DE102004034729A1 - Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager - Google Patents

Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager Download PDF

Info

Publication number
DE102004034729A1
DE102004034729A1 DE102004034729A DE102004034729A DE102004034729A1 DE 102004034729 A1 DE102004034729 A1 DE 102004034729A1 DE 102004034729 A DE102004034729 A DE 102004034729A DE 102004034729 A DE102004034729 A DE 102004034729A DE 102004034729 A1 DE102004034729 A1 DE 102004034729A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cold
cryocooler
arrangement according
cold head
cryostat arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102004034729A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102004034729B4 (de
Inventor
Andreas Kraus
Beat Mraz
Johannes Bösel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bruker Switzerland AG
Original Assignee
Bruker Biospin AG
Bruker Biospin SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Biospin AG, Bruker Biospin SAS filed Critical Bruker Biospin AG
Priority to DE102004034729A priority Critical patent/DE102004034729B4/de
Priority to US11/171,423 priority patent/US20070051115A1/en
Priority to EP05014932A priority patent/EP1617157A3/de
Priority to JP2005205677A priority patent/JP2006054444A/ja
Publication of DE102004034729A1 publication Critical patent/DE102004034729A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102004034729B4 publication Critical patent/DE102004034729B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/17—Re-condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Eine Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel (1) und einem darin eingebauten Heliumbehälter (2), wobei der Heliumbehälter (2) an mindestens zwei Aufhängerohren (3) mit dem Außenmantel (1) verbunden ist und ein Halsrohr (4) enthält, dessen oberes warmes Ende (5) mit dem Außenmantel (1) und dessen unteres kaltes Ende (6) mit dem Heliumbehälter (2) verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers (7) eingebaut ist, wobei der Außenmantel (1), der Heliumbehälter (2), die Aufhängerohre (3) und das Halsrohr (4) einen evakuierten Raum begrenzen und wobei der Heliumbehälter (2) ferner von mindestens einem Strahlungsschild (8) umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren (3) als auch mit einer Kontaktfläche (9) am Halsrohr (4) des Heliumbehälters (2) thermisch leitend verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen des Kaltkopfes (7) und einer oder mehrerer Kontaktflächen (9) am Halsrohr (4), die jeweils mit einem Strahlungsschild (8) über eine feste, starre oder flexible Wärmebrücke (12) leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt (13) besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild (8) in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes (7) geleitet wird. Durch eine derartige Kryostatanordnung wird gewährleistet, dass die Vibrationen der Kältestufen des Kaltkopfes (7) nicht mehr messbar in die Kryostatanordnung gelangen, wobei die thermische Ankopplung des Kaltkopfes ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel und einem darin eingebauten Heliumbehälter, wobei der Heliumbehälter an mindestens zwei Aufhängerohren mit dem Außenmantel verbunden ist und ein Halsrohr enthält, dessen oberes warmes Ende mit dem Außenmantel und dessen unteres kaltes Ende mit dem Heliumbehälter verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers eingebaut ist, wobei der Außenmantel, der Heliumbehälter, die Aufhängerohre und das Halsrohr einen evakuierten Raum begrenzen, und wobei der Heliumbehälter ferner von mindestens einem Strahlungsschild umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren als auch mit einer Kontaktfläche am Halsrohr des Heliumbehälters thermisch leitend verbunden ist.
