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Vorrichtung zum Einfüllen von Helium in den Heliumbehälter eines Kryostaten mittels eines Hebers
Flüssigkeitskryostaten mit Heliumbädern finden zur Kühlung von Messproben und zur Kühlung von supraleitenden Einrichtungen, insbesondere von Supraleitungsmagnetspulen, vielfältige Anwendung. Um den Heliumbehälter eines derartigen Kryostaten mit Helium zu füllen, verwendet man üblicherweise einen Heliumheber, dessen eines Ende mit einem Heliumvorratsbehälter verbunden ist und dessen anderes Ende in den Heliumbehälter des Kryostaten eingeführt wird. Ein solcher Heber besteht im allgemeinen aus einem heliumführenden Rohr, das von einem Vakuummantel umgeben ist. Innerhalb des Vakuummantels kann auch noch ein das heliumführende Rohr umgebender Strahlungsschutzmantel angeordnet sein.
Auf Grund dieses Aufbaues aus mehreren Rohren sind die Heber mechanisch starr, so dass das in den Kryostaten eingeführte Heberende oft nicht bis zum Boden des Heliumbehälters des Kryostaten abgesenkt werden kann, da die in diesem Behälter befindlichen zu kühlenden Einrichtungen oder auch Teile des Behälters selbst im Wege stehen. Dies führt beim erstmaligen Füllen des Heliumbehälters bei Inbetriebnahme des Kryostaten zu einem erheblichen Heliumverbrauch, da das in dem zunächst noch verhältnismässig warmen Behälter nach dem Austritt aus dem Heberende verdampfende Helium nur unvollständig zur Abkühlung des Behälters ausgenutzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einfüllen von Helium in den Heliumbehälter eines Kryostaten mittels eines Hebers anzugeben, bei welcher der Heliumverbrauch stark herabgesetzt ist.
Die Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass ein Zweiwegverteiler vorgesehen ist, der aus einem im Heliumbehälter des Kryostaten angeordneten, die Verteilerausgänge enthaltenden Gehäuse und aus einem an das eine Heberende anschliessbaren, eine Heliumführung mit wenigstens einer Heliumaustrittsöffnung enthaltenden Kern besteht, dass an einem Verteilerausgang eine zum Boden des Heliumbehälters führende Heliumleitung angeschlossen ist und der andere Verteilerausgang oberhalb des höchsten beim Betrieb des Kryostaten zulässigen Heliumspiegels in den Heliumbehälter mündet und dass durch Änderung der Stellung von Kern und Gehäuse zueinander das Helium jeweils einem der Verteilerausgänge zuführbar ist.
Beim erstmaligen Füllen des Kryostaten kann bei dieser Vorrichtung das flüssige Helium der zum Boden des Heliumbehälters führenden Heliumleitung zugeführt werden. Das flüssige Helium tritt dann aus dem Ende dieser Leitung, das sich praktisch am tiefsten Punkt des Heliumbehälters befindet, in den Behälter ein und verdampft dort zunächst, da der Behälter noch nicht auf die Temperatur des flüssigen Heliums abgekühlt ist. Der entstehende kalte Heliumdampf steigt dann vom tiefsten Punkt des Heliumbehälters nach oben und kühlt die höher liegenden Teile des Behälters ab. Das in den Behälter eingefüllte Helium kann daher besonders wirkungsvoll zur Kühlung des Behälters ausgenutzt werden.
Soll während des Betriebs des Kryostaten Helium in den bereits flüssiges Helium enthaltenden Heliumbehälter nachgefüllt werden, so kann es durch Änderung der Stellung von Kern und Gehäuse des Zweiwegverteilers zueinander dem andern Verteilerausgang zugeführt werden und oberhalb des Heliumspiegels in den Heliumbehälter eintreten. Dies hat den Vorteil, dass das wärmere Heliumgas, das zwischen den einzelnen Füllvorgängen
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durch Verdampfen von flüssigem Helium im Heber entsteht, nicht durch das bereits im Kryostaten befindliche flüssige Helium hindurchströmen muss, was zu weiteren Heliumverlusten führen würde. Vielmehr kann dieses Heliumgas oberhalb des Heliumspiegels aus dem Zweiwegverteiler austreten und im Heliumbehälter aufsteigen.
Das aus dem Heber austretende flüssige Helium kann entlang der Wand des Gehäuses des Zweiwegverteilers und gegebenenfalls entlang der Aussenseite der zum Boden des Heliumbehälters führenden Heliumleitung dem bereits im Heliumbehälter befindlichen Heliumvorrat zufliessen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Kern des Zweiwegverteilers an dem Heberende, das in den Kryostaten eingeführt wird, befestigt und durch Bewegen des Hebers innerhalb des Gehäuses verschiebbar. Die Stellung von Kern und Gehäuse zueinander kann bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung in besonders einfacher Weise geändert werden, ohne dass zu dieser Änderung zusätzliche Mittel erforderlich sind.
Diese Ausführungsform der Vorrichtung kann vorteilhaft insbesondere derart ausgebildet sein, dass der Kern aus einem Zylinder besteht, der an seinem vom Heberende weiter entfernten Ende in Art eines Ventilkegels ausgebildet ist und bei dem eine oder mehrere Heliumaustrittsöffnungen an der Mantelfläche des Zylinders münden, dass das Gehäuse einen zylinderförmigen Hohlraum mit senkrechter Achse und entlang der Achse unterschiedlichem Durchmesser umschliesst, wobei der obere Teil des Hohlraums im Durchmesser dicht an die Zylindermantelfläche des Kerns angepasst ist, der mittlere Teil einen grösseren Durchmesser als der Kern besitzt und der in die Heliumleitung mündende, den einen Verteilerausgang bildende untere Teil in Art eines Ventilsitzes passend zum Kern ausgebildet ist,
und dass in der den oberen Teil des Hohlraums umschliessenden Gehäusewand wenigstens eine Öffnung als zweiter Verteilerausgang vorgesehen ist.
Bei einer andern Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung besitzt der Zweiwegverteiler einen Kern, der vom Heber getrennt im Gehäuse drehbar angeordnet ist und in dessen Heliumführung das Heberende einsetzbar ist. Zum Drehen des Kerns kann dabei ein aus dem Heliumbehälter des Kryostaten herausgeführtes Rohr vorgesehen sein. Die Vorrichtung kann jedoch so ausgebildet sein, dass der Kern durch Verschieben des Hebers im Gehäuse drehbar ist.
Um Konvektion und thermische Schwingungen des über dem flüssigen Helium im Heliumbehälter des Kryostaten befindlichen gasförmigen Heliums zu vermeiden, kann im Heliumbehälter des Kryostaten oberhalb des Heliumspiegels ein Verdrängerkörper angebracht werden, der eine Bohrung zum Einführen des Hebers besitzt. Das Gehäuse des Zweiwegverteilers wird dann vorteilhaft an dem einen Ende dieser Bohrung angeordnet.
An Hand einiger Zeichnungen und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt schematisch einen Kryostaten mit einer Vorrichtung zum Einfüllen von Helium gemäss der Erfindung.
Fig. 2a und 2b zeigen schematisch im Schnitt eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in zwei verschiedenen Stellungen. Fig. 3a und 3b zeigen schematisch im Schnitt eine andere beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in zwei verschiedenen Stellungen.
Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
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Kühlung des Strahlungsschildes-2-ist ein Behälter-4-für flüssigen Stickstoff vorgesehen. Zum Füllen des Behälters --4-- dient das Rohr--5--. Der Heliumbehälter--l--setzt sich aus einem oberen, turmförmigen Teil-6-mit vertikaler Achse und einem unteren, hohlzylinderförmigen Teil --7-- mit horizontaler Achse zusammen, der eine zu kühlende Supraleitungsmagnetspule--S-- umschliesst, deren Achse ebenfalls in horizontaler Richtung liegt.
In gleicher Weise bestehen auch der
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eingesetzt, der eine Bohrung --12-- zum Einführen des Hebers--13--besitzt. Am andern Ende des Hebers ist ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Heliumvorratsgefäss angeschlossen. Am unteren Ende der Bohrung --12-- ist das Gehäuse --14-- des Zweiwegverteilers angebracht, an dessen einen Verteilerausgang die zum Boden, d. h. praktisch zur tiefsten Stelle, des Heliumbehälters--l--fuhrende Heliumleitung --15-- angeschlossen ist.
Diese Heliumleitung --15-- besteht vorzugsweise aus
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flexiblem Material, beispielsweise aus einem Tombakschlauch, und ist um die Supraleitungsmagnetspule - herumgeführt. Oberhalb des Heliumspiegels --10-- sind im Gehäuse --14-- mehrere Öffnungen --16-- vorgesehenm, die den zweiten Verteilerausgang bilden. Durch Verstellen des in Fig. 1 nicht sichtbaren Kerns des Zweiwegverteilers kann das Helium aus dem Heber --13-- wahlweise den
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--16-- oderGehäuse --14-- des Zweiwegverteilers angeschraubt ist.
Die Platte --17-- und der Verdrängerkörper --11-- können beispielsweise durch einen in Fig. 1 nicht dargestellten Gewinderohrstab aus schlecht wärmeleitendem Material am Deckel --18-- des Heliumbehälters befestigt sein. Der Verdrängerkörper --11-- besitzt an seiner Mantelfläche schraubenförmige Gänge--19--, durch die das beim Betrieb des Kryostaten verdampfende Helium aufsteigen und nach aussen abgeführt werden kann und in denen die
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Heliumabgas vorgekühlt, wodurch die Heliumverluste durch Wärmeeinleitung beträchtlich verringert werden. Verdampft plötzlich eine grössere Heliummenge, beispielsweise beim Übergang der
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Überdruckventil-20-O-Ringdichtungen vorgesehen. Durch den Rohrstutzen --23-- kann der Vakuummantel evakuiert werden.
Zur Inbetriebnahme des Kryostaten wird zweckmässig zunächst der Vakuumraum beispielsweise auf einen Druck von 10-2 Torr oder weniger evakuiert. Dann wird der Behälter --4-- und anschliessend der
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dem Heliumbehälter abgepumpt bzw. mittels einer am Boden des Heliumbehälters vorgesehenen, in der Fig. 1 nicht dargestellten elektrischen Heizung ausgeheizt. Wenn der Stickstoff restlos verdampft ist, wird der Heber--13--in den Kryostaten eingesetzt und der Zweiwegverteiler so gestellt, dass das flüssige
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-- 14--des Zweiwegverteilers erreicht, wird die Heliumzuführung unterbrochen.
Zum Nachfüllen von Helium während des Betriebs des Kryostaten wird der Zweiwegverteiler so gestellt, dass das Helium den Öffnungen--16--zugeführt wird. Das flüssige Helium läuft dann an der Aussenseite des Gehäuses-14-nach unten, während aus dem Heber --13-- austretendes gasförmiges Helium nicht mit dem im Heliumbehälter --1-- bereits vorhandenen Heliumbad in Berührung kommt, sondern unmittelbar in die Gewindegänge --19-- gelangen und nach aussen abgeführt werden kann.
In den Fig. 2a und 2b ist eine bevorzugte Ausführungsform des Zweiwegverteilers in zwei verschiedenen Stellungen dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Kern durch Bewegen des Hebers innerhalb des
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vorgesehen. Das Gehäuse-37-umschliesst einen zylinderförmigen Hohlraum mit senkrechter Achse und unterschiedlichem Durchmesser entlang der Achse. Der obere Teil--38--des Hohlraums ist im Durchmesser möglichst dicht an die Zylindermantelfläche des Kerns --30-- angepasst. Der mittlere Teil --39-- des Hohlraums hat einen grösseren Durchmesser als der Kern --30-- und ist etwas länger als der Zylindermantel des Kerns. Der den einen Verteilerausgang bildende untere Teil des Hohlraums ist in Art eines Ventilsitzes --40-- passend zum Ventilkegel --31-- des Kerns ausgebildet.
Das Gehäuse
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