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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Befestigen
einer Kühlmaschine und
einer Befestigungsvorrichtung hierfür, durch die eine Kühlstufe
der Kühlmaschine
abnehmbar an einem Kühlmittelbehälter befestigt
wird, der ein Kühlmittelgas
enthält,
das durch die Kühlstufe
eines Kühlsystems
kondensiert wird. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf ein Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und einer Befestigungsvorrichtung
dafür,
das bzw. die in geeigneter Weise anwendbar ist für ein Kühlsystem für Kühlleistungsausrüstung, die
Hochtemperatur-Supraleiter verwendet mit einer Vielzahl von Kühlmaschinen
und bei dem nur eine beschädigte
bzw. kaputte Kühlmaschine
austauschbar ist ohne den Betrieb des Kühlsystems zu unterbrechen,
d. h. ohne Anhalten des Betriebs der anderen ordnungsgemäß funktionierenden Kühlmaschinen
und wobei ein zu kühlendes
Objekt weiterhin gekühlt
werden kann.
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Ausgangspunkt
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Energie-
bzw. Leistungsanlagen, die Hochtemperatur-Supraleiter verwenden,
wie beispielsweise Generatoren, ein Motor, ein Spannungswandler und ähnliche
arbeiten bei einer Temperatur von ungefähr 30K. Da eine hohe Kühlkapazität notwendig
ist zum Kühlen
der Energieanlage, wird ein Kühlsystem mit
einer Vielzahl von (ungefähr
fünf) Gifford-McMahon
(GM) Kühlanlagen
oder Impulsrohrkühlanlagen (die
nachfolgend einfach als "Kühlanlagen" bezeichnet werden,
es sei denn eine genauere Bezeichnung ist notwendig) verwendet.
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Für einen
stabilen Betrieb der Leistungsanlage für eine lange Zeit muss auch
das Kühlsystem zum
Kühlen
der Anlage stabil für
einen langen Zeitraum arbeiten. Wenn sich die Kühlkapazität verringert in Folge der Verschlechterung
oder einem Zusammenbrechen der Kühlanlage,
die in dem Kühlsystem
instal liert ist, ist es demgemäß zweckmäßig, dass
die Kühlanlage
ausgetauscht werden kann.
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1 zeigt
eine Übersicht
eines herkömmlichen
Kühlsystems.
Das Kühlsystem
verwendet ein indirektes Kühlverfahren,
bei dem dann, wenn ein zu kühlendes
Objekt 10 (zum Beispiel eine Leistungsanlage, die Hochtemperatur-Supraleiter verwendet, zum
Beispiel ein Rotor eines Generators) auf ungefähr 30K gekühlt wird, wobei sich in diesem
Temperaturbereich Neon verflüssigt,
ein Neongas, das als ein Kühlmittelgas
eingesetzt wird, einmalig verflüssigt und
in einem Behälter 12 für flüssiges Neon
gehalten, und zwar zum Kühlen
eines Heliumgases, das in Rohren 20 durch das zu kühlende Objekt 10 zirkuliert.
Das durch die Rohre 20 zirkulierende Heliumgas wird durch
eine Heliumgaszirkulationspumpe 22 bei Umgebungstemperatur
ausgesandt und wird durch Wärmeaustausch
mit dem zurückkehrenden
Heliumgas gekühlt über einen
ersten Wärmetauscher 24. Dann
wird das Heliumgas ferner auf 30K in einem zweiten Wärmetauscher 26 gekühlt durch
das verflüssigte
Neon, das in dem Behälter 12 für verflüssigtes
Neon gehalten wird.
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Nachdem
Hindurchgehen durch einen dritten Wärmetauscher 28 zum
Kühlen
des zu kühlenden Objekts 10 tritt
das Heliumgas in den ersten Wärmetauscher 24 ein,
in dem sich die Temperatur auf Umgebungstemperatur erhöht und kehrt
dann zu der Zirkulationspumpe 22 zurück.
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Ein
Kryostat 30 des Kühlsystems
als ein Vakuumisolationsbehälter
ist mit Kühlanlagenbefestigungshülsen 32 versehen,
in die ein Zylinder 44 einer Vielzahl (zwei in der Zeichnung)
von Kühlanlagen 40 und 42 direkt
eingepasst ist, die vorgesehen sind, um eine hohe Kühlkapazität zu erhalten.
Obwohl die zwei Kühlanlagen
in der Zeichnung vorgesehen sind, ist die Anzahl der Kühlanlagen
veränderbar
auf eine oder mehr als drei.