  • Eine Möglichkeit zur Integration des Kaltkopfes eines Kryokühlers in eine Kryostatanordnung besteht darin, den beispielsweise zweistufigen Kaltkopf in einem separaten Vakuumraum (wie z.B. in US5613367 beschrieben) oder direkt in den Vakuumraum des Kryostaten (wie z.B. in US5563566 beschreiben) so einzubauen, dass die erste Kältestufe des Kaltkopfes fest mit einem Strahlungsschild und die zweite Kältestufe über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke oder direkt mit dem Heliumbehälter thermisch leitend verbunden werden. Durch Rückkondensation des durch Wärmeeinfall von außen verdampfenden Heliums an der kalten Kontaktfläche im Heliumbehälter kann der gesamte Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter kompensiert und ein verlustfreier Betrieb des Systems ermöglicht werden. Nachteilig daran ist, dass auch die Verbindung von der zweiten Kältestufe zum Heliumbehälter in der Regel einen nicht zu vernachlässigenden thermischen Widerstand aufweist und dass Vibrationen dieser Kältestufe auf den Heliumbehälter übertragen werden können.
  • Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Nachteile ist das Einfügen des Kaltkopfes in ein Halsrohr, welches die äußere Vakuumhülle des Kryostaten mit dem Heliumbehälter verbindet und entsprechend mit Heliumgas gefüllt ist, wie es beispielsweise in der Druckschrift US2002/0002830A1 beschrieben wird. Die erste Kältestufe des zweistufigen Kaltkopfes ist wiederum fest leitend mit einem Strahlungsschild kontaktiert, die zweite Kältestufe hängt frei in der Helium-Atmosphäre und verflüssigt direkt verdampftes Helium.
  • Da der Kaltkopf von Heliumgas umgeben ist und zwischen Kaltkopf und Halsrohrwand oder weiteren Halsrohreinbauten eine Temperaturdifferenz besteht, kann es in den Kaltkopf zu einem erheblichen Wärmeeintrag durch Wärmeleitung im Gas und durch Konvektionsströme kommen. In WO03036207 und WO03036190 wird daher vorgeschlagen, die Rohre des Kaltkopfes auf die eine oder andere Weise zu isolieren.
  • Wie oben beschrieben, werden Vibrationen der zweiten Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers auf den Heliumbehälter nicht übertragen, wenn der Kaltkopf direkt in das mit dem Heliumbehälter verbundene Halsrohr eingebaut wird. Zwischen der ersten Kältestufe des Kaltkopfes und dem Strahlungsschild wird allerdings in der Regel eine Festkörper-Wärmebrücke verwendet. Diese thermische Verbindung soll möglichst ,weich' ausgeführt werden, um möglichst wenig Vibrationen zu übertragen. Üblicherweise werden dazu dünne Folienpakete oder zu Litzen verflochtene Drähte, jeweils aus Kupfer oder Aluminium, eingesetzt. Derartige Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung werden in zahlreichen Druckschriften beschrieben (z. B. in US5129232 , US5331735 , US5317879 ). Dabei steht der Forderung nach einer schlechten Vibrationsübertragung (dünne, lange Drähte) die Forderung nach guter Wärmeübertragung (dicke, kurze Drähte) gegenüber. Letztlich muss daher ein Kompromiss gefunden werden, wobei nicht restlos verhindert werden kann, dass Schwingungen des Kaltkopfes des Kryokühlers auch in den Kryostaten gelangen, was speziell dann nachteilig ist, wenn dieser Teil einer hochempfindlichen Apparatur ist, wie es ein Kernspinresonanzspektrometer, insbesondere eine Magnetic Resonance Imaging (MRI) Apparatur oder ein Magnetresonanzspektrometer (NMR), darstellt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kryostatanordnung vorzuschlagen, bei der die thermische Ankopplung zwischen allen Kältestufen des Kaltkopfes eines Kryokühlers und der Kryostatanordnung so gestaltet ist, dass Vibrationen der Kältestufen nicht mehr messbar in die Kryostatanordnung gelangen, wobei aber immer noch eine ausreichend gute Wärmeübertragung zwischen Kaltkopf und Kryostatanordnung gewährleistet sein muss.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen des Kaltkopfes und einer oder mehreren Kontaktflächen im Halsrohr, die jeweils mit einem Strahlungsschild über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes geleitet wird.
