DE1501283C - Vorrichtung zur Kühlung von Objekten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Küh- zur Spule durch das Gehäusematerial eine gewisse

lung von Objekten, insbesondere Supraleitungsspulen, minimale Bauhöhe erforderlich,

die sich in einem abgeschlossenen evakuierbaren Ein- Zur Abkühlung der Spulenwicklung in einem solsatzbehälter befinden und durch die Verdampfung chen bekannten Kryostaten werden beträchtliche

eines tiefsiedenden Kältemittels, insbesondere flüs- 5 Mengen des kostspieligen Kältemittels benötigt, inssigen Heliums, auf tiefe Temperaturen abgekühlt besondere, wenn man kürzere Abkühlzeiten anstrebt,

werden. In den vorbekannten Kryostaten für Supraleitungs-

Die Tiefkühlung von Supraleitungsspulen stellt spulen wird der Kälteinhalt des flüssigen Heliums nur schwierige technische Probleme sowohl in bezug auf sehr unvollständig ausgenutzt. Eine gewisse Verbesseeine einfache und sichere Konstruktion der Kühl- i° rung in wirtschaftlicher Hinsicht ergibt sich, wenn vorrichtung als auch im Hinblick auf einen wirt- man das innere, für flüssiges Helium vorgesehene schaftlichen Dauerbetrieb, bei dem der Kältemittel- Gefäß mit der Spule zunächst durch flüssigen Stickverbrauch zur Aufrechterhaltung einer gegebenen stoff vorkühlt. Diese Methode ist jedoch in der Praxis tiefen Temperatur gering gehalten werden soll. Bei recht umständlich durchzuführen, weil der Stickstoff sogenannten Supraleitungsspulen ist die Spulenwick- 15 vor dem Einfüllen des Heliums wieder restlos entlung während des Betriebes auf Temperaturen unter- fernt werden muß. Im Spulengefäß verbleibende halb der Sprungtemperatur des Materials der Spulen- Stickstoffreste können zur Eisbildung und damit zur wicklung abzukühlen. Die Sprungtemperaturen der Verstopfung von Zuleitungs- und Abgasrohren für technische Spulen zur Zeit verwendeten Draht- führen. Der Kryostat muß daher nach dem Abkühlen materialien liegen zwar mit etwa 17 bis 15° K ver- 90 auf Stickstofftemperatur sorgfältig evakuiert werden, hältnismäßig hoch, jedoch müssen diese Sprung- Der für längere Betriebszeiten in der vorbekannten temperaturen wegen des magnetischen Verhaltens Vorrichtung erforderliche größere Vorrat an flüsder Materialien im Betrieb beträchtlich unterschritten sigem Helium verursacht weitere Nachteile. So muß werden. Nach dem gegebenen Stand der Technik beispielsweise bei einer Betriebsunterbrechung das kann somit als Kältemittel zur Tiefkühlung von 35 noch im Kryostaten befindliche flüssige Helium ver-Supraleitungsspulen nur flüssiges Helium verwendet dampft werden. Außerdem treten im allgemeinen werden. Weitere technische Entwicklungen zielen auf größere Kältemittelverluste auf, wenn die Supradie Schaffung von Drahtmaterialien mit erheblich leitungsspule in den normalleitenden Zustand (Ohmhöheren Sprungtemperaturen; jedoch sind Werkstoffe scher Widerstand) übergeht, während der eingeprägte mit derartigen Eigenschaften für technische Spulen 30 hohe Supraleitungsstrom im Übergangsintervall noch bisher nicht verwendbar. vorhanden ist. Dabei ergibt sich eine kurzzeitige

Wie bekannt, stellt bereits gasförmiges Helium starke Wärmeentwicklung, die eine entsprechende

einen relativ teuren Ausgangsstoff dar. Da die Ver- Verdampfung des kostspieligen Kältemittels zur Folge

flüssigungskosten für dieses Gas wegen der tech- hat.

nischen Schwierigkeiten ebenfalls hoch liegen, sind 35 Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Spulen-Kühlverfahren, bei denen flüssiges Helium verwen- kühlung ist darin zu sehen, daß es praktisch unmög- , det wird, im allgemeinen kostspielig. Aus diesem lieh ist, Temperaturen oberhalb 4,2° K, dem Siede-Grund stellt sich für derartige Tiefkühlvorrichtungen punkt des flüssigen Heliums, einzustellen und kondie Aufgabe einer möglichst weitgehenden Senkung stant zu halten. Nach den bisherigen Erfahrungen ist des Kältemittelverbrauchs. Dies gilt insbesondere für 40 aber mit hoher Wahrscheinlichkeit anzunehmen, die Kühlung von Supraleitungsspulen, bei denen mit daß die günstigste Arbeitstemperatur für suprader Spule und dem Spulengehäuse zwangläufig er- leitende Spulen oberhalb von 4,2° K liegt. Außerdem hebliche Massen abzukühlen und kalt zu halten sind. fordern neue entwickelte Werkstoffe gegebenenfalls Eine 50-kG-Spule mit einem vom Magnetfeld erfüll- die Einstellung und Konstanthaltung höherer Tempeten Innenraum von etwa 5 cm Durchmesser und etwa 45 raturen. Andererseits ist es bekannt, tiefe Tempe-28 cm Höhe hat beispielsweise eine Masse von etwa raturen mit Hilfe von Verdampferkryostaten zu er-15 kg. zeugen, bei denen flüssiges Helium aus einem Vor-

Nach der bekannten Technik wurden bisher Supra- ratsbehälter in einen Verdampferkörper gefördert leitungsspulen in Flüssigkeitskryostaten von her- wird und diesen unter Verdampfung auf beliebige kömmlicher Bauweise gekühlt. Dabei befindet sich 50 vorwählbare Temperaturwerte zwischen 4,2° K und die Spulenwicklung in einem vakuumisolierten und Raumtemperatur kühlt. Ferner ist zur Kühlung von von einem stickstoffgekühlten Strahlenschutz um- Proben, die im Reaktor bestrahlt werden sollen, eine gebenen Gefäß, welches mit flüssigem Helium gefüllt Vorrichtung bekannt, bei der sich die Probe in einem ist. Die Spulenwicklung liegt dabei in einem Bad von mit einem flüssigen Kältemittel, beispielsweise Neon, flüssigem Helium. Der freie Innenraum einer Zy- 55 gefüllten Einsatzbehälter befindet, dessen oberes linderspule ist entweder ebenfalls von flüssigem Ende als Kühler ausgebildet ist. Der Kühler wird mit Helium erfüllt oder kann bei einer ringförmigen Bau- einem anderen, bei tieferer Temperatur siedenden weise des Kryostaten auf Raumtemperatur gehalten Kältemittel, beispielsweise Wasserstoff, gefüllt, so werden. Derartige Kryostaten werden in der Fach- daß das aus dem Einsatzbehälter verdampfende Kühlliteratur als »hot hole cryostat« bezeichnet. 60 medium rekondensiert und wieder nach unten ab-

Die bekannten Kryostaten weisen eine Bauhöhe tropft. Um genau die Kondensationstemperatur des

auf, die ein Mehrfaches der Spulenhöhe beträgt. höhersiedenden Kühlmediums einstellen zu können,

Dieses ungünstige Abmessungsverhältnis ist durch ist ein Heizelement am Kühler vorgesehen. Die Probe

das bisher verwendete Kühlprinzip bedingt. Um län- kann mit Hilfe dieser Vorrichtung auf eine einzige

gere Betriebszeiten ohne Nachfüllen von Kältemitteln 65 Temperatur, nämlich die Siedetemperatur des höher-

zu gewährleisten, muß über der Spulenwicklung ein siedenden Kühlmediums, gebracht werden,

entsprechender Flüssigkeitsstand vorgesehen werden. Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus,

Außerdem ist zur Vermeidung der Wärmeleitung eine Vorrichtung zur Kühlung von Supraleitungs-

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spulen zu schaffen, die die Einstellung variabel vor- tung im Kältemittelverbrauch erheblich sparsamer wählbarer Temperaturen oberhalb 4,2° K ermöglicht, und wirtschaftlicher als die bisher bekannten Badbei der die infolge der Eigenschaften von Supra- kryostaten zur Tiefkühlung von Supraleitungsspulen, leitungsspulen gegebenen Risiken auf ein Minimum Ferner hat die Vorrichtung den Vorteil, daß beliebige herabgesetzt sind, bei der die Kältemittelverluste 5 vorwählbare Temperaturen auch oberhalb der Siedegegenüber der herkömmlichen Badkryostatentechnik temperatur des Kältemediums eingestellt und konstant wesentlich reduziert sind und die einen einfachen, gehalten werden können. Sie ermöglicht also die Eintechnisch sicheren Dauerbetrieb unter optimaler Aus- stellung der jeweils optimalen Betriebstemperatur,
nutzung des Kälteinhalts des flüssigen Kältemittels Zur Vermeidung einer Gefährdung beim Übergang

ermöglicht. Das Kennzeichen der Erfindung wird io von supraleitenden in den normalleitenden Zustand darin gesehen, daß der Einsatzbehälter über eine kann es außerdem vorteilhaft sein, den mit dem Einfülleitung und eine Einfüllvorrichtung mit einem Wärmeübertragungsmedium gefüllten Innenraum des an sich bekannten Wärmeübertragungsmedium, vor- Einsatzbehälters durch eine Überdrucksicherung in zugsweise Helium, unter wenigstens annähernder der Art eines einstellbaren selbsttätigen Sicherheits-Konstanthaltung des Drucks im Einsatzbehälter auf 15 ventils, dessen Ansprechdruck wenig über dem einen vorwählbaren konstanten Wert nachfüllbar ist Betriebsdruck liegt, zu sichern. Beim schlagartigen und daß innerhalb des das Objekt aufnehmenden Verdampfen des Wärmeübertragungsmediums wird Einsatzbehälters ein Verdampferkörper angeordnet dann ohne gefährlichen Druckanstieg ein Druckist, wobei in an sich bekannter Weise der Kreislauf ausgleich, vorzugsweise nach einem Gassammeiraum des Kältemediums im Verdampferkörper von der ao (Heliumrückgewinnungsanlagen), erzielt. Eine vorFüllung des Einsatzbehälters getrennt ist. teilhafte bauliche Anordnung kann dadurch erreicht

Die Kälteleistung des über eine Saugleitung an eine werden, daß der Verdampferkörper die rohrförmige Vakuumpumpe angeschlossenen Verdampferkörpers Spulenwicklung wenigstens an ihrem äußeren Umfang wird dabei zweckmäßig in an sich bekannter Weise umschließt. Dabei kann der Verdampferkörper von durch ein die Saugleistung der Vakuumpumpe in as einem an sich bekannten ein- oder mehrteiligen, tief-Abhängigkeit von der Temperatur im Bereich gekühlten Strahlungsschutzkörper umgeben sein, weldes Verdampferkörpers steuerndes Drosselventil be- eher vorzugsweise an den Abgasanschluß des Verstimmt (deutsche Auslegeschrift 1161 570). dampferkörpers angeschlossen ist. Auf diese Weise

In dieser Vorrichtung befindet sich die Spulen- wird der Kälteinhalt des. Abgases im Strahlungswicklung in einem mit dem zunächst gasförmigen 30 schutzkörper ausgenutzt und ein Betrieb mit nur Wärmeübertragungsmedium gefüllten Einsatzbehäl- einem Kältemedium ermöglicht. Der Verdampferter, und die Abkühlung des Wärmeübertragungs- körper und/oder der Strahlungsschutzkörper können mediums und damit auch der mit diesem in Wärme- zweckmäßig aus einer bifilaren Rohrwicklung mit austausch stehenden Spulenwicklung erfolgt durch vorzugsweise im Bereich einer Stirnfläche liegenden einen Verdampferkörper mit getrenntem Kältemittel- 35 Eintritts- und Auslaßöffnungen bestehen. Es erscheint kreislauf. Die Verwendung von gasförmigem Helium ferner zweckmäßig, die Einfülleitung des Einsatzais Wärmeübertragungsmedium ist zwar in der Tief- behälters durch Wärmekontakt mit dem im Gegentemperaturkalorimetrie bereits bekannt, jedoch er- strom geführten Abgas des Verdampferkörpers bzw. folgt dort lediglich das Eintauchen eines Probebehäl- des Strahlungsschutzkörpers zu kühlen. Diese Vorters in ein Heliumbad, wobei der Probebehälter ent- 40 kühlung dient zur Verminderung des Kältemittelweder hoch evakuiert oder mit Helium als Wärme- Verbrauchs.
Übertragungsmedium gefüllt werden kann. Bei einer zweckmäßigen Ausbildung kann der

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich in freie Innenraum der Supraleitungsspule gegenüber gedrängter Bauweise auf relativ kleinem Raum unter- dem Innenraum des Einsatzbehälters gasdicht abbringen und benötigt keinen mit flüssigem Stickstoff 45 geschlossen sein, so daß die in den Innenraum der gekühlten Strahlungsschutz. Sie läßt sich in jedem Spule eingeführten Proben auf einer höheren Tempe-Betriebszustand mit nur einem Kältemedium be- ratur als die Spule gehalten werden können (»hot treiben. hole«). Die Einbringung von Proben in den Innen-

Außerdem kann die Kühlvorrichtung unter weitest- raum der Spule ist mit Hilfe einer Einrichtung zur gehender Ausnutzung des Kälteinhaltes des Kälte- 30 Probeneinführung möglich, welche im Fall der Ermitteis (Verdampfungswärme und Enthalpie des kai- füllung des Innenraumes mit flüssigem Helium beiten Gases) auf die gewünschten Betriebstemperaturen spielsweise in Art einer Gasschleuse ausgebildet sein abgekühlt werden. Man kann zur Abkühlung flüs- kann.

siges Helium als Kältemedium im Verdampferkörper Die apparative Anordnung kann bei gleichem

verwenden. Es ist jedoch ferner mit nur geringem 55 Grundprinzip verschieden gestaltet werden. Es erAufwand und ohne Erschwerung des nachfolgenden scheint günstig, einen Aufbau zu wählen, bei dem der Heliumbetriebes möglich, zur Vorkühlung den bil- Verdampferkörper mit Hilfe von schlecht wärmeligeren flüssigen Stickstoff zu verwenden. Die Vor- leitenden Halterungselementen direkt oder unter richtung besitzt ein sehr geringes Totvolumen. Bei Zwischenschaltung des Strahlungsschutzkörpers in Betriebsunterbrechungen oder beim Übergang der 60 dem ihn umgebenden Gehäuse gehaltert ist.
Spule in den normalleitenden Zustand treten dem- Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren für die beentsprechend nur geringfügige Kältemittelverluste schriebene Vorrichtung kann in der Weise ausgeführt auf, die in erster Linie durch die Verdampfung bzw. werden, daß das als Wärmeübertragungsmedium in Erwärmung der im Vergleich zum bekannten Bad- den Innenraum des Einsatzbehälters eingebrachte kryostaten geringen Einfüllmenge des Wärmeüber- 65 Gas auf einem vorgegebenen konstanten Druckwert tragungsmediums im Einsatzbehälter gegeben sind, gehalten wird, während das Wärmeübertragungswährend der Kältemittelverlust im Verdampferkreis- medium und damit die mit ihm in Wärmeaustausch lauf minimal ist. Dadurch erweist sich die Vorrich- stehende Spulenwicklung durch den Verdampferkör-

per gegebenenfalls bis zur Kondensation des gas- oder dampfförmigen Wärmeübertragungsmediums abgekühlt wird. Die bereits beschriebene Einfüllvorrichtung übernimmt dabei die Aufgabe, jeweils gasförmiges Wärmeübertragungsmedium in den Innenraum des Einsatzbehälters nachzufordern, so daß der vorgegebene Druckwert nicht unterschritten wird. Der vorzugebende Druckwert wird durch die einzustellende Temperatur bestimmt. Der Druckwert liegt dabei stets über einer Atmosphäre.

Bei einem solchen Verfahren kann es außerdem zweckmäßig sein, daß die Kälteleistung des Verdampferkörpers nach Abkühlung des Wärmeübertragungsmediums auf die gewünschte Solltemperatur in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Wärme-Übertragungsmediums im Einsatzbehälter mit Hilfe von an sich bekannten. Steueranordnungen derart steuerbar ist, daß die Temperatur der Spulenwicklung auf einem einstellbaren Wert wenigstens annähernd konstant gehalten wird. Diese Regelung der Kälte- so leistung erlaubt die Einstellung und Konstanthaltung von Temperaturen oberhalb des Siedepunktes von flüssigem Helium (4,2° K) sowie auch oberhalb des kritischen Punktes von Helium (5,2° K), in welchem Bereich die günstigsten Betriebstemperaturen für Supraleitungsspulen liegen dürften.

Zur ,Kostensenkung kann die Abkühlung der Spulenwicklung außerdem zweckmäßig in der Weise stufenartig erfolgen, daß der Verdampferkörper zunächst mit einem tiefsiedenden Kältemedium von höherer Siedetemperatur, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt wird und daß daran anschließend eine weitere Temperaturabsenkung durch die Verdampfung von Kältemedium tieferer Siedetemperatur im Verdampferkörper erfolgt.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Tiefkühlvorrichtung ermöglicht die verschiedensten baulichen Anordnungen, wie beispielsweise Kryostaten mit von flüssigem Helium freiem Innenraum (»hot hole«) sowie Kryostaten mit horizontaler.Spulenanordnung 4» oder auch Kryostaten, bei denen die Spulenwicklung während des Betriebs aus einer vertikalen in eine horizontale Lage geschwenkt werden kann. Diese konstruktiven Möglichkeiten waren bei den bisher bekannten Badkryostaten nicht gegeben. Die Tiefkühlvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung schafft ferner bei hoher Betriebssicherheit die Grundlage für einen weitgehend wartungsfreien Dauerbetrieb über längere Betriebszeiten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Tiefkühlvorrichtung gemäß der Erfindung, die unmittelbar auf einem Heliumvorratsgefäß aufgebaut ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch die in F i g. 1 gezeigte Tiefkühlvorrichtung mit Supraleitungsspule in vergrößertem Maßstab.

Man erkennt eine röhrenförmige Supralcitungsspule 1, welche von einem Verdampferkörper 2 in Form einer becherförmigen, bifilaren Rohrwicklung umgeben ist. Die Supraleitungsspulc 1 und der Verdampferkörper 2 liegen im Innenraum eines Einsatzbehälters 3, der über eine Einfülleitung 4 mit einer Einfüllvorrichtung 5 in Verbindung steht, mit deren Hilfe Heliumgas aus einer Gasflasche 6 in den Innenraum des Einsatzbehälters 3 eingefüllt werden kann, wobei der Einfülldruck von einem Druckmeßinstrument 7 angezeigt wird. Ein als Überdrucksicherung für den Einsatzbehälter 3 dienendes Sicherheitsventil 8 ist ebenfalls an die Einfülleitung 4 angeschlossen und verbindet den Einsatzbehälter 3 mit einer nicht gezeichneten Rückgewinnungsanlage für Helium, und außerdem kann über ein Anschlußventil 9 eine Verbindung zu einer gleichfalls nicht gezeichneten Vakuumpumpe hergestellt werden.

Am oberen freien Ende des Einsatzbehälters 3 befindet sich ein Anschlußflansch 10, welcher eine Einbringvorrichtung 11 zur Einführung von Proben in den vom Magnetfeld erfüllten Spuleninnenraum, ferner ein Fühlerelement 12 der Standanzeige sowie einen Anschluß 13 einer Steuerleitung 14 trägt. Mit Hilfe des Fühlerelements 12 kann der Flüssigkeitsstand des bis zur Verflüssigung abgekühlten Wärmeübertragungsmediums im Einsatzbehälter 3 überwacht werden. Das Fühlerelement 12 ist dabei zweckmäßig als Widerstandsspirale ausgebildet, deren elektrischer Widerstand sich beim Eintauchen in den Flüssigkeitsstand des Wärmeübertragungsmediums erheblich ändert.

Der Verdampferkörper 2 ist über eine Abgasauslaßleitung 15 an einen gleichfalls als bifilare Rohrwicklung ausgeführten Strahlungsschutzkörper 16 angeschlossen, der den ,Einsatzbehälter 3 umgibt und dessen Abgasauslaß 17 mit der in der Zeichnung nicht dargestellten Heliumrückgewinnungsanlage in Verbindung steht.

Der Strahlungsschutzkörper 16 ist zusammen mit dem Einsatzbehälter 3 von Schichten aus sogenannten Superisolierungen 18 umgeben, die im wesentlichen durch mehrere Lagen dünner, metallisierter Folien mit Luftzwischenraum gebildet werden. Dieser Innenaufbau ist zur weiteren Wärmeisolierung von einem evakuierbaren Mantelbehälter 19 umschlossen, der über einen mit Verschlußventil versehenen Anschlußflansch 20 ebenfalls mit der bei Position 9 nicht gezeigten Vakuumpumpe in Verbindung steht.

Der Mantelbehälter 19 wird von einem Gestell 21 getragen, unter dem ein Vorratsgefäß 22 für das flüssige Kältemedium (Helium, Stickstoff) angeordnet ist. Das Vorratsgefäß 22 steht über einen zugeordneten Anschlußflansch 23 ebenfalls mit der in der Zeichnung nicht dargestellten Heliumrückgewinnungsanlagc in Verbindung. ■

Aus dem Flüssigkeitsstand im Vorratsgefäß 22 führt eine vakuumisolierte Steigrohrleitung 24 zum Einlaßanschluß der Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2, welcher abgasseitig an den Strahlungsschutzkörper 16 angeschlossen ist, dessen Äbgasauslaß 17 über eine Evakuierungsleitung 25 unter Zwischenschaltung eines druckgesteuerten Regelventils 26 und eines Drosselventils 27 mit einer weiteren, als Förderpumpe dienenden Vakuumpumpe 28. in Verbindung steht. Diese weitere Vakuumpumpe 28 ist auslaßseitig an die bereits mehrfach erwähnte, in der Zeichnung nicht dargestellte Heliumrückgewinnungsanlage angeschlossen.

Das Regelventil 26 steht über die als Dampfdruckthermometer ausgebildete Steuerleitung 14, an welche ein zur Dampfdruck- und damit Temperaturmessung vorgesehenes Anzeigeinstrument 14 a angeschlossen ist, mit dem Innenraum des Einsatzbehälters 3 in Verbindung. An dieser Stelle kann in alternativer Ausbildung auch ein elektromagnetisches Regelventil 26 und an Stelle der als Dampfdruckthermometer ausgebildeten Stuerleitung 14 ein elektrischer Tempe-

raturreglcr mit einem elektrischen Temperaturmeßfühler verwendet werden.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Aufbaues der Kühlvorrichtung. Man erkennt hier deutlicher die topfförmige, bifilare Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2, welcher die aus einem Spulenkörper 29 einer Spulenwicklung 30 und Zentrierstücken 31 zusammengesetzte Supraleitungsspule 1 umschließt. Die Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 und die Supraleitungsspule 1 sind in den Einsatzbehälter 3 eingeschlossen, der von schlecht wärmeleitenden Stiften 32 getragen wird, welche in als Wärmedrosseln dienenden, in eine gekühlte Trägerplatte 33 eingesetzten Rohrstücken 34 gehaltert sind. Die gekühlte Platte 33 ruht ihrerseits auf schlecht wärmeleitenden Trageclmenten 35, die ebenso wie die Stifte 32 symmetrisch am Umfang der abgestützten Bauteile angeordnet sind und die in eine Grundplatte 36 eingelegt sind. Zur Kühlung der Platte 33 dient eine Rohrspiralc 37, die an den Abgasauslaß 17 des Strah- ao lungsschutzkörpers 16 angeschlossen ist. Der Auslaß der Spirale 37 führt zu einem vakuumummantelten Anschlußflansch 38, der gemäß F i g. 1 mit der als Förderpumpe dienenden Weiteren Vakuumpumpe 28 in Verbindung steht.

Der Einsatzbehälter 3 ist an seinem oberen Ende · mit einem Deckelstück 39 verschlossen, welches in eine lösbare Tauchlötung 40 eingesetzt ist. Das Dcckelstück 39 nimmt die Zentrierstücke 31 der Supraleitungsspule 1 in entsprechend angepaßten Zentrierringen 41 auf und trägt außerdem ein aus schlecht wärmeleitendem Material bestehendes Einbringrohr 42.

Das Einbringrohr 42 ist durch eine Deckelplatte 43 des Mantelbchälters 19 hindurchgeführt und mit einer O-ringgedichteten Vcrschlußplatte 44 gasdicht verschlossen. Zwischen der Deckclplattc 43 und dem Einbringrohr 42 ist zur leichteren Justierung und zum Ausgleich von Wärmedehnungen eine bewegbare Verbindung vorgesehen, welche einen Federbalg 45 aufweist, der einerseits an den am oberen Ende des Einbringrohres 42 befestigten Abschlußflaiisch 10 und andererseits an ein Ringstück 46 angeschlossen ist, welches seinerseits gasdicht mit der Deckelplatte 43 verbunden ist.

Die Verschlußplatte 44 des Einbringrohres 42 enthält eine O-Ring-Verschraubung 47, durch die das Fühlerelement 12 (vgl.-Fig. 1) der Standanzeige hindurchgeführt werden kann. Die ebenfalls in der Deckelplatte 43 vorgesehenen Anschlüsse der Steuerleitung 14 sowie der Einbringvorrichtung 11 sind in der Darstellung der Fig. 2 nicht eingezeichnet.

Zur Verbindung mit der in den Kültemittclvorrat hineinreichenden Steigrohrleitung 24 (Fig. 1) ist ein Heberanschlußrohr 48 aus schlecht wärmeleitendem Material vorgesehen, welches die gekühlte Platte 33 durchstößt und an seinem oberen Ende als Einlaßanschluß der Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 in den Einsatzbehälter 3 mündet. An seinem unteren Ende befindet sich eine weitere O-Ring-Verschrau- «o bung 49. Die Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 endet in einem Ringraum 59 am Einsatzbehälter 3. Von dort führt die Abgasauslaßleitung 15 aus schlecht wärmeleitendem Material zum Einlaß des als bifilare Rohrwicklung ausgeführten Strahlungsschutzkörpers 16. Der Abgasauslaß 17 des Strahlungsschutzkörpcrs 16 ist an die Rohrspirale 37 angeschlossen.

Im Bereich der Einmündung des Heberanschlußrohres 48 in die Rohrspirale ist in einer gasdurchlässigen Umhüllung 50 eine Aktivkohlefüllung 51 untergebracht, die in gekühltem Zustand zur Verbesserung des Vakuums im Mantelbehälter 19 verwendet wird.

Der Strahlungsschutzkörpcr 16 trägt an seinem oberen Ende ein mit ihm in wärmeleitender Verbindung stehendes ringförmiges Verlängerungsstück 52, welches über ein vorzugsweise mittels Tauchlötung angesetztes Verbindungsstück 53 mit einem Abschlußstück 54 und einem in dieses Abschlußstück 54 eingesetzten, das Einbringrohr 42 umgebenden Strahlungsschutzrohr 55 in wärmeleitender Verbindung steht. Der Strahlungsschutzkörper 16 sowie das Strahlungsschutzrohr 55 sind, wie bereits in F i g. 1 dargestellt, mit einer Superisolierung 18 in Form aufgewickelter, metallbeschichteter Folien umgeben.

An den Einsatzbehälter 3 ist die Einfülleitung 4 (vgl. Fig. 1) angeschlossen, welche ebenfalls die gekühlte Platte 33 durchstößt und in einen vakuumummantelten Gaszuführungsanschlußflansch 56 mündet. Die. in einer Lötstelle 58 mit der Platte 33 verbundene Einfülleitung 4 ist mit Schraubenwindungen 57 in Wärmekontakt mit dem im Gegenstrom geführten Abgas des Verdampferkörpers 2 in der Abgasauslaßleitung 15 und im Strahlungsschutzkörper 16 angeordnet. Die Anschlußflanschteile 20, 38, 49 und 56 sind in die Grundplatte 36 eingesetzt.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nach dem Zusammenbau unter Evakuierung des Mantelbehälters 19 zunächst der Einsatzbehälter 3 evakuiert. Dann wird an der Einfüllvorrichtung 5 ein der gewünschten Temperatur entsprechender Überdruck eingestellt und das Wärmeübertragungsmedium, ζ. B. Heliumgas, in den Einsatzbeliälter 3 eingelassen. Nunmehr wird der Verdampferkörper 2 in Betrieb genommen, d. h., es wird mit Hilfe der als Förderpumpe dienenden weiteren Vakuumpumpe 28 flüssiges Helium aus dem Vorratsgefäß 22 über die Steigrohrleitung 24 und das Heberanschlußrohr 48 in die Rohrwicklung des Verdampferkörpers 2 gesaugt, wo es verdampft und die gewünschte Abkühlung herbeiführt. Das Abgas durchströmt den Strahlungsschutzkörper 16 und die Rohrspirale 37. kühlt diese und gelangt schließlich über das Regelventil 26, das Drosselventil 27 und die weitere Vakuumpumpe 28 in das Heliumrückgewinnungssystem. Bei einer Vorkühlung mit Stickstoff wird das Abgas in die Atmosphäre abgeblasen.

Durch die Abkühlung sinkt der Druck des gasförmigen Heliums im Einsatzbehälter 3, was jedoch durch automatisch nachströmendes Gas von der Einfüllvorrichtung 5 sogleich wieder ausgeglichen wird. Wenn schließlich die Solltemperatur erreicht ist und wenn dieser Temperaturwert unterhalb der kritischen Temperatur des Heliums liegt, so kondensiert im Einsatzbehälter 3 die Heliumfüllung. Es bildet sich ein Flüssigkeitsbad, dessen Niveau ansteigt, da von der Einfüllvorrichtung 5 fortgesetzt Heliumgas nachgeliefert wird. Ist ein mit dem Fühlerelcmcnt 12 einstellbares maximales Füllniveau erreicht, wird der Gaszustrom von der Einfüllvorrichtung 5 abgestellt. Die Temperatur des Heliumbades im Einsatzbehälter 3 wird dann mit Hilfe des dampfdruckgesteuerten Rcgelvcntils 26 durch die regelbare Kälteleistung des Verdampferkörpers 2 auf dem vorwählbaren Wert konstant gehalten.

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Werden Betriebstemperaturen oberhalb der kritischen Temperatur gewünscht, bei denen kein Flüssigkeitsbad des Wärmeübertragungsmediums entsteht, so ist der Kältemitteldurchsatz durch den Verdampferkörper 2 und damit die Temperatur mit Hilfe eines durch einen elektrischen Meßfühler über eine elektrische Regelvorrichtung gesteuerten elektromagnetischen Regelventils einzustellen und konstant zu halten. Im übrigen gelten die bereits erwähnten Gesichtspunkte. Die elektrische Regelung kann selbst- to verständlich auch für Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur (5,2° K) angewendet werden.

Claims (12)

Palentansprüche:

1. Vorrichtung zur Kühlung von Objekten, insbesondere Supraleitungsspulen, die sich in einem abgeschlossenen evakuierbaren Einsatzbehälter befinden und durch die Verdampfung eines tiefsiedenden Kältemittels, insbesondere flüssigen Heliums, auf tiefe Temperaturen abgekühlt wer- ao den, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzbehälter (3) über eine Einfüllcitung (4) und eine Einfüllvorrichtung (5) mit einem an sich bekannten Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Helium, unter wenigstens annähernder Konstanthaltung des Drucks im Einsatzbehälter (3) auf einen vorwählbaren konstanten Wert nachfüllbar ist und daß innerhalb des das Objekt aufnehmenden Einsatzbehälters (3) ein Verdampierkörper (2) angeordnet ist, wobei in an sich bckanntcr Weise der Kreislauf des Kältemediums im Verdampferkörper (2) von der Füllung des Einsatzbehälters (3) getrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Einsatzbehälter (3) ein vorzugsweise einstellbares Sicherheitsventil (8) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) die rohrförmige Spulenwicklung (30) wenigstens an ihrem äußeren Umfang umschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) von einem an sich bekannten ein- oder mehrteiligen, tiefgekühlten Strahlungsschutzkörper (16) umgeben ist, welcher vorzugsweise an den Ringraum (59) des Verdampferkörpers (2) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) und/oder der Strahlungsschutzkörper (16) aus einer bifilaren Rohrwicklung mit vorzugsweise im Bereich einer Stirnfläche liegenden Eintritts- und Auslaßöffnungen besteht.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfülleitung (4) des Einsaizbehäilers (3) gekühlt und vorzugsweise in Wärmekontakt mit Abgasleitungen des Verdampferkörpers (2) und/oder des Strahlungsschutzkörpers (16) in Gegenstronigasführung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Innenraum der Supraleitungsspule (1) gegenüber dem Innenraum des Einsatzbehälters (3) gasdicht abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einbringvorrichtung (11) zur Einführung von Proben in den Innenraum der Supraleitungsspule (1) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferkörper (2) mit Hilfe von schlecht wärmeleitenden Halterungselementen (32, 34) direkt oder unter Zwischenschaltung des Strahlungsschutzkörpers (16) in dem ihn umgebenden Gehäuse gehaltert ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Wärmeübertragungsmedium in den Innenraum des Einsatzbehälters (3) eingebrachte Gas auf einem vorgegebenen konstanten Druckwert gehalten wird, während das Wärmeübertragungsmedium und damit die mit ihm in Wärmeaustausch stehende Spulenwicklung (30) durch den Verdampferkörper (2) gegebenenfalls bis zur Kondensation des gas- oder dampfförmigen Wärmeübertragungsmediums abgekühlt wird.

11. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung des Verdampferkörpers (2) nach Abkühlung des Wärmeübertragungsmediums auf die gewünschte Solltemperatur in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Wärmeübertragungsmediums im Einsatzbehälter (3) mit Hilfe eines an sich bekannten Regelventils (26) derart steuerbar ist, daß die Temperatur der Spulenwicklung (30) auf einem einstellbaren Wert wenigstens annähernd konstant gehalten wird.

12. Verfahren zum Betrieb einer Tiefkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Spulenwicklung (30) in der Weise stufenweise erfolgt, daß der Verdampferkörper (2) zunächst mit einem tiefsiedenden Kältemedium von höherer Siedetemperatur, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt wird und daß daran anschließend eine weitere Temperaturabsenkung durch die Verdampfung von Kältemedien tieferer Siedetemperatur im Verdampferkörper (2) erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen