DE4129522A1 - Kaelte-regler - Google Patents

Kaelte-regler

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kälte-Regler (Cryostat), wie er z. B. zur Kühlung eines supraleitenden Magneten in einem magnetischen Kernresonanz-Darstellungsapparat verwendet wird und die Erfindung betrifft im einzelnen einen solchen Kälteregler, der mit einer Kühlvorrichtung zum Wiederkondensieren der Cryogen-Mischung, zum Beispiel von Helium-Gas, verwendet wird.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen bekannten Kälteregler darstellt. Flüssige cryogene Mischung, wie z. B. flüssiges Helium 1, also ein verflüssigtes Gas, ist in einem Behälter 2 für die cryogene Mischung enthalten, die darüber hinaus einen supraleitenden Magneten einschl. einer supraleitenden Spule 10 enthält, die im Inneren des Cryogen-Behälters 2 aufgewickelt ist. Im Behälter 2 befindet sich ferner ein Helium-Gas 3, das durch die Verdampfung des flüssigen Heliums enstanden ist und das sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet. Um den Cryogen-Behälter 2 herum ist ein Wärmeschutz (Strahlungsschutz) 4 vorgesehen. Der Wärmeschutz 4 ist von einem Vakuumbehälter 5 umgeben, in dessen Innerem ein Vakuumzustand aufrechterhalten wird. Zur Kühlung des Wärmeschutzes 4 und zum Rückkondensieren des Helium-Gases 3 in dem Cryogen-Behälter 2 ist ein Kühlsystem 6 vorgesehen. Das Kühlsystem 6 umfaßt eine Kühleinheit 7 und eine Kompressoreinheit 8. Die Kühleinheit 7 hat einen Hauptblock 7a, der außerhalb des Vakuumbehälters 5 liegt, ferner einen länglichen, zum Beispiel zylindrischen Teil 7b, der sich durch die Wände des Vakuumbehälters 5 und des Wärmeschutzes 4 hindurch bis ins Innere des Wärmeschutzes 4 erstreckt sowie einen ersten und einen zweiten Kühlabschnitt 7c und 7d, die nahe an den Wanden des Wärmeschutzes 4 und des Cryogen-Behälters 2 angeordnet und mit diesen Wänden thermisch verbunden sind, so daß sie auf diese Weise den Wärmeschutz 4 und den Cryogenbehälter 2 kühlen.
Als nächstes wird nun die Wirkungsweise des bekannten Kältereglers beschrieben. Das flüssige Helium 1 kühlt den supraleitenden Magneten. Der Wärmeschutz 4 vermindert das Eindringen von Wärme von außen nach innen in den Cryogenbehälter 2. Der um den Wärmeschutz 4 herum angeordnete Vakuumbehälter 5 ermöglicht ferner eine Vakuum-Wärmeisolierung. Trotzdem dringt jedoch noch Wärme von außen nach innen ein und das flüssige Helium verdampft aus diesem Grunde und wird zu Heliumgas 3. Das Kühlsystem 6 kondensiert das Heliumgas wiederum, um auf diese Weise die Verminderung der Menge des flüssigen Heliums 1 in Grenzen zu halten.
Bei dem bekannten Kälteregler, wie er oben beschrieben worden ist, besteht jedoch ein Problem insofern, als dann, wenn die Kühlung durch die Kühleinheit sehr hoch ist und die Kondensation des verdampften Gases schnell fortschreitet, das Innere des Behälters, der das flüssige Gas enthält, einen negativen Druck aufweisen kann, so daß Luft durch das Rohr, das sich zur Umwelt hinaus erstreckt, in das Innere des Behälters eingezogen werden kann. Aufgrund einer Veränderung des Innendruckes kann der Behälter 2 deformiert werden und die supraleitende Spule 10, die an der Innenseite des Cryogenbehälters 2 aufgewickelt ist, kann verformt werden, so daß die magnetische Feldstärke und die Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes in Frage gestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die obigen Probleme zu beseitigen; ihr liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen Kälteregler anzugeben, bei dem der Innendruck in dem Behälter, der das verflüssigte Gas enthält, auf einem konstanten, positiven Wert gehalten werden kann.
Der Kälteregler nach der Erfindung umfaßt einen Drucksensor zum Messen des Druckes im Behälter sowie einen Wärmeerzeuger zum Erwärmen des Behälter-Inneren, wobei die Wirkung des Wärmeerzeugers durch ein Signal vom Drucksensor gesteuert wird.
Bei einer alternativen Anordnung ist der Wärmeerzeuger nicht vorhanden und die Wirkungsweise der Kühleinrichtung wird durch ein Signal vom Drucksensor gesteuert.
Wenn bei einem Kälteregler nach der Erfindung der Gasdruck innerhalb des Behälters absinkt, dann wird die Heizvorrichtung betätigt oder die Kühleinrichtung angehalten oder verlangsamt, so daß die Temperatur im Inneren des Behälters ansteigen kann, um den Innendruck auf einem positiven, konstanten Wert zu halten.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beispielsweise beschrieben; dabei werden weitere Merkmale, Einzelheiten und Eigenschaften hervortreten. Es zeigen:
Fig. 1 ist eine Querschnittansicht eines bekannten Kältereglers;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Kältereglers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 bis 7 sind Querschnittansichten von anderen Ausführungsformen des Kältereglers nach der Erfindung.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. 2 beschrieben, die den prinzipiellen Aufbau dieser Ausführungsform zeigt. In der Figur sind Teile, die mit Teilen in Fig. 1 identisch sind oder ihnen entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre Beschreibung kann daher unterbleiben.
Der Kälteregler nach dieser Ausführungsform ist zusätzlich mit einem Drucksensor 11 versehen, mit dessen Hilfe der Druck im Inneren des Cryogen-Behälters 2 gemessen werden kann. Ein Ausgangssignal des Drucksensors 11 wird in die Drucksteuerung 13 eingeleitet, die dafür zuständig ist, daß der Druck auf einem gleichen, positiven Wert gehalten wird. Die Drucksteuerung 13 bei dieser Ausführungsform steuert entsprechend dem gemessenen Druck die Energiezufuhr zu elektrischen Wärmeerzeugern 12, die in der ersten und zweiten Stufe der Kühlabschnitte 7c und 7d angebracht sind.
Im einzelnen vergleicht die Drucksteuerung 13 den gemessenen Druck mit einem Bezugswert. Der Bezugswert kann im wesentlichen gleich oder leicht oberhalb des atmosphärischen Druckes eingestellt werden. Der "atmosphärische Druck" kann entweder ein Fest-Wert sein, der einem durchschnittlichen atmosphärischen Druckwert gleich ist oder ein gemessener Wert, der sich mit der Zeit verändert.
Wenn der gemessene Druck unter den Bezugswert absinkt, dann schaltet die Drucksteuerung die Energiezufuhr zu den Wärmeerzeugern 12 ein. Wenn der gemessene Druck über den Bezugswert ansteigt, dann hält die Drucksteuerung 13 die Energiezufuhr zu den Wärmeerzeugern 12 an. Auf diese Weise hält die Drucksteuerung 13 den Druck im Cryogenbehälter 2 auf dem Bezugswert.
Wenn der Druck im Inneren des Cryogenbehälters 2 während des Betriebes unter den Bezugswert fällt oder negativ wird, wird dies durch den Drucksensor 11 gemessen und die Wärmeerzeuger 12 werden angeschaltet und die gesamte Kühlleistung des Kältereglers wird vermindert, so daß sich die Temperatur im Cryogenbehälter 2 und im Wärmeschutz 4 erhöht. Dies führt dazu, daß die Verdampfung des flüssigen Heliums 1 gefördert wird und daß der Druck innerhalb des Cryogenbehälters 2 ansteigt. Wenn der Druck über den Bezugswert ansteigt und positiv wird, werden die Wärmeerzeuger 12 abgeschaltet und die Gesamtkühlleistung des Kältereglers nimmt wieder den ursprünglichen Wert an, so daß die Verdampfung des flüssigen Heliums 1 in Grenzen gehalten wird. Selbst wenn durch das Kühlsystem 6 eine hohe Kühlleistung erbracht wird, wird auf diese Weise der Druck des Heliumgases 3 auf einen im wesentlichen gleichmäßigen, positiven Wert gehalten.
Die Fig. 3 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung. Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 2 insofern, als nur ein einziger Wärmeerzeuger 22 innerhalb des Cryogenbehälters 2 angeordnet ist. Wenn der Wärmeerzeuger 22 angeschaltet wird, erwärmt er das Innere des Cryogenbehälters 2, um die Verdampfung des flüssigen Heliums 1 zu fördern.
Die An- und Abschaltung des Wärmeerzeugers 22 geschieht in derselben Weise wie die An- und Abschaltung der Wärmeerzeuger 12 bei der Ausführungsform nach Fig. 2.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind keine Wärmeerzeuger vorgesehen und der Betrieb der Kompressoreinheit 8 wird durch die Drucksteuerung 13 gesteuert. Wenn der Druck des Heliumgases 3 negativ wird, wird dies durch den Drucksensor 11 gemessen und die Drucksteuerung 13 schaltet die Wirkung der Kompressoreinheit 8 ab oder hält sie an. Dies führt dazu, daß die Temperatur des Cryogenbehälters 2 und des Wärmeschutzes 4 ansteigt, wobei das flüssige Helium 1 verdampft. Wenn der Druck des Heliumgases 3 auf einen positiven Wert zurückkehrt, wird die Kompressoreinheit 8 angeschaltet oder wieder in Betrieb gesetzt.
Anstelle dessen, daß die Wirkung der Kühleinheit 7 gesteuert wird, kann auch die Wirkung der Kompressoreinheit 8 so gesteuert werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.
Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung, die einen Kälteregler nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der Kälteregler nach dieser Ausführungsform ist mit einem Wechselrichter 14 versehen, der in der Lage ist, eine elektrische Energie veränderbarer Frequenz bereitszustellen und der dadurch in der Lage ist, die Kompressoreinheit 8 mit unterschiedlicher Drehgeschwindigkeit anzutreiben, so daß die Kühlleistung des Kühlsystems 6 verändert werden kann. Die Wirkung des Wechselrichters 14 wird dabei durch die Drucksteuerung 13 gesteuert.
Wenn der Druck des Heliumgases 3 negativ wird, steuert die Drucksteuerung 13 den Wechselrichter 14 so, daß die Drehgeschwindigkeit der Kompressoreinheit 8 herabgemindert wird, um auf diese Weise die Leistung des Kühlsystems 6 zu vermindern, wodurch die Temperatur des Cryogenbehälters 2 und des Wärmeschutzes 4 erhöht wird. Wenn das flüssige Helium 1 verdampft und der Druck des Heliumgases 3 positiv wird, dann wird die Drehgeschwindigkeit der Kompressoreinheit 8 erhöht, z. B. auf den ursprünglichen Wert.
Bei dieser Ausführungsform wird der Wechselrichter 14 dazu verwendet, um die Drehgeschwindigkeit der Kompressoreinheit 8 zu verändern. Wie dies in Fig. 7 dargestellt wird, kann der Wechselrichter auch dazu verwendet werden, die Drehgeschwindigkeit der Kühleinheit 7 zu verändern.
Bei der obigen Ausführungsform wird flüssiges Helium als flüssige Cryogen-Mischung verwendet. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt, sondern es könnte zum Beispiel auch flüssiger Stickstoff verwendet werden.
Wie dies oben beschrieben worden ist, wird nach der Erfindung die Wirkung des Wärmeerzeugers oder der Kühleinrichtung über einen Drucksensor gesteuert, der den Gasdruck innerhalb des Behälters mißt, der ein flüssiges Gas enthält. Wenn der Druck des Gases aufgrund einer sehr starken Kühlung durch die Kühleinrichtung absinkt, wird der Wärmeerzeuger angeschaltet oder die Kühleinrichtung abgeschaltet oder verlangsamt, so daß der Druck des Gases wieder ansteigt und der Druck innerhalb des Behälters auf einem im wesentlichen gleichen, positiven Wert gehalten wird. Dies führt dazu, daß eine Verformung des Cryogen-Behälters aufgrund von Druckschwankungen vermieden wird und daß eine Verformung der supraleitenden Spule, die im Cryogenbehälter aufgewickelt ist, vermieden wird, so daß die magnetische Feldstärke und das magnetische Feld auf einem gleichförmigen Wert gehalten werden können.

Claims (14)

1. Kälteregler mit einem Cryogen-Behälter (2) für flüssiges Cryogen und einem Kühlsystem (6) zum Rückkondensieren eines Cryogengases, das aus der Verdampfung des flüssigen Cryogens stammt, gekennzeichnet durch einen Drucksensor (11) zum Messen des Druckes im Inneren des Cryogenbehälters (2) und durch Drucksteuerungsmittel (12, 13; 13, 22; 6, 13; 6, 12, 14) zum Aufrechterhalten eines konstanten, vorbestimmten Druckes im Inneren des Cryogenbehälters (2) aufgrund des gemessenen Druckes.
2. Kälteregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuermittel einen Wärmeerzeuger (12) zum Erwärmen des Inneren des Behälters (2) umfaßt, sowie eine Drucksteuerung (13), die auf ein Signal vom Drucksensor (11) hin die Energiezufuhr zum Wärmeerzeuger (12) steuert, um im Inneren des Cryogenbehälters (2) einen vorbestimmten, konstanten Druck aufrecht zu erhalten.
3. Kälteregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (12) an einem Kühlabschnitt des Kühlsystems (6) angeordnet ist.
4. Kälteregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlabschnitt einen Teil bildet, an dem das Kühlsystem mit dem Cryogenbehälter (2) thermisch verbunden ist.
5. Kälteregler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:
einen Wärmeschutz (4), der den Cryogenbehälter (2) umgibt und
einen Vakuumbehälter (5), der den Wärmeschutz (4) umgibt und eine Vakuum-Wärmeisolierung bietet, wobei der Kühlabschnitt einen Teil bildet, an dem das Kühlsystem thermisch mit dem Wärmeschutz (4) oder dem Cryogenbehälter (2) verbunden ist.
6. Kälteregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerung (13) den Wärmeerzeuger (12) dann anschaltet, wenn der gemessene Druck einen Bezugswert überschreitet.
7. Kälteregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich oder geringfügig oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt.
8. Kälteregler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der atmosphärische Druck ein festgelegter, durchschnittlicher atmosphärischer Druck oder ein gemesssener atmosphärischer Druck ist.
9. Kälteregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerungsmittel eine Drucksteuerung (13) umfassen, die ein Signal vom Drucksensor (11) aufnimmt, um die Wirkung des Kühlsystems (6) zu steuern.
10. Kälteregler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksteuermittel das Kühlsystem (6) dann abschaltet, wenn der gemessene Druck einen Bezugswert übersteigt.
11. Kälteregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert auf einen Wert eingestellt ist, der im wesentlichen gleich dem atmosphärischen Druck ist oder geringfügig darüber liegt.
12. Kälteregler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der atmosphärische Druck ein festgelegter, durchschnittlicher atmosphärischer Druck ist oder ein gemessener atmosphärischer Druck.
13. Kälteregler nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Antriebsmittel (14) zum Verändern der Leistung des Kühlsystems (6), wobei die Drucksteuerung (13) die Antriebsmittel (14) veranlaßt, die Leistung des Kühlsystems (6) dann zu vermindern, wenn der gemessene Druck angestiegen ist.
14. Kälteregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
einen Wärmeschutz (4), der den Cryogenbehälter (2) umgibt und
einen Vakuumbehälter (5), der den Wärmeschutz (4) umgibt und eine Vakuum-Wärmeisolierung darstellt.
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