  • Die Wärmeübertragung von einem Strahlungsschild auf eine Kältestufe des Kaltkopfes erfolgt demnach über einen Gasspalt, indem die auf den Strahlungsschild eingefallene Wärme durch den Gasspalt zum Kaltkopf geleitet wird. Bei der erfin dungsgemäßen Kryostatanordnung besteht keine feste Verbindung zwischen der oder den Kältestufen des Kaltkopfes des Kryokühlers und dem oder den Strahlungsschilden, so dass die Übertragung von Vibrationen vom Kaltkopf auf den oder die Strahlungsschilde weitgehend unterbunden wird, wobei die thermische Ankopplung des Kaltkopfes an den oder die Strahlungsschilde immer noch ausreichend gut ist.
  • Insbesondere für hochauflösende NMR-Verfahren, bei denen sich auch geringe Vibrationen, die z. B. über den Kaltkopf eines Kryokühlers in das System eingebracht werden, negativ auf die Qualität der Spektren auswirken, ist es vorteilhaft, wenn der Kryokühler ein Pulsrohrkühler ist, da Pulsrohrkühler besonders vibrationsarm betrieben werden können. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich andere Kryokühler, wie z.B. Gifford-McMahon Kühler zu verwenden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der kältesten Kältestufe Helium bei einer Temperatur von 4,2 K oder bei tieferer Temperatur verflüssigt werden kann, da sich hierdurch eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten im Tiefsttemperaturenbereich bietet. Das innerhalb des Kryostaten verdampfende Helium wird an der frei im Halsrohr hängenden Kältestufe verflüssigt und tropft in den Heliumbehälter zurück. Somit können der Helium-Verlust und die Nachfüllvorgänge reduziert werden bzw. kann bei genügend großer Kälteleistung des Kühlers ein verlustfreier Betrieb erreicht werden. Ferner wird, da auch die kälteste Kältestufe des Kaltkopfes ist nicht über eine Festkörperbrücke mit der Kryostatanordnung verbunden ist, die Übertragung von Vibrationen der Kältestufe auf den Heliumbehälter vollständig unterbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre des Kaltkopfes oberhalb der ersten Kältestufe und unter Umständen auch im Bereich weiterer Kältestufen mit einer Wärmeisolation umgeben. Somit kann ein unerwünschter Wärmeeintrag von dem Halsrohr in die Rohre des Kaltkopfes vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Rohre oberhalb der ersten Kältestufe des Kaltkopfes weisen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und Temperatur der ersten Kältestufe auf.
  • Eine spezielle Ausführungsform sieht vor, dass sich die Breite des Gasspalts beliebig einstellen lässt. Hierdurch lässt sich auf Wunsch die Temperatur des Strahlungsschildes individuell anpassen.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der den Gasspalt begrenzenden, sich gegenüberliegenden, Wärme übertragenden Flächen, insbesondere durch Berippung u. ä., vergrößert werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung ist die kältere Wärme übertragende, mit der Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers fest verbundene Fläche oberhalb der wärmeren Wärme übertragenden Fläche angeordnet, so dass die Vorraussetzung für die Ausbildung einer natürlichen Gaskonvektionsströmung gegeben ist. Die wärmeren Wärme übertragenden Fläche ist dabei mit dem Halsrohr des Heliumbehälters kontaktiert.
  • Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Breite des Gasspalts soweit vergrößerbar ist, dass sich eine natürliche Konvektionsströmung im Gasspalt ausbildet.
  • Darüber hinaus ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass von außen eine Strömung durch den Gasspalt angeregt wird, die den Wärmeübergang verbessert.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sieht vor, dass der Strahlungsschild oder einer der Strahlungsschilde einen Behälter mit flüssigem Stickstoff enthält, wobei der Stickstoff nach dem Verdampfen wegen der thermischen Anbindung des Strahlungsschildes an den Kaltkopf des Kryokühlers mindestens teilweise wieder verflüssigt wird. Der Strahlungsschild wird in diesem Fall nicht direkt durch den Kühler, sondern indirekt, über den verdampfenden Stickstoff, gekühlt.
  • Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist im oder in Kontakt mit dem Stickstoffbehälter eine, vorzugsweise elektrische, Heizung vorgesehen, um bei einer Überschussleistung des Kryokühlers den Druck im Stickstoffbehälter über dem Umgebungsdruck und konstant zu halten.
  • In einer weiten Ausführungsform ist im oder in Kontakt mit dem Heliumbehälter eine, vorzugsweise elektrische, Heizung vorgesehen. Bei einer Überschussleistung des Kryokühlers kann somit der Druck im Heliumbehälter über dem Umgebungsdruck und konstant gehalten werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Leistung des Kühlers über seine Betriebsfrequenz und/oder die Füllmenge an Arbeitsgas im Kühler geregelt wird.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung kommen besonders gut zur Geltung, wenn die Kryostatanordnung eine supraleitende Magnetanordnung enthält, insbesondere wenn die supraleitende Magnetanordnung Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
  • 2a eine schematische Darstellung eines in einem Halsrohr angeordneten Kaltkopfes eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
  • 2b eine schematische Darstellung eines in einem Halsrohr angeordneten Kaltkopfes eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit berippten Kontaktflächen;
  • 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem Stickstofftank;
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäße Kryostatanordnung mit einem Außenmantel 1 und einem darin eingebauten Heliumbehälter 2. Der Heliumbehälter ist durch Aufhängerohre 3 mit dem Außenmantel 1 verbunden. In einem Halsrohr 4, dessen oberes warmes Ende 5 mit dem Außenmantel 1 und dessen unteres kaltes Ende 6 mit dem Heliumbehälter 2 verbunden ist, ist ein zweistufige Kaltkopf 7 eines Kryokühler eingebaut. Der Heliumbehälter 2 ist ferner von einem Strahlungsschild 8 umgeben, welcher sowohl mit den Aufhängerohren 3 als auch mit einer Kontaktfläche 9 am Halsrohr 4 des Heliumbehälters 2 thermisch leitend verbunden ist. Der Kaltkopf 7 ist ein wenig angehoben, so dass zwischen einer kalten Fläche 10 an der ersten Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 und der Kontaktfläche 9 im Halsrohr 4, die mit dem Strahlungsschild 8 über eine feste Wärmebrücke 12 leitend verbunden ist, ein Gasspalt 13 besteht, über den Wärme vom Strahlungsschild 8 in die Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 geleitet wird. Der Wärmeübertrag erfolgt also über den dünnen Gasspalt 13, wodurch eine feste Verbindung zwischen der Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 und dem Strahlungsschild 8 vermieden wird.
  • Die auf den Strahlungsschild 8 eingefallene Wärme Q . muss durch den Gasspalt 13 der Breite H zum Kaltkopf 7 des Kryokühlers geleitet werden. Für die Wärmeleitung durch ein ruhendes Medium gilt:
    Figure 00070001
    mit der mittleren Wärmeleitfähigkeit des Mediums λ -, der Übertragungsfläche A und der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der warmen Fläche (Kontaktfläche 9) und der kalten Fläche 10. Da die Wärmeleitfähigkeit von Heliumgas viel geringer ist als die von den meisten Festkörpern, wie z. B. Kupfer, wird die Temperaturdifferenz zwischen Strahlungsschild 8 und erster Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 durch das Anheben des Kaltkopfes größer und somit steigt die Temperatur des Strahlungsschildes 8. Damit bei gegebenem Wärmestrom die Temperatur des Strahlungsschildes 8 aber nicht zu hoch wird (und somit auch der Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter 2 nicht steigt), ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen den beiden Flächen 9, 10 so gering wie möglich zu halten. Andererseits lässt sich über die Breite des Gasspaltes 13, wenn erwünscht, die Schildtemperatur sehr einfach anpassen.
