DE102014214819B3

DE102014214819B3 - Pulsrohrkühler-System mit kraftkompensierter Drehventilleitung

Info

Publication number: DE102014214819B3
Application number: DE102014214819.7A
Authority: DE
Inventors: Patrick Wikus; Steffen Bonn; Gerhard Roth
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: US20170138644A1; WO2016016216A1; US9995510B2

Abstract

Ein Pulsrohrkühler-System (10), umfassend einen Kaltkopf (2), ein Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (4), wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung (4) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist, und wobei die Verbindungseinrichtung (4) in einen ersten Leitungszweig (11) und einen zweiten Leitungszweig (12) verzweigt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (11) einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt (4a) und der zweite Leitungszweig (12) einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt (4b) aufweist, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) gegeneinander versetzt sind, dass die Verbindungseinrichtung (4) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) jeweils ein vorderes Abschnittsende (17, 18) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (19, 20) im hinteren Bereich (HB) aufweisen, dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt. Mit dem Pulsrohrkühler-System werden sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils als auch niederfrequente Vibrationen durch Druckschwankungen in der Verbindungseinrichtung zwischen Steuerventil und Kaltkopf in einer kompakten Bauform unterdrückt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulsrohrkühler-System, umfassend einen Kaltkopf, ein Steuerventil und eine Verbindungseinrichtung,
wobei mit dem Steuerventil abwechselnd ein Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung auf den Kaltkopf schaltbar ist,
und wobei die Verbindungseinrichtung in einen ersten Leitungszweig und einen zweiten Leitungszweig verzweigt.
Ein solches Pulsrohr-Kühlersystem ist aus der DE 10 2005 004 269 A1 bekannt geworden.
Kernspinresonanz(=NMR)-Apparaturen, insbesondere NMR-Spektrometer und NMR-Tomographen, benötigen starke Magnetfelder, die oftmals mittels supraleitender Magnetspulen erzeugt werden. Die supraleitenden Magnetspulen müssen auf einer kryogenen Temperatur betrieben werden. Um die Betriebstemperatur langfristig aufrecht zu erhalten, werden häufig so genannte Pulsrohrkühler eingesetzt.
Der Pulsrohrkühler basiert auf einer periodische Druckschwankung in einem so genannten Kaltkopf. Ein Steuerventil schaltet dafür abwechselnd ein Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir eines Arbeitsgases auf den Kaltkopf; typischerweise liegt die Umschaltfrequenz des Steuerventils bei ca. 1– 2 Hz. Das Hochdruck- und Niederdruckreservoir werden über einen Kompressor für das Arbeitsgas beschickt. Der Kaltkopf ragt in den Kryostaten der NMR-Apparatur und ist am Kryostaten befestigt.
Die NMR-Messungen können durch mechanische Vibrationen der NMR-Apparatur, die insbesondere über den Kaltkopf eingebracht werden, gestört werden.
Aus der DE 10 2005 035 892 B4 ist es bekannt geworden, in der Hochdruckleitung, die den Kompressor mit einem Hochdruckreservoir verbindet, sowie in der Niederdruckleitung, die den Kompressor mit einem Niederdruckreservoir verbindet, jeweils einen flexiblen Leitungsabschnitt vorzusehen, Die Druckreservoirs, das Steuerventil, der Kaltkopf und der Kryostat bilden zusammen ein schwingungsisoliertes System. Das Steuerventil ist mechanisch starr mit dem Kryostaten verbunden. Bei dieser Bauform wird sowohl die Übertragung von Vibrationen des Kompressors auf den Kaltkopf als auch die Störung durch die Druckpulse minimiert. Störungen, die im Steuerventil, in der Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf oder im Kaltkopf selbst entstehen, werden bei dieser Bauform nicht vom Kryostaten isoliert.
Niederfrequente Vibrationen können auch von den Druckschwankungen des Arbeitsgases mit der Frequenz von etwa 1–2 Hz in einer Verbindungsleitung zwischen dem umschaltbaren Steuerventil und dem Kaltkopf verursacht werden.
Aus der DE 10 2005 004 269 A1 ist ein Pulsrohrkühler-System bekannt, wobei das Steuerventil nicht starr an den Kaltkopf und den Kryostaten gekoppelt ist. Eine Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf verzweigt auf zwei Leitungsabschnitte, die so zusammengeführt sind, dass sich Druckimpulse vektoriell kompensieren. Die Leitungsabschnitte führen an gegenüberliegenden Seiten in den Kaltkopf hinein, wobei die vorderen Teile der beiden Leitungsabschnitte auf einer Linie liegen.
Vom Steuerventil eines Pulsrohrkühlers gehen aufgrund der Umschaltmechanik (zum Beispiel einer Drehmechanik mit Elektromotor) hochfrequente mechanische Vibrationen (typischerweise mit einigen hundert Hz oder mehr) aus. Um diese nicht auf den Kaltkopf zu übertragen, kann die Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf flexibel ausgestaltet werden; in der Regel ist dafür eine Länge von ca. 50 cm oder mehr nötig.
Wenn die zum Kaltkopf führende Verbindungsleitung verzweigt würde, und die am Kaltkopf angeschlossenen Leitungsabschnitte flexibel ausgebildet und gegenüberliegend auf einer Linie angeordnet würden, könnten zwar mechanische Vibrationen am Kaltkopf gut vermieden werden, jedoch wäre die Baugröße der verzweigten Verbindungsleitung (Verbindungseinrichtung) sehr ausladend und für viele Anwendungen nicht mehr kompakt genug.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pulsrohrkühler-System vorzustellen, bei dem sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils als auch niederfrequente Vibrationen durch Druckschwankungen in einer Verbindungseinrichtung zwischen Steuerventil und Kaltkopf in einer kompakten Bauform unterdrückt werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Pulsrohrkühler-System der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass der erste Leitungszweig einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt und der zweite Leitungszweig einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt aufweist, dass die flexiblen Leitungsabschnitte parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte gegeneinander versetzt sind,
dass die Verbindungseinrichtung bezüglich der Längsrichtung einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich aufweist, wobei die flexiblen Leitungsabschnitte jeweils ein vorderes Abschnittsende im vorderen Bereich und ein hinteres Abschnittsende im hinteren Bereich aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr miteinander verbunden sind,
dass das hintere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr miteinander verbunden sind,
und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf gibt.
Bei der erfindungsgemäßen Bauform des Pulsrohr-Kühlersystems wird das Steuerventil über eine besondere Verbindungseinrichtung mit dem Kaltkopf verbunden, mit der sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils isoliert werden können als auch niederfrequente Vibrationen aufgrund der Druckschwankungen in der Verbindungseinrichtung auf geringem Raum kompensiert werden können.
Um hochfrequente Vibrationen vom Steuerventil nicht auf den Kaltkopf zu übertragen, wird auf eine durchgehende, starre Verbindung zwischen Steuerventil und Kaltkopf verzichtet. Die Verbindung zwischen Steuerventil und Kaltkopf erfolgt lediglich unter Beteiligung eines der flexiblen Leitungsabschnitte oder auch beider flexibler Leitungsabschnitte, wodurch die hochfrequenten Vibrationen des Steuerventils isoliert werden. In der Regel genügt eine Länge von 50 cm oder mehr eines flexiblen Leitungsabschnitts für eine ausreichende Isolation der hochfrequenten Vibrationen. Bevorzugt sind die flexiblen Leitungsabschnitte so ausgebildet (insbesondere hinsichtlich Leitungsmaterial und Länge), dass die hochfrequenten Vibrationen des Steuerventils (beispielsweise mit 500 Hz und mehr) um wenigstens einen Faktor 100 abgeschwächt werden.
Zum anderen werden die zwei flexiblen Leitungsabschnitte dazu eingesetzt, als Reaktion auf die Druckschwankungen des Arbeitsgases in der Verbindungseinrichtung im Wesentlichen gegenläufige mechanische Kräfte zu erzeugen. Die flexiblen Leitungsabschnitte sind infolge der Verzweigung der Verbindungseinrichtung so angeschlossen, dass sie beide denselben Druckschwankungen (wie vom Steuerventil geschaltet) des Arbeitsgases unterliegen, und sie entsprechend gleichzeitig (synchron) gemäß dem momentanen Druck des Arbeitsgases entgegengesetzte longitudinale Kontraktions- und/oder Expansionskräfte hervorrufen. Wenigstens einer der flexiblen Leitungsabschnitte muss vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sein.
Die beiden flexiblen Leitungsabschnitte sind parallel zueinander und quer zur Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte gegeneinander versetzt („nebeneinander”) angeordnet, typischerweise ohne oder nur mit geringem Versatz in Längsrichtung (z. B. mit einem Versatz von maximal der Hälfte der Länge eines flexiblen Leitungsabschnitts). Dadurch, dass die flexiblen Leitungsabschnitte nicht auf einer Linie liegen, kann der Platzbedarf deutlich verringert werden. Man beachte, dass die beiden flexiblen Leitungsabschnitte im Allgemeinen gerade verlaufen. Im Rahmen der Erfindung werden die beiden Leitungszweige (mit ihren teilweise starren Leitungsabschnitten und den beiden flexiblen Leitungsabschnitten) und gegebenenfalls mechanische Gestänge sozusagen „zusammengefaltet”, typischerweise wobei einige starre Leitungsabschnitte und/oder Gestänge parallel zu und seitlich neben den flexiblen Leitungsabschnitten verlaufen.
Um die gegenläufigen mechanischen Kräfte bei den Druckschwankungen zu erhalten, sind die vorderen und hinteren Abschnittsenden der beiden flexiblen Leitungsabschnitte „über Kreuz” miteinander starr mechanisch verbunden; hierfür können starre Leitungsabschnitte (die Arbeitsgas führen) oder auch starre Gestänge (die kein Arbeitsgas führen) eingesetzt werden.
Eine Längenexpansion des ersten flexiblen Leitungsabschnitts in Längsrichtung wäre über die starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit einer Längenkompression des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts verbunden. In analoger Weise wäre eine Längenexpansion des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts über die starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit einer Längenkompression des ersten flexiblen Leitungsabschnitts verbunden. Wenn nun beide flexible Leitungsabschnitte beispielsweise versuchen, aufgrund einer gleichzeitigen Druckerhöhung des Arbeitsgases zu expandieren, so blockieren sie sich dabei gegenseitig. Entsprechend blockieren sich die beiden flexiblen Leitungsabschnitte auch gegenseitig, wenn sie sich aufgrund einer gleichzeitigen Druckabsenkung des Arbeitsgases beide versuchen zusammenzuziehen. Dadurch ist eine effektive, passive Kompensation der niederfrequenten Vibrationen aufgrund von synchronen Druckschwankungen des Arbeitsgases in beiden Zweigen der Verbindungseinrichtung eingerichtet.
Die Synchronität der Druckverläufe in beiden Zweigen der Verbindungseinrichtung wird dadurch gewährleistet, dass die Frequenz der zu kompensierenden Druckpulse klein ist gegen das Verhältnis aus Länge der durchströmten Leitungsabschnitte zur Schallgeschwindigkeit im Arbeitsgas.
Die durch die beiden flexiblen Leitungsabschnitte bewirkten Kräfte können leicht betragsmäßig gleich eingerichtet werden, so dass es keine Nettokraft auf den Kaltkopf (bzw. das gesamte gekühlte Magnetsystem einer Magnetresonanzapparatur) gibt, insbesondere durch Verwendung baugleicher flexibler Leitungsabschnitte. Allerdings verbleibt aufgrund des Querversatzes der flexiblen Leitungsabschnitte stets ein gewisses Drehmoment auf den Kaltkopf. Um dieses möglichst gering zu halten, werden die flexiblen Leitungsabschnitte bevorzugt möglichst eng benachbart nebeneinander angeordnet.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems ist vorgesehen, dass das vordere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr mit dem Kaltkopf verbunden sind, und/oder dass das hintere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr mit dem Steuerventil verbunden sind. Die in dieser Ausführungsform vorgesehenen starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit dem Steuerventil und dem Kaltkopf sind aufgrund der im Wesentlichen expansions- und kontraktionsfreien Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung bezüglich der niederfrequenten Vibrationen unkritisch. Die besagten starren Verbindungen können insbesondere über starre Leitungsabschnitte („Rohrstücke”) eingerichtet werden, durch die das Arbeitsgas geleitet werden kann.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Steuerventil als ein Drehventil ausgebildet ist. Mit einem Drehventil ist die periodische Umschaltung zwischen Hochdruckreservoir und Niederdruckreservoir besonders einfach. Die von einem typischen motorischen Antrieb eines Drehventils erzeugten hochfrequenten Schwingungen können über einen flexiblen Leitungsabschnitt, etwa aus metallischem Wellschlauch, gut isoliert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die starren Verbindungen der Abschnittsenden teilweise oder vollständig durch starre Leitungsabschnitte eingerichtet sind, durch die das Arbeitsgas strömen kann. Dadurch haben die starren Verbindungen zwischen den Abschnittsenden eine Doppelfunktion zur Vibrationskompensation und für den Transport des Arbeitsgases. Zusätzliche Gestänge sind nicht erforderlich.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems sieht vor, dass beide Leitungszweige von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform nehmen beide Leitungszweige am Gasfluss zwischen Steuerventil und Kaltkopf teil, wodurch der Strömungswiderstand für das Arbeitsgas gering gehalten wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die beiden Leitungszweige so ausgebildet, dass sie den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen. Dies kann insbesondere durch einen symmetrischen Aufbau der Zweige eingerichtet werden. Bei dieser Bauform ist die Kompensationswirkung besonders hoch. Alternativ kann auch ein ungleicher Strömungswiderstand der beiden Leitungszweige eingerichtet sein, was oft baulich einfacher einzurichten ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist nur einer der beiden Leitungszweige von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet. Dadurch werden Totvolumina (die den Wirkungsgrad des Pulsrohrkühler-Systems verschlechtern können) reduziert. Auch ermöglicht dies in vielen Fällen bauliche Vereinfachungen; insbesondere sind weniger starre Leitungsabschnitte (Rohrstücke) nötig. Man beachte, dass jedoch auch in dieser Ausführungsform beide Leitungszweige bzw. beide flexiblen Leitungsabschnitte für das Arbeitsgas des Hochdruckreservoirs und des Niederdruckreservoirs (entsprechend dem Schaltzustand des Steuerventils) zugänglich sind.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der einer der Leitungszweige an einem der Abschnittsenden von dessen flexiblem Leitungsabschnitt blockiert ist. Dies ist baulich sehr einfach zu realisieren.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die flexiblen Leitungsabschnitte als metallische Wellschläuche ausgebildet sind. Diese haben sich für die Isolation von hochfrequenten Vibrationen in der Praxis bewährt, insbesondere bezüglich langer Haltbarkeit, und sind kostengünstig kommerziell erhältlich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die flexiblen Leitungsabschnitte baugleich ausgebildet. Die flexiblen Leitungsabschnitte der beiden Leitungszweige sind insbesondere gleich lang, mit gleichem Durchmesser und gleichem Material ausgebildet. Dadurch können die in beiden Leitungsabschnitten durch Druckschwankungen erzeugten Kräfte auf einfache Weise betragsmäßig näherungsweise gleich eingerichtet werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Verbindungseinrichtung so angeordnet ist, dass die Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte horizontal verläuft. Bei dieser Bauform (und bei der üblichen vertikalen Anordnung des Kaltkopfs im Kryostaten) ist das durch die Verbindungseinrichtung in den Kaltkopf eingebrachte Rest-Drehmoment günstig orientierbar, so dass es versucht, den Kaltkopf um seine vertikale Achse zu drehen; hierfür werden die flexiblen Leitungsabschnitte in einer Ebene horizontal nebeneinander angeordnet. Ein solches Drehmoment zieht den Kaltkopf nicht gegen eine Wand im Kryostaten; ein „Scheppern” wird vermieden.
Bei einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform ist die Verbindungseinrichtung so angeordnet, dass die Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte vertikal verläuft. Dies kann besonders platzsparend eingerichtet werden.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der am Kaltkopf ein Gegengewicht angeordnet ist, mit dem ein durch das Gewicht der Verbindungseinrichtung bewirktes Drehmoment auf den Kaltkopf kompensiert ist. Dadurch kann der Kaltkopf besonders einfach in seiner Sollorientierung an bzw. in einem Kryostaten gehalten werden.
Bauform mit geschachtelten Leitungszweigen
Die obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Pulsrohrkühler-System der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass der erste Leitungszweig einen flexiblen Leitungsabschnitt und der zweite Leitungszweig einen flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt aufweist,
wobei der flexible Leitungsabschnitt entlang einer Längsrichtung verläuft und koaxial im flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt angeordnet ist,
dass die Verbindungseinrichtung bezüglich der Längsrichtung einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich aufweist, wobei der flexible Leitungsabschnitt und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt jeweils ein vorderes Abschnittsende im vorderen Bereich und ein hinteres Abschnittsende im hinteren Bereich aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr miteinander verbunden sind,
dass das hintere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr miteinander verbunden sind,
und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf gibt. Bei dieser Bauform blockieren der flexible Leitungsabschnitt einerseits und der der flexible, rohrförmige Abschnitt andererseits sich gegenseitig bezüglich einer Längenexpansion oder Längenkompression aufgrund der synchronen, niederfrequenten Druckschwankungen in beiden Leitungszweigen. Dieses Blockieren wird durch die starren Verbindungen der vorderen und hinteren Abschnittsenden „über Kreuz” erreicht, in gleicher Weise wie in der zuerst vorgestellten Bauform mit zwei flexiblen Leitungsabschnitten. Die starren Verbindungen werden typischerweise durch einen inneren und einen äußeren, starren Rohrabschnitt eingerichtet; diese Rohrabschnitte begrenzen bevorzugt auch den zweiten Leitungszweig. Eine Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf erfolgt nicht mechanisch starr, sondern lediglich über den flexiblen Verbindungsabschnitt und/oder den flexiblen, rohrförmigen Abschnitt, wodurch hochfrequente Schwingungen des Steuerventils isoliert werden. Durch die konzentrische, geschachtelte Anordnung von flexiblem Leitungsabschnitt und flexiblem, rohrförmigen Abschnitt kann ein Einbringen eines Drehmoments auf den Kaltkopf aufgrund von Druckschwankungen des Arbeitsgases praktisch vollständig verhindert werden; zudem wird ein kompakter Bau erreicht. Man beachte, dass Ausführungsformen zur zuerst vorgestellten Bauform, soweit sie nicht die beiden flexiblen Leitungsabschnitte weiterbilden, auch auf diese zweite Bauform mit flexiblem Leitungsabschnitt und flexiblem, rohrförmigem Wandabschnitt angewandt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Pulsrohrkühler-System sieht vor, dass das vordere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr mit dem Kaltkopf verbunden sind, und/oder dass das hintere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr mit dem Steuerventil verbunden sind. Die in dieser Ausführungsform vorgesehenen starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit dem Steuerventil und dem Kaltkopf sind aufgrund der im Wesentlichen expansions- und kontraktionsfreien Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung bezüglich der niederfrequenten Vibrationen unkritisch.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der flexible Leitungsabschnitt und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt jeweils mit einem metallischen Wellschlauch ausgebildet sind, und dass die Federraten der beiden Wellschläuche so ausgebildet sind, dass bei gleicher Druckbeaufschlagung mit Arbeitsgas im ersten und zweiten Leitungszweig die beiden Wellschläuche betragsgleiche Kräfte in Längsrichtung erzeugen. Dadurch kann eine praktisch vollständige Kompensation der Längenexpansion bzw. Längenkompression der Verbindungseinrichtung erreicht werden.
Weiterhin ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der lediglich der erste Leitungszweig vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist. Dies vereinfacht den Aufbau; Totvolumina werden reduziert. Man beachte, dass allgemein wenigstens einer der Leitungszweige für das Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist, so dass Arbeitsgas zum und vom Kühlkopf befördert werden kann, und weiterhin allgemein und daher auch in dieser Ausführungsform beide Leitungszweige für das Arbeitsgas zugänglich sind, so dass beide Leitungszweige an der Expansions- und Kompressionskompensation teilnehmen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Leitungszweig einen inneren Ringraum zwischen der Außenseite des flexiblen Leitungsabschnitts und einem inneren, starren Rohrabschnitt und einen äußeren Ringraum zwischen dem flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt und einem äußeren, starren Rohrabschnitt umfasst. Hier wird der flexible Leitungsabschnitt des ersten Leitungszweigs gleichzeitig zur Begrenzung des zweiten Leitungszweigs eingesetzt, was die Anzahl der benötigten Wandungen reduziert und außerdem eine starre Verbindung zwischen Steuerventil und Kaltkopf auf einfache Weise vermeidet.
Erfindungsgemäße Magnetresonanzanordnung
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Magnetresonanzanordnung, insbesondere NMR-Spektrometer-Anordnung oder NMR-Tomographie-Anordnung, umfassend ein erfindungsgemäßes, oben beschriebenes Pulsrohrkühler-System. Die Magnetresonanzanordnung ist besonders störungsarm und daher für hochauflösende Messungen besonders gut geeignet. Eine Magnetresonanzanordnung umfasst typischerweise zumindest einen Magneten, der in der Regel supraleitend ausgebildet und in einem Kryostaten angeordnet ist, weiterhin Hochfrequenzkomponenten, etwa HF-Spulen in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten, und eine Probenposition für eine zu vermessende Probe.
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.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, angeordnet an einem Kryostaten eines NMR-Spektrometers, mit horizontal angeordneter Verbindungseinrichtung;
2 eine schematische Aufsicht auf das Pulsrohrkühler-System von 1, mit einem geraden Leitungszweig und einem meandrierenden Leitungszweig;
3 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, mit zwei meandrierenden Leitungszweigen;
4 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, mit einem durchströmbaren Leitungszweig und einem nicht durchströmbaren Leitungszweig;
5 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, angeordnet an einem Kryostaten eines MNR-Spektrometers, mit vertikal angeordneter Verbindungseinrichtung;
6 eine schematische Seitenansicht des Pulsrohrkühler-Systems von 5, um 90° gegenüber der Ansicht von 5 gedreht, mit zwei meandrierenden Leitungszweigen;
7 eine schematische Außenansicht eines metallischen Wellschlauchs für die Erfindung;
8 eine schematische Schnittdarstellung eines Drehventils für die Erfindung, geschaltet auf das Hochdruckreservoir;
9 die Schnittdarstellung des Drehventils von 8, geschaltet auf das Niederdruckreservoir;
10 eine schematische Querschnittsansicht des Kryostaten des NMR-Spektrometers von 1;
11 eine schematische, teilweise geschnittene Aufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, in der die Komponenten der Verbindungseinrichtung konzentrisch angeordnet sind.
Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 10. Das Pulsrohrkühler-System 10 dient dazu, ein Kühlmedium (etwa flüssiges Helium) in einem Kryostaten 1 auf einer kryogenen Temperatur (bei flüssigem He-4 ca. 4,2 K) zu halten. Das Kühlmedium im Kryostaten 1 temperiert eine supraleitende Magnetspule, die für eine NMR-Messung ein Magnetfeld erzeugt (vgl. dazu 10).
Um die NMR-Messung möglichst wenig zu stören, ist das Pulsrohrkühler-System 10 mit einem Steuerventil 3, hier einem Drehventil, ausgestattet, das räumlich getrennt von einem Kaltkopf 2 angeordnet ist.
Das Steuerventil 3 schaltet abwechselnd mit einer Frequenz von ca. 1–2 Hz ein Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir (vgl. dazu 8 und 9) eines Arbeitsgases, meist Helium-4, auf den Kaltkopf 2, der am Kryostaten 1 befestigt ist.
Das Steuerventil 3 ist über eine horizontal angeordnete Verbindungseinrichtung 4 mit dem Kaltkopf verbunden, wobei durch die Verbindungseinrichtung 4 das Arbeitsgas vom Steuerventil 3 zum Kaltkopf strömen kann und umgekehrt.
Am Kaltkopf 2 ist ein Gegengewicht 5 angeordnet, durch das das Drehmoment, das das Eigengewicht der Verbindungseinrichtung 4 am Kaltkopf 2 bewirkt, ausgeglichen wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das Steuerventil 3 auf einer Halterung 9 gehalten, um das Steuerventil 3 auf der gleichen Höhe wie den Kaltkopf 2 zu positionieren.
In 2 in Aufsicht kann der Aufbau insbesondere der Verbindungseinrichtung 4 des Pulsrohrkühler-Systems 10 besser ersehen werden.
Die Verbindungseinrichtung 4 ist mit einem starren Leitungsabschnitt („Rohrstück”) 13 mit dem Steuerventil 3 verbunden. Dieser starre Leitungsabschnitt 13 verzweigt an einem Verzweigungspunkt 14 auf einen ersten, hier gerade (direkt) verlaufenden Leitungszweig 11 und einen zweiten, hier meandrierend („zusammengefaltet”) verlaufenden Leitungszweig 12. An einem Vereinigungspunkt 15 werden die Leitungszweige 11, 12 wieder zusammengeführt und sind über einen starren Leitungsabschnitt 16 mit dem Kaltkopf 2 verbunden.
Der erste Leitungszweig 11 enthält einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt 4a, und der zweite Leitungszweig 12 enthält einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt 4b. Die beiden flexiblen Leitungsabschnitte („Schlauchstücke”) 4a, 4b verlaufen parallel zueinander entlang einer Längsrichtung LR; die Längsrichtung LR verläuft hier horizontal.
Die flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b weisen jeweils in einem vorderen Bereich VB, der hier dem Kaltkopf 2 nahe ist, jeweils ein vorderes Abschnittsende 17, 18 auf, und in einem hinteren Bereich HB, der hier dem Steuerventil 3 nahe ist, jeweils ein hinteres Abschnittsende 19, 20 auf.
Das vordere Abschnittsende 17 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a ist über einen kurzen, starren Leitungsabschnitt 21 und das hintere Abschnittsende 20 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist mit einem längeren, verwinkelten, starren Leitungsabschnitt 22 mit dem Vereinigungspunkt 15 verbunden. Damit sind auch die Abschnittsenden 17, 20 über die starren Leitungsabschnitte 21, 22 mechanisch starr miteinander verbunden.
Das vordere Abschnittsende 18 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist über einen längeren, verwinkelten starren Leitungsabschnitt 23 und das hintere Abschnittsende 19 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a ist mit einem kurzen, geraden, starren Leitungsabschnitt 24 mit dem Verzweigungspunkt 14 verbunden. Damit sind auch die Abschnittsenden 18, 19 über die starren Leitungsabschnitte 23, 24 mechanisch starr miteinander verbunden.
Schaltet nun das Steuerventil 3 einen hohen Druck auf die beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b, so versuchen sich diese in Längsrichtung LR auszudehnen. Der erste flexible Leitungsabschnitt 4a versucht dabei, die Punkte 14, 15 über die starren Leitungsabschnitte 21, 24 auseinanderzudrücken. Hingegen versucht der zweite flexible Leitungsabschnitt 4b, die Punkte 14, 15 über die starren Verbindungsabschnitte 22, 23 zusammenzudrücken. Im Ergebnis gibt es näherungsweise keine relative Bewegung zwischen den Punkten 14, 15 durch die Druckerhöhung.
Schaltet hingegen das Steuerventil 3 einen niedrigen Druck auf die beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b, so versuchen sich diese in Längsrichtung LR zu verkürzen. Der erste flexible Leitungsabschnitt 4a versucht dabei, die Punkte 14, 15 über die starren Leitungsabschnitte 21, 24 zusammenzuziehen. Hingegen versucht der zweite flexible Leitungsabschnitt 4b, die Punkte 14, 15 über die starren Verbindungsabschnitte 22, 23 auseinanderzuziehen. Im Ergebnis gibt es wiederum näherungsweise keine relative Bewegung zwischen den Punkten 14, 15 durch die Druckerniedrigung.
Die Expansions- bzw. Kontraktionskräfte der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b bei Druckschwankungen kompensieren sich somit gegenseitig. Da die flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b baugleich sind, insbesondere sind Länge und Querschnitt gleich, ist diese Kompensation näherungsweise vollständig und es kommt (näherungsweise) zu keinen Längenänderungen. Allerdings ist der zweite Leitungszweig 12 um den Abstand x quer zur Längsrichtung LR gegenüber dem ersten Leitungszweig 11 versetzt, was zur Einbringung eines Drehmoments auf den Kaltkopf 2 führen kann, welches diesen um seine Längsachse LA (die senkrecht zur Zeichenebene in 2 verläuft) zu drehen versucht. Der (horizontale) Abstand x wird daher in der Praxis meist so klein wie möglich gewählt. Man beachte, dass in einer Variante der gezeigten Ausführungsform die flexiblen Leitungsabschnitte auch übereinander angeordnet werden können; in diesem Fall ergäbe sich durch den (vertikalen) Abstand der flexiblen Leitungsabschnitte ein Kippmoment auf den Kaltkopf.
Man beachte weiterhin, dass zwischen dem Steuerventil 3 und dem Kaltkopf 2 keine durchgehende starre Verbindung besteht. Die Leitungsverbindung In beiden Zweigen 11, 12 erfolgt jeweils über Vermittlung eines der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b. Dadurch können am Steuerventil 3 auftretende hochfrequente Schwingungen (insbesondere verursacht durch einen motorischen Antrieb eines Drehkörpers) vom Kaltkopf 2 ferngehalten werden, Man beachte, dass für diese Isolationsfunktion eine gewisse Mindestlänge der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b nötig ist, typischerweise 50 cm oder mehr, wodurch auch der horizontale Mindestabstand des Steuerventils 3 vom Kaltkopf 2 in dieser Ausführungsform bestimmt wird.
In der gezeigten Ausführungsform kann Arbeitsgas durch beide Leitungszweige 11, 12 hindurch fließen. Allerdings ist der zweite Leitungszweig 12 ca. dreimal so lang wie der erste Leitungszweig 11 und hat einen entsprechend höheren Strömungswiderstand, so dass deutlich mehr Arbeitsgas durch den ersten Leitungszweig 11 fließt als durch den zweiten Leitungszweig 12.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 10, ähnlich zu dem in 2 gezeigten Pulsrohrkühler-System gezeigt. Es werden vor allem die Unterschiede zu 2 erläutert.
In dieser Ausführungsform sind beide Leitungszweige 11, 12 der Verbindungseinrichtung 4 meandrierend ausgebildet. Beide Leitungszweige 11, 12 sind vom Arbeitsgas durchströmbar und enthalten jeweils einen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b. Die Abschnittsenden 17, 20 einerseits und 18, 19 andererseits sind wiederum über starre Leitungsabschnitte 21, 22 und 23, 24 starr mechanisch miteinander verbunden. Diese mechanisch starre Verbindung der Abschnittsenden 17, 18, 19 20 „über Kreuz” ermöglicht die Kompensation von durch Druckschwankungen bedingten Längenänderungen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wie bei 2 beschrieben.
Die beiden Leitungszweige 11, 12 sind hier insgesamt näherungsweise gleich lang und entsprechend mit näherungsweise gleichem Strömungswiderstand ausgebildet, so dass durch die beiden Leitungszweige 11, 12 näherungsweise gleich viel Arbeitsgas strömen kann.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 10, ähnlich zu dem Pulsrohrkühler-System von 2. Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform von 2 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform verzweigt die Verbindungseinrichtung 4 am Verzweigungspunkt 14 auf den durchströmbaren ersten Leitungszweig 11 mit dem ersten flexiblen Leitungselement 4a einerseits und den nicht durchströmbaren zweiten Leitungszweig 12 mit dem zweiten flexiblen Leitungselement 4b andererseits.
Das vordere Abschnittsende 18 des zweiten flexiblen Leitungselements 4b ist über die starren Leitungsabschnitte 23, 24 mit dem hinteren Abschnittsende 19 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a mechanisch starr verbunden. Das zweite flexible Leitungselement 4b nimmt über den starren Leitungsabschnitt 23 an Druckschwankungen des Arbeitsgases, wie vom Steuerventil 3 geschaltet, teil. Entsprechend versucht das zweite flexible Verbindungselement 4b auch, entsprechend dem anliegenden Druck des Arbeitsgases in Längsrichtung LR zu expandieren und zu kontrahieren.
Das hintere Abschnittsende 20 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist hier geschlossen ausgebildet und über ein starres Gestänge 25, durch das kein Arbeitsgas fließen kann, mit dem starren Leitungsabschnitt 21 starr verbunden, nämlich am Übergang 15a zum starren Leitungsabschnitt 16 zum Kaltkopf 2. Der verwinkelte, starre Leitungsabschnitt 21 führt wiederum zum vorderen Abschnittsende 17 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a. Damit sind die Abschnittsenden 17 und 20 mechanisch starr miteinander verbunden.
Diese mechanisch starre Verbindung der Abschnittsenden 17, 18, 19 20 „über Kreuz” ermöglicht wiederum die Kompensation der durch die Druckschwankungen des Arbeitsgases bedingten Längenänderungen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wie bei 2 beschrieben.
5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Pulsrohrkühler-System 10 ähnlich wie in 1 dargestellt. Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform von 1 erläutert.
Das Steuerventil 3 ist hier am Boden (oder alternativ in Bodennähe) angeordnet, während der Kaltkopf 2 an einem oberen Teil des Kryostaten 1 angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung 4 verläuft hier im Wesentlichen vertikal. Dadurch können die Verbindungseinrichtung 4 und das Steuerventil 3 in horizontaler Richtung näher an den Kryostaten 1 heranrücken als in der Ausführungsform von 1, wodurch der Gesamtaufbau kompakter wird.
Die 6 illustriert eine um 90° gedrehte Seitenansicht des Pulsrohr-Kühlersystems 10 von 5, Die Verbindungseinrichtung 4 ist wie in 3 gezeigt auf zwei Leitungszweige 11, 12 verzweigt, wobei die Abschnittsenden 17, 18, 19, 20 der beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wiederum „über Kreuz” miteinander mechanisch starr verbunden (und verrohrt) sind. Der vordere, kaltkopfnahe Bereich VB ist hier oben, und der hintere, steuerventilnahe Bereich HB ist hier unten angeordnet.
Die 7 zeigt in schematischer Außenansicht ein metallisches Wellrohr 70, mit dem ein flexibler Verbindungsabschnitt gemäß der Erfindung ausgebildet werden kann. Das Wellrohr 70 besitzt in Längsrichtung LR eine Abfolge von vielen Abschnitten mit kleinerem Durchmesser 71 und größerem Durchmesser 72. Dadurch kann das Wellrohr 70 relativ leicht elastisch in Längsrichtung LR gestreckt oder gestaucht werden, insbesondere bei Druckveränderungen im Inneren des Wellrohrs 70. Das metallische Wellrohr 70 kann insbesondere durch Verschweißen von metallischen Ringen oder Innenhochdruckumformen eines geraden Rohrstücks hergestellt werden.
8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Funktion eines als Drehventil 80 ausgebildeten Steuerventils für die Erfindung.
Das Drehventil 80 verfügt über einen Motor 7, mit dem ein Drehkörper 6 gedreht wird, typischerweise mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde. Der Drehkörper 6 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet, das an ein Hochdruckreservoir 81 (ca. 25 bar) eines Arbeitsgases angeschlossen ist; im Gehäuse 8 befindet sich in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls Arbeitsgas unter Hochdruck. Am Gehäuse 8 ist weiterhin ein Anschluss zu einem Niederdruckreservoir 82 (ca. 6 bar) des Arbeitsgases sowie ein Anschluss 83 zum Kaltkopf (bzw. zur Verbindungseinrichtung) eingerichtet. Man beachte, dass das Hochdruckreservoir 81 und das Niederdruckreservoir 82 typischerweise über metallische Wellschläuche angeschlossen sind.
In der in 8 gezeigten Drehstellung des Drehkörpers 6 ist ein Kanal 84 zwischen dem Anschluss 83 des Kaltkopfs und dem Inneren des Gehäuses 80, und damit zum Hochdruckreservoir 81, eröffnet. Ein Kanal 85 (gestrichelt eingezeichnet, da tatsächlich um 90° verdreht) zum Niederdruckreservoir 82 ist hingegen verschlossen.
In der in 9 gezeigten Drehstellung des Drehkörpers 6 ist nun der Kanal 85 zwischen dem Anschluss 83 des Kaltkopfs und dem Niederdruckreservoir 82 eröffnet. Hingegen ist der Kanal 84 (gestrichelt eingezeichnet, da tatsächlich um 90° verdreht) verschlossen.
Durch einen schnellen Wechsel zwischen den beiden gezeigten Drehstellungen des Drehventils 80 kann der Druck des Arbeitsgases im Kaltkopf abwechselnd erhöht und erniedrigt werden.
Die 10 zeigt eine Magnetresonanzanordnung 90, hier ein NMR-Spektrometer, an der ein erfindungsgemäßes Pulsrohrkühler-System eingesetzt werden kann.
In einem Kryostaten 1 ist eine supraleitende Magnetspule 91 angeordnet, die mit einem Kühlmittel (typischerweise ein flüssiges Gas wie LHe oder LN2, nicht dargestellt) auf einer kryogenen Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supralteiters in der Magnetspule 91 gehalten wird. Das Kühlmittel kann dabei von einem erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-System, das mit einem Kaltkopf in den Kryostaten 1 hineinragt (nicht dargestellt in 10, vgl. dazu aber 1 und 5), gekühlt werden. In einer Raumtemperaturbohrung 92 des Kryostaten 1 sind Hochfrequenz(=HF)-Komponenten 93 (z. B. HF-Sendespulen und HF-Empfangsspulen) angeordnet, die ein Probenvolumen 94 für eine zu vermessende Probe umschließen. Der Magnet 91 erzeugt im Probenvolumen 94 ein starkes homogenes Magnetfeld B₀, z. B. von 5 Tesla oder mehr, welches für die NMR-Messung benötigt wird.
Die 11 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 100, ähnlich wie in 2 dargestellt, wobei die Verbindungseinrichtung 110 geschnitten dargestellt ist. Es werden vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform von 2 erläutert. Die gasdurchströmten Volumina der Verbindungseinrichtung 110 sind in 11 schraffiert dargestellt.
Die hier bezüglich einer Zentralachse ZA im Wesentlichen rotationssymmetrische Verbindungseinrichtung 110 umfasst einen gerade verlaufenden, ersten Leitungszweig 101, der in der gezeigten Ausführungsform durch ein erstes starres Rohrstück 105, einen flexiblen Leitungsabschnitt 103, hier ausgebildet durch einen metallischen Wellschlauch, und ein zweites starres Rohrstück 106 ausgebildet ist. Der erste Leitungszweig 101 ist für Arbeitsgas direkt durchströmbar, das vom Steuerventil 3 zum Kaltkopf 2 und zurück fließt.
Die Verbindungseinrichtung 110 umfasst weiterhin einen verlaufenden, zweiten Leitungszweig 102, der in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen ausgebildet wird durch einen inneren Ringraum 111 und einen äußeren Ringraum 113; die Ringräume 111, 113 sind ineinander geschachtelt und koaxial (konzentrisch) bezüglich der Zentralachse ZA angeordnet.
Der innere Ringraum 111 wird radial innenseitig im Wesentlichen durch die starren Rohrstücke 105, 106 und den flexiblen Leitungsabschnitt 103, und außenseitig durch einen inneren, starren Rohrabschnitt 112 begrenzt. Der äußere Ringraum 113 wird radial innenseitig durch einen flexiblen, rohrförmigen Abschnitt 104, hier ausgebildet durch einen metallischen Wellschlauch, und außenseitig durch einen äußeren, starren Rohrabschnitt 114 begrenzt.
An hier zwei Durchlasslöchern 107 ist der innere Ringraum 111 mit dem ersten Leitungszweig 101 verbunden („Verzweigungspunkte” für das Arbeitsgas). Der äußere Ringraum 113 ist weiterhin durch einen ringförmigen Durchlass 108 für das Arbeitsgas mit dem inneren Ringraum 111 verbunden. Der zweite Leitungszweig 102 ist hier nicht für das Arbeitsgas durchströmbar, sondern endet nahe dem hinteren Abschnittsende 120 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 als „Sackgasse”.
Der flexible Leitungsabschnitt 103 und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt 104 sind ineinander geschachtelt und koaxial (konzentrisch) bezüglich der Zentralachse ZA angeordnet, und erstrecken sich im Wesentlichen entlang der zur Zentralachse ZA parallelen Längsrichtung LR von einem hinteren Bereich HB bis zu einem vorderen Bereich VB der Verbindungseinrichtung 110. Der vordere Endabschnitt 117 des flexiblen Leitungsabschnitts 103 ist hier über den Kaltkopf 2 und den äußeren starren Rohrabschnitt 114 starr mit dem hinteren Endabschnitt 120 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 verbunden. Weiterhin ist das vordere Abschnittsende 118 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 hier über den inneren, starren Rohrabschnitt 112, das Steuerventil 3 und das starre Rohrstück 105 starr mit dem hinteren Abschnittsende 119 des flexiblen Leitungsabschnitt 103 verbunden.
Der Wellschlauch des flexiblen Leitungsabschnitts 103 und der Wellschlauch des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 weisen aneinander angeglichene Federraten auf, so dass die (in beiden Leitungszweigen 101, 102 im Wesentlichen überall gleiche) auftretende Druckbeaufschlagung mit Arbeitsgas an beiden Wellschläuchen in Längsrichtung LR zu betragsgleicher Kraft und Gegenkraft an der Verbindungseinrichtung 110 bzw. zwischen dem Steuerventil 3 und dem Kaltkopf 2 führt. Dadurch kompensieren sich insgesamt die Expansions- und Kompressionskräfte des flexiblen Leitungsabschnitts 103 einerseits und des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 andererseits, wenn das Arbeitsgas im ersten und zweiten Leitungszweig 101, 102 synchronen Druckschwankungen ausgesetzt ist. In der gezeigten Ausführungsform weisen der flexible Leitungsabschnitt 103 und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt 104 in Längsrichtung LR dieselbe Länge auf; zur Anpassung der Federraten ist hier die Wandstärke des Wellschlauchs beim flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt 104 dünner gewählt als beim flexiblen Leitungsabschnitt 103 (nicht näher dargestellt). Man beachte, dass die Federraten (Federhärten) über verschiedene Faktoren eingestellt werden können, neben der Wandstärke in radialer Richtung beispielsweise auch über das Schlauchmaterial oder die Balggeometrie am jeweiligen Wellschlauch.
Durch die koaxiale (konzentrische) Anordnung der flexiblen Teile von erstem und zweitem Leitungszweig 101, 102 entfällt das kleine Restdrehmoment, das in der in 2 dargestellten Ausführungsform durch den Querversatz der Leitungen 4a und 4b hervorgerufen wird, zur Gänze.

Claims

Pulsrohrkühler-System (10), umfassend einen Kaltkopf (2), ein Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (4), wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung (4) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist, und wobei die Verbindungseinrichtung (4) in einen ersten Leitungszweig (11) und einen zweiten Leitungszweig (12) verzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (11) einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt (4a) und der zweite Leitungszweig (12) einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt (4b) aufweist, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) gegeneinander versetzt sind, dass die Verbindungseinrichtung (4) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) jeweils ein vorderes Abschnittsende (17, 18) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (19, 20) im hinteren Bereich (HB) aufweisen, dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt.
Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr mit dem Kaltkopf (2) verbunden sind, und/oder dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr mit dem Steuerventil (3) verbunden sind.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (3) als ein Drehventil (80) ausgebildet ist.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Verbindungen der Abschnittsenden (17–20) teilweise oder vollständig durch starre Leitungsabschnitte (21–24) eingerichtet sind, durch die das Arbeitsgas strömen kann.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leitungszweige (11, 12) von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sind.
Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungszweige (11, 12) so ausgebildet sind, dass sie den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen.
Pulsrohr-Kühlersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur einer der beiden Leitungszweige (11, 12) von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist.
Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Leitungszweige (11, 12) an einem der Abschnittsenden (17–20) von dessen flexiblem Leitungsabschnitt (4a, 4b) blockiert ist.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) als metallische Wellschläuche (70) ausgebildet sind.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) baugleich ausgebildet sind.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) so angeordnet ist, dass die Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) horizontal verläuft.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) so angeordnet ist, dass die Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) vertikal verläuft.
Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kaltkopf (2) ein Gegengewicht (5) angeordnet ist, mit dem ein durch das Gewicht der Verbindungseinrichtung (4) bewirktes Drehmoment auf den Kaltkopf (2) kompensiert ist.
Pulsrohrkühler-System (100), umfassend einen Kaltkopf (2), ein Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (110), wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung (110) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist, und wobei die Verbindungseinrichtung (110) in einen ersten Leitungszweig (101) und einen zweiten Leitungszweig (102) verzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (101) einen flexiblen Leitungsabschnitt (103) und der zweite Leitungszweig (102) einen flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt (104) aufweist, wobei der flexible Leitungsabschnitt (103) entlang einer Längsrichtung (LR) verläuft und koaxial im flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt (104) angeordnet ist, dass die Verbindungseinrichtung (110) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei der flexible Leitungsabschnitt (103) und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt (104) jeweils ein vorderes Abschnittsende (117, 118) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (119, 120) im hinteren Bereich (HB) aufweisen, dass das vordere Abschnittsende (117) des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und das hintere Abschnittsende (120) des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts (104) starr miteinander verbunden sind, dass das hintere Abschnittsende (119) des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und das vordere Abschnittsende (118) des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts (104) starr miteinander verbunden sind, und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt.
Pulsrohrkühler-System (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Abschnittsende (117) des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und das hintere Abschnittsende (120) des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts (104) starr mit dem Kaltkopf (2) verbunden sind, und/oder dass das hintere Abschnittsende (119) des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und das vordere Abschnittsende (118) des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts (104) starr mit dem Steuerventil (3) verbunden sind.
Pulsrohrkühler-System (100) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Leitungsabschnitt (103) und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt (104) jeweils mit einem metallischen Wellschlauch ausgebildet sind, und dass die Federraten der beiden Wellschläuche so ausgebildet sind, dass bei gleicher Druckbeaufschlagung mit Arbeitsgas im ersten und zweiten Leitungszweig (101, 102) die beiden Wellschläuche betragsgleiche Kräfte in Längsrichtung (LR) erzeugen.
Pulsrohrkühler-System (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der erste Leitungszweig (101) vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist.
Pulsrohrkühler-System (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitungszweig (102) einen inneren Ringraum (111) zwischen der Außenseite des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und einem inneren, starren Rohrabschnitt (112) und einen äußeren Ringraum (113) zwischen dem flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt (104) und einem äußeren, starren Rohrabschnitt (114) umfasst.
Magnetresonanzanordnung (90), insbesondere NMR-Spektrometer-Anordnung oder NMR-Tomographie-Anordnung, umfassend ein Pulsrohrkühler-System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.