DE3143759A1

DE3143759A1 - Kryostat

Info

Publication number: DE3143759A1
Application number: DE19813143759
Authority: DE
Inventors: Marvin Henry Mountain View Cal. Anderson; John Henry East Alviso Cal. Broshear; George Dewey Menlo Park Cal. Kneip
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1980-11-10
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1982-08-05
Also published as: JPS57108573A; US4350017A; DE3153405C2; GB2087061B; JPS6012541B2; GB2087061A; DE3143759C2

Description

3 1 Α37ΓΪ9

Patentanwälte · European Patent Attorneys -M-

München Vl P544 D

Varian Associates, Inc.

611 Hansen Way, Palo Alto, CaI., USA

Kryostat

Priori tat:10. November 1980 -USA- Serial No. 205

Die Erfindung betrifft einen Kryostat_s der verflüssigte Gase von sehr geringer Temperatur Z₀B₀ flüssiges Helium enthält,, und bezieht sich insbesondere auf Anordnungen zum Füllen und Entlüften einer Kryostatvorrichtungo

Verbesserungen an Kryostaten_s die Flüssiggas enthalten,, haben allmählich zu immer geringeren Absiedegeschwindigkeiten für das im Kryostat enthaltene Kältemittel geführt _D so daß das verflüssigt© Gas über längere Zeit hinweg im Kryostat verbleiben kannο Diese Verbesserungen des Wirkungsgrades eines Kryostaten beruhen auf verschiedenen verbesserten thermischen Konstruk« tionen₉ mit denen WärmeVerluste verringert werden,, die einem durch Ableitung und Äbstrahlung wirkenden Wärmetransport« meehanismus zuzuschreiben sindo Als Beispiel dafür seien Verbesserungen der Wärmeübertragung von Strahlungsabschirmungen erwähnt„ wie sie in US-PS k> 212 169 und in einer älteren US-Anmeldung erwähnt sind= Kryostaten mit einer Vielzahl ineinander geschachtölftos? Elemente leiden an direktem Warmeableitungs=· verlust durch im Innern nötige Stützen und Streben,, mit denen die Abstände zwischen den einander benachbarten,, ineinander geschachtelten Elementen aufrechterhalten tirerden müssen» Wärme« abstrahlungsVerluste sind zwischen den einander benachbarten Oberflächen ineinander geschachtelter Kryostatelemente aus Aluminium bereits durch eine Oberflächenbehandlung zur Ver« ringerung des Emissionsvermögens verringert worden,, wie aus der deutschen Patentanmeldung P 29 06 075»1 hervorgeht»

Wenn der Kryostat außerdem einen Satz supraleitfähiger Sole~ noide mit einer Vielzahl von Trimm spulen enthält₀ ist schon erkannt worden,, daß die Steuerkanäle für das Solenoid und die

Trimmspulen einen Wärmeleitweg von der Umgebung zum zentralen Bereich des Kryostaten bilden,, und daß die Wärmeableitung in solchen Wärmewegen durch Anordnungen zum wahlweisen Ansprechen derartiger Spulen verringert werden kann_s wofür auf US«PS k 173 775 verwiesen wird_o

Ein hauptsächlicher Wärmeverlustweg läßt sich anhand von Konvektions- und StrahlungsVerlusten aufzeigen, die durch die nötigen Rohre zum Füllen und Entlüften derartiger Kryostaten gebildet werden. Es ist "bereits bekannt, den abstrahlenden Wärmetransport in diesem Weg durch Einbau ebener Umlenkplatten in der Füll- und Entlüftungsleitung zu reduzieren, durch welche ein großer Teil des Querschnitts der Leitung blockiert wird. Eine Verkleinerung der Querschnittsfläche der Füll- und Entlüftungsleitung beeinträchtigt jedoch das Füllverfahren und kann außerdem zu Sicherheitsbedenken Anlaß geben. Eine latente Gefahr ist in dem Eindringen von Luft in das Füll- und Entlüftungsrohr nach unten zu sehen. An einer geeigneten thermischen Stelle erfolgt eine Verflüssigung, und die kondensierte flüssige Luft ist längs der Innenfläche des Rohres durch Schwerkraft bewegbar. Wenn dann das Kondensat längs des Füll- und Entlüftungsrohres zum Kältemittel, beispielsweise flüssigem Helium herabrinnt, kommt es zu einer Verfestigung, und die Ansammlung dieser festen Luft (nachfolgend als "Eis" bezeichnet) bildet einen Stopfen im Füll- und Entlüftungsrohr. Das Ansammeln einer solchen Verstopfung kann katastrophale Ergebnisse haben, wenn nicht Maßnahmen getroffen werden, um den Druck des siedenden Kältemittels zu entlasten. Es ist bereits bekannt, eine Leitung von ziemlich großem Durchmesser konzentrisch zu den Füll- und Entlüftungsrohren und in Verbindung mit einem "Hochdruckentlastungsventil" vorzusehen und von dem zwischen diesen konzentrischen Rohren gebildeten Ringraum einen weiteren Druckentlastungsweg durch ein weiteres "Niedrigdruckentlastungsventil" zu schaffen. Der zentrale Druckentlastungsweg, der mit dem Hochdruckentlastungsventil in Verbindung steht, ist mit Dampf des siedenden Kältemittels gefüllt und somit vor dem Infiltrieren von Luft geschützt. Der mit dem Niedrdruckentlastungsventil in Verbindung stehende Ringraum unterliegt möglicherweise der obenerwähnten Verstopfung. In diesem Fall bietet der andere zur Verfügung stehende Weg eine Druckentlastung, die den bekannten Kryostaten vor der Explosion

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geAufgabe der Erfindung ist es_s die Verweilzeit eines verflüssigten Gases in einem Kryostat durch Reduzierung der Verdampfungsrate des verflüssigten Gases zu verlängern» Ferner sollen für den sich aus dem verflüssigten Gas entwickelnden Dampf Doppeldruckentlastungswege vorgesehen werden,,

Gemäß der Erfindung weist eine Füll« und Entlüftungsleitung ein erstesj, wärmebeständiges AuSenro.hr auf„ ure Ic he s eine Verbindung zwischen einem zentralen Kältemittelbehälter und der Außenseite des Kryostaten herstellt^ sowie ein zweites wärmebeständiges Roh?;, welches innerhalb des ersten Rohres ange= ordnet ist.

Ferner steht gemäß der Erfindung das erst© Bohr mit einem Druckentlastungsventil in V©rbindung₀ welches so angeordnet ist ο daß es sich öffnet;, warnte Innendruck aufgrund verdampfenden Kältemittels den Umgebungsdruck um ein gewähltes kleines Ausmaß überst©igt_g und ain als Alternative zur Verfugung stehender Druckentlasttangs weg ₉ der von einem insgesamt ringförmigen Raum zwischen dem ersten und zweiten .Rohr begrenzt istj, steht mit einem weiteren Druckentlastungsventil in Verbindungj, welches so angeordnet ist, daß ©s sich bei einem Druckunterschied öffnet_s der etwas höher liegt als der für das erste Druckentlastungsventil.

Ferner sind gemäß der Erfindung die einander benachbarten Oberflächen des ersten oder zweiten Rohres oder beide so behandelt, daß das Emissions-» bzw₀ Abgabevermögen der Oberflächen ver~ bessert ist_s trodurch die Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen ihnen erhöht ist. ■

Das primäre Kühlmittel (nachfolgend flüssiges HeIiUm)₉ ist erfindungsgemäß in einem Zentralbehälter aus Aluminium ent-

halten, durch dessen Mitte sich eine Bohrung erstreckt, die von einer am Behälter angeschweißten zylindrischen Wand begrenzt ist. Ein supr.aleitfähiges Solenoid ist innerhalb des Kryostat angeordnet und umgibt die erwähnte Bohrung.

Der Zentralbehälter ist mit einem Füll- und Entlüftungsrohr versehen, welches durch nachfolgend zu beschreibende Elemente unmittelbar mit der Außenseite des Kryostaten in Verbindung steht, und welches das Füllen des Zentralbehälters ermöglicht und Doppelwege zur Atmosphäre^ für den Dampf des siedenden Kältemittels im Zentralbehälter schafft.

Der den Heliumbehälter umgebende erste Strahlungsschirm ist vorgesehen, um eine erste isothermische Oberfläche zwischen dem Zentralbehälter und einer weiteren isothermisehen Oberfläche zu schaffen, die den ersten Strahlungsschirm umgibt. Die zweite isothermische Oberfläche wird auf der Temperatur eines sekundären Kühlmittels (nachfolgend flüssigem Stickstoff) gehalten. Der erste Strahlungsschirm wird durch Dampfabkühlung, die vom Dampf des absiedenden Flüssigheliums abgeleitet wird, welcher nach oben αμΓσΙι das Füll- und Entlüftungsrohr entweicht, mit dem der Strahlungsschirm in Wärmekontakt steht, auf ca. 50° K gehalten.

Wie schon erwähnt, ist ein zweiter isothermischer Mantel vorgesehen, der den Strahlungsschirm und teilweise das Füll- und Entlüftungsrohr umgibt und durch Wärmekontakt mit einem Behälter für flüssigen Stickstoff gekühlt wird, welcher außerhalb des Mantels und oberhalb des Bereichs des Zentralbehälters an- * geordnet ist. Bei dieser geometrischen Anordnung erstreckt sich das Entlüftungs- und Füllrohr im Zentralbehälter (welches teilweise von einem zylindrischen Abschnitt des zweiten isothermischen Mantels umgeben 1st) durch eine größere Länge des Behälters für das zweite Kühlmittel (im Vergleich zu bekannten Kryostaten), wobei eine deutlich verbesserte Wärmeisolierung für den Flüssigheliumbehälter erzielt wird.

Der Behälter für das zweit© Kühlmittel und der zugehörige zweite isothermlscha Mantel ist wiederum von einem äußeren Strahlungsschirm umgeben₉ der auf einer Temperatur zwischen der des zweiten Kühlmittels und der Umgebungstempe= ratur gehalten wird* Dieses Einhalten der Temperatur ist durch Wärmeübertragung zur Dampfabeieöung der verflüssigten Gase mögliche die durch die entsprechenden Füll« und Entlüftungsrohre entweichen^ und/oder der äußere Strahlungsschirm kann unabhängig mit Hilfe einer äußeren Kühlvorrichtung gekühlt sein»

Ein äußer@s₉ hermetisch abgedichtetes Gefäß umschließt den äußeren Strahlungsschild und das Innere des Kryostaten und er« möglicht esj, die Räume zwischen einander benachbarte^ ineinander geschachtelten Oberflächen auf einen Druck im Größenordnung sbereich von 10" Torr zu entleeren₈ ehe kryogene Flüssigkeiten eingefüllt werden. Wegen des Kryopumpens an den kalten Oberflächen ist nach dem Einfüllen der kryogenen Fluide der Druck immer noch niedriger als der Nominalwert von 10" Torr» Auf diese Weise wird ein Minimum an Gasableitungs- und Gaskonvektionsmischanismen erreicht „ um den Wärme transport von der Umgebung sum Zentralbehälter einzuschränken„

Das Füll- und Entlüfungsrohr₉ welches zum Zentralbehälter führt;, ist aus dünnem₈ rostfreiem Stahl hergestellt,, so daß es einen bedeutenden thermischen Widerstand bietet« Im Innern des Füll« und Entlüftungsrohres für den Zentralbehälter ist ein weiteres rostfreies Stahlrohr von beträchtlich viel kleinerem Durchmesser angeordnet^ so daß der zwischen den beiden ineinander eingesetzten Rohren gebildete,, ringförmige Raum deutlich größer ist als die Querschnittsfläche des im Innern angeordneten Rohres» Diese verhältnismäßig große Fläche ist ständig durch ein Entlastungsventil für ziemlich hohen Druck geschlossen,, Das im Innern angeordnete Rohr steht über einen Strömungsmesser mit einem Entlastungsventil für ziemlich niedrigen

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Druck in Verbindung und ist deshalb der normale Entlüftungsweg. Das Füllen des Zentralbehälters¹ erfolgt nach Herausnahme des Im Innern angeordneten Rohres, um die ganze Querschnittsfläche des Füll- und Entlüftungsrohres für den Füllvorgang zur Verfügung zu haben.

Direkte Ableitungsverluste zwischen den ineinander geschachtelten Elementen des Kryostat sind reduziert, und eine mechanische Abstützung ist durch unter Zugspannung stehende innere Verstrebung mittels Polyesterschnüren erzielt.

Mit Ausnahme der Füll- und Entlüftungsrohre in den beiden Behältern für Flüssigstickstoff bzw. Flüssighelium, die aus rostfreiem Stahl bestehen, sind alle Wände, die die ineinander geschachtelten Elemente des Kryostat bilden, aus Aluminium hergestellt. Die Aluminiumoberflächen sind so behandelt, daß ihr Strahlungsabgabevermögen reduziert ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kryostat; Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Kryostat gemäß Fig. 1.

Anhand des in Fig. 1 gezeigten Querschnitts durch den Kryostat soll die Erfindung näher erläutert werden.

Ein ijupraleitfählgceit-Spektrometersystem für die magnetische Kernre soaanz arbeitet mit einem Kryostat 1, der Zimmertemperaturzugang zu dem im Innern des Kryostaten 1 erzeugten Magnetfeld durch eine Bohrung 3 längs der Achse des Kryostaten hat.

Der Kryostat 1 enthält in einem Zentralbehälter 110 eine supraleitfähige Solenoidanordnung 50. Der Zentralbehälter 110 ent-

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hält ein Haupt - Kühlmittel, vorzugsweise flüssiges Helium, um den supraleitfähigen Zustand der Wicklungen aufrechtzuerhalten,, die die Solenoidanordnung 50 bilden. Von den Solenoidwick« lungen wegführende, insgesamt mit 52 bezeichnete Leitungen enden in einer Verbindungseinheit 5^® die für außen ange« ordnete Stromquellen Zugang bietet;, welche in einer Art und Weise gemäß US-PS ^ 173 775 eingeführt werden» Der Aufbau der Solenoidanordnung 50 fällt nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung und ist im einzelnen in den US-PS 4 180 769 und k 213 092 beschrieben=

Der Zentralbehälter 110 für das Kältemittel ist aus 3»175 mm (O_s125 Zoll) dickem Aluminium hergestellt,, welches durch bekannte Drehverfahron zu einem im wesentlichen kugelförmigen Mantel geformt ist. Bei dem bevorzugten Äusführungsbeiapiel hat der Zentralbehälter 110 ein Passungsvermögen für ca. 25 Liter Kältemittel, Der Zentralbehälter 110 ist ferner durch eine Bohrung gekennzeichnet, die eine am Zentralbehälter 110 angeschweißte zylindrische Wand 111 bildet» Dadurch ergibt sich Zimmertemperaturzugang zum Magnetfeld der Solenoidanordnung 50 längs der Achse desselben. Dar Zentralbehälter 110 ist gegenüber der Umgebungstemperatur durch eine Viel zahl„ der Reihe nach ineinander geschachtelter, den Zentralbehälter umgebender, von Mänteln 112, 114_S II6 und 118 gebildeter Kammern isoliert_s welche koaxiale Bohrungen haben₉ die jeweils von zylindrischen Rohren II3, 115, II7 bzw.' 119 gebildet sind_o Die Wanddicke jedes der zylindrischen, koaxialen Rohre wird bestimmt von der Wärmelast, die jedes Rohr aufzunehmen hat_s und schwankt von O_s5O8 mm bis !„2^5 mm (0,02 bis O₉0^9 ZoIl)₀ Die Zwischenräume zwischen den von den Mänteln 112₉ ll^_s 116 und 118 gebildeten Kammern stehen in einer unten noch zu beschreibenden Weise in gegenseitiger Verbindung und werden durch eine Auspumpöffnung 120 im Mantel 118 der äußersten Kammer entleert^ um einen sehr niedrigen Druck von beispielsweise 10" Torr zu erzielen» damit die- Wärmefortleitung zwischen einander benachbarten,, ineinander

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geschachtelten Oberflächen durch eine Ableitung und Konvektion mittels Gas auf ein Minimum eingeschränkt wird.

Oberhalb des Zentralbehälters 110 ist ein Zusatzbehälter 114' für ein sekundäres Kühlmittel in Wärmeberührung mit der Kammer vorgesehen, die vom Mantel 114 begrenzt ist, welcher vorzugsweise aus Aluminium der Nominaldicke 4,826 mm (0,190 Zoll) hergestellt ist. Hierdurch weist die Kammer einen isothermischen Mantel von der Temperatur des sekundären Kühlmittels, vorzugsweise flüssigem Stickstoff auf.

Von der Außenseite des Kryostat führt ein Entlüftungs- und Füllrohr 130 zum Zentralbehälter 110. Dies Bohr 130 besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, um die Wärmeableitfähigkeit vom Flüssigheliumbehälter zur Außenseite des Kryostaten auf ein Minium einzuschränken. Das Rohr I30 ist notwendigerweise durch koaxiale Rohre I32, 134, I36 und I38 abgeschirmt, die jeweils Teil der entsprechenden ineinander geschachtelten, durch die Mantel 112, 114, II6 und 118 begrenzten Kammern bilden. Von einem Wärmeübertragungskragen 133 wird Wärme an den durch das Rohr I30 strömenden Dampf des absiedenden Heliums übertragen, um den isothermischen Mantel 112 auf fester Temperatur zu halten. Ein zweites Füll- und Entlüftungsrohr für den Zentralbehälter, von identischem Aufbau wie das beschriebene Rohr, ist nicht gezeigt. Das zweite Füll- und Entlüftungsrohr dient als weiteres Doppelweg-Druckentlastungsmittel und hat die Aufgabe, als Leitung für elektrische Steuerung und elektrischen Strom zum supraleitfähigen Solenoid im Zentralbehälter 110 zu dienen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist die in Fig. 1 gezeigte Verbindungseinheit 54 für die elektrische Steuerung und Energie unterhalb eines solchen Füll- und Entlüftungsrohres angeordnet. Es ist nur daran zu denken, daß die Verbindungseinheit 54 nur unter einem solchen Füll- und Entlüftungsrohr angeordnet ist. Ein weiteres, mit dem Zusatzbehälter 114' in Verbindung stehendes Füll- und Entlüftungsrohr ist hier nicht gezeigt. Diese Konstruktion ist aus dem US-PS

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4 212 169 zu entnehmen. Der vorzugsweise aus Aluminium bestehende Wärmeübertragungskragen 133 dient zum Übertragen von Wärme an den absiedenden Heliumdampf ₀ der durch das Rohr 130 entweicht, um auf diese Weise den isothermischen Mantel 112 auf einer festgelegten Temperatur zu halten»

Der einen Strahlungsschirm darstellend© Mantel 112 ist vorzugsweise mittels herkömmlicher Drehverfahren aus Aluminium hergestellt und bildet einen isothermischen Mantel einer Tempe~ ratur, die zwischen der des sekundären Kältemittels (flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von 77₉^° K) und der des Haupt Kältemittels (flüssiges Helium mit einer Temperatur von h_s2° K) liegt. Für eine Kombination aus Flüssigstickstoff und Flüssighelium liegt die optimale Temperatur des den Strahlungsschirm bildenden Mantels 112 bei ca. 50° K* Wärme wird an den Strahlungsschirm im wesentlichen durch Abstrahlung vom Inneren des umgebenden Mantels 11^ und durch Ableitung über mechanische Abstützungen und Halterungen zwischen beiden übertragen,, und dann wird Wärme wieder von dem den Strahlungsschirm bildenden Mantel 112 über den Wärmeübertragungskragen 133 aus Aluminium., der mit dem Füll- und Entlüftungsrohr I30 und mit dem Mantel 112 verschweißt ist₉ an den Heliumdampf im Füll- und Entlüftungsrohr 130 übertragen. Die Wärmeberührung zwischen dem Rohr I30 und dem Wärmeübertragungskragen 133 erfolgt an einer Stelle^ an dar dem entweichenden Heliumdampf von dem den Strahlungsschirm bildenden Mantel 112 ca. 10 mW thermische Energie zugeführt wird«,

Den Mantel 112 umgibt der weitere Mantel Uk^ der gleichfalls eine isothermische Schale bildet und durch Schweißberührung mit dem Zusatzbehälter llV für flüssigen Stickstoff auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten wird« Die Außenfläche des isothermischen Körpers 11^-11^' ist ihrerseits vom Mantel Il6 in Form eines äußeren Strahlungsschildes abgeschirmt; welcher auf einer Temperatur zwischen der des flüssigen Stick-

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Stoffs und der Zimmertemperatur gehalten wird, wie noch näher "beschrieben wird.

Der Kryostat wird von einem Mantel 118 umgeben, der ein hermetisch abgedichtetes, äußeres Gefäß darstellt und die mechanische Unversehrtheit gewährleistet und ein Vakuum aufrechterhält.

In den Mänteln 112 und 116 sind, wie die Zeichnung zeigt, mit Umlenkorganen versehene Öffnungen 135 und 137 vorgesehen. Eine ähnliche Öffnung im Mantel 114, die in Fig. 1 nicht zu sehen ist, stellt eine Verbindung zwischen allen Innenräumen der Schachtelkonstruktion her, so daß diese Innenräume nach dem Entlüften durch die Auspumpöffnung 120 alle auf dem gleichen Druck gehalten werden.

Der Zusatzbehälter 11V für flüssigen Stickstoff und der zugehörige Mantel 114 wird durch Abkühlen des äußeren, einen Strahlungssohirm bildenden Mantels 116 auf eine Temperatur zwischen der des flüssigen Stickstoffs und der Umgebungstemperatur wirksam isoliert. Der Mantel 116 wird dadurch vorzugsweise auf einer Temperatur von 235° K gehalten, daß ein Wärmeaustausch zu den entweichenden Helium- und Stickstoffdämpfen in ähnlicher Weise wie beim inneren Strahlungsschirm hergestellt wird, oder daß, gemäß einer Alternative, ein Wärmeaustausch mit einer außen angeordneten, unabhängigen Kältemaschine hergestellt wird, wie im einzelnen aus US-PS k 212 169 hervorgeht.

Der Zentralbehälter 110, der Strahlungsschirm in Form des Mantels 112, der Zusatzbehälter 114·· für flüssigen Stickstoff, und der Mantel 114, der äußere Strahlungsschirm in Form des Mantels 116 und der Mantel 118, der das Gefäß begrenzt, besteht aus einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise der Legierung 1100-0. Diese Legierung ist allgemein bekannt und wird von ver-

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schiedenen Herstellern auf den Markt gebracht. Wenