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Die Erfindung betrifft einen Kaltkopf für einen Kryorefrigerator, wobei der Kaltkopf umfasst:
- – mindestens ein Refrigeratorrohr,
- – mindestens ein Pulsrohr,
- – eine Zuleitung zur Zuführung eines Arbeitsgases von einem Drehventil des Kryorefrigerators zu einem warmen Ende des Regeneratorrohrs,
wobei ein kaltes Ende des Pulsrohrs mit einem kalten Ende des Regeneratorrohrs über eine Verbindungsleitung verbunden ist,
und wobei an einem warmen Ende des Pulsrohrs eine Pufferleitung zu einem Puffervolumen des Kryorefrigerators vorgesehen ist.
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Ein solcher Kaltkopf ist beispielsweise durch das kommerziell vertriebene Modell „PT405” von Cryomech, Inc., Syracuse, NY, USA, bekannt geworden, mit Betriebsanleitung aus dem Jahre 2005. Ein weiterer, ähnlicher Kaltkopf ist aus der
US 6,378,312 B1 bekannt geworden.
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Supraleitende Magnetanordnungen, wie sie beispielsweise in der Kernspinresonanz(= NMR)-Spektroskopie und der bildgebenden Magnetresonanz (= MRI) eingesetzt werden, müssen auf kryogene Temperaturen (< 100 K) abgekühlt werden. Die supraleitenden Magnetspulen werden in der Regel innerhalb eines Kryostaten in einem Tank mit flüssigem Helium (mit einer Temperatur um 2–4 K) angeordnet. Aufgrund unvermeidlicher Wärmeeinträge ist es erforderlich, das Helium zu kühlen.
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Dazu werden insbesondere Kaltköpfe eingesetzt, die nach dem Pulsrohrprinzip arbeiten. Dabei entsteht Kälte durch Expansion von Heliumgas und durch das Verrichten von mechanischer Arbeit durch Heliumgas. Im Rahmen des zweiten Effekts wird eine Schockwelle im Heliumgas erzeugt, die durch das Heliumgas geschoben wird, typischerweise von einem Pulsrohr in ein Puffervolumen.
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Im Stand der Technik wird mittels eines Drehventils eine Zuleitung des Kaltkopfs abwechselnd mit einem Hochdruckanschluss (ca. 30 bar) und einem Niederdruckanschluss (ca. 5 bar) eines Helium-Kompressors verbunden. Während der Verbindung mit dem Hochdruckanschluss strömt Heliumgas durch die Zuleitung in den Kaltkopf ein, und während der Verbindung mit dem Niederdruckanschluss strömt das Heliumgas durch die Zuleitung aus dem Kaltkopf wieder heraus. Im Kaltkopf können damit Temperaturen unterhalb des Siedepunkts von Helium bei Normaldruck (ca. 4,2 K) erreicht werden.
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Im Laufe der Zeit wird der Kaltkopf durch Fremdgase wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserdampf oder Kohlenwasserstoffe verunreinigt. Diese Fremdgase können als Verunreinigung im Heliumgas enthalten sein, durch Diffusion in die Gasleitungen eindringen oder durch Kompressoröl in den Kühlkreislauf eindringen. Die Fremdgase frieren im Kaltkopf aus; dadurch wird die Strömung des Arbeitsgases Helium behindert, ebenso wie der Wärmeaustausch. Mit zunehmender Verunreinigung des Kaltkopfs lässt die Kühlleistung des Kaltkopfes nach, bis schließlich eine Reinigung erforderlich wird.
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Die Reinigung des Kaltkopfes erfolgt im Stand der Technik durch Aufwärmen des Kaltkopfes auf Raumtemperatur und Abpumpen der Verunreinigungen. Anschließend wird der Kaltkopf mit hochreinem Helium befüllt.
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Zum Aufwärmen des Kaltkopfes ist es erforderlich, diesen aus dem Kryostaten der supraleitenden Magnetanordnung auszubauen. Bei den meisten Magnetanordnungen muss dazu die Magnetanordnung „vom Feld” genommen werden. Das Entladen und Hochladen der supraleitenden Magnetanordnung ist jedoch zeitaufwendig (teilweise mehrere Tage) und teuer (aufgrund von Heliumverbrauch). Zudem besteht die Gefahr eines Quenchs der Magnetanordnung, der sehr große Heliummengen verbraucht und die Magnetanordnung beschädigen kann.
