DE102006046688B3 - Cooling system, e.g. for super conductive magnets, gives a non-mechanical separation between the parts to be cooled and the heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit mindestens
- – einem warmen Verbindungselement, welches mit zu kühlenden Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist,
- – einem kalten Verbindungselement, welches thermisch mit einer Wärmesenke verbunden ist,
- – einem Wärmerohr aus schlecht-wärmeleitendem Material, welches an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement und an einem zweiten Ende mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist, und dessen Innenraum zumindest teilweise mit einer nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Flüssigkeit gefüllt ist.
- A hot connection element which is thermally connected to parts of a device to be cooled,
- A cold connection element which is thermally connected to a heat sink,
- - A heat pipe made of poor thermal conductivity material, which is connected at a first end to the hot connection element and at a second end to the cold connection element, and the interior of which is at least partially filled with a circulatory liquid according to a thermosiphon effect.
Eine
Kälteanlage
mit den oben genannten Merkmalen geht beispielsweise aus der
Kühlsysteme,
z.B. Kühlsysteme
für supraleitende
Magnete, verfügen
oftmals über
eine so genannte Badkühlung.
Für eine
solche Badkühlung kann
ein flüssiges
Kältemittel,
z.B. Helium, mit einer Temperatur von typischerweise 4,2 K verwendet
werden. Die
Für eine Badkühlung sind jedoch große Mengen des entsprechenden Kältemittels notwendig. Bei einem supraleitenden Magneten besteht weiterhin die Möglichkeit, dass dieser, z.B. durch Überschreiten eines für das entsprechende supraleitende Material kritischen Stromes oder eines kritischen Magnetfeldes, seine supraleitenden Eigenschaften verliert. In einem solchen Fall tritt an dem supraleitenden Material kurzfristig eine große Hitzeentwicklung auf. Die anfallende Wärme führt bei einer Badkühlung zu einem Sieden des Kältemittels innerhalb des Kryostaten. In großen Mengen anfallendes gasförmiges Kältemittel führt zu einem schnellen Anstieg des Druckes innerhalb des Kryostaten.For a bath cooling are however big Quantities of the corresponding refrigerant necessary. In a superconducting magnet continues to exist Possibility, that this, e.g. by crossing one for the corresponding superconducting material critical current or a critical magnetic field, its superconducting properties loses. In such a case, the superconducting material occurs a big one in the short term Heat development on. The resulting heat leads to a bath cooling a boiling of the refrigerant inside the cryostat. Large quantities of gaseous refrigerant leads to a rapid increase in pressure within the cryostat.
Um diesem Problem zu begegnen und gleichzeitig die Kosten für das Kältemittel zu reduzieren, werden Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad konzipiert. Solche Kühlsysteme können ohne jegliches Kältemittel auskommen. Die Kälteleistung wird in diesem Fall lediglich durch Festkörperwärmeleitung in die zu kühlenden Bereiche eingebracht. Bei einem solchen Kühlsystem können die zu kühlenden Bereiche durch einen sog. Festkörper-Kryobus aus z.B. Kupfer mit einer Kältemaschine verbunden sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die zu kühlenden Bereiche und die Kältemaschine mit einem geschlossenen Rohrleitungssystem zu verbinden, in welchem eine geringe Menge Kältemittel zirkuliert. Der Vorteil solcher Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad besteht weiterhin darin, dass diese einfacher an bewegliche zu kühlende Lasten anzupassen sind als Kühlsysteme, welche ein Kältemittelbad aufweisen. Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad sind daher insbesondere für supraleitende Magnete einer so genannten Gantry geeignet, wie sie in der Ionenstrahltherapie zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Die Kälteleistung kann in den zuvor beschriebenen Kühlsystemen typischerweise einer Kältemaschine mit einem Kaltkopf insbesondere einem Stirlingkühler zur Verfügung gestellt werden.Around to address this problem while reducing the cost of the refrigerant to reduce cooling systems designed without a refrigerant bath. Such cooling systems can without any refrigerant get along. The cooling capacity is in this case only by solid-state heat conduction in the to be cooled Areas introduced. In such a cooling system, the areas to be cooled by a so-called solid state cryobus of e.g. Copper with a chiller be connected. One more way is to cool those Areas and the chiller to connect with a closed piping system, in which a small amount of refrigerant circulated. The advantage of such cooling systems without a refrigerant bath persists in that these easier on moving loads to be cooled are to be adapted as cooling systems, which is a refrigerant bath exhibit. cooling systems without a refrigerant bath are therefore especially for superconducting magnets are suitable for a so-called gantry, as they are be used in ion beam therapy for the fight against cancer. The Cooling capacity may typically be one in the cooling systems described above Chiller with a cold head in particular a Stirling cooler provided become.
Ein
supraleitender Magnet, bei dem ein Kaltkopf mit seiner zweiten Stufe
unmittelbar mechanisch und thermisch mit der Haltestruktur einer
supraleitenden Magnetwicklung verbunden ist, geht z.B. aus der
Um ein Festfrieren von Gasen an den tiefkalten Kontaktflächen zu vermeiden, können diese auf etwa Raumtemperatur erwärmt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass die gesamten zu kühlenden Teile einer Einrichtung, z.B. die gesamten supraleitenden Wicklungen eines Magneten, auf Raumtemperatur gebracht werden müssen, bevor der Kaltkopf ausgetauscht werden kann. Insbesondere für große Systeme können eine solche Aufwärmehase und die anschließende Abkühlphase eine lange Zeit in Anspruch nehmen. Dies führt zu langen Ausfallzeiten des Systems. Die Aufwärm- und Abkühlphasen führen weiterhin zu einem großen Verbrauch an Energie.Around a freezing of gases at the cryogenic contact surfaces to can avoid These are heated to about room temperature. This leads in the Rule that the entire parts of a facility to be cooled, e.g. the entire superconducting windings of a magnet Room temperature must be brought, before the cold head can be replaced. Especially for large systems can such a warm-up hare and the subsequent one cooling phase take a long time. This leads to long downtime of the System. The warm-up and cooling phases to lead continue to be a big one Consumption of energy.
Alternativ kann das Anfrieren von Umgebungsgasen an den tiefkalten Kontaktflächen dadurch vermeiden werden, dass der Raum um diese Kontaktflächen gezielt mit Gas geflutet wird. Dies ist jedoch aufwändig und führt zu einem großen Verbrauch an Spülgas oder zu diesem Zweck verdampftem Kältemittel.Alternatively, the freezing of ambient gases at the cryogenic contact surfaces can be avoided by purposely flooding the space around these contact surfaces with gas. However, this is expensive and leads to a large consumption of purge gas or vaporized for this purpose refrigerant.
Zum
Austausch eines der beiden Kaltköpfe der
bekannten Anlage kann dieser von dem thermischen Bus mechanisch
zurückgefahren
werden, wodurch der entsprechende Kaltkopf ebenfalls thermisch von
dem thermischen Bus getrennt wird. In diesem Fall wird die Kälteleistung
lediglich durch den einen verbleibenden Kaltkopf zur Verfügung gestellt. Ein
Austausch des zurückgefahrenen
Kaltkopfes kann nun erfolgen, ohne dass der supraleitende Magnet
erwärmt
werden muss. Bei der in
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage anzugeben, bei der die zu kühlenden Teile einer Einrichtung mit einem Wärmerohr, in dem eine Flüssigkeit nach einem Thermosyphon-Effekt zirkulierbar ist, mit einer Wärmsenke verbunden sind, wobei die zu kühlenden Teilen einer Einrichtung ohne eine mechanische Trennung weitgehend thermisch von der Wärmesenke entkoppelbar sein sollen.task The present invention is to provide a refrigeration system in which the ones to be cooled Parts of a device with a heat pipe in which a liquid can be circulated after a thermosyphon effect, with a heat sink are connected, with the to be cooled Parts of a device without a mechanical separation largely thermally from the heat sink should be decoupled.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegen dabei die folgenden Überlegungen zugrunde: Der Wärmeaustausch zwischen der Wärmesenke und den zu kühlenden Teilen einer Einrichtung erfolgt im Wesentlichen durch die in dem Wärmerohr nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbare Flüssigkeit. Zur thermischen Trennung der Wärmesenke von den zu kühlenden Teilen der Einrichtung kann das Wärmerohr über eine an seinen Innenraum angeschlossene Rohrleitung abgepumpt werden. Das Wärmerohr soll gleichzeitig aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material hergestellt sein. Durch diese Maßnahmen wird die thermische Verbindung zwischen der Wärmesenke und den zu kühlenden Teilen der Einrichtung bis auf ein durch die Festkörperwärmeleitfähigkeit des Wärmerohres definiertes geringes Maß herabgesetzt. Erfindungsgemäß soll die Kälteanlage mindestens ein warmes Verbindungselement enthalten, welches mit zu kühlenden Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist, und ein kaltes Verbindungselement, welches thermisch mit einer Wärmesenke verbunden ist, enthalten. Ein Wärmerohr aus schlecht-wärmeleitendem Material soll an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement und an einem zweiten Ende mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement verbunden sein. Der Innenraum des Wärmerohrs soll zumindest teilweise mit einer nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Flüssigkeit gefüllt sein. Weiterhin soll die Kälteanlage eine Rohrleitung umfassen, die mit einem ersten Ende mit dem Innenraum des Wärmerohrs verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass zumindest Teile der Rohrleitung geodätisch höher als der Flüssigkeitsspiegel liegen. Zur thermischen Trennung der Verbindungselemente soll erfindungsgemäß die Flüssigkeit über die Rohrleitung aus dem Wärmerohr abpumpbar sein.This object is achieved with the measures specified in claim 1. The present The invention is based on the following considerations: The heat exchange between the heat sink and the parts of a device to be cooled takes place essentially by the liquid which can be circulated in the heat pipe according to a thermosiphon effect. For thermal separation of the heat sink from the parts to be cooled of the device, the heat pipe can be pumped off via a pipe connected to its interior. The heat pipe should be made of a poor thermal conductivity material at the same time. By these measures, the thermal connection between the heat sink and the parts to be cooled of the device is reduced to a defined by the solid state heat conductivity of the heat pipe low level. According to the invention, the refrigeration system should contain at least one hot connection element, which is thermally connected to parts of a device to be cooled, and a cold connection element, which is thermally connected to a heat sink containing. A heat pipe made of poorly heat-conducting material should be connected at a first end to the hot connection element and at a second end to be mechanically detachable with the cold connection element. The interior of the heat pipe should be at least partially filled with a liquid which can be circulated according to a thermosiphon effect. Furthermore, the refrigeration system should comprise a pipeline which is connected with a first end to the interior of the heat pipe and is configured such that at least parts of the pipeline are geodetically higher than the liquid level. For the thermal separation of the connecting elements according to the invention, the liquid should be able to be pumped out of the heat pipe via the pipeline.
Die Vorteile einer Kälteanlage mit den zuvor genannten Merkmalen sind vor allem darin zu sehen, dass eine Wärmeübertragung über das Wärmerohr deutlich herabgesetzt wird, indem die Flüssigkeit aus dem Inneren des Wärmerohres abgepumpt wird. Auf diese Weise können die zu kühlenden Teile einer Einrichtung thermisch von der Wärmesenke weitgehend entkoppelt werden, ohne dass eine zweite Wärmesenke benötigt wird und ohne dass eine oder mehrere Wärmesenken mechanisch bewegt werden müssen. Wird die Wärmesenke, welche mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist, aus der Kälteanlage entfernt, kann sich das kalte Verbindungselement binnen einer kurzen Zeit soweit erwärmen, dass insbesondere Luft oder andere in der Umgebungsatmosphäre enthaltene Gase nur in geringem Maß an der Oberfläche des kalten Verbindungselements anfrieren. Eine Eisbildung an den Kontaktflächen zwischen dem kalten Verbindungselement und der Wärmesenke kann auf diese Weise größtenteils vermieden werden. Aufgrund der verminderten Eisbildung wird der thermische Kontakt beim Wiedereinsetzen der Wärmsenke deutlich besser ausfallen als in dem Fall, in dem sich deutliche Eisbildung an den Kontaktflächen zeigt. Weiterhin bleibt der kryogene Bereich, in dem sich die zu kühlenden Teile der Einrichtung befinden, bedingt durch die thermische Entkopplung vor in diesen Bereich eindringenden Wärmeströmen bewahrt. Auf diese Weise bleiben auch bei einem Austausch der Wärmesenke die zu kühlenden Teile einer Einrichtung auf der gewünschten tiefen Temperatur. Mit den zuvor genannten Maßnahmen kann eine Kälteanlage angegeben werden, welche es gestattet, auch bei einer Verwendung einer einzelnen Wärmesenke, ohne dass ein Erwärmen der zu kühlenden Teile notwendig wird, die Wärmesenke auszutauschen oder zu warten bzw. temporär zu entfernen. Die erfindungsgemäße Kälteanlage ist besonders für Einrichtungen auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik geeignet.The Advantages of a refrigeration system with the aforementioned features are mainly seen in that a heat transfer over the Heat pipe clearly is lowered by the liquid from the inside of the heat pipe is pumped out. In this way, the to be cooled Parts of a device thermally largely decoupled from the heat sink be without a second heat sink needed is moved and without one or more heat sinks mechanically Need to become. Is the heat sink, which is mechanically removable connected to the cold connection element, from the refrigeration system removed, the cold connection element can within a short Time to warm up, that in particular air or other contained in the ambient atmosphere Gases only to a small extent the surface Freeze the cold connector. Ice formation at the contact surfaces between the cold connection element and the heat sink can in this way largely be avoided. Due to the reduced ice formation is the thermal contact when reinserting the heat sink significantly better as in the case where there is significant ice formation at the contact surfaces. Furthermore, the cryogenic area remains in which the to be cooled Parts of the device are due to the thermal decoupling prevented from penetrating into this area heat flows. In this way stay with an exchange of the heat sink to be cooled Parts of a facility at the desired low temperature. With the aforementioned measures can a refrigeration system which allows it, even when used a single heat sink, without a warming the one to be cooled Parts becomes necessary, the heat sink replace or wait or temporarily remove. The refrigeration system according to the invention is especially for Devices in the field of superconductivity suitable.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die Kälteanlage nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
- – Die zu kühlenden Teile der Einrichtung können in einem evakuierbaren Kryostaten angeordnet sein und das zweite Ende der Rohrleitung kann außerhalb des Kryostaten liegen. Tiefkalte Teile einer Einrichtung können besonders vorteilhaft mittels eines evakuierbaren Kryostaten thermisch vor ihrer Umgebung isoliert werden. Eine solche thermische Isolation stellt eine besonders effektive Isolation für tiefkalte Teile einer Einrichtung dar. Insbesondere bei solchen tiefkalten Teilen einer Einrichtung ist es wünschenswert, eine Eisbildung an den Kontaktflächen des kalten Verbindungselementes zu vermeiden. Der Einsatz einer Kälteanlage gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist daher insbesondere für Vorrichtungen mit tiefkalten Teilen besonders vorteilhaft.
- – Es kann eine mehrstufige Kältemaschine mit einer ersten und einer zweiten Stufe vorhanden sein, wobei die Wärmesenke von der zweiten Stufe gebildet sein kann und die erste Stufe mechanisch lösbar mit einem innerhalb des Kryostaten angeordneten Wärmeschild verbunden sein kann. Eine mehrstufige Kältemaschine ist besonders für tiefkalt zu kühlende Teile einer Einrichtung geeignet. Besonders vorteilhaft ist es, einen Wärmeschild als eine weitere Maßnahme zur thermischen Isolation einzusetzen. Die erfindungsgemäße thermische Trennung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung von der zweiten Stufe der Kältemaschine ist besonders vorteilhaft, da insbesondere bei mechanisch komplexen Kühlsystemen der Vorteil einer thermischen Trennung ohne bewegliche Teile zum Tragen kommt.
- – Zumindest Teile der Kältemaschine können in einem von dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, evakuierbaren Wartungsraum auswechselbar angebracht sein. Mit Hilfe eines weiteren, von dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, ebenfalls evakuierbaren Wartungsraums kann der Auswechselvorgang der Kältemaschine vorgenommen werden, ohne dass das Vakuum des Kryostaten gebrochen werden muss. Der Wartungsvorgang gestaltet sich in dieser Weise besonders einfach und effektiv.
- – Die Flüssigkeit kann als ein Zweiphasengemisch vorliegen. Liegt die Flüssigkeit in dem Wärmerohr in zwei Phasen vor, so kann sich eine Zirkulation der Flüssigkeit in dem Wärmerohr einstellen, durch die gasförmige Flüssigkeit an dem kalten Ende des Wärmerohres kondensiert und flüssige Flüssigkeit an dem warmen Ende des Wärmerohres verdampft. Auf diese Weise kann die latente Wärme des Phasenübergangs zum Wärmetransport genutzt werden. Eine entsprechende Zirkulation kann sich aber auch in einer einphasigen Flüssigkeit auf Grund natürlicher, auf Dichteunterschieden basierender Konvektion einstellen.
- – Die Kälteanlage kann um eine Achse drehbar sein, welche im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse des Wärmerohres verläuft. Das Wärmerohr kann weiterhin in einem ersten Bereich, der mit dem warmen Verbindungselement verbunden ist, einen größeren Querschnitt aufweisen als in einem zweiten Bereich, der mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist. Die Teile des Wärmerohres, die den ersten und den zweiten Bereich miteinander verbinden, können derart ausgestaltet sein, dass in dem zweiten Bereich kondensiertes Kältemittel ungehindert unter dem Einfluss der Schwerkraft zu dem ersten Bereich gelangen kann. Eine Kälteanlage mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere vorteilhaft für bewegliche, in diesem Fall drehbar angeordnete zu kühlende Teile einer Einrichtung verwendet werden. Durch die spezielle Ausgestaltung des Wärmerohres wird auch bei einer Drehung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung jederzeit der thermische Kontakt zwischen der Kältemaschine und den zu kühlenden Teilen der Einrichtung gewährleistet.
- – Die Rohrleitung kann an ihren Enden nahe der Symmetrieachse des Wärmerohres mit dem Wärmerohr und der Außenseite des Kryostaten verbunden sein. Die Rohrleitung kann weiterhin in Verlaufsrichtung mindestens einen der Achse nahen Zwischenbereich aufweisen. Durch eine Ausgestaltung der Rohrleitung, wie sie zuvor beschrieben ist, kann bei einer Drehung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung verhindert werden, das Kältemittel durch die Rohrleitung bis an das warme Ende der Rohrleitung vordringt, welches außerhalb des Kryostaten befestigt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich eine Zirkulation des Kältemittels in der Rohrleitung zwischen dem innerhalb des Wärmerohres befindlichen tiefkalten Bereich und dem Ende der Rohrleitung, welches außerhalb des Kryostaten angebracht ist, stattfindet. Besonders vorteilhaft kann durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Rohrleitung Wärmeverluste durch eine wie zuvor beschriebene Zirkulation des Kältemittels unterbunden werden.
- – Der Zwischenbereich der Rohrleitung kann einen V-förmigen Verlauf in Richtung der Achse A aufweisen. Eine V-förmig gebogene Rohrleitung stellt eine besonders einfache und effektive Ausgestaltungsform der Rohrleitung dar.
- – Das Wärmerohr kann im Wesentlichen in der Form eines Kegelstumpfes ausgestaltet sein. Durch eine Ausbildung des Wärmerohres in der Form eines Kegelstumpfes kann eine besonders einfache kostengünstige und effektive Form des Wärmerohrs angegeben werden.
- – Die Kälteanlage kann ein Zusatzkühlsystem umfassen, welches zumindest die folgenden Merkmale aufweist: Einen Kältemittelraum, welcher mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist; eine Zuleitung, durch welche der Kältemit telraum von einem geodätisch höher gelegenen Ort außerhalb des Kryostaten mit einem zweiten Kältemittel befüllbar ist; ein Rohrleitungssystem, welches thermisch großflächig mit den zu kühlenden Teilen der Einrichtung verbunden ist und in welchen das zweite Kältemittel bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist; eine Abgasleitung, durch welche gasförmiges zweites Kältemittel aus dem Rohrleitungssystem entweichen kann. Durch ein Zusatzkühlsystem mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere bei großen zu kühlenden Massen eine Beschleunigung der Abkühlphase erreicht werden. Indem über die Zuleitung ein zweites Kältemittel von einem geodätisch höher gelegenen Ort außerhalb des Kryostaten in den Kältemittelraum gefüllt wird, wird zusätzliche Kühlleistung für die zu kühlenden Teile einer Einrichtung bereitgestellt. Gegebenenfalls abdampfendes zweites Kältemittel kann über die Abgasleitung aus dem Rohrleitungssystem entweichen. Auf diese Weise wird die Bildung eines Überdruckes in dem Rohrleitungssystem verhindert. Innerhalb des Rohrleitungssystems kann das zweite Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkulieren und so für eine effektive Kühlung sorgen.
- – Die Verbindungselemente können aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen. Das Wärmerohr kann aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit geringer als der von Kupfer, vorzugsweise aus Edelstahl, bestehen. Durch eine derartige Ausgestaltung der Verbindungselemente aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie z.B. Kupfer, kann eine besondere effektive thermische Ankopplung sowohl an die Wärmesenke wie auch an die zu kühlenden Teile der Einrichtung erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohres ist vor allem durch das innerhalb des Wärmerohrs zirkulierende Kältemittel bedingt. Wird das Wärmerohr selbst aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material wie z.B. Edelstahl hergestellt, so kann durch Abpumpen des Kältemittels eine besonders starke Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.
- – Die Einrichtung kann eine Gantry-Vorrichtung zur Strahlentherapie sein, und die zu kühlenden Teile können die Magnete der Gantry zur Ablenkung eines Teilchenstrahls sein. Die erfindungsgemäße Kälteanlage ist für eine Gantry besonders geeignet, da die zu kühlenden Magnete um eine Rotationsachse der Gantry gedreht werden.
- The parts of the device to be cooled can be arranged in an evacuatable cryostat and the second end of the pipeline can be outside the cryostat. Deep-frozen parts of a device can be thermally insulated from their environment particularly advantageously by means of an evacuatable cryostat. Such a thermal insulation is a particularly effective insulation for cryogenic parts of a device. Especially in such cryogenic parts of a device, it is desirable to avoid ice formation on the contact surfaces of the cold connection element. The use of a refrigeration system according to the above embodiment is therefore particularly advantageous especially for devices with cryogenic parts.
- - There may be a multi-stage refrigerator with a first and a second stage, wherein the heat sink may be formed by the second stage and the first stage may be mechanically detachably connected to a disposed within the cryostat heat shield. A multi-stage chiller is particularly suitable for cryogenic parts of a device to be cooled. It is particularly advantageous to use a heat shield as a further measure for thermal insulation. The thermal separation according to the invention of the parts to be cooled of a device from the second stage of the refrigerating machine is particularly advantageous, since the advantage of a thermal separation without moving parts comes into play particularly in mechanically complex cooling systems.
- - At least parts of the refrigerator can be separated in one of the evacuated cryostat ten, evacuable maintenance space be exchangeable attached. With the help of another, separated from the evacuated cryostat, also evacuated maintenance space of the replacement of the chiller can be made without the vacuum of the cryostat must be broken. The maintenance process is particularly simple and effective in this way.
- - The liquid can be present as a two-phase mixture. When the liquid in the heat pipe is in two phases, circulation of the liquid in the heat pipe can be established, condensing gaseous liquid at the cold end of the heat pipe, and vaporizing liquid liquid at the warm end of the heat pipe. In this way, the latent heat of the phase transition can be used for heat transport. However, a corresponding circulation can also be achieved in a single-phase liquid due to natural convection based on density differences.
- - The refrigeration system may be rotatable about an axis which is substantially parallel to an axis of symmetry of the heat pipe. The heat pipe can furthermore have a larger cross-section in a first region, which is connected to the warm connection element, than in a second region, which is connected to the cold connection element. The parts of the heat pipe connecting the first and the second area may be configured such that condensed refrigerant can freely move to the first area under the influence of gravity in the second area. A refrigeration system with the aforementioned features can be used in particular advantageous for movable, in this case rotatably arranged to be cooled parts of a device. Due to the special design of the heat pipe, the thermal contact between the chiller and the parts to be cooled of the device is ensured at any time with a rotation of the parts to be cooled of a device.
- - The pipe can be connected at their ends near the axis of symmetry of the heat pipe to the heat pipe and the outside of the cryostat. The pipeline may furthermore have at least one intermediate region near the axis in the direction of progression. By means of an embodiment of the pipeline as described above, upon rotation of the parts to be cooled, a device can be prevented which advances refrigerant through the pipeline to the warm end of the pipeline, which is fastened outside the cryostat. In this way it is avoided that a circulation of the refrigerant in the pipeline takes place between the deep-cold area located inside the heat pipe and the end of the pipe which is arranged outside the cryostat. Particularly advantageous can be prevented by a circulation of the refrigerant as described above by the above-described embodiment of the pipeline heat losses.
- The intermediate region of the pipeline can have a V-shaped course in the direction of the axis A. A V-shaped bent pipe represents a particularly simple and effective embodiment of the pipeline.
- - The heat pipe can be configured substantially in the shape of a truncated cone. By forming the heat pipe in the form of a truncated cone, a particularly simple inexpensive and effective form of the heat pipe can be specified.
- - The refrigeration system may include an additional cooling system having at least the following features: a refrigerant space which is connected to the cold connection element; a supply line through which the Kältemit telraum can be filled from a geodetically higher location outside of the cryostat with a second refrigerant; a piping system which is thermally connected over a large area with the parts to be cooled of the device and in which the second refrigerant is conditionally circulated by a thermosiphon effect; an exhaust pipe through which gaseous second refrigerant can escape from the piping system. By means of an additional cooling system with the aforementioned features, an acceleration of the cooling phase can be achieved, in particular for large masses to be cooled. By filling a second refrigerant from a geodetically elevated location outside the cryostat into the refrigerant space via the supply line, additional cooling capacity is provided for the parts of a device to be cooled. Optionally, evaporating second refrigerant can escape via the exhaust pipe from the piping system. In this way, the formation of an overpressure in the piping system is prevented. Within the piping system, the second refrigerant can circulate after a thermosiphon effect, thus providing effective cooling.
- - The connecting elements may be made of a good thermal conductivity material, preferably made of copper. The heat pipe may be made of a material having a thermal conductivity less than that of copper, preferably of stainless steel. Such a design of the connecting elements made of a good thermal conductivity material such as copper, a special effective thermal coupling can be achieved both to the heat sink as well as to the parts to be cooled of the device. The heat conductivity of the heat pipe is mainly due to the circulating within the heat pipe refrigerant. If the heat pipe itself is made of a poor thermal conductivity material such as stainless steel, so by pumping off the refrigerant, a particularly strong reduction of the thermal conductivity can be achieved.
- - The device can be a gantry device for Radiation therapy, and the parts to be cooled may be the magnets of the gantry for deflecting a particle beam. The refrigeration system according to the invention is particularly suitable for a gantry, since the magnets to be cooled are rotated about an axis of rotation of the gantry.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuternden Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage in leicht schematisierter Form angedeutet. Dabei zeigen derenFurther advantageous embodiments of the refrigeration system according to the invention will be apparent from the above not addressed claims and in particular from the following explanatory drawing. In the drawing, preferred embodiments of the refrigeration system according to the invention indicated in slightly schematized form. This show their
Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.Yourself in the figures corresponding parts are each given the same reference numerals Mistake. Not closer executed Parts are generally state of the art.
Die
Kältemaschine
Ist
das Wärmerohr
Weiterhin
kann das Wärmerohr
Im
Betrieb einer Kälteanlage
Nachdem
die Flüssigkeit
Supraleitende Magnetwicklungen sind insbesondere für Bestrahlungsanlagen geeignet, wie sie in der Teilchentherapie z.B. zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Solche supraleitenden Magnetwicklungen befinden sich bevorzugt in einer so genannten Gantry montiert, welche um eine festgelegte Achse rotierbar ist.superconducting Magnetic windings are particularly suitable for irradiation systems, as used in particle therapy, e.g. used for the fight against cancer become. Such superconducting magnet windings are preferred mounted in a so-called gantry, which is a fixed one Axis is rotatable.
Im
Bereich dieser Achse B ist eine Rohrleitung
Wie
im Zusammenhang mit
Die
Zusatzkühleinrichtung
kann z.B. derart eingesetzt werden, dass die zu kühlenden
Teile
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