  • 2a und 2b zeigen je einen in einem Halsrohr 4 angeordneten Kaltkopf 7 eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung. Während in 2a eine Kontaktfläche 9 mit glatter Oberfläche dargestellt ist, zeigt 2b eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der die Kontaktfläche 9 durch zusätzliche Strukturen 14 vergrößert wurde. Eine derartige Vergrößerung kann beispielsweise durch Rippen oder ähnliche Strukturen erreicht werden.
  • Im Bereich der ersten Kältestufe, in welchem Temperaturen zwischen Raumtemperatur und der Temperatur der ersten Kältestufe 11 herrscht, ist der Kaltkopf 7 mit einer Isolierung 15 versehen. Bei Kaltköpfen mit mehreren Kühlstufen kann auch um die Rohre weiterer Kühlstufen eine Isolierung vorgesehen sein.
  • Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, dass im Gasspalt 13 neben der Wärmeleitung zusätzlich Wärme durch Konvektion übertragen wird. Konvektion lässt sich von außen anregen oder tritt bei genügend großem Gasspalt 13 und Temperaturdifferenz ΔT von selber auf (freie Konvektion). Vorraussetzung hierfür ist allerdings, dass die kältere Fläche 10, welche mit dem Kaltkopf 7 kontaktiert ist, oberhalb der wärmeren Fläche (Kontaktfläche 9), die mit dem Strahlungsschild kontaktiert ist, angeordnet wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich in der einfacheren konstruktiven Gestaltung des Halsrohres 4. So müssen beispielsweise keine Durchführungen zur Verschraubung der Kontaktflächen 9 und 10 vorgesehen werden. Ein- und Ausbau des Kaltkopfes 7 lassen sich einfach und schnell durchführen.
  • Es ist auch möglich, dass der Strahlungsschild 8 – ähnlich wie in einem nicht aktiv gekühlten System (d.h. ohne Kryokühler) – nicht direkt, sondern mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, wie in 3 gezeigt. In diesem Fall muss die erste Kälte stufe 11 des Kaltkopfes 7 des Kryokühlers über einen Gasspalt 13 mit einem Stickstoffbehälter 16 thermisch leitend verbunden sein, so dass verdampfter Stickstoff wieder verflüssigt werden kann.
  • Im Bereich der zweiten Kältestufe 17 des Kaltkopfes 7 sind keine weiteren Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung vorzusehen, da der Kaltkopf 7 in diesem Bereich sowieso frei in der Helium-Atmosphäre hängt und kein fester Kontakt mit dem Heliumbehälter 2 vorhanden ist.
  • Des Weiteren zeigt die erfindungsgemäße Kryostatanordnung aus 3 eine im Heliumbehälter 2 angeordnete Heizung 18, sowie eine Heizung 19 im Stickstoffbehälter 16. Die Heizungen 18, 19 dienen dazu, den Druck im Heliumbehälter 2 beziehungsweise im Stickstoffbehälter 16 über dem Umgebungsdruck und konstant zu halten. Alternativ zu der in 3 gezeigten Anordnung der Heizungen 18, 19 im Heliumbehälter 2 beziehungsweise am Stickstoffbehälter 16 können die Heizungen 18, 19 auch außerhalb der Behälter angeordnet sein, solange ein thermischer Kontakt zu den jeweiligen Flüssigkeiten besteht.
  • Die erfindungsgemäße Kryostatanordnung ermöglicht somit eine Ankopplung zwischen den Kältestufen des Kaltkopfes 7 des Kryokühlers und der Kryostatanordnung, bei der Vibrationen der Kältestufen des Kaltkopfes 7 nicht mehr messbar in den Kryostaten gelangen und dennoch eine ausreichend gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Die Kryostatanordnung eignet sich daher besonders gut zur Kühlung einer Magnetanordnung 20, die ein Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
    • 1
    Außenmantel
    2
    Heliumbehälter
    3
    Aufhängerohre
    4
    Halsrohr
    5
    oberes warmes Ende des Halsrohrs
    6
    unteres kaltes Ende des Halsrohrs
    7
    Kaltkopf eines Kryokühlers
    8
    Strahlungsschild
    9
    Kontaktfläche
    10
    kalte Fläche
    11
    erste Kältestufe des Kaltkopfes
    12
    Wärmebrücke
    13
    Gasspalt
    14
    Strukturen
    15
    Wärmeisolation
    16
    Stickstoffbehälter
    17
    zweite Kältestufe des Kaltkopfes
    18
    Heizung im oder am Heliumbehälter
    19
    Heizung im oder am Stickstoffbehälter
    20
    Magnetanordnung

Claims (14)

  1. Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel (1) und einem darin eingebauten Heliumbehälter (2), wobei der Heliumbehälter (2) an mindestens zwei Aufhängerohren (3) mit dem Außenmantel (1) verbunden ist und ein Halsrohr (4) enthält, dessen oberes warmes Ende (5) mit dem Außenmantel (1) und dessen unteres kaltes Ende (6) mit dem Heliumbehälter (2) verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers (7) eingebaut ist, wobei der Außenmantel (1), der Heliumbehälter (2), die Aufhängerohre (3) und das Halsrohr (4) einen evakuierten Raum begrenzen, und wobei der Heliumbehälter (2) ferner von mindestens einem Strahlungsschild (8) umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren (3) als auch mit einer Kontaktfläche (9) am Halsrohr (4) des Heliumbehälters (2) thermisch leitend verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen (11) des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers und einer oder mehreren Kontaktflächen (9) im Halsrohr (4), die jeweils mit einem der Strahlungsschilde (8) über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke (12) leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt (13) besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild (8) in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers geleitet wird.
  2. Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokühler ein Pulsrohrkühler ist.
  3. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der kältesten Kältestufe des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers Helium bei einer Temperatur von 4,2 K oder bei tieferer Temperatur verflüssigt werden kann.
  4. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kaltkopfes des Kryokühlers (7) oberhalb der ersten Kältestufe und unter Umständen auch im Bereich weiterer Kältestufen mit einer Wärmeisolation (15) umgeben sind.
  5. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite des Gasspalts (13) beliebig einstellen lässt.
  6. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der den Gasspalt (13) begrenzenden, sich gegenüberliegenden, Wärme übertragenden Flächen (9), (10) insbesondere durch Berippung u. ä., vergrößert werden kann.
  7. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kältere Wärme übertragende, mit der Kältestufe (11) des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers fest verbundene Fläche (10) oberhalb der wärmeren Wärme übertragenden Kontaktfläche (9) angeordnet ist.
  8. Kryostatanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Gasspalts (13) soweit vergrößerbar ist, dass sich eine natürliche Konvektionsströmung im Gasspalt (13) ausbildet.
  9. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von außen eine Strömung durch den Gasspalt (13) angeregt wird, die den Wärmeübergang verbessert.
  10. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild oder einer der Strahlungsschilde (8) einen Behälter (16) mit flüssigem Stickstoff enthält, wobei der Stickstoff nach dem Verdampfen wegen der thermischen Anbindung des Strahlungsschildes (8) an den Kaltkopf des Kryokühlers (7) mindestens teilweise wieder verflüssigt wird.
  11. Kryostatanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im oder in Kontakt mit dem Stickstoffbehälter (16) eine, vorzugsweise elektrische, Heizung (19) vorgesehen ist.
  12. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder in Kontakt mit dem Heliumbehälter (2) eine, vorzugsweise elektrische, Heizung (18) vorgesehen ist.
  13. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kryostatanordnung eine supraleitende Magnetanordnung (20) enthält.
  14. Kryostatanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung (20) Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
DE102004034729A 2004-07-17 2004-07-17 Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager Expired - Fee Related DE102004034729B4 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004034729A DE102004034729B4 (de) 2004-07-17 2004-07-17 Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager
US11/171,423 US20070051115A1 (en) 2004-07-17 2005-07-01 Cryostat configuration with cryocooler and gas gap heat transfer device
EP05014932A EP1617157A3 (de) 2004-07-17 2005-07-09 Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager
JP2005205677A JP2006054444A (ja) 2004-07-17 2005-07-14 クライオクーラとガスギャップ熱伝達デバイスとを備えたクライオスタット構造

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004034729A DE102004034729B4 (de) 2004-07-17 2004-07-17 Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004034729A1 true DE102004034729A1 (de) 2006-02-16
DE102004034729B4 DE102004034729B4 (de) 2006-12-07

Family

ID=35241092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004034729A Expired - Fee Related DE102004034729B4 (de) 2004-07-17 2004-07-17 Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20070051115A1 (de)
EP (1) EP1617157A3 (de)
JP (1) JP2006054444A (de)
DE (1) DE102004034729B4 (de)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007194258A (ja) * 2006-01-17 2007-08-02 Hitachi Ltd 超伝導磁石装置
JP5833284B2 (ja) * 2006-03-17 2015-12-16 シーメンス ピーエルシー 冷却装置
GB2459316B (en) * 2008-09-22 2010-04-07 Oxford Instr Superconductivity Cryogenic cooling apparatus and method using a sleeve with heat transfer member
EP2610888B1 (de) * 2009-06-18 2016-11-02 Carl Zeiss Microscopy, LLC Gekühlte geladene Partikelsysteme und -verfahren
CN103077797B (zh) * 2013-01-06 2016-03-30 中国科学院电工研究所 用于头部成像的超导磁体系统
JP5969944B2 (ja) * 2013-03-27 2016-08-17 ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 クライオスタット
DE102014219849B3 (de) 2014-09-30 2015-12-10 Bruker Biospin Gmbh Kühlvorrichtung mit Kryostat und Kaltkopf mit verringerter mechanischer Kopplung
DE102015212314B3 (de) * 2015-07-01 2016-10-20 Bruker Biospin Gmbh Kryostat mit aktiver Halsrohrkühlung durch ein zweites Kryogen
DE102016218000B3 (de) 2016-09-20 2017-10-05 Bruker Biospin Gmbh Kryostatenanordnung mit einem Vakuumbehälter und einem zu kühlenden Objekt, mit evakuierbarem Hohlraum
CN112236036A (zh) * 2018-05-20 2021-01-15 阿贝亚技术有限责任公司 低温存储单元
JP7120303B2 (ja) * 2018-05-23 2022-08-17 日本製鉄株式会社 磁場発生装置及び磁場発生装置の着磁方法
JP7186132B2 (ja) 2019-05-20 2022-12-08 住友重機械工業株式会社 極低温装置およびクライオスタット
DE102019209160B3 (de) 2019-06-25 2020-10-08 Bruker Switzerland Ag Kryostatanordnung mit federndem, wärmeleitendem Verbindungselement
CN112402751A (zh) * 2020-09-04 2021-02-26 湖北贵族真空科技股份有限公司 热桥式液氧呼吸器
CN114637349B (zh) * 2022-03-04 2023-04-11 中国科学院电工研究所 一种液氦温区恒温装置及恒温控制方法
CN117048653B (zh) * 2023-10-12 2023-12-12 西南交通大学 一种用于超导磁悬浮列车的低温恒温装置及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5129232A (en) * 1991-06-03 1992-07-14 General Electric Company Vibration isolation of superconducting magnets
US5317879A (en) * 1992-10-28 1994-06-07 General Electric Company Flexible thermal connection system between a cryogenic refrigerator and an mri superconducting magnet
US5331735A (en) * 1993-04-28 1994-07-26 General Electric Company Method of forming a flexible connector
US5563566A (en) * 1995-11-13 1996-10-08 General Electric Company Cryogen-cooled open MRI superconductive magnet
US5613367A (en) * 1995-12-28 1997-03-25 General Electric Company Cryogen recondensing superconducting magnet
DE19548273A1 (de) * 1995-12-22 1997-06-26 Spectrospin Ag NMR-Meßeinrichtung mit Pulsrohrkühler
US20020002830A1 (en) * 2000-07-08 2002-01-10 Bruker Analytik Gmbh Circulating cryostat
DE10137552C1 (de) * 2001-08-01 2003-01-30 Karlsruhe Forschzent Einrichtung mit einem Kryogenerator zur Rekondensation von tiefsiedenden Gasen des aus einem Flüssiggas-Behälter verdampfenden Gases
WO2003036190A1 (en) * 2001-10-19 2003-05-01 Oxford Magnet Technology Ltd. A pulse tube refrigerator with an insulating sleeve
WO2003036207A2 (en) * 2001-10-19 2003-05-01 Oxford Magnet Technology Ltd. A pulse tube refrigeration with an insulating sleeve

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2821241B2 (ja) * 1990-06-08 1998-11-05 株式会社日立製作所 液化冷凍機付きクライオスタツト
US5461873A (en) * 1993-09-23 1995-10-31 Apd Cryogenics Inc. Means and apparatus for convectively cooling a superconducting magnet
GB2329700B (en) * 1997-09-30 2001-09-19 Oxford Magnet Tech Improvements in or relating to cryostat systems
US6376943B1 (en) * 1998-08-26 2002-04-23 American Superconductor Corporation Superconductor rotor cooling system
US6438966B1 (en) * 2001-06-13 2002-08-27 Applied Superconetics, Inc. Cryocooler interface sleeve

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5129232A (en) * 1991-06-03 1992-07-14 General Electric Company Vibration isolation of superconducting magnets
US5317879A (en) * 1992-10-28 1994-06-07 General Electric Company Flexible thermal connection system between a cryogenic refrigerator and an mri superconducting magnet
US5331735A (en) * 1993-04-28 1994-07-26 General Electric Company Method of forming a flexible connector
US5563566A (en) * 1995-11-13 1996-10-08 General Electric Company Cryogen-cooled open MRI superconductive magnet
DE19548273A1 (de) * 1995-12-22 1997-06-26 Spectrospin Ag NMR-Meßeinrichtung mit Pulsrohrkühler
US5613367A (en) * 1995-12-28 1997-03-25 General Electric Company Cryogen recondensing superconducting magnet
US20020002830A1 (en) * 2000-07-08 2002-01-10 Bruker Analytik Gmbh Circulating cryostat
DE10137552C1 (de) * 2001-08-01 2003-01-30 Karlsruhe Forschzent Einrichtung mit einem Kryogenerator zur Rekondensation von tiefsiedenden Gasen des aus einem Flüssiggas-Behälter verdampfenden Gases
WO2003036190A1 (en) * 2001-10-19 2003-05-01 Oxford Magnet Technology Ltd. A pulse tube refrigerator with an insulating sleeve
WO2003036207A2 (en) * 2001-10-19 2003-05-01 Oxford Magnet Technology Ltd. A pulse tube refrigeration with an insulating sleeve

Also Published As

Publication number Publication date
EP1617157A3 (de) 2012-05-30
EP1617157A2 (de) 2006-01-18
DE102004034729B4 (de) 2006-12-07
US20070051115A1 (en) 2007-03-08
JP2006054444A (ja) 2006-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1628109B1 (de) Kryostatanordnung
EP1617157A2 (de) Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager
EP1628089B1 (de) Vorrichtung zur Kühlung einer Kryostatanordnung
EP1736723B1 (de) Kryostatanordnung mit Kryokühler
DE102016218000B3 (de) Kryostatenanordnung mit einem Vakuumbehälter und einem zu kühlenden Objekt, mit evakuierbarem Hohlraum
DE69838866T2 (de) Verbesserungen in oder mit Bezug auf Kryostatsystemen
DE10033410C1 (de) Kreislaufkryostat
DE102004053972B3 (de) NMR-Spektrometer mit gemeinsamen Refrigerator zum Kühlen von NMR-Probenkopf und Kryostat
DE102005041383B4 (de) NMR-Apparatur mit gemeinsam gekühltem Probenkopf und Kryobehälter und Verfahren zum Betrieb derselben
EP1655616B1 (de) NMR-Spektrometer mit Refrigeratorkühlung
EP2066991B1 (de) Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten verbindungselement und einem mit den verbindungselementen verbundenen wärmerohr
EP1504458B1 (de) Einrichtung der supraleitungstechnik mit einem supraleitenden magneten und einer kälteeinheit
DE69828128T2 (de) Magnetanordnung für die Kernspinresonanz mit einem Halsrohr, in dem ein Pulsrohrkühler untergebracht ist
DE102007013350B4 (de) Stromzuführung mit Hochtemperatursupraleitern für supraleitende Magnete in einem Kryostaten
EP3230666B1 (de) Kryostat mit einem ersten und einem zweiten heliumtank, die zumindest in einem unteren bereich flüssigkeitsdicht voneinander abgetrennt sind
DE112011100875T5 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Temperatur in einem auf tiefe Temperaturen gekühlten Kyrostaten unter Verwendung von stehendem und sich bewegendem Gas
DE10226498B4 (de) Kryostatenanordnung mit verbesserten Eigenschaften
DE60222920T2 (de) Buchse für pulsationsrohrkühlvorrichtung
DE102011078608A1 (de) Kryostatanordnung
DE19533555A1 (de) Vorrichtung zur indirekten Kühlung einer elektrischen Einrichtung
EP3611528A1 (de) Kryostatanordnung mit supraleitendem magnetspulensystem mit thermischer verankerung der befestigungsstruktur
DE10339048A1 (de) Tieftemperaturkühlsystem für Supraleiter
EP1574777A2 (de) Supraleitendes Magnetsystem mit Refrigerator
DE102017217930A1 (de) Magnetanordnung mit Kryostat und Magnetspulensystem, mit Kältespeichern an den Stromzuführungen
DE102006012506A1 (de) Kryostat mit einem Magnetspulensystem, das eine LTS- und eine beheizbare HTS-Sektion umfasst

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: BRUKER SWITZERLAND AG, CH

Free format text: FORMER OWNER: BRUKER BIOSPIN AG, FAELLANDEN, CH

R082 Change of representative

Representative=s name: KOHLER SCHMID MOEBUS PATENTANWAELTE PARTNERSCH, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee