CN107614990A - 具有至少在下区域中液体密封地相互分开的第一和第二氦容器的低温恒温器 - Google Patents

具有至少在下区域中液体密封地相互分开的第一和第二氦容器的低温恒温器 Download PDF

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Abstract

概括而言,本发明建议,在通常用于冷却超导电磁线圈(6)的用于过冷(<2.5K)的液态氦的低温恒温器(20)中,设有两个氦容器(24、5),这两个氦容器关于分别包含的液态氦不是相互连通的。带有在第一氦容器(24)下部(1)中的热交换器(38)的焦耳‑汤姆孙冷却单元(2)利用存储在第二氦容器(5)中的液态氦(>4K),以冷却第一氦容器(24)下部(1)中的过冷的液态氦。焦耳‑汤姆孙冷却单元(2)为此或者直接从第二氦容器(5)中抽吸液态氦,或者焦耳‑汤姆孙冷却单元从第一氦容器(24)中抽吸液态氦,通常由具有液态氦(>4K)的上部(4)抽吸,并将液态氦从第二氦容器(5)经由气相转移到第一氦容器(5)中。由此通过低温恒温器(20)中的氦储备来冷却第一氦容器(24)的过冷液态氦的持续时长可以非常长。第二氦容器(5)可以至少部分地设置在第一氦容器(24)的旁边,特别是也可以围绕第一氦容器(24)设置,以便实现低温恒温器(20)较低的结构高度。

Description

具有至少在下区域中液体密封地相互分开的第一和第二氦容 器的低温恒温器
技术领域
本发明涉及一种低温恒温器,具有
-第一氦容器,所述第一氦容器在下部中用温度<2.5K的液态氦、 特别是超流体氦填充,而在上部至少部分地用温度>4K的液态氦、 特别是正常液态氦填充,使得第一氦容器具有从所述下部的下端部直 到所述上部中的第一液体表面连贯地填充液态氦的第一区域,
-并且具有焦耳-汤姆孙冷却单元,利用所述焦耳-汤姆孙冷却单元 能够通过经由热交换器膨胀的氦冷却所述下部中的液态氦。
背景技术
这种低温恒温器由DE 10 2010 028 750 B4已知。
核磁共振(=NMR)设备,特别是NMR波谱仪和NMR层析仪 需要很强的磁场,这种磁场通常通过超导电磁线圈产生。所述超导电 磁线圈必须在低温下运行。为此,通常将所述电磁线圈设置在低温恒 温器的低温贮罐中,所述低温贮罐填充有低温液体。
在低温恒温器中可以利用液态氦实现特别低的温度。氦在正常压 力下在约4.2K的温度下沸腾。
为了达到低于4.2K的温度,可以在液氦浴上进行泵吸。蒸汽压 力的降低会导致液氦浴被冷却。这种处理方式有这样的缺点,即,在 氦容器中存在低压。在误操作或系统中存在小的泄漏时这会导致严重 的后果(吸入空气、空气在系统内部冻结、流出管道堵塞)。
同样可以利用焦耳-汤姆孙冷器单元以低于2.5K的温度产生液态 氦,特别是以超流体状态产生液态氦。在实践中,例如在DE 10 2010 028 750 B4中记载,为此通常设有氦容器,所述氦容器在下面的第一 腔(下部)中用温度约为2K的液态氦填充,而在上面的第二腔(上 部)中用温度约为4.2K的液态氦填充。在第一腔和第二腔之间设置 隔热的屏障。焦耳-汤姆孙冷却单元从上面的腔或下面的腔中抽吸液态 氦,所述液态氦发生膨胀并由此冷却氦容器下面的腔。膨胀的氦被泵 出。这个系统避免了,在整个氦容器中产生低压;低压仅存在于较小 的焦耳-汤姆孙冷却单元中。为此,需要热障,所述热障尽管是隔热的, 但能将上部容器的压力传递到下部容器上(例如当所述屏障对于液态 氦可透过或者设计成热绝缘的膜时,就存在这种情况)。在热动力学上 看,下部容器中的氦被“过冷”,就是说实际存在的压力大于与温度相 对应的蒸汽压力。
焦耳-汤姆孙冷却单元为了冷却氦容器的下部而消耗液态氦,由此 氦容器上部中的液位降低。在DE 10 2010 028 750 B4中建议,通过将 一部分泵吸的氦回输到上部中,可以降低低温恒温器的氦消耗。但此 时必须还以规则的间隔向氦容器中补充装填液态氦。补充装填液态氦 对于使用者而言是麻烦的;此外,高分辨率的NMR系统在补充装填 之后在几天内只能有限制地使用。因此,应尽可能少地进行补充装填。
原则上可以这样来延长必须补充装填液态氦的间隔,即,加大氦 容器的上部,以便保存较大量的温度为4.2K的液态氦,并且由此能 更长时间地冷却氦容器的下部。但由此加大了低温恒温器的结构高度。 但在常规实验室中,低温恒温器的最大结构高度受到顶棚高度的限制, 或者说较高的顶棚高度会造成实验室建筑物较高的改建成本,如果能 够改建的话。
为了进一步限制氦消耗,可以通过附加的主动冷却装置、例如脉 管制冷机将泵出的氦回输,由此能将所消耗的氦重新填充到上部中。 但在主动冷却装置故障或维修时,这里焦耳-汤姆孙冷却单元也消耗上 部的液态氦,并且氦容器上部的体积限制了能通过焦耳-汤姆孙冷却单 元位置冷却时而渡过主动冷却装置故障的时长。为了延长能渡过的时长,又必须加大低温恒温器的结构高度。
如果设定,从上面将匀磁装置(Shimeinrichtung)导入低温恒温 器的室温管中,则在低温恒温器的上方还需要一个大致具有氦容器上 部的高度的自由空间,考虑到可供使用的顶棚高度,这附加地降低了 低温恒温器的最大结构高度。
由JP 2001 330 328 A已知一种低温恒温器,其中,用于超流体氦 的容器设置在用于正常液态氦的容器下面并且通过分离器分开。用于 正常液态氦的容器分成第一氦容器和第二氦容器,分离器设置在第一 氦容器的下侧上。在第二氦容器的下侧上设有进入第一氦容器的管连 接结构。利用这种低温恒温器可以减少进入用于超流体氦的容器的热 量输入,并且同时确保了用于正常液态氦的容器具有大容积。
发明内容
本发明的目的是,给出一种低温恒温器,在这种低温恒温器中, 能够存储更大量的液态氦,用于焦耳-汤姆孙冷却单元的运行,而不必 加大低温恒温器的结构高度。
所述目的通过出人意料地简单和有效的方式通过前面所述类型的 低温恒温器来实现,所述低温恒温器的特征在于,
所述低温恒温器包括第二氦容器,所述第二氦容器至少部分地用 温度>4K的液态氦、特别是正常液态氦填充,使得所述第二氦容器 具有从第二氦容器的下端部直到第二氦容器中的第二液体表面连贯地 填充液态氦的第二区域,
其中,第一氦容器和第二氦容器至少在各所述液态表面的下方液 体密封地相互分离,并且
用于冷却第一氦容器的下部的所述焦耳-汤姆孙冷却单元能够用 以下方式从第二氦容器中提取液态氦:
-直接从第二氦容器中抽吸液态氦,
-或者间接地从第二氦容器中蒸发液态氦、所蒸发的氦再冷凝到第 一氦容器的上部中和从第一氦容器抽吸液态氦。
在根据本发明的低温恒温器中,附加于第一氦容器提供了第二氦 容器,所述第二氦容器附加于在第一氦容器的上部中温度>4K的液 态氦储备提供了另外的温度>4K的液态氦储备。所述另外的储备可 以用于冷却第一氦容器的下部,就是说用于冷却温度<2.5K的液态氦。 就是说,所述低温恒温器构造成,为了冷却第一氦容器能够直接或间 接地从第二氦容器提取液态氦。
可以直接通过焦耳-汤姆孙冷却单元使用第二氦容器,其方式是, 包含在第二氦容器中的液态氦流入通常在第二氦容器的底部通入的供 应管道并且由此到达焦耳-汤姆孙冷却单元或其针阀。在连接在泵管道 的针阀上,液态氦发生膨胀并在此时冷却。泵管道中的设置在第一氦 容器下部中(优选在电磁线圈上方)的热交换器使第一氦容器下部中的液态氦冷却。要注意的是,针阀这里通常设置在两个氦容器之外(“分 体设置”)。
焦耳-汤姆孙冷却单元同样可以由第一氦容器吸入液态氦或将液 态氦供应给其针阀。在这里连接在泵管道的所述针阀上所述液态氦重 新膨胀并在此时冷却,并且泵管道中的设置在第一氦容器中的热交换 器(优选设置在电磁线圈的上方)使第一氦容器下部中的液态氦冷却。 通常,此时焦耳-汤姆孙冷却单元的供应管道通入第一氦容器的上部中,从而抽吸温度较高的>4K的液态氦。但也可以从下部中抽出过冷的 温度<2.5K的液态氦;在这种情况下,第一氦容器的下部通过来自第 一氦容器上部的液态氦(必要时穿过热障)填充。第一氦容器的上部 此时通过从第二氦容器中蒸发的氦填充,所述蒸发的氦再冷凝到第一 氦容器的上部中(例如从泵管道的一个部分区段中滴入氦容器的上部), 由此,只要第二氦容器中另外的液态氦储备没有用尽,第一氦容器中 的液体表面优选保持恒定。通常为此在第一氦容器的液体表面上方的 第一气体空间与第二氦容器的液体表面上方的第二气体空间之间建立 引导氦气的连接,从而两个氦容器由此具有共同的用于气态氦的气体 空间。但也可以设想,只有再冷凝的液态氦从第二气体空间转移到第 一氦容器的上部中。
根据本发明,第一氦容器和第二氦容器引导液体的区域液体密封 地相互分开。换言之,第一和第二氦容器的液体空间不是相互连通的。 特别是,在第一氦容器的第一区域和第二氦容器的第二区域之间没有 引导液态氦的连接。优选在两个氦容器的液体空间之间也没有建立能 通过阀分离的连接(这一方面在技术上是困难的,另一方面在阀失效 或无意中打开阀时,当第一氦容器下部中的导电的超导电磁线圈失去 其冷却剂时,可能会出现灾难性的后果)。相应地,第一氦容器和第二 氦容器中的液位(就是说液体表面的绝对位置)是相互独立的。在运 行中第二氦容器中的液位特别是可以降低到低于第一氦容器中的液位。
由此,第二氦容器实际上可以独立于第一氦容器地设置在低温恒 温器中。第二氦容器特别是不需要设置在与第一氦容器的上部相同的 高度上。相应地,第二氦容器可以这样定位,使得低温恒温器的结构 高度没有变化。例如,第二氦容器可以设置在第一氦容器的侧面,并 且特别是设置在第一氦容器下部的侧面。
超导电磁线圈通常设置在第一氦容器的下部。这种低温恒温器布 置系统特别是可以在NMR设备中使用。第二氦容器至少与第一氦容 器的下部是热绝缘的,例如通过真空隔热结构绝缘。
两个氦容器的液体表面优选具有约4K的温度,这对应于约1bar 的蒸汽压力。实际上,这个压力通常受到主动调节,从而该压力略高 于(通常高10-50mbar)大气压力(周围环境中的空气压力)。由此, 在出现小泄漏的情况下不会有污物进入低温容器。当第一和第二氦容 器没有相互连通的气体空间,则对压力进行两次调节,即调节在第一 氦容器中和在第二氦容器中进行调节。
本发明的优选方案
在根据本发明的低温恒温器的一个优选实施形式中,所述第二氦 容器至少部分地在侧面设置在第一氦容器的旁边和/或至少部分地围 绕第一氦容器设置。第二氦容器特别是可以完全或部分地设置在第一 氦容器下部的旁边和/或围绕第一氦容器的下部设置。在第二氦容器水 平地设置第一氦容器旁边或围绕第一氦容器设置时,不会加大低温恒 温器的结构高度;总体上可以实现一种紧凑的低温恒温器构造。
特别有利的是这样的实施形式,其中,所述第一氦容器和所述第 二氦容器设置成,使得第一氦容器中的液态氦的第一液体表面能够高 于第二氦容器中的液态氦的第二液体表面,特别是第一氦容器中的液 态氦的第一液体表面高于第二氦容器中的液态氦的第二液体表面。在 这种情况下,可以利用第二氦容器将低于第一氦容器的上部的空间用于存储温度>4K的液态氦。
第二氦容器(“储备容器”)的液位特别是可以降低到低于线圈上 边缘的水平,这在现有技术的低温恒温器中是不可能的。
优选的是这样的实施形式,其中,第二氦容器用于液态氦的容积 至少以3倍大于第一氦容器的上部的容积。在这种情况下,可以特别 明显地加大能够用以保持焦耳-汤姆孙冷却单元运行的液态氦储备。相 应地可以实现特别长的用于补充装填液态氦的间隔或者使得(相对于 焦耳-汤姆孙冷却单元)附加的主动冷却装置(例如脉管制冷机)可以 有特别长的停机时间。
在一个特别有利的实施形式中,在第一氦容器的上部和下部之间 设置热障,在所述热障中形成至少为1开尔文的温度梯度和/或超流体 氦和正常液态氦之间的边界面在所述热障中延伸。通过例如构造成带 有几个用于液态氦的通孔的玻璃纤维强化的塑料板的所述热障,能够 保持进入下部的热输入较少,但同时允许液态氦(通常缓慢地)从上 面的区域转移到下面的区域(并且反之亦然)。通过上部中的液态氦可 以穿过所述热障向下部中的液态氦施加(由重力引起的)压力,由此, 下部中的液态氦(相对于上部上的氦蒸汽压力)可以被过冷。要注意 的是,通过超流体氦和正常液态氦之间的边界面在热障内部的位置可 以调整下部与上部之间的绝缘/隔热程度或所述绝缘程度可以自行调 节。
这样的实施形式也是有利的,其中,第一氦容器包括入口管,所 述入口管比第一氦容器位于该入口管下面的部段窄,使得在所述入口 管中形成至少为1开尔文的温度梯度和/或超流体氦和正常液态氦之间 的边界面位于所述入口管中。此时,第一氦容器的上部和下部之间的 边界位于入口管中。在变窄的入口管中,热交换仅能经由相对于位于 其下的部段的横截面积很小的横截面积进行,这对于第一氦容器的下 部具有隔热作用。相应地,如果希望的话,在该实施形式总可以省去 热障。通常变窄的入口管中(水平)横截面积最大为位于其下方的部 段的横截面积的1/10、优选最大为1/20。
所述低温恒温器的一个优选的实施形式设定,所述低温恒温器包 括竖直的室温孔,第一氦容器绕所述室温孔设置,而第二氦容器绕第 一氦容器设置。这个结构形式是特别节省空间的并且在实践中得到了 验证。由于通常设定为从上面向室温管中导入匀磁装置,这里第一氦 容器具有高度较小的上部是特别有利的,因为匀磁装置也在低温恒温 器的上方需要与其高度相对应的自由空间作为导入空间。对于高分辨 率的NMR波谱仪,通常会选择竖直的孔,这里多数情况对能够容易 地经由竖直的孔导入的液态样品进行测试。
在所述低温恒温器的一个备选实施形式中,所述低温恒温器包括 水平的室温孔,第二氦容器水平地设置在第一氦容器旁边,所述室温 孔特别是既穿过第一氦容器也穿过第二氦容器。这种结构形式对于实 验室房间的顶棚高度特别低的情况是适宜的,特别是因为可以从侧面 导入匀磁装置。水平的孔通常在医药和研究工作的成像法中使用;常 见的实验目标,如人、田鼠、家鼠等可以特别容易地进入水平的孔中。
特别优选的是这样的实施形式,其中,所述焦耳-汤姆孙冷却单元 直接从第二氦容器中抽吸液态氦,特别是在第二氦容器的下端部处抽 吸液态氦。这种结构形式较为简单,特别是因为不需要进行特别的蒸 发、对流和氦气的再冷凝。在这个实施形式中,不需要第一和第二氦 容器有共同的气体空间;但如果希望的话,仍可以建立这种气体空间。 第二氦容器在其下侧上具有出口,通过所述出口,液态氦能够通常经 由供应管道流入焦耳-汤姆孙冷却单元的阀(针阀)中。供应管道选择 得足够长,从而第二氦容器的温度水平(约4.2K)与焦耳-汤姆孙冷 却单元的温度水平(<2.5K)可以充分地相互隔绝。在阀中,所述氦蒸发,冷的蒸汽通过热交换器被引导穿过第一氦容器的下区域并对其 进行冷却。
优选的还有这样的实施形式,其中,第一氦容器的第一气体空间 与第二氦容器的第二气体空间引导氦气地相互连通。通过第一气体空 间(在第一液体表面的上方)、第二气体空间(在第二液体表面上方) 和低温恒温器的所有可能的引导氦气的连接部段,在所述低温恒温器 中在各氦容器上建立了共同的气体空间。冷的氦气可以在正常运行条 件下从第二氦容器流入第一氦容器并在这里冷凝。因此,在这个实施 形式中,焦耳-汤姆孙冷却单元可以从第一氦容器中、通常从上部、或 者也可以从下部中抽吸液态氦。在这个实施形式中,仅在一个位置、 通常是通过加热器调节压力就足够了。所述加热器优选设置在第二氦容器中。在这里蒸发的氦然后可以在第一氦容器中冷凝。
在该实施形式的一个有利的改进方案中,这样选择在从第一氦容 器中抽吸液态氦的焦耳-汤姆孙冷却单元上的氦流速,使得在第一氦容 器和第二氦容器上有给定的热负荷时对应于抽吸的氦流速使液态氦从 第二氦容器蒸发并再冷凝到第一氦容器的上部中。换而言之,第一氦 容器中的液位不发生改变。由于在氦从约1bar膨胀到约10mbar(焦 耳-汤姆孙冷却单元后面的常见压力)时释放了比在恒定压力(约1bar) 下冷凝所需更多的冷却功率,因此这个原理是可以实现的。差值此时 可以用于吸收外部的热负荷。
在上述实施形式的另一个改进方案中设定,第一氦容器的上部和 第二氦容器通过壁部分开,在所述壁部的上端部上构成溢流边缘,液 态氦能经由所述溢流边缘从第一氦容器溢流到第二氦容器中。在这个 结构形式中,冷凝可以集中在第一氦容器的上部,这在结构上可以简 单地实现,并且第二氦容器通过第一氦容器的溢流被(补充)装填。 所述壁部通常是真空隔热结构的一部分。
所述低温恒温器的一个实施形式是特别优选的,其中,所述低温 恒温器包括主动冷却装置、特别是脉管制冷机,利用所述主动冷却装 置能够使从第一氦容器和/或从第二氦容器中蒸发的氦液化。利用(附 加于焦耳-汤姆孙冷却单元的)主动冷却装置可以使蒸发的或从低温恒 温器之外导入的或由焦耳-汤姆孙冷却单元膨胀并且现在回输的气态 氦液化,特别是所述低温恒温器可以以闭合的氦回路(就是说在正常 运行中没有氦损失)运行。液化的氦可以(重新)供焦耳-汤姆孙冷却 单元的运行使用。如果设置了两个氦容器的共同的气体空间,则所述 冷却装置优选在所述共同的气体空间中使氦气液化。如果第一和第二氦容器具有分开的(相互密封的)气体空间,则通常氦气在第二氦容 器的气体空间中液化。通常氦气在冷却装置的冷却级上液化,液化的 氦从所述冷却级滴落到第一氦容器或第二氦容器中。
这里优选设定,所述主动冷却装置在低温恒温器中设置成,使得 在所述主动冷却装置停机时热负荷被引入第二氦容器的比例大于引入 第一氦容器的比例,从而在所述主动冷却装置停机时从第二氦容器中 蒸发的氦多于从第一氦容器中蒸发的氦。由此在氦容器的下部中可以 延缓超导电磁线圈的暴露并由此延缓其失超(Quench)。为了减少从 第一氦容器中蒸发的氦,也可以设置从热输入元件到第二氦容器的第 二区域中的良好导热的连接结构(例如金属杆,优选由铜制成的金属 杆)。
有利地为此可以设定,所述主动冷却装置设置在第二氦容器的上 方,并且第一液体表面完全或大部分被遮蔽,特别是通过属于低温恒 温器的真空隔热结构的壁部遮蔽。由此热辐射主要被引入第二氦容器 中位于冷却装置下面的第二液体表面中并且不会进入第一液体表面。 这在结构上可以较为简单地实现。
根据本发明的低温恒温器的一个实施形式是有利的,其中,焦耳- 汤姆孙冷却单元的泵管道延伸通过第一氦容器的上部并且然后至少以 一个部分区段在第一氦容器上方的气体空间中延伸,从而在所述部分 区段中在所述泵管道的外侧上液化的氦能够从所述泵管道滴落到第一 氦容器的上部中。由此可以以简单的方式在第一氦容器的上部中填充液态氦。如果第一氦容器和第二氦容器的气体空间相互分开,则优选 泵管道首先以一个部分区段在第一氦容器的气体空间中分布,然后以 另一个部分区段在第二氦容器的气体空间中分布。
此外,一个改进方案是优选的,其中,所述泵管道在第一氦容器 的上部中和/或在所述部分区段中构造成螺旋形的和/或构造成带有热 交换片。由此可以提高液化速率。
在一个有利的实施形式中设定,为了首次填充氦,从低温恒温器 的颈管出发,第一管路延伸到第一氦容器的下部段中,第二管路延伸 到第二氦容器的下部段中。由此能够以特别有效的方式进行低温恒温 器的填充。
本发明其他的优点由说明书和附图中得出。前面所述的和下面还 将说明的特征根据本发明同样可以分别本身单独地或以多个任意组合 地应用。所示和所述的实施形式不应理解为穷尽的列举,而是为了说 明本发明更多地具有示例性的特点。
附图说明
本发明在附图中示出并在下面参考实施例来详细说明。其中,
图1示出根据本发明的低温恒温器的第一实施形式的示意性横向 剖视图,其中焦耳-汤姆孙冷却单元在第一氦容器中进行抽吸的并且两 个氦容器有共同的气体空间;
图2示出根据本发明的低温恒温器的第二实施形式的示意性横向 剖视图,其中焦耳-汤姆孙冷却单元在第二氦容器上进行抽吸的并且两 个氦容器有分开的气体空间;
图3示出根据本发明的低温恒温器的第三实施形式的示意性横向 剖视图,其中焦耳-汤姆孙冷却单元在第二氦容器上进行抽吸的并且两 个氦容器有共同的气体空间;
图4示出根据本发明的低温恒温器的第四实施形式的示意性横向 剖视图,其中设有两个带有单独的用于填充氦容器的填充漏斗的管路;
图5示出根据本发明的低温恒温器的第五实施形式的示意性横向 剖视图,其中设有两个用于填充氦容器的管路,所述两个管路具有共 同的接合工位,用于能旋转的传动杆;
图6示出根据本发明的低温恒温器的第六实施形式的示意性横向 剖视图,其中在两个氦容器上设有主动冷却装置;
图7示出根据本发明的低温恒温器的第七实施形式的示意性横向 剖视图,其中第一氦容器带有变窄的入口管;
图8示出根据本发明的低温恒温器的第八实施形式的示意性横向 剖视图,其中设有水平的室温孔。
具体实施方式
在低温恒温器中,包括一个或多个电磁线圈并且例如应用于在低 温恒温器的室温孔中进行NMR测量的磁系统的结构高度在实践中是 有限制的、特别是受到在使用者处可供使用的房间高度(顶棚高度) 的限制。相应地,设置在磁系统中的氦容器不能设计成任意的大小。 由此,系统的保持时间(Haltezeit)同样受到限制。本发明记载了两 种如果克服对保持时间的这种限制的设计方案。同样可以将根据本发 明的设计方案用于实现降低结构高度。
两个设计方案的共同点是,>4K的液态氦不仅存储在第一氦容 器的上部中,而且还存储在第二氦容器中,在第一氦容器中,在下部 中包含温度<2.5K的过冷氦,所述另外的储备可以用于由焦耳-汤姆 孙冷却单元冷却温度<2.5K的过冷氦。
在第一氦容器中进行泵吸的第一设计方案
在根据本发明的第一设计方案的范围内,通常设定,温度约为4.2 K的(正常)液态氦存放在两个氦容器中,即第一(内部)氦容器的 上区域中和第二(外部)氦容器中。第二氦容器围绕第一氦容器设置, 从而不会由于第二氦容器加大系统的结构高度(但系统的直径略有增 大)。第二氦容器的尺寸设计成,使得在第二氦容器中提供的氦明显提 高了系统的保持时间。由于两个氦容器的气体空间相互连接,在第二 氦容器中蒸发的氦能够在第一氦容器中再冷凝。由此不存在主动从一 个氦容器向另一个氦容器中输送氦(例如通过泵)的必要性。
关于第一设计方案范围内的热流
第一氦容器设计成,使得在第一氦容器的下区域和上区域之间可 以形成大的温度梯度。这特别是可以通过引入“热障”来实现,所述热 障的隔热特性较好,使得第一氦容器下区域(下部)中的氦能够达到 超流体(超流体)状态。正常液态部分和超流体部分之间相分界此时 位于热障的内部。
在NMR磁系统中,作用到第一氦容器的下区域上的热负荷通常 主要是中央孔中的80K挡板(辐射挡板)的热辐射。下面将这个热负 荷称为Q2K。由焦耳-汤姆孙(J-T)冷却单元从第一氦容器的下区域 中提取热量。可供使用的冷却功率在下面称为QJT。在热平衡中,QJT必须不小于Q2K
正常液态氦和超流体氦之间的相边界在热障的内部自行移动,并 且这样移动,使得QJT和Q2K之间的差恰好被补偿并且第一氦容器的 下区域中的温度保持恒定。流动通过热障的热流QTB为:
QTB=QJT-Q2K
通过J-T冷却单元的氦流通常以ml/h来测定,其中单位“毫升” 是指出温度为4.2K和处于大气压力下的液态氦(在这个点,液态氦 的密度为125.32kg/m3)。液态氦的焓在温度为4.2K和大气压力下为 -0.1622kJ/kg,对于温度为2.17K和压力为10mbar的气态氦,焓为 16.357kJ/kg。因此,通过J-T冷却单元抽吸每毫升液态氦产生2.07J 的冷却功率,就是说QJT=2.07J/ml。
作用在第一氦容器上区域(上部)上的热负荷在下面称为Q4Ki。 这里假定,这个热负荷部分地由中央管(室温管)到第一氦容器的上 区域上的热辐射、热挡板到第一氦容器的上区域上的热辐射和由通过 颈管的热传导造成。热量通过热障从第一氦容器的上区域流入第一氦 容器的下区域。此外,热量还从第一氦容器的上区域流入用于由J-T 冷却单元泵吸氦的管(泵管道)中(冷的氦气位于该管中)。
在泵吸管道中可供使用的冷却功率QPL对应于温度为4.2K的气 态氦(10mbar)和温度为2.17K的气态氦之间的焓差。这两个焓值 为26.973kJ/kg和16.357kJ/kg,就是说,能附加提供的冷却功率为 10.616kJ/kg或QPL=1.33J/ml。
如果作用到第一氦容器上区域上的净热负荷是正的,则氦蒸发。 如果净热负荷是负的,则从第二氦容器蒸发的氦可以在第一氦容器中 再冷凝。大气压力下并且温度为4.2K的氦的潜伏热L为20.9172kJ/kg 或L=2.621J/ml。
(通过J-T冷却单元的)流量和(从第二氦容器通过蒸发/再 冷凝进入第一氦容器的)可以通过以下热量等式来描述:
在正常运行中,第一氦容器中的氦液位保持不变,就是说, 此时流量为
就是说,对于常见的热负荷Q2K+Q4Ki=250mW,需要1155ml/h 的流量。
为了将必要的流量降低到约为250ml/h的较低值,低温恒温器必 须这样构成,使得第一氦容器上的总热负荷(包括作用在上区域和下 区域上的热负荷)不超过54mW,就是说,作用在低温恒温器的冷却 级上的热负荷的大部分必须导入第二氦容器。
对第一设计方案的一个实施形式的说明
下面参考图1来举例详细说明根据本发明的低温恒温器的第一实 施形式。
低温恒温器20这里向外通过真空容器壁9限定并且在真空容器壁 9和内壁21之间具有辐射挡板8,所述辐射挡板设置在真空中;要注 意的是,在实践中也可以设置两个或更多个辐射挡板。所述辐射挡板 8可以通过液氮(通常温度约为80K)冷却(未详细示出)。低温恒温 器20具有竖直的室温孔22。所述低温恒温器20这里构造成绕室温孔 22基本上是旋转对称的,对此可参见中央的竖直轴线23。
在低温恒温器20的内部中构成第一氦容器24,所述第一氦容器 在下部1中用这里是超流体的温度约为2.2K的氦(用窄阴影线示出) 填充。在第一氦容器24的上部4中设置这里为正常液态的温度约为 4.2K的氦(宽阴影线);上部4几乎完全填满,就是说一直填充到恰 好在溢流边缘25的下面。上部4和下部1通过液体可透过的热障3 相互分开,所述热障这里由玻璃纤维强化的塑料板构成,所述塑料板 具有几个竖直的孔。超流体氦和正常液态氦之间的边界面51(在图1 中用虚线示出)在热障3中延伸,这里靠近热障的下边缘延伸。要注意的是,在上部4的内部和热障3的内部,可以在液态氦中建立温度 梯度,这种温度梯度由液态氦的与温度相关的密度引起。
此外,在低温恒温器20的内部中,还设有第二氦容器5,所述第 二氦容器这里同样用温度约为4.2K的正常液态氦填充。第二氦容器5 这里填充了约2/3。第二氦容器5围绕第一氦容器24设置并且这里沿 竖直方向既在第一氦容器24的下部1上延伸,也在第一氦容器的上部 4上延伸。
第二氦容器5通过在其整个高度上液体密封的壁部26与第一氦容 器24分开。因此,第一氦容器24中的第一液体表面27可以明显位于 第二氦容器5中的第二液体表面28的上方。要注意的是,这里第一氦 容器24的下端部29也略微高于第二氦容器5的下端部30的高度。此 时可以容易地在第二氦容器5上安装板件5a,在辐射挡板8的热辐射 到达第一氦容器24之前,利用所述板件截取所述热辐射。
第一氦容器24的在第一液体表面27上方的用于氦气的第一气体 空间31和第二氦容器5的在第二液体表面28上方的用于氦气的第二 气体空间32在溢流边缘25的上方相互连接,从而在低温恒温器20 中形成一个共同的气体空间。由此,从第二氦容器5中蒸发的液态氦 可以进入所述共同的气体空间并且再冷凝的氦可以进入第一氦容器 24的上部4,见表示经由气相进行输送的箭头33。再冷凝这里直接在 液体表面27上进行或在冷的泵管道34的一个部分区段34a上进行, 所述泵管道在这个部分区段34a中设有热交换片35。再冷凝的氦从所 述部分区段34a滴落到上部4中。如果过多的氦进入上部4,则液态 氦可以通过溢流边缘25流入第二氦容器5。例如通过气体压力传感器 和电加热器(未示出)来调节共同的气体空间中的气体压力,通常调 节到略高于周围的大气压力(多数高10-50mbar)。
泵管道34属于焦耳-汤姆孙冷却单元2,利用焦耳-汤姆孙冷却单 元冷却下部1中的超流体氦。焦耳-汤姆孙冷却单元2这里包括供应管 道36,所述供应管道引入第一氦容器24的上部4中,以便从这里抽 吸液态氦或使液态氦流入所述供应管道36中(要注意的是,备选地也 可以从下部1中抽吸超流体的氦,在这种情况下可以简单地省去供应 管道36)。在针阀37中,液态氦发生膨胀,此时,所述液态氦发生强 烈冷却。为此目的,在针阀37上通过泵管道34施加低压(多数约为 10mbar)。在泵管道34中集成有热交换器38,所述热交换器这里构 造成螺旋形的并且优选设置在电磁线圈6的上方,所述热交换器确保 了冷却功率良好地转移到下部1中。泵管道34穿过热障3、上部4和 第一气体空间31,并且这里还穿过颈管39从低温恒温器20中引出到 一个泵(未示出)。如果需要的话,针阀37可以以另一个杆件(未示 出)保持在第一氦容器24中。
超导电磁线圈6设置在第一氦容器24的下部1中,利用所述电磁 线圈在室温孔22中在用于要测试的样品40的样品位置处产生非常均 匀的磁场,以便在这里利用NMR波谱仪和/或成像的NMR来测试样 品。
从第二氦容器中泵吸的第二设计方案
作为备选方案,J-T冷却单元的入口可以设置成,使得从第二氦 容器中抽吸氦。J-T冷却单元在理想情况下设置在第二氦容器的下方, 以便避免,第二氦容器中的液位下降到低于J-T冷却单元的液位(因 为涉及沸腾的液体,就是说此时在抽吸管(供应管道)中形成气体, 这会非常灵敏地干扰J-T冷却单元的功能)。备选地,J-T冷却单元例 如也可以设置在第一氦容器的底部区域中。
第一氦容器的下区域(下部)由离开J-T冷却单元的冷的气体冷 却。第二氦容器和J-T冷却单元之间的管路必须设计成,使得存在充 分的热绝缘。低温恒温器此外还应构造成,使得针阀能容易地从上面 接近,就是说应这样设置接近口,使得电磁线圈不会闭锁低温恒温器 上端部上的入口孔与冷却单元之间的路径。
对第二设计方案的一个实施形式的说明
现在根据图2来举例介绍根据本发明的低温恒温器20的第二实施 形式。该第二实施形式在很多方面类似于图1中的第一实施形式,因 此下面仅讨论主要的区别(这也相应地适用于后面的实施形式)。
在图2的低温恒温器的内部中,也设有具有下部1和上部4的第 一氦容器24,下部用温度约为2.2K的超流体氦填充,上部用温度约 为4.2K的正常液态氦部分填充。上部4和下部1通过热障3分开; 第一氦容器24用液态氦连贯地从下端部29一直填充到第一液体平面 27。同样也设有第二氦容器24,所述第二氦容器部分地用温度约为4.2 K的正常液态氦填充,所述第二氦容器环形地包围第一氦容器24。第 一氦容器24和第二氦容器5这不仅在第一和第二液体表面27、28的 下方相互液体密封地分离,而且两个氦容器24、5是完全相互密封的。 特别是第一氦容器24的在第一液体表面27上方的第一气体空间31 和第二氦容器5的在第二液体表面28上方的第二气体空间32也对于 氦气密封地相互分开。气体空间31、32中的气体压力分别单独地调节, 例如通过气体压力传感器和电加热器(未示出)来调节,通常调节到 略微高于(多数为10-50mbar)周围的大气压力。
利用焦耳-汤姆孙冷却单元2可以冷却第一氦容器24的下部1。 该冷却单元2这里包括针阀37,所述针阀设置在第二氦容器5的下端 部30的高度之下并且通过供应管道36与第二氦容器5在第二氦容器 的下端部30上连接。供应管道36的长度选择得足够长,以便确保与 第二氦容器5充分的热绝缘。来自第二氦容器5的液态氦因此可以流 入针阀37,只要第二氦容器5没有完全用尽,并且这里在发冷的情况 下膨胀。泵管道34从针阀37引入第一氦容器24的下部1,这里泵管 道34构成为具有热交换器38。然后泵管道34通过第一氦容器24的 上部4以及这里还通过颈管39从低温恒温器20中引出到一个泵(未 示出),所述泵用于在泵管道中产生低压(约10mbar)。针阀37能够 较好地接近,以便调节流量,因为针阀设置在氦容器5、24之外。
要注意的是,在这个实施形式中,焦耳-汤姆孙冷却单元2仅被供 以来自第二氦容器5的氦。对于所述两个氦容器24、5,这里需要分 开的用于填充液态氦的入口,见颈管39、39a。
在图3中示出根据本发明的低温恒温器20的第三实施形式,这个 实施形式与图2的第二实施形式非常类似,因此下面仅说明区别。
在图3的实施形式中,第一氦容器24的在第一液体表面27上方 的第一气体空间31和第二氦容器5的在第二液体表面28上方的第二 气体空间32相互连接,从而建立了两个氦容器24、5的共同的气体空 间。此外,在氦容器24、5之间设置溢流边缘25,从而液态氦能够从 第一氦容器24的上部4流出到第二氦容器5中。从各氦容器中蒸发的 氦这里主要在第一气体空间31中在第一液体表面27上和泵管道34 上再冷凝并滴落到上部4中。
用于用液态氦填充两个氦容器的管路(Verrohrung)
为了在系统开始运行时既能有效地用液态氦填充第一氦容器、也 能有效地填充第二氦容器,颈管可以设置成,使得几个(或至少一个) 颈管直接位于第一氦容器上方,而其他(或至少一个其他)颈管直接 位于第二氦容器上方。备选或附加地,所述管路可以辅助对氦容器的 填充。在低温恒温器的内部特别是可以为了装填液态设有这样的管路, 利用所述管路能够由同一个颈管出发填充两个氦容器。
所述管路例如可以设置成,使得两个不同的漏斗(一个用于第一 氦容器、另一个用于第二氦容器)可以延伸通过颈管。然后将氦转移 棒插入相应的漏斗,以便填充相应的氦容器。
一个备选的解决方案在于,转移棒和低温恒温器侧的配合件设计 成,使得通过转移棒的旋转位置可以确定,液态氦是装填到第一氦容 器还是第二氦容器中。
图4示出根据本发明的低温恒温器20的第四实施形式,该实施形 式基本上对应于图3的实施形式,因此下面仅说明主要区别。
这里,在低温恒温器20中设置第一管路41和第二管路42。每个 管路41、42都在颈管39的下面具有自己的填充漏斗,在所述填充漏 斗上或中可以设置穿过颈管39的氦转移棒43。在下端部从氦转移棒 43流出的液态氦此时可以流入通过氦转移棒43选择的填充漏斗。
第一管路41引入第一氦容器24,并通过上部4、热障3引入下部 1,并且出口位于第一氦容器24的下部区段44中、通常在下部1下面 的四分之一中。第二管路42引入第二氦容器5并且出口位于第二氦容 器5的下部区段45,通常在第二氦容器5下面的四分之一中。
在所示实施形式中,热交换器38在下部1中设置在电磁线圈6 的旁边,并且不是设置在电磁线圈6的上方。由此,在具体情况下可 以降低低温恒温器20的结构高度。但热交换器38也可以类似于图1 所示设置在电磁线圈6的上方。
在图5中示出低温恒温器20的第五实施形式,该实施形式也类似 于图4的实施形式,因此只对主要区别进行说明,在第五实施形式中, 氦转移棒43靠近其下端部构成有侧面的出口46。第一管路41和第二 管路42在上端部连接在接合站47上,所述接合站设置在颈管39的下 面。接合站47形成用于氦转移棒43的支座,所述氦转移棒可以穿过 颈管39从上面插入接合站47中。
氦转移棒43这里可以在第一定向中使液态氦流入第一管路41中。 备选地,氦转移棒43在第二定向中使液态氦流入第二管路42中,在 氦转移棒43的图5所示的旋转位置中已经准备好了第二定向,从而为 了通过第二管路42填充第二氦容器5,只需要将氦转移棒43下降到 接合站47中。
在接合站47或其容纳口以及氦转移棒43具有旋转对称(圆形) 的结构时,氦转移棒43可以在接合站47中旋转,以便变换定向。但 氦转移棒43和接合站47优选不是构造成旋转对称的,并且氦转移棒 43是通过接合站47被带入希望的定向,然后插入,此时氦转移棒43 不可相对旋转地保持在接合站47中。
附加的主动冷却装置
根据本发明的低温恒温器或根据本发明的磁系统也可以与主动冷 却系统(主动冷却装置,“制冷器”)相结合、特别是与脉管制冷机相 结合工作。
这里特别是应注意发生制冷机故障停机的情况。在制冷机发生故 障停机时,通过制冷机的冷却片进行的热传导会导致很大的热负荷; 这种热负荷应尽可能地引导到储备容器上(第二氦容器)。这可以这样 来实现,即,制冷机设置在第二氦容器的上方,并且第一和第二氦容 器的气体空间的连接结构应设计得尽可能窄(可以由以下要求得出下 限,即在一些紧急情况下、例如在真空突然丧失的情况下,氦应该能 以很小的压力损失流动通过所述连接结构)。
通过颈管中的热传导形成的热负荷可以通过由高导热性材料(例 如铜)制成的连接元件导入第二氦容器。
图6示出根据本发明的低温恒温器20的第六实施形式,该实施形 式类似于图3的低温恒温器,因此仅说明主要区别。
在第二氦容器5的上方设置(相对于焦耳-汤姆孙冷却单元2附加 的)主动冷却装置7,这里是脉管制冷机或其冷却头。在第二氦容器5 和第一氦容器24之间构成壁部26,所述壁部一直延伸到内容器壁21 的顶盖下面不远处。壁部26关于冷却装置7遮蔽第一液体表面27的 大部分。由于壁部27和内容器壁21的顶盖之间较小的间隙48,氦气 的对流较小。此外,这里还设有由铜制成的导热良好的连接结构10, 所述连接结构这里与颈管39上的下封闭盖39b连接并且伸入第二氦容 器5中的液态氦中。通过这个措施确保了,热负荷(例如在冷却装置 7故障停机时或者也可能在焦耳-汤姆孙冷却单元2故障停机时出现的 热负荷)只有很小的部分进入第一氦容器24,而大部分进入了第二氦 容器5。相应地保护了超导的电磁线圈6不受热负荷影响,从而能实 现超导电磁线圈6特别是在主动冷却装置7故障停机时很长时间的过 渡运行
在正常运行期间,在主动冷却装置7上通过供应装置49将由泵管 道34抽吸的氦气导回到低温恒温器20中。所述氦气在冷却装置7最 下面的冷却级上液化并滴入第二氦容器5,焦耳-汤姆孙冷却单元2可 以从这里重新吸出氦。低温恒温器20由此可以以闭合的氦回路运行, 就说没有氦消耗(氦损耗)。
要注意的是,热交换器38这里也在第一氦容器24的下部1中设 置在超导的电磁线圈6的旁边。
在第一氦容器上具有变窄的入口管的实施形式
图7中示出根据本发明的低温恒温器20第七实施形式,该实施形 式类似于图2的实施形式,因此也仅说明主要区别。
在这个实施形式中,第一氦容器24包括颈管39中的入口管49 和位于入口管下面的部段50,该部段比入口管39宽。部段50完全用 温度约为2.2K的超流体氦填充,入口管39的下段直到边界面51也 被所述超流体氦填充。在边界面51的上方,在入口管39中直到第一液体表面27设置有温度约为4.2K的正常液态氦。
入口管49中的(水平)横截面积较小,该横截面积通常为部段 50中的(水平)横截面积的最大1/10、优选最大1/20,并且通常最大 仅为1/50,由于这种小横截面积,通过边界面51从第一氦容器24的 (用正常液态氦填充的)上部4向(用超流体氦填充的)下部1中的热输入非常小,使得可以补偿焦耳-汤姆孙冷却单元2的冷却功率。
在所示实施形式中,第一氦容器24在第一液体表面27上方的第 一气体空间31和第二氦容器5的在第二液体表面28上方的第二气体 空间32相互分开。相应地,焦耳-汤姆孙冷却单元2直接在第二氦容 器5上进行抽吸。
具有水平室温管的实施形式
图7示出根据本发明的低温恒温器20第八实施形式,该实施形式 类似于在图2中示出的实施形式,因此下面仅说明主要区别。
带有真空容器壁9和辐射挡板8的低温恒温器20具有水平的室温 管52,所述室温管既穿过第一氦容器24也穿过第二氦容器5。第二氦 容器5在侧面设置在第一氦容器24的旁边并且这里基本上在与第一氦 容器24相同的竖直区域上延伸。在室温管52中设置在样品位置的样 品40可以通过超导电磁线圈6加载均匀的强磁场。低温恒温器20构 造成关于水平的中央轴线53基本上是旋转对称的。
类似于图7的实施形式,第一氦容器24具有入口管49,所述入 口管相对于位于其下面的部段50变窄,正常液态和超流体的氦之间的 边界面51设置在入口管中。正常液态氦的液体表面27这里位于辐射 挡板8的上侧部分的下方,这通常是优选的。
第一氦容器24的上部4仅包含较少量的液态氦。相反,在第二氦 容器5中可以存储较大量的液态氦,这些液态氦可以由焦耳-汤姆孙冷 却单元2用于冷却下部1或电磁线圈6。热交换器38这里在侧面设置 在电磁线圈6旁边。第一和第二氦容器24、5的气体空间31、32这里 相互分开。
结语
总而言之,本发明建议,在通常用于冷却超导电磁线圈的用于过 冷(<2.5K)的液态氦的低温恒温器中,设有两个氦容器,这两个氦 容器关于分别包含的液态氦不是相互连通的。带有在第一氦容器下部 中的热交换器的焦耳-汤姆孙冷却单元利用存储在第二氦容器(储备容 器)中的液态氦(>4K),以冷却第一氦容器下部中的过冷的液态氦。 焦耳-汤姆孙冷却单元为此或者直接从第二氦容器中抽吸液态氦,或者 焦耳-汤姆孙冷却单元从第一氦容器的上部中抽吸液态氦(通常由具有 温度>4K的液态氦的上部抽吸),并将液态氦从第二氦容器经由气相 转移到第一氦容器中。由此通过低温恒温器中的氦储备来冷却第一氦容器的过冷液态氦的持续时长可以非常长。第二氦容器可以至少部分 地设置在第一氦容器的旁边,特别是也可以围绕第一氦容器设置,以 便实现低温恒温器较低的结构高度。
因此,在本发明的范围内可以提高过冷的磁系统的保持时间,其 方式是,加大氦储备容器的体积。当第二氦容器热绝缘地设置在第一 氦容器旁边或围绕第一氦容器(第一氦容器包含电磁线圈)设置时, 这可以在不改变结构高度的情况下实现。在有利的实施形式中,从第 二氦容器蒸发的氦可以在第一氦容器中再冷凝。低温恒温器应构造成, 使得总热负荷尽可能大的部分作用于第二氦容器。优选J-T冷却单元 运行所需的氦从第二氦容器中抽吸。根据本发明的低温恒温器也可以 与主动冷却装置相结合,特别是与脉管制冷机相结合运行。本发明的 另一个优点在于,在磁体失超的情况下,基本上只损失来自第一氦容器的氦,因为第一氦容器可以良好地与第一氦容器热绝缘,并且在失 超时形成的热量因此不会被导入第二氦容器中。

Claims (18)

1.低温恒温器,具有
-第一氦容器(24),所述第一氦容器在下部(1)中用温度<2.5K的液态氦、特别是超流体氦填充,而在上部(4)中至少部分地用温度>4K的液态氦、特别是正常液态氦填充,使得第一氦容器(24)具有从所述下部(1)的下端部(29)直到所述上部(4)中的第一液体表面(27)连贯地用液态氦填充的第一区域,
-并且具有焦耳-汤姆孙冷却单元(2),利用所述焦耳-汤姆孙冷却单元能够通过经由热交换器(38)膨胀的氦冷却第一氦容器(24)的下部(1)中的液态氦,
其特征在于,
所述低温恒温器(20)包括第二氦容器(5),所述第二氦容器至少部分地用温度>4K的液态氦、特别是正常液态氦填充,使得所述第二氦容器(5)具有从第二氦容器(5)的下端部(30)直到第二氦容器(5)中的第二液体表面(28)连贯地用液态氦填充的第二区域,
其中,第一氦容器(24)和第二氦容器(5)至少在各所述液态表面(27、28)的下方液体密封地相互分离,并且
用于冷却第一氦容器(24)的下部(1)的所述焦耳-汤姆孙冷却单元(2)能够用以下方式从第二氦容器(5)中提取液态氦:
-直接从第二氦容器(5)中抽吸液态氦,
-或者间接地从第二氦容器(5)中蒸发液态氦、在第一氦容器(24)的上部(4)中再冷凝所蒸发的氦和从第一氦容器(24)抽吸液态氦。
2.根据权利要求1所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述第二氦容器(5)至少部分地在侧面设置在第一氦容器(24)的旁边和/或至少部分地围绕第一氦容器(24)设置。
3.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述第一氦容器(24)和所述第二氦容器(5)设置成,使得第一氦容器(24)中的液态氦的第一液体表面(27)能够高于第二氦容器(5)中的液态氦的第二液体表面(28),特别是第一氦容器(24)中的液态氦的第一液体表面(27)高于第二氦容器(5)中的液态氦的第二液体表面(28)。
4.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,第二氦容器(5)用于液态氦的容积至少以3倍大于第一氦容器(24)的上部(4)的容积。
5.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,在第一氦容器(24)的上部(4)和下部(1)之间设置热障(3),在所述热障中形成至少为1开尔文的温度梯度和/或超流体氦与正常液态氦之间的边界面(51)在所述热障中延伸。
6.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,第一氦容器(24)包括入口管(49),所述入口管比第一氦容器(24)位于该入口管下面的部段(50)窄,使得在所述入口管(49)中形成至少为1开尔文的温度梯度和/或超流体氦与正常液态氦之间的边界面(51)位于所述入口管(49)中。
7.根据权利要求1至6之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述低温恒温器包括竖直的室温孔(22),第一氦容器(24)绕所述室温孔(22)设置,而第二氦容器(5)绕第一氦容器(24)设置。
8.根据权利要求1至6之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述低温恒温器包括水平的室温孔(52),第二氦容器(5)水平地设置在第一氦容器(24)旁边,所述室温孔(52)特别是既穿过第一氦容器(24)也穿过第二氦容器(5)。
9.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述焦耳-汤姆孙冷却单元(2)直接从第二氦容器(5)中抽吸液态氦,特别是在第二氦容器(5)的下端部(30)处抽吸液态氦。
10.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,第一氦容器(24)的第一气体空间(31)与第二氦容器(5)的第二气体空间(32)引导氦气地相互连通。
11.根据权利要求10所述的低温恒温器(20),其特征在于,这样选择在从第一氦容器(24)中抽吸液态氦的焦耳-汤姆孙冷却单元(2)上的氦流速,使得有给定的热负荷作用到第一氦容器(24)和第二氦容器(5)上时对应于所述氦流速使液态氦从第二氦容器(5)蒸发并再冷凝到第一氦容器(24)的上部(4)中。
12.根据权利要求10或11所述的低温恒温器(20),其特征在于,第一氦容器(24)的上部(4)和第二氦容器(5)通过壁部(26)分开,在所述壁部的上端部上构成溢流边缘(25),液态氦能经由所述溢流边缘从第一氦容器(24)溢流到第二氦容器(5)中。
13.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述低温恒温器包括主动冷却装置(7)、特别是脉管制冷机,利用所述主动冷却装置能够使从第一氦容器(24)和/或从第二氦容器(5)中蒸发的氦液化。
14.根据权利要求13所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述主动冷却装置(7)在低温恒温器(20)中设置成,使得在所述主动冷却装置(7)停机时热负荷被引入第二氦容器(5)的比例大于引入第一氦容器(24)的比例,从而在所述主动冷却装置(7)停机时从第二氦容器(5)中蒸发的氦多于从第一氦容器(24)中蒸发的氦。
15.根据权利要求14所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述主动冷却装置(7)设置在第二氦容器(5)的上方,并且第一液体表面(27)完全或大部分被遮蔽,特别是通过属于低温恒温器(30)的真空隔热结构的壁部(26)遮蔽。
16.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,焦耳-汤姆孙冷却单元(2)的泵管道(34)延伸通过第一氦容器(24)的上部(4)并且然后至少以一个部分区段(34a)在第一氦容器(24)上方的气体空间(31)中延伸,从而在所述部分区段(34a)中在所述泵管道(34)的外侧上液化的氦能够从所述泵管道(34)滴落到第一氦容器(24)的上部(4)中。
17.根据权利要求16所述的低温恒温器(20),其特征在于,所述泵管道(34)在第一氦容器(24)的上部(4)中和/或在所述部分区段(34a)中构造成螺旋形的和/或构造成带有热交换片(35)。
18.根据上述权利要求之一所述的低温恒温器(20),其特征在于,为了首次填充氦,从低温恒温器(20)的颈管(39、39a)出发,第一管路(41)延伸到第一氦容器(24)的下部段(44)中,第二管路(42)延伸到第二氦容器(5)的下部段(45)中。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110031785A (zh) * 2019-04-29 2019-07-19 江苏麦格迈医学科技有限公司 一种用于核磁共振检测的可变温便携式探头
CN111188994A (zh) * 2018-11-15 2020-05-22 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于为储罐加注加压气体的设备和方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201515701D0 (en) * 2015-09-04 2015-10-21 Tokamak Energy Ltd Cryogenics for HTS magnets
DE102017205279B3 (de) * 2017-03-29 2018-09-20 Bruker Biospin Ag Kryostatanordnung mit einem Halsrohr mit einer tragenden Struktur und ein die tragende Struktur umgebendes Außenrohr zur Verringerung des Kryogenverbrauchs
CN109886512B (zh) * 2017-12-05 2021-07-09 北京绪水互联科技有限公司 剩余应急维修时间估算方法及预警方法、以及其估算系统和预警系统
US10832856B2 (en) * 2018-12-26 2020-11-10 General Electric Company Magnetic coil support in magnetic resonance imaging method and apparatus
US11425841B2 (en) 2019-09-05 2022-08-23 International Business Machines Corporation Using thermalizing material in an enclosure for cooling quantum computing devices
KR102702120B1 (ko) * 2021-03-19 2024-09-02 엘에스일렉트릭(주) 초전도 전력 공급 시스템
KR102616056B1 (ko) * 2021-03-19 2023-12-19 엘에스일렉트릭(주) 초전도 한류기의 냉각 제어장치
KR102618452B1 (ko) * 2021-03-19 2023-12-27 엘에스일렉트릭(주) 초전도 한류기의 냉각장치
US12078108B2 (en) * 2022-06-01 2024-09-03 General Electric Company Hydrogen aircraft with cryo-compressed storage

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS611962A (ja) * 1984-06-14 1986-01-07 株式会社東芝 超流動ヘリウム発生装置
US4689439A (en) * 1985-09-30 1987-08-25 Kabushiki Kasiha Toshiba Superconducting-coil apparatus
JPS6476706A (en) * 1987-09-18 1989-03-22 Toshiba Corp Superconducting device
JPH0979677A (ja) * 1995-09-12 1997-03-28 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウム発生装置
US20080290869A1 (en) * 2004-05-18 2008-11-27 Oxford Instruments Superconductivity Ltd Apparatus and Method for Performing In-Vitro Dnp-Nmr Measurements
CN103047788A (zh) * 2013-01-21 2013-04-17 浙江大学 低温线性压缩机驱动的j-t节流制冷循环系统

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2262267B1 (zh) * 1974-02-22 1976-12-03 Commissariat Energie Atomique
JPS61260685A (ja) * 1985-05-15 1986-11-18 Hitachi Ltd 超流動ヘリウム用弁
JPS61276276A (ja) * 1985-05-31 1986-12-06 Hitachi Ltd 超流動ヘリウム生成装置
DE3529391A1 (de) * 1985-08-16 1987-03-05 Kernforschungsz Karlsruhe Verfahren zum kuehlen eines objektes mit hilfe von suprafluidem helium (he ii) und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
GB2254409B (en) * 1990-12-10 1995-08-30 Bruker Analytische Messtechnik NMR magnet system with superconducting coil in a helium bath
CA2088203C (en) * 1993-01-27 1997-10-14 Richard J. White Conveyor belt splice cover
US5347818A (en) * 1993-02-04 1994-09-20 Research & Manufacturing Co., Inc. Dewar with improved efficiency
JPH08240353A (ja) * 1995-03-06 1996-09-17 Kobe Steel Ltd クライオスタット及びその運転方法
DE19509314C1 (de) * 1995-03-15 1996-07-11 Bruker Analytische Messtechnik Supraleitende Magnetanordnung für NMR-Spektrometer
JP3934308B2 (ja) 2000-05-24 2007-06-20 独立行政法人物質・材料研究機構 クライオスタット
JP4074049B2 (ja) * 2000-07-17 2008-04-09 株式会社東芝 極低温冷却装置
US7318318B2 (en) * 2004-03-13 2008-01-15 Bruker Biospin Gmbh Superconducting magnet system with refrigerator
GB0408312D0 (en) * 2004-04-14 2004-05-19 Oxford Instr Superconductivity Cooling apparatus
DE102004053972B3 (de) * 2004-11-09 2006-07-20 Bruker Biospin Gmbh NMR-Spektrometer mit gemeinsamen Refrigerator zum Kühlen von NMR-Probenkopf und Kryostat
DE502005005693D1 (de) * 2005-07-08 2008-11-27 Bruker Biospin Gmbh Unterkühlte Horizontalkryostatanordnung
JP2008109035A (ja) * 2006-10-27 2008-05-08 Hitachi Ltd 加圧超流動ヘリウムクライオスタット
JP5284134B2 (ja) * 2009-02-13 2013-09-11 株式会社神戸製鋼所 加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法
DE102010028750B4 (de) * 2010-05-07 2014-07-03 Bruker Biospin Gmbh Verlustarme Kryostatenanordnung
US8729894B2 (en) * 2010-07-30 2014-05-20 General Electric Company System and method for operating a magnetic resonance imaging system during ramping

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS611962A (ja) * 1984-06-14 1986-01-07 株式会社東芝 超流動ヘリウム発生装置
US4689439A (en) * 1985-09-30 1987-08-25 Kabushiki Kasiha Toshiba Superconducting-coil apparatus
JPS6476706A (en) * 1987-09-18 1989-03-22 Toshiba Corp Superconducting device
JPH0979677A (ja) * 1995-09-12 1997-03-28 Kobe Steel Ltd 加圧超流動ヘリウム発生装置
US20080290869A1 (en) * 2004-05-18 2008-11-27 Oxford Instruments Superconductivity Ltd Apparatus and Method for Performing In-Vitro Dnp-Nmr Measurements
CN103047788A (zh) * 2013-01-21 2013-04-17 浙江大学 低温线性压缩机驱动的j-t节流制冷循环系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111188994A (zh) * 2018-11-15 2020-05-22 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司 用于为储罐加注加压气体的设备和方法
CN110031785A (zh) * 2019-04-29 2019-07-19 江苏麦格迈医学科技有限公司 一种用于核磁共振检测的可变温便携式探头
CN110031785B (zh) * 2019-04-29 2021-04-06 江苏麦格迈医学科技有限公司 一种用于核磁共振检测的可变温便携式探头

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