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Ein
Kühlanlagenbefestigungsflansch 46 zum Befestigen
der Kühlanlagen 40 und 42 an
dem Kryostat 30 ist mit einem Dicht-O-Ring 48 versehen
um zu verhindern, dass Neongas nach außen leckt und um zu verhindern,
dass Luft nach innen gelangt. Der O-Ring ist in dem Flansch 46 der
Kühlanlage
in der Zeichnung vorgesehen, kann aber in dem Kryostat 30 vorgesehen
sein. Ein Abdichtglied ist nicht auf den O-Ring beschränkt, so
lange das Glied das Gas abdichten kann.
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Eine
Vielzahl von (zwei in der Zeichnung) Rohren 14, die in
dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon
vorgesehen sind, sind mit den Kühlmittelbefestigungshülsen 32 verbunden,
die darüber
angeordnet sind. Der Innendurchmesser des Rohres 14 interferiert
nicht mit der Zirkulation des Neongases.
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Da
das Neongas in dem Behälter 12 für verflüssigtes
Neon abgedichtet ist, verringert sich die Temperatur einer Tieftemperaturkühlstufe 50 der Kühlanlage
(eine zweite Kühlstufe,
die nachfolgend einfach als "Kühlstufe" bezeichnet wird)
auf eine Kondensationstemperatur (eine Verflüssigungstemperatur) von Neon,
wenn die Kühlanlage
arbeitet, so dass das Neongas kondensiert und in den darunter angeordneten
Behälter 12 tropft.
Ein Tieftemperaturteil von 30K, der sicher gegenüber Wärme isoliert ist, ist im Allgemeinen
innerhalb des Vakuumisolationsbehälters (dem Kryostat 30 in
der Zeichnung) angeordnet. Es sei vermerkt, dass das Vakuumabsaugsystem
in der Zeichnung weggelassen wurde.
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In
der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 52 einen Kompressor
der Kühlanlage.
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Nehmen
wir einen Fall an, bei dem sich die Kühlanlagen verschlechtern oder
aus irgendeinem Grund ausfallen. In diesem Fall kann bei einem herkömmlichen
Kühlsystem
die sich verschlechternde oder die ausgefallene Kühlanlage
nicht ausgetauscht werden ohne den Betrieb des Kühlsystems anzuhalten, um die
Temperatur des gesamten Kühlsystems zu
erhöhen.
Der Grund hierfür
liegt darin, dass dann, wenn die Kühlanlage zum Austausch unter
Betriebsbedingungen des Kühlsystems
abgenommen wird (die anderen normalen Kühlanlagen arbeiten ohne Wiedergewinnung
des Neongases weiter), Neongas aus dem offenen Behälter 12 zum
Abdichten des Neongases verloren geht (leckt) und Luft und Feuchtigkeit
in den Behälter 12 gelangen,
was die Temperatur erhöht,
so dass es unmöglich
wird weiter zu kühlen. Demgemäß wird bevor
die Kühlanlage
abgenommen wird das Kühlsystem
gestoppt, um das Neongas wiederzugewinnen (ein Neongaswiedergewinnungssystem
ist in 1 weggelassen) und die Temperatur des Systems
wird auf Umgebungstemperatur erhöht.
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Obwohl
in dem Japanischen Patent Nr. 3265139 und der Japanischen Offenlegungsschrift Nr.
Hei. 9-113048 ein Wärmeschalter
für eine
rasche Vorkühlung
zwischen einer Hochtemperaturkühlstufe und
einer Tieftemperaturkühlstufe
eines Kühlanlagenzylinders
vorgesehen ist zwischen einem zu kühlenden Objekt und einem Wärmeschild
zum Abdecken eines Tieftemperaturteils oder zwischen dem zu kühlenden
Objekt und der Kühlanlage,
besitzt das Kühlsystem
nur eine Kühlmaschine,
so dass niemals in Betracht gezogen wird, dass eine oder einige
der Vielzahl von Kühlmaschinen
abgenommen wird.
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Die Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist aufgebaut zum Lösen des vorhergehenden Problems
und ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Austausch
nur einer kaputten Kühlmaschine
zu ermöglichen
ohne den Betrieb eines Kühlsystems
zu unterbrechen (ohne die anderen ordnungsgemäß arbeitenden Kühlmaschinen
zu unterbrechen) und wobei die Kühlung
eines zu kühlenden
Objekts aufrecht erhalten wird, wenn sich die Kühlkapazität in einer der Kühlmaschinen,
die in dem Kühlsystem
installiert ist sich verringert in Folge einer Verschlechterung
oder eines Zusammenbrechens.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung so aufgebaut,
dass beim Befestigen einer Kühlmaschine
ein Wärmeleitglied
zwischen eine Kühlstufe
der Kühlmaschine
und einem Kühlmittelbehälter eingefügt wird,
das ein Kühlmittelgas
enthält,
das durch die Kühlstufe
eines Kühlsystems
kondensiert wird; und die Kühlstufe
wird in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel behälter gebracht, einem Heizrohr
oder einer Wärmeabschirmplatte,
und zwar über
ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, das in dem Wärmeleitglied
gehalten wird.
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Gemäß der Erfindung
kann das Wärmeleitglied
ein Trennglied sein zum Abtrennen der Kühlstufe von dem Kühlmittelbehälter.
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Bei
der Erfindung kann das Wärmeleitglied zwischen
die Kühlstufe
und das Heizrohr eingeführt werden.
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Gemäß der Erfindung
kann das Wärmeleitglied
zwischen die Kühlstufe
und der Wärmeabschirmplatte
eingeführt
werden.
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Gemäß der Erfindung
kann eine Temperatur des Metalls mit geringem Schmelzpunkt derart
gesteuert werden, dass sie konstant auf einer Schmelztemperatur
davon ist, und zwar während
des Austausches der Kühlmaschine.
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Gemäß der Erfindung
kann das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt Indium, Lötmaterial
mit niedrigem Schmelzpunkt oder Woods Metall (Wood's Metal) sein.
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Gemäß der Erfindung
kann die Kühlmaschine
eine GM-Kühlmaschine
oder ein Pulsröhrenkühler sein.
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Um
das obige Ziel zu erreichen ist die vorliegende Erfindung eine Befestigungsvorrichtung
für eine
Kühlmaschine
zum abnehmbaren Befestigen einer Kühlstufe der Kühlmaschine
an einem Kühlmittelbehälter eines
Kühlsystems
zum Halten eines Kühlmittelgases,
das durch die Kühlstufe
kondensiert wird und die Befestigungseinrichtung weist Folgendes auf:
Ein Wärmeleitglied
angeordnet zwischen der Kühlstufe
und dem Kühlmittelbehälter, dem
Heizrohr oder der Wärmeabschirmplatte;
und ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, das in dem Wärmeleitglied
gehalten wird, zum in thermischen Kontaktbringen der Kühlstufe
mit dem Kühlmittelbehälter.
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Gemäß der Erfindung
kann eine Kondensierlamelle in dem Wärmeleitglied auf einer Seite
des Kühlmittelbehälters oder
der Wärmeabschirmplatte vorgesehen
sein.
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Gemäß der Erfindung
kann die Befestigungsvorrichtung mit einem Rohr versehen sein zum Verbinden
einer Kühlmaschinenbefestigungshülse, die
die Kühlstufe,
das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt und das Wärmeleitglied enthält, und
zwar an dem Kühlmittelbehälter oder
der Wärmeabschirmplatte,
und das Rohr besitzt eine Länge
die ausreicht, um zu erlauben, dass Wärme durch eine Rohrwand und
ein Kühlmittelgas
geleitet wird.
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Gemäß der Erfindung
kann die Befestigungseinrichtung ferner Folgendes aufweisen: Einen Heizer
bzw. einer Heizeinrichtung zum Heizen des Trenngliedes; und einen
Temperatursensor zum Messen einer Temperatur des Wärmeleitgliedes.
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Gemäß der Erfindung
können
die Heizeinrichtung und der Temperatursensor abnehmbar sein.
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Gemäß der Erfindung
kann die Befestigungsvorrichtung ferner Temperatursteuermittel aufweisen
zum Halten einer Temperatur des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt
konstant auf einer Schmelztemperatur davon während des Austausches der Kühlmaschine.
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Die
vorliegende Erfindung liegt im Vorsehen einer Energieanlage mit
einer Kühlmaschine,
die durch die obige Befestigungseinrichtung befestigt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines herkömmlichen
Kühlsystems
zeigt;
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2 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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4 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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5 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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6 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
zeigt;
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7 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Konfiguration eines Kühlsystems
gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
zeigt.
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Die Beste
Art die Erfindung Auszuführen
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist in einem Kühlsystem, gemäß 2,
das ähnlich
zu dem Kühlsystem
gemäß 1 ist,
ein Kryostat 30 als ein Vakuumisolationsbehälter vorgesehen
mit einer Vielzahl von Kühlmaschinenbefestigungshülsen 32 (die
nachfolgend einfach als "Hülsen" bezeichnet werden)
in die ein Zylinder 44 jeder Kühlmaschine direkt eingepasst
ist. Eine Vielzahl von Rohren 14, die in einem Behälter 12 zum
Halten von verflüssigtem
Neon vorgesehen sind, sind mit den jeweiligen Hülsen 32, die darüber angeordnet
sind, verbunden. Die Hülse 32 ist
aus einem Material mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit
wie beispielsweise rostfreiem Stahl und ähnlichem hergestellt. Ein Trennglied 60 als
ein Wärmeleitglied,
das aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit
(zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung) hergestellt ist,
ist in einem unteren Teil der Hülse 32 angeordnet.
Eine Kondensierlamelle oder -rippe 60F ist an der Unterseite
des Trenngliedes 60 angeordnet. Die Kondensierlamelle 60F kann weggelassen
werden.
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Wenn
die Kühlmaschinen 40 und 42 in
die Hülsen 32 eingesetzt
sind, ist das Trennglied 60 derart angeordnet, dass eine
Kühlstufe 50 an
einem Ende der Kühlmaschine
in Kontakt damit kommt oder einen schmalen Spalt dazwischen lässt (es
wird bevorzugt, dass die Breite des Spalts unter 5 mm ist und insbesondere
gleich oder kleiner als 1 mm ist). Der Spalt, der in der Zeichnung
absichtlich groß dargestellt
ist, ist mit einer Ausnehmung 60U versehen, in die ein
Metall 62 mit einem niedrigen Schmelzpunkt (nachfolgend
beschrieben) aufgenommen ist. Das Trennglied 60 ist luftdicht
an der Hülse 32 befestigt
durch Hartlöten,
Schweißen,
Bonden bzw. Verkleben oder Schrauben.
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Das
Trennglied 60 umfasst ferner eine elektrische Heizeinrichtung 64 und
einen Temperatursensor 66.
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Eine
ordnungsgemäße Menge
des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt (zum Beispiel Indium, Lötmaterial
mit niedrigem Schmelzpunkt, Woods Metall, Quecksilber oder ähnliches)
ist in dem oberen Teil des Trenngliedes 60 angesammelt
(die Menge des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt ist
ausreichend dafür,
dass die Kühlstufe 50 an
dem Ende der Kühlmaschine
in befriedigender Weise gute Wärmeverbindungen
mit dem Trennglied 60 herstellt). Um gute Wärmeverbindungen
herzustellen ist es zweckmäßig, dass
die Oberseite des Trenngliedes 60 und die Oberfläche der
Kühlstufe 50 der
Kühlmaschine
vorab mit dem Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt plattiert
bzw. beschichtet sind.
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Beim
Zusammenbau des Kühlsystems
wird die elektrische Heizeinrichtung 64 erregt um das Trennglied 60 zu
erwärmen,
um das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen
und die Kühlmaschine 40, 42 wird
an dem geschmolzenen Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt
befestigt, so dass es möglich
ist eine gute Wärmeverbindung
zwischen dem Trennglied 60 und der Kühlmaschine 40, 42 zu erhalten.
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Der
Temperatursensor 66 wird verwendet zum Messen der Temperatur
um eine Überhitzung
zu verhindern, wenn die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das
Trennglied 60 erwärmt.
Es wird bevorzugt, dass eine Temperatursteuerung verwendet wird um
die Temperatur des Trenngliedes konstant auf einer Schmelztemperatur
des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu halten.
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Wenn
die Kühlmaschinen 40 und 42 befestigt
sind, ist es, da der Raum zwischen der Außenseite des Kühlmaschinenzylinders 44 und
der Innenseite der Hülse 32 mit
dem O-Ring 48 und ähnlichem abgedichtet
ist, um zu Verhindern, dass Luft durch den Kühlmittelbefestigungsflansch 46 hindurchgeht, unnötig den
Raum auf ein Vakuum zu evakuieren oder den Raum mit Heliumgas, Neongas
oder ähnlichem
zu füllen.
Natürlich
kann der Raum auf ein Vakuum evakuiert werden oder mit Gas gefüllt werden.
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Ein
unteres Ende jeder Hülse 32 ist
mit dem Behälter 12 für verflüssigtes
Neon verbunden, der mit dem Rohr 14 versehen ist, dessen
Größe nicht
mit der Zirkulation des Neongases, das zur Kühlung verwendet wird, interferiert.
Das Rohr 14 besitzt eine geeignete Länge in einer Vertikalrichtung,
um nicht übermäßige Wärme zu dem
darunter angeordneten Behälter 12 mit
verflüssigtem
Neon zu leiten (in der Länge,
Wärme die
durch eine Rohrwand und Gas in Längsrichtung
geleitet wird, fällt
unter einen erlaubbaren Wert), wenn das Trennglied auf die Schmelztemperatur
des Metalls 12 mit niedrigem Schmelzpunkt erwärmt wird,
um die Kühlmaschinen 40 und 42 zu
lösen.
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Der
Behälter 12 ist
mit Neongas gefüllt
(in einem Fall, bei dem das zu kühlende
Objekt 10 auf ungefähr
30K gekühlt
wird). Die Kühlstufe 50 der
Kühlmaschine
stellt sicher Wärmeverbindungen
zu dem Trennglied 60 her über das Metall 62 mit
niedrigem Schmelzpunkt (zum Beispiel beträgt der thermische Widerstand
zur Wärmeleitung
von ungefähr
100W nur 1K oder weniger).
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Wenn
der Betrieb der Kühlmaschine
die Temperatur des Trenngliedes 60 auf die Kondensationstemperatur
von Neongas absenkt, beginnt das Neongas sich zu verflüssigen und
von der Unterseite des Trenngliedes 60 (der Kondensierlamelle 60F)
abzutropfen. Das verflüssigte
und abgetropfte Neon wird durch Wärmeaustausch mit Heliumgas
zum Kühlen
der Energieanlage ver dampft und kehrt wieder zu der Unterseite des
Trenngliedes 60 zurück,
so dass das Neongas die Zirkulation von Verdampfung und Kondensation
wiederholt.
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Jede
der Vielzahl von installierten Kühlmaschinen 40 und 42 führt die
Wärmeleitung
(Kühlung) mittels
der Zirkulation von Neongas durch.
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Dieselben
Strukturen, die in 1 zu sehen sind, werden mit
den selben Bezugszeichen versehen und eine detaillierte Beschreibung
dieser Strukturen wird weggelassen.
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Nehmen
wir nunmehr einen Fall an, bei dem eine der Kühlmaschinen sich verschlechtert
oder aus irgendeinem Grund ausfällt.
Beim Stoppen des Betriebs der ausgefallenen Kühlmaschine stoppt die Kondensation
des Neongases, da die Kühlkapazität der Kühlmaschine
verloren geht. Dann erwärmt
die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das Trennglied 60,
um das Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen.
Der Temperatursensor 66 wird verwendet zum Messen der Temperatur,
um eine Überhitzung
zu verhindern, wenn die erregte elektrische Heizeinrichtung 64 das
Trennglied 60 erwärmt. Es
wird bevorzugt, dass die Temperatursteuerung verwendet wird, um
die Temperatur des Trenngliedes 60 konstant auf einer Schmelztemperatur
des Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt zu halten.
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Wenn
das Trennglied 60 auf die Schmelztemperatur des Metalls 62 mit
niedrigem Schmelzpunkt erwärmt
ist, besitzt das Rohr 14, das die Hülse 32 zum Installieren
der Kühlmaschine
an dem Behälter 12 für verflüssigtes
Neon verbindet eine ordnungsgemäße Länge, die
bewirkt, dass Wärme
die durch die Rohrwand und Gas geleitet wird unter einen erlaubbaren
Wert fällt,
so dass eine Größe der Wärmeleitung
zu dem Behälter 12 für verflüssigtes Neon
in einem erlaubbaren Maß bzw.
klein ist, und zwar selbst in diesem Zustand.
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Zu
diesem Zeitpunkt ist es, da die Temperatur der Kühlstufe 50 die verschlechterte
oder ausgefallene Kühlmaschine
auf die Schmelztemperatur des Metalls 62 mit niedrigem
Schmelzpunkt erhöht wird,
möglich
die Kühlmaschine
sofort zu lösen.
Ein oberer Bereich des Trenngliedes 60 ist wärmer als die
Umgebungstemperatur, so dass ein Problem einer Frost- oder Reifbildung
nicht auftritt.
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Nach
dem Einpassen einer ordnungsgemäß funktionierenden
Kühlmaschine
in die Hülse 32,
aus der die ausgefallene Kühlmaschine
gelöst
wurde, beginnt die Kühlmaschine
sofort zu arbeiten. Da die anderen korrekt funktionierenden Kühlmaschinen
in Betrieb gehalten wurden und Neongas verflüssigt haben, kann das zu kühlende Objekt 10 kontinuierlich
in einem gekühlten
Zustand auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
wurde eine Wärmeabschirmplatte
weggelassen, da Kühlmaschinen
mit relativ hoher Kühlkapazität verwendet wurden,
um die Leistungsanlage auf die relativ hohe Temperatur von 30K zu
kühlen.
Wenn es jedoch notwendig ist, kann dieselbe Struktur verwendet werden zum
Kühlen
der Wärmeabschirmplatte 70 wie
als zweites Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt ist die Hülse 32 zum
Installieren der Kühlmaschinen
mit einer Wärmeleitplatte 72 versehen
um noch weiter ein Stickstoffgas (oder ein Argongas) in einer Hochtemperaturstufe (die
nachfolgend als "eine
erste Stufe" bezeichnet wird) 54 der
Kühlmaschine
zu kondensieren und die Wärmeleitplatte 72 besitzt
ein Rohr 74, in dem Stickstoffgas in einem kondensierten
Zustand zirkuliert.
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Die
Wärmeleitplatte 72 ist
thermisch mit der ersten Stufe 54 der Kühlmaschine verbunden über das
Metall 62 mit niedrigem Schmelzpunkt. Eine Kondensierlamelle 72F zum
Fördern
der Kondensation des Stickstoffgases ist in dem Rohr 74 der
Wärmeleitplatte 72 vorgesehen.
Die Kondensierlamelle 72F kann weggelassen werden.
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Das
Rohr 74 zum Zirkulieren des Stickstoffgases in einem kondensierten
Zustand ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit
hergestellt (zum Beispiel rostfreiem Stahl und ähnlichem). Der Innendurchmesser
des Rohres 74 interferiert nicht mit der Zirkulation des
Stickstoffgases. Ein Behälter 76 für verflüssigten
Stickstoff zum Kühlen
der Wärmeabschirmplatte 70 ist
unter dem Rohr 74 vorgesehen (wenn es kein Problem gibt
ist es möglich
ein Rohr für
den Behälter 76 zu
substituieren, um das Stickstoffgas zu zirkulieren). Der Behälter 76 für verflüssigten
Stickstoff ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit
(es wird Kupfer oder eine Kupferlegierung bevorzugt) hergestellt. Der
Behälter 76 für verflüssigten
Stickstoff ist an der Wärmeabschirmplatte 70 befestigt
durch ein Verfahren mit ausreichend niedrigem thermischen Widerstand
(zum Beispiel Hartlöten,
Löten,
Bonden bzw. Kleben, Schrauben oder ähnlichem).
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Der
Behälter 76 mit
verflüssigtem
Stickstoff ist mit dem Stickstoffgas geladen. Eine Stickstoffgasversorgung-
(oder Wiedergewinnungs-) Einheit, die in der Zeichnung nicht dargestellt
ist, kann vorgesehen sein wenn dies notwendig ist.
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In
der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 78 eine elektrische
Heizeinrichtung für
die erste Kühlstufe 54 der
Kühlmaschine
und das Bezugszeichen 80 bezeichnet einen Temperatursensor
davon.
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Da
die anderen Strukturen der Teile mit denselben Bezugszeichen versehen
sind wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
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Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
kühlt der
durch die Wärmeleitplatte 72 kondensierte
Stickstoff die Wärmeabschirmplatte 70.
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Gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird
zusätzlich
zu dem Neongas die Wärmeabschirmplatte 70 durch
das Verfahren der vorliegenden Erfindung gekühlt.
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In
jedem der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele sind die Neongas-
und Stickstoffgasbehälter 12 und 76 mit
einer Vielzahl von (zwei) Kühlmaschinen 40 und 42 gekoppelt,
aber jede Kühlmaschine
kann einen unabhängigen
Behälter
besitzen. Zu diesem Zeitpunkt besitzt jeder Bereich, in dem die Kondensation
und Verdampfung wiederholt werden eine Struktur, die als ein Wärmerohr
bezeichnet wird.
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In
einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird das Wärmerohr verwendet für die Wärmeleitung
jeder Kühlmaschine
und dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein Bodenende jedes Wärmerohrs 82 mit
einem gemeinsamen Wärmeleitglied 84 verbunden
und ein darin verflüssigtes
Gas tauscht Wärme
mit einem Heliumgas aus, das durch die Rohre 20 zirkuliert.
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In
dieser Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 86 einen
Neongasversorgungs- und -wiedergewinnungstank. Im Allgemeinen ist
der Neongasversorgungs- und -wiedergewinnungstank 86 ein Tank,
der eine ordnungsgemäße Menge
an Gas enthalten kann, aber es kann eine Neongasversorgungs- (oder
Wiedergewinnungs-) -einheit (nicht gezeigt) außerhalb des Tanks installiert
sein, für
den Fall, dass die Neongasmenge innerhalb der Heizrohre 82 zu
gering ist.
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Gemäß der Zeichnung
besitzen die oberen und unteren Teile des Heizrohrs 82 einen
großen Durchmesser,
aber der Durchmesser des Heizrohrs 82 kann auch gleichmäßig sein,
wenn dies zulässig ist.
Beim Austauschen der Kühlmaschine
wird die Temperatur eines oberen Trenngliedes 60 auf die Schmelztemperatur
eines Metalls 62 mit niedrigem Schmelzpunkt erhöht. Da eine
Heizrohrwand und das Gas innerhalb des Heizrohrs einen Temperaturgradienten
besitzen, gilt, dass die an einen Tieftemperaturteil angelegte thermische
Last größer ist,
desto größer der
Durchmesser des Rohrs ist. Wenn die Kühlmaschine arbeitet zum Kondensieren
des innen befindlichen Gases gibt es keine Temperaturdifferenz in
den oberen und unteren Teilen des Heizrohrs, so dass ein Wärmeverlust
in dem Heizrohr nicht auftritt.
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In
der Zeichnung sind kurze Wärmeleitlamellen 82F (eine
lange Lamelle ist bedeutungslos, da eine Wärmetransferrate zur Kondensation
und Verdampfung extrem hoch ist) in den oberen und unteren Teilen
des Heizrohrs angeordnet, aber die Lamellen können weggelassen werden in
Abhängigkeit
von einer Größe der Wärmeleitung.
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Es
wird bevorzugt, dass das Wärmeleitglied 84,
das unter dem Heizrohr angeordnet ist, aus Kupfer, einer Kupferlegierung,
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
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In
der Zeichnung sind die sich vertikal nach unten erstreckenden Heizrohre 82 mit
dem großen Wärmeleitglied 84 verbunden,
aber die Heizrohre 82, die in schräger Richtung angeordnet sind
können
mit einem relativ kleinen Wärmeleitglied 84 verbunden sein.
Hierdurch wird in dem Fall einer indirekten Kühlung wie in der Zeichnung
dargestellt ist, der Temperaturgradient in dem Wärmeleitglied verringert. In dem
Fall einer direkten Kühlung
eines großen
zu kühlenden
Objektes sind andererseits die unteren Enden der Heizrohre separat
angeordnet, um das zu kühlende
Objekt gleichmäßig zu kühlen.
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Gemäß 5 wird
ein viertes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem eine elektrische Heizeinrichtung 64 und
ein Temperatursensor 66 nachträglich beim Befestigen oder
Lösen der
Kühlmaschinen 40 und 42 angebracht
wird in größerer Einzelheit
beschrieben.
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Bei
einem ähnlichen
Kühlsystem
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel
unterbricht die Kühlmaschine 42 die
auf der rechten Seite der Zeichnung ihren Betrieb zur Befestigung
(oder zum Lösen).
Die Zeichnung zeigt eine Situation, bei der die elektrische Heizeinrichtung 64 und
der Temperatursensor 66 in ein Trennglied 60 durch
Rohre 92 und 94 eingeführt werden, um das Metall 62 mit
niedrigem Schmelzpunkt zu schmelzen.
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Die
Kühlmaschine 40 die
auf der linken Seite dargestellt ist fährt mit dem Betrieb zum Kondensieren
und Verflüssigen
von Neon fort.
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Zu
diesem Zeitpunkt sind die elektrische Heizeinrichtung und der Temperatursensor
gelöst
und ein Deckel 96 deckt die oberen Enden der Rohre 92 und 94 ab,
um zu verhindern dass Luft dorthinein gelangt.
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Die
vorhergehende Beschreibung betrifft einen Fall eines indirekten
Kühlverfahrens,
aber wie bei dem fünften
Ausführungsbeispiel
kann wie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben
ist, ein zu kühlendes
Objekt 10 in einem Behälter 12 für verflüssigtes
Neon angeordnet sein, um das zu kühlende Objekt 10 direkt
mit dem verflüssigten
Neongas zu kühlen.
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In
diesem Fall ist es nicht notwendig, eine Heliumgaszirkulationspumpe,
einen Wärmetauscher und ähnliches
außerhalb
des Behälters 12 vorzusehen.
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Bei
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
wurden GM-Kühlmaschinen
als die Kühlmaschine
verwendet, aber die Art der Kühlmaschine
ist im Wesentlichen nicht eingeschränkt. Pulsröhrenkühler 100 und 102 können verwendet
werden, wie in einem sechsten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf 7 beschrieben wird.
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Da
die Pulsröhrenkühler bzw.
Pulsationsrohrkühler
(Pulse Tube Refrigerator) im Allgemeinen aus einer Vielzahl von
Zylindern (ein Rohr 104 zum Laden eines Speichermediums
und ein Expansionsrohr 106) aufgebaut sind, wird eine Kühlmaschinenbefestigungshülse 32 im
Vergleich zu dem Fall einer GM-Kühlmaschine
groß.
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Obwohl
Neongas bei dem obigen Ausführungsbeispiel
in Folge einer Kühltemperatur
von 30K verwendet wird, kann ein Argongas (90-140K), ein Stickstoffgas
(70-120K), ein Wasserstoffgas (14-30K) und ein Heliumgas (5K) gemäß einer
Zielkühltemperatur
eingesetzt werden.
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Bei
den obigen Ausführungsbeispielen
wurde die vorliegende Erfindung für das Kühlen einer Leistungsanlage,
die Hochtemperatursupraleiter verwendet, angelegt. Ein zu kühlendes
Objekt ist jedoch nicht darauf begrenzt, vielmehr ist die vorliegende
Erfindung in gleicher Weise auf eine Kryopumpe, einen supraleitenden
Magneten, Materialeigenschaftsmesseinrichtungen und ähnliches
anwendbar.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Bei
dem herkömmlichen
Verfahren ist es notwendig, das Kühlsystem zu unterbrechen und
die Temperatur des gesamten Kühlsystems
auf Umgebungstemperatur zu erhöhen
durch Wiedergewinnen eines Kühlmittelgases
bevor die Kühlmaschine
abgenommen wird. Dem gemäß kann ein
zu kühlendes Objekt
(zum Beispiel eine Leistungsanlage) während des Austausches der Kühlmaschine
oder bevor das Kühlsystem
wieder auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird, nicht arbeiten. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es andererseits möglich
eine ausgefallene Kühlmaschine
auszutauschen ohne die Kühlung
des zu kühlenden
Objekts zu unterbrechen. Der thermische Widerstand zwischen einem
Trennglied und einer Kühlstufe
der Kühlmaschine
ist gering, da es dem Widerstand des dünnen Metalls mit niedrigem
Schmelzpunkt entspricht, so dass die Temperaturdifferenz extrem
gering wird trotz einer großen
Wärmeleitmenge
(Kühlkapazität).
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Insbesondere
in einem Fall, bei dem eine elektrische Heizeinrichtung und ein
Temperatursensor an dem Trennglied befestigt sind, wird, da die Heizeinrichtung
das Metall mit niedrigem Schmelzpunkt auf die Schmelztemperatur
erwärmt,
der gesamte Bereich der bei dem Austausch betroffen ist, auf Umgebungstemperatur
oder etwas höher
angehoben, so dass es möglich
ist, die Kühlmaschine leicht
zu befestigen und zu lösen
ohne aufwendige Vorgänge
wie ein Defrosten und ähnliches.
Wenn eine Temperatursteuerung die Temperatur des Trenngliedes konstant
auf einer Schmelztemperatur des Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt
hält, wird der
Befestigungs- und Lösevorgang
noch weiter vereinfacht.
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Zusammenfassung
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Ein
Trennglied trennt eine Kühlstufe
von einer Kühlmaschine
eines Kühlmittelbehälters, der
ein Kühlmittelgas
enthält,
das durch die Kühlstufe
kondensiert wird, eines Kühlsystems
ab und ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, das in dem Trennglied gehalten
wird, bringt die Kühlstufe
in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittelbehälter. Dies
ermöglicht es,
nur eine defekte oder ausgefallene Kühlmaschine auszutauschen, ohne
den Betrieb des Kühlsystems zu
unterbrechen.