohrabschnitt axial fluchtend angeordnet und so ausgebildet werden, daß er eine zweite Wärmeübertragungsstation in Paßsitz mit dem zweiten Wärme­ übertragungsbereich des Kühlers bringt. Ein flexibler Balg dient zur Kompensation von axialen Abmessungstoleranzen und von thermischer Kontraktion bei der Anpassung des Wärmeübertragungsbereichs des Kühlers an die Wärmeübergangs­ stellen des zu kühlenden Bauteils und bei dem Ausgleich der Temperaturdifferenz.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine teilweise ge­ schnittene Vorderansicht der erfindungsgemäßen Thermo­ kopplung mit eingesetztem Kühler.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, umfaßt die erfin­ dungsgemäße Thermokopplung (10) einen ersten Stützrohrabschnitt (12), der mittels einer Tragplatte (14) am Einlaß oder Füll­ stutzen (16) eines vakuumummantelten Heliumspeichers oder Dewar-Gefäßes (19) befestigt ist, wie dies aus der US-PS 42 23 540 bekannt ist, auf deren Beschreibung aus­ drücklich Bezug genommen wird. Der Stützrohrabschnitt (12) kann aus einem dünnwandigen, starren Rohr, wie in der Zeichnung gezeigt, hergestellt sein. Alternativ hierzu kann der Stützrohrabschnitt (12) von einem flexiblen Balg gebildet sein.
In jedem Fall ist rostfreier Stahl ein bevorzugtes Her­ stellungsmaterial. Der Füllstutzen (16) ist mit Hilfe von Schraubbolzen (18) und einer in eine Nut der Tragplatte (14) eingelegten Dichtung, z.B. O-Ring 20, an der Trag­ platte (14) kühlmitteldicht befestigt.
In den Füllstutzen (16) ist mit Gleitsitz ein Kryo-Kühler (22) eingepaßt, wie nachstehend noch im einzelnen er­ läutert wird. Der Kryo-Kühler (22) kann mit dem in der US-PS 44 84 458 beschriebenen Kryo-Kühler identisch sein.
Die Thermokopplung (10) weist ferner an der Unterseite des Stützrohrabschnitts (12) eine erste Wärmeübergangsstation (30) auf, welche an dem Stützrohrabschnitt (12) befestigt ist, beispielsweise mittels Hartlötung. Die Wärmeübergangsstation (30) weist einen generell zylindrischen Querschnitt mit konischer Innen­ fläche auf und ist in seiner Form komplementär zur Form des Wärmeübertragungsbereichs (32) ausgebildet, welche an der ersten Stufe (34) des Kühlers (22) angebracht ist. Um den Stützrohrabschnitt (12) ist in engem Kontakt mit der Wärmeüber­ tragungsstation (30) ein Adapter (36) für das durch die erste Stufe (34) zu kühlende Bauteil, z.B. ein Wärmeschirm (38) des vorstehend erwähnten vakuumummantelten Speichers bzw. Dewar-Gefäßes, angebracht. Unterhalb von der Wärmeüber­ tragungsstation (30) befindet sich ein zweiter flexibler Stützrohrabschnitt (40), welcher eine zweite Wärmeübertragungsstation (42) auf axialen Abstand von der ersten Wärmeübertragungsstation (30) hält.
Der flexible Stützrohrabschnitt (40) ist vorzugsweise als metallischer Balg ausgebildet, der vorzugsweise aus einem schlechten Wärmeleiter wie rostfreiem Stahl hergestellt ist. Die zweite Wärmeübertragungsstation (42) ist ebenfalls von generell zylindrischer Form und so ausgebildet, daß ihre Innenfläche komplementär zur Außenfläche der der zweiten Stufe (46) des Kühlers (22) zugeordneten zweiten Wärmeübertragungsstation (42) ist, um Kühlleistung von der zweiten Stufe (46) des Kühlers (22) zu einem Adapter (48) zu übertragen, welcher seinerseits die Kühlleistung zu einem zu kühlenden Gegen­ stand, z. B. dem zweiten Strahlungsschirm (50) des Dewar- Gefäßes (19), überträgt. Unterhalb und in engem thermischen Kontakt mit der zweiten Wärmeübertragungsstation (42) befindet sich ein zweiter flexibler Stützrohrabschnitt (52), welcher für eine Be­ festigung an dem das flüssige Helium enthaltenden Innen­ behälter (54) des Dewar-Gefäßes (19) ausgebildet ist. Der zweite flexible Stützrohrabschnitt (52), der ebenfalls als ther­ misch schlecht leitender Metall-Balg (z.B. aus rostfreiem Stahl) ausgebildet ist, umgibt den Joule-Thompson-Kühl­ kreis (53) des Kühlers (22). Innerhalb des ersten Stützrohrabschnitts (Balg) (40) befindet sich eine nicht-metallische Hülse (60), die generell starr ist und zur Verhinderung einer Radialbewegung der Wärmeübertragungsstation (42) dient.
Der Kühler (22) umfaßt eine erste Stufe (34), welche Kühlleistung bei etwa 77°K erzeugt, eine zweite Stufe (46), welche Kühlleistung bei etwa 20°K und flüssiges Helium in der Öffnung des Joule-Thompson-Kühlkreises (56) bei 4°K erzeugt. Derartige Kühlsysteme können für magnetische Kernresonanzbauteile verwendet werden, um supra-leitende Magneten zu kühlen.
Bei einem derartigen Bauteil ist es erforderlich, den Kühler (22) regelmäßig für Wartungszwecke zu entfernen. Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist der Adapter (72) des Kühlers (22) kühlmitteldicht am Füllstutzen (16) des Dewar-Gefäßes (19) befestigt, wie oben bereits erwähnt ist. Der Kühler (22) kann dann in die Thermokopplung (10) ein­ gesetzt werden, wobei mit Hilfe einer Nut in dem Kühler­ adapter (72) und eines darin eingesetzten O-Ringes (70) eine Abdichtung erreicht wird.
Dies gewährleistet einen gasdichten Verschluß zwischen dem Kühler (22) und dem Füllstutzen (16) des Dewar-Gefäßes (19). Sobald der Kühler (22) in die Thermokopplung (10) eingesetzt ist, legt sich der zweite Wärmeübertragungsbereich (44) des Kühlers (22) an die zweite Wärmeübertragungsstation (42) an, dehnt den ersten bzw. oberen flexiblen Stützrohrabschnitt (Balg) (40) und komprimiert den zweiten bzw. unteren Stützrohrabschnitt (Balg) (52) so lange, bis zwischen dem Wärmeübertragungsbereich (32) des Kühlers (22) und der Wärmeübertragungsstation (30) der Thermokopplung (10) ein Kontakt hergestellt ist.
Dies gewährleistet einen innigen Kontakt zwischen dem Wärmeübertragungsbereich (32) des Kühlers (22) und der Wärme­ übertragungsstation (30) der Thermokopplung (10). Da die Thermokopplung (10) kühlmitteldicht mit dem Innenbehälter (54) des Dewar-Gefäßes (19) verbunden ist, wird das zwischen dem Kühler (22) und dem Kühleradapter (72) einge­ fangene Helium dichtend eingeschlossen, um als Wärmeüber­ tragungsmittel zu dienen.
Bei der erfindungsgemäßen Thermokopplung ist der thermi­ sche Gradient zwischen den Wärmeübertragungsbereichen der Kühlquelle und den zu kühlenden Wärmeübertragungsstationen faktisch Null, da aufgrund des mechanischen Kontaktes und der Wärmeleitung des Gases ein inniger thermischer Kon­ takt gegeben ist.
Sofern ein zweistufiger Kühler ohne einen Joule-Thompson- Kühlkreis verwendet wird, um Kühlleistung zwischen der ersten und zweiten Stufe des Kühlers und den zu kühlenden Bauteilen zu übertragen, ist selbstverständlich der zweite bzw. untere flexible Stützrohrabschnitt (Balg) (52) entbehrlich. Die Thermokopplung endet dann bei der zweiten Wärmeüber­ tragungsstation (42), welche mittels eines flexiblen, wärme­ leitenden Bandes an dem zweiten zu kühlenden Bauteil be­ festigt ist.
Wie vorstehend erläutert, kann bei der erfindungsgemäßen Thermokopplung der Kühler (22) problemlos aus dem Helium- Dewar-Gefäß zu Wartungszwecken entfernt werden, ohne daß ein übermäßiger Verlust an Helium auftritt, und mit der Gewähr dafür, daß bei Wiederinbetriebnahme des Kühlers Kühlleistung zwischen den einzelnen Stufen des Kühlers und den zugeordneten Bauteilen im Dewar-Gefäß wieder effektiv übertragen wird.

Claims (8)

1. In ein zu kühlendes Gefäß einsetzbare, zweifache Thermokopplung, mit einem in die Thermokopplung einsetzbaren Kühler, wobei der Kühler axial hintereinander im Abstand angeordnete, als Kühlstufen ausgebildete und zwei Kühlebenen erzeugende Wärmeübertragungsbereiche aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Thermokopplung (10) einen im wesentlichen zylindrischen, ersten und axial hinter dem ersten angeordneten zweiten Stützrohrabschnitt (12, 40) aufweist, von denen der erste Stützrohrabschnitt (12) eine erste Wärmeübertragungsstation (30) und der zweite Stützrohrabschnitt (40) eine zweite Wärmeübertragungsstation (42) haltert,
  • b) der zweite Stützrohrabschnitt (40) flexibel ausgebildet ist, derart, daß nach Einsetzen des Kühlers (22) in das Innere der beiden Stützrohrabschnitte (12, 40) die zweite Wärmeübertragungsstation (42) der Thermokopplung (10) relativ bezüglich der ersten Wärmeübertragungsstation (30) der Thermokopplung (10) mittels des Kühlers (22) verschiebbar ist, und
  • c) die unter gegenseitigem Abstand angeordneten Wärmeübertragungsstationen (30, 42) der Thermokopplung (10) jeweils den zugeordneten ersten bzw. zweiten Wärmeübertragungsbereich (32 bzw. 44) des Kühlers (22) mit Paßsitz umgeben, wobei thermische Kontakte zwischen den angrenzenden Wärmeübertragungsbereichen und -stationen gebildet sind.
2. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter, im wesentlichen zylindrischer, flexibler Stützrohrabschnitt (52) der Thermokopplung (10) axial fluchtend zu dem zweiten Stützrohrabschnitt (40) angeordnet und an der zweiten Wärmeübergangsstation (42) der Thermokopplung (10) befestigt ist, derart, daß der dritte Stützrohrabschnitt (52) einen größeren Abstand von der ersten Wärmeübergangsstation (30) der Thermokopplung (10) aufweist, als der zweite Stützrohrabschnitt (40).
3. Thermokopplung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine feste Verbindung der Thermokopplung (10) mit einem vakuumummantelten Kühlmittelbehälter.
4. Thermokopplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte, flexible Stützrohrabschnitt (52) zwischen der zweiten Wärmeübertragungsstation (42) der Thermokopplung (10) und einem Vorratsbehälter für flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist, wobei sich der Vorratsbehälter in dem Gefäß (19) befindet, an welchem die Thermokopplung (10) befestigt ist.
5. Thermokopplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (22) einen Joule- Thompson-Wärmetauscher aufweist, der sich unterhalb der zweiten Kühlstufe befindet und innerhalb des dritten Stützrohrabschnitts (52) positioniert ist, wenn der Kühler (22) in die Thermokopplung (10) eingesetzt ist.
6. Thermokopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite und dritte flexible Stützrohrabschnitte (40, 52) metallische Bälge vorgesehen sind.
7. Thermokopplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bälge aus rostfreiem Stahl hergestellt sind.
8. Thermokopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wärmeübertragungsstationen (30, 42) der Thermokopplung (10) als im wesentlichen zylindrische, gut wärmeleitende Ringe mit kegeligen Innenflächen ausgebildet sind, welche sich in Richtung entgegen dem ersten Stützrohrabschnitt (12) verjüngen und daß als erste und zweite Wärmeübertragungsbereiche (32, 44) des Kühlers (22) wärmeleitende, im wesentlichen kegelige Stopfen vorgesehen sind, welche mit den kegeligen Innenflächen der Wärmeübertragungsstationen (30, 42) der Thermokopplung (10) zusammenpassen und an dem Kühler (22) befestigt sind.
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