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Die
US 2006/0130519 A1 beschreibt eine Verflüssigungsanlage für Stickstoff. Luft wird komprimiert und Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff werden herausgefiltert. Der komprimierte Stickstoff wird in dann in ein Wärmetauscherrohr innerhalb eines Dewars eingeleitet. Das Wärmetauscherrohr ist an Wärmetauschersektionen eines Refrigeratorsystems gekoppelt und führt dann über einen Flussminderer zu einer Öffnung in den Dewar. Der Bereich des Flussminderers ist zusätzlich an einen Verdampfer des geschlossenen Refrigeratorsystems gekoppelt. Das Wärmetauscherrohr kann über eine kurze Spülleitung einer Gegenstromreinigung unterzogen werden.
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Aus der
JP 2001 108 320 A ist ein kryostatischer Refrigerator bekannt geworden, mit dem beim Entfernen von Verunreinigungen ein Verdampfen von flüssigem Helium und ein Temperaturanstieg im tiefkalten Teil unterdrückt werden kann. Dabei wird ein Versorgungsrohr eingesetzt, mit dem Helium aus Kompressoren einer Joule-Thomson-Kühleinheit in eine Hochdruckleitung eines Wärmetauschers rückwärts eingeleitet wird. Ein Rückführungsrohr, in welchem ein Adsorber angeordnet ist, führt das Gas, das durch den Wärmetauscher fließt, zu den Kompressoren zurück.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kaltkopf vorzustellen, der im eingebauten, kalten Zustand im Kryostaten gereinigt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kaltkopf der eingangs vorgestellten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Zuleitung ein erstes Umschaltventil und in der Pufferleitung ein zweites Umschaltventil vorgesehen sind, derart, dass in einem Durchspülzustand der Umschaltventile das Drehventil und das Puffervolumen vom Regeneratorrohr und vom Pulsrohr abgetrennt sind und das Regeneratorrohr und das Pulsrohr über die Umschaltventile durchspülbar sind.
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Mit Hilfe der Umschaltventile kann der erfindungsgemäße Kaltkopf an ein Spülgas, das typischerweise identisch ist mit dem Arbeitsgas (jeweils bevorzugt hochreines Helium, etwa Reinheit 5.9 oder besser), angeschlossen werden und ein Fluss von Spülgas durch den Kaltkopf, insbesondere durch dessen kälteste Bereiche, eingestellt werden. An einem Umschaltventil wird Spülgas eingeleitet, und gleichzeitig strömt am anderen Umschaltventil Spülgas aus. Mit dem Spülgas werden Fremdgase aus dem Inneren des Kaltkopfes mitgeführt und aus dem Kaltkopf herausgeleitet. Mit dem durchströmenden Spülgas kann auch Wärmeenergie den Innenwänden des Kaltkopfes zugeführt werden, so dass ausgefrorene Fremdgase aufgetaut und wieder freigesetzt werden.
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Das Bauprinzip eines Kaltkopfes des Standes der Technik hingegen gleicht einer Sackgasse; ein Durchfluss kann nicht eingestellt werden. Durch das einzig mögliche Abpumpen können ausgefrorene Fremdgase nicht entfernt werden; ein Aufwärmen des Kaltkopfes ist kaum möglich.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kaltkopfs, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kaltkopf eine Heizeinrichtung aufweist, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung. Mit der Heizeinrichtung können die Innenwände des Kaltkopfs und/oder das Spülgas beheizt werden, um ein Abtauen von Fremdgasen im Kaltkopf während einer Reinigung zu erleichtern. Bevorzugt wirkt die Heizung an solchen Stellen im Kaltkopf, die am ehesten mit Fremdgasen zugesetzt werden, wie Engstellen und Knicke in den Gasleitungen und tiefkalte Bereiche.
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Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der Kaltkopf zwei Kühlstufen umfasst. Dadurch wird der Kühlkopf leistungsfähiger. Typischerweise sind dann auch zwei Pulsrohre, zwei Pufferleitungen jeweils mit Umschaltventil und zwei Puffervolumen vorgesehen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eines der Umschaltventile in ein Überdruckventil mündet, vorzugsweise wobei dieses Überdruckventil auf einen mittleren Arbeitsdruck des Kryorefrigerators eingestellt ist. Das Überdruckventil hilft, Verunreinigungen im Inneren des Kaltkopfes und in Spülleitungen zu vermeiden. Der mittlere Arbeitsdruck des Kryorefrigerators ergibt sich aus dem Mittelwert der Heliumdruckwerte am Hochdruckanschluss und am Niederdruckanschluss.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Reinigen eines Kaltkopfes eines Kryorefrigerators, der nach dem Pulsrohrprinzip arbeitet, insbesondere wobei der Kaltkopf erfindungsgemäß wie oben beschrieben ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im kalten Zustand des Kaltkopfs dieser von den übrigen Komponenten des Kryorefrigerators abgetrennt und von einem Spülgas durchströmt wird. Durch das Durchströmen können Fremdgase aus dem Kühlkopf ausgeblasen werden. Die übrigen Komponenten umfassen typischerweise das Drehventil mitsamt Kompressor, und gegebenenfalls auch die Puffervolumen.
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Bevorzugt wird dabei durch das Spülgas Wärmeenergie in die Gasleitungen des Kaltkopfes eingebracht. Dadurch wird das Abtauen und Freisetzen der Fremdgase forciert. Weiterhin bevorzugt ist das einströmende Spülgas wärmer als die zu reinigenden Bereiche des Kaltkopfs, und der Fluss des Spülgases ist so eingestellt, dass das ausströmende Spülgas immer noch wärmer ist als die zu reinigenden Bereiche des Kaltkopfs. Letzteres stellt sicher, dass das Spülgas an den zu reinigenden Bereichen auch Wärmeenergie einbringen kann. In der Regel ist raumtemperaturwarmes Spülgas für eine Reinigung eines Kaltkopfes ausreichend warm.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
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Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Kryorefrigerator mit Kaltkopf nach dem Stand der Technik, mit zwei Kühlstufen, in schematischer Darstellung;
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2 einen Kaltkopf für einen Kryorefrigerator gemäß der vorliegenden Erfindung, mit einer Kühlstufe, in schematischer Darstellung;
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3 einen Kaltkopf für einen Kryorefrigerator gemäß der vorliegenden Erfindung, mit zwei Kühlstufen, in schematischer Darstellung.
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Die 1 zeigt schematisch die Verschaltung eines Kryorefrigerators mit einem zweistufigen Kaltkopf 1 gemäß dem Stand der Technik.
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Ein Kompressor 2 pumpt ein raumtemperaturwarmes Arbeitsgas, hier hochreines Helium, von einer Niederdruckseite ND zu einer Hochdruckseite HD um. Ein motorisch gesteuertes Drehventil 3 schließt im Wechsel (mit einer Frequenz um 0,5–5 Hz) die Hochdruckseite HD (mit etwa 30 bar) und die Niederdruckseite ND (mit etwa 5 bar) an eine Zuleitung 4 des Kaltkopfs 1 an.
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Die Zuleitung 4 stellt die einzige Heliumverbindung des Kaltkopfes 1 dar. Sie führt in einen raumtemperaturwarmen Bereich RT des Kaltkopfes 1.
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Die Zuleitung 4 speist Helium in das warme Ende eines Refrigeratorrohrs 5 ein. Von dort wird Helium an einer ersten Kühlstufe K1, die auf einer Temperatur um 40–80 K ist, an das kalte Ende eines erstes Pulsrohrs 6 mit einer ersten Verbindungsleitung 7 geleitet. Von einer zweiten Kühlstufe K2, die auf einer Temperatur von etwa 2–5 K ist, wird Helium über eine zweite Verbindungsleitung 8 an das kalte Ende eines zweiten Pulsrohrs 9 geleitet. Die warmen Enden der Pulsrohre 6, 9 sind jeweils über Pufferleitungen 10, 11 mit Drosselventilen 12, 13 schließlich mit Puffervolumen 14, 15 verbunden. Die Puffervolumen 14, 15 können auch außerhalb des Kaltkopfes 1 angeordnet sein. Die Pufferleitungen 10, 11 sind weiterhin mit Drosselventilen 16, 17 mit der Zuleitung 4 verbunden. Die Drosselventile 12, 13, 16, 17 justieren die Heliumströme im Kaltkopf für eine optimale Kühlleistung. In kommerziellen Geräten sind die Drosselventile in der Regel als nicht-justierbare, voreingestellte Engstellen ausgebildet.
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Der Kaltkopf 1 des Standes der Technik ist bezüglich des Arbeitsgases als eine Sackgasse ausgebildet und insbesondere nicht durchspülbar.
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Die 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen, einstufigen Kaltkopf 20 für einen Kryorefrigerator. Es werden im Folgenden vor allem die Unterschiede zum Kaltkopf des Standes der Technik von 1 erläutert.
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Der Kaltkopf 20 weist eine Zuleitung 4 auf, die über ein Drehventil an einen Kompressor für das Arbeitsgas (hier hochreines Helium, Reinheit 5.9 oder besser) angeschlossen ist (genauso wie in 1 ersichtlich, in 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt). Die Zuleitung 4 führt wiederum in einen raumtemperaturwarmen Bereich RT des Kaltkopfes 20.
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In der Zuleitung 4 ist ein erstes Umschaltventil 21 angeordnet. In einer ersten, nicht dargestellten Stellung (Kühlbetriebszustand) des Umschaltventils 21 ist das warme Ende eines Refrigeratorrrohrs 5 mit der Zuleitung 4 verbunden, und eine Spülleitung 22 ist abgetrennt. In einer zweiten, in 2 dargestellten Stellung (Durchspülzustand) des ersten Umschaltventils 21 ist das warme Ende des Refrigeratorrohrs 5 mit der Spülleitung 22 verbunden, und die Zuleitung 4 (und damit auch das zum Kompressor gehörige Drehventil und der Kompressor) ist vom Refrigeratorrohr 5 abgetrennt.
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Das Refrigeratorrohr 5 ist auf der Kühlstufe K (bei ca. 40 K) über eine Verbindungsleitung 7 mit dem kalten Ende eines Pulsrohrs 6 verbunden. Das warme Ende des Pulsrohrs 6 ist über eine Pufferleitung 10 und über ein Drosselventil 12 mit einem Puffervolumen (oder Pufferbehälter) 14 verbunden. Das Puffervolumen 14 kann auch extern (d. h. außerhalb des Kaltkopfes 20) angeordnet sein.
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In der Pufferleitung 10 ist ein zweites Umschaltventil 23 angeordnet. In einer ersten, nicht dargestellten Stellung (Kühlbetriebszustand) des zweiten Umschaltventils 23 ist das warme Ende des Pulsrohrs 6 mit dem Puffervolumen 14 verbunden, eine Spülleitung 24 ist abgetrennt. In einer zweiten, in 2 dargestellten Stellung (Durchspülzustand) ist das warme Ende des Pulsrohrs 6 mit einer zweiten Spülleitung 24 verbunden; hingegen ist das Puffervolumen 14 vom Pulsrohr 6 abgetrennt. Pufferleitung 10 und Zuleitung 4 sind über ein Drosselventil 16 verbunden.
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Im Durchspülzustand kann durch die erste Spülleitung 22 ein Spülgas (hier hochreines Helium, Reinheit 5.9 oder besser), welches beispielsweise in einer Druckgasflasche (nicht dargestellt) bevorratet ist, durch den Kaltkopf 20 hindurch (siehe Pfeile) geleitet werden. Bevorzugt wird beim Spülen dabei ein hoher Durchfluss des Spülgases gewählt (deutlich mehr Gasumschlag als im zeitlichen Mittel in der Zuleitung 4 in einer Richtung im Kühlbetrieb). Bei hohem Fluss kühlt das Spülgas beim Durchströmen der Kühlstufe K nicht bis auf die Temperatur der Kühlstufe K ab, so dass der Kaltkopf 20 im Bereich der Kühlstufe K an den Innenseiten der Gasleitungen ausreichend erwärmt werden kann, obwohl der Kaltkopf 20 noch im Kryostaten eingebaut ist und daher vom im Tank bevorrateten, flüssigen Helium von außen gekühlt wird. In den Arbeitsgasleitungen des Kaltkopfes 20 wird beim Durchfluss des Spülgases das Fremdgas mitgerissen, und so der Kaltkopf 20 gereinigt.
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An der zweiten Spülleitung 24 ist ein Überdruckventil 25 angeordnet, welches bevorzugt auf den mittleren Arbeitsdruck des Kryorefrigerators, hier (30 bar + 5 bar)/2 = 17,5 bar eingestellt ist. Über das Überdruckventil 25 strömt Spülgas aus, das den Kaltkopf 20 durchflossen hat. Es versteht sich, dass der Eingangsdruck des Spülgases am ersten Umschaltventil 21 genügend größer sein muss als der eingestellte Öffnungsdruck des Überdruckventils 25. Das am Überdruckventil ausströmende Spülgas kann, falls gewünscht, aufgefangen werden.
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Die Umschaltventile 21, 23 haben in ihrer jeweiligen eingestellten Verbindungsrichtung keinen nennenswerten Strömungswiderstand für Spülgas (bzw. Arbeitsgas) im Vergleich zum übrigen Kaltkopf 20.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Spülgasdurchfluss vom Refrigeratorrohr 5 zum Pulsrohr 6, aber auch umgekehrt erfolgen. Im letzteren Fall muss das Überdruckventil 25 abweichend zur 2 an die erste Spülleitung 22 angeschlossen werden, und die Helium-Druckgasflaschen an die zweite Spülleitung 24.
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In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßer, zweistufiger Kaltkopf 30 dargestellt. Der Aufbau ähnelt dem Aufbau von 1 und 2, es werden wiederum vor allem die Unterschiede erläutert.
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Die Zuleitung 4 führt wie in der Ausführungsform von 2 über ein erstes Umschaltventil 21 in das warme Ende des Refrigeratorrohr 5 im raumtemperaturwarmen Bereich RT des Kaltkopfs 30. Das Refrigeratorrohr 5 ist an den Kühlstufen K1 bei einer Temperatur von 40–80 K und K2 bei einer Temperatur von 2–5 K über Verbindungsleitungen 7, 8 mit den Pulsrohren 6, 9 verbunden. Die Pulsrohre 6, 9 sind über Pufferleitungen 10, 11 mit Puffervolumen 14, 15 verbunden. In jeder Pufferleitung 10, 11 ist jeweils ein zweites Umschaltventil 31, 32 vorgesehen, mit jeweils einer Spülleitung 33, 34 und jeweils einem Überdruckventil 25.
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Im gezeigten Durchflusszustand der Umschaltventile 21, 31, 32 kann über die erste Spülleitung 22 wiederum Spülgas eingeleitet werden, welches durch das Refrigeratorrohr 5 und die beiden Pulsrohre 6, 9 fließt und über die Spülleitungen 33, 34 bzw. deren Überdruckventile 25 abgelassen wird.
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In den Spülleitungen 33, 34 können jeweils zusätzlich Absperrhähne vorgesehen sein (nicht dargestellt), um einen Spülvorgang bzw. Durchfluss auf eines der Pulsrohre 6, 9 (bzw. eine Seite des Kaltkopfs 30) zu beschränken. Dazu wird jeweils ein Absperrhahn geöffnet und der andere geschlossen; die Pulsrohre 6, 9 werden dann nacheinander durchgespült. Dadurch kann eine ungleichmäßige Reinigung bei gemeinsamer Durchströmung der beiden Pulsrohre 6, 9 vermieden werden und eine bessere Kontrolle der Reinigung erfolgen.
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Im Rahmen der Erfindung kann auch die Temperatur mindestens einer Kühlstufe (etwa K, K1, K2), insbesondere der zweiten Kühlstufe, überwacht werden und eine Reinigung des Kaltkopfes bei überschreiten einer Grenztemperatur im Kühlbetrieb automatisch eingeleitet werden. Die Umschaltventile sind dann elektronisch gesteuert betätigbar.
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Zusammenfassend schlägt die Erfindung vor, bei einem Kaltkopf für einen Kryorefrigerator, der nach dem Pulsrohrprinzip arbeitet, wenigstens zwei Anschlüsse vorzusehen, mit denen der Kaltkopf zumindest in den Bereichen, die zur Ablagerung von Verunreinigungen neigen, mit einem Spülgas durchgespült werden kann. Mit Durchspülen können bessere Reinigungseffekte erzielt werden als mit Abpumpen durch einen einzigen Zulauf, insbesondere da mit durchströmendem Spülgas die zu reinigenden Bereiche bzw. Leitungswände leicht erwärmt werden können. Dann ist auch eine effektive Reinigung des Kaltkopfes im kalten Zustand des Kaltkopfes möglich, und der Kaltkopf braucht für eine Reinigung nicht aus einem Kryostaten ausgebaut zu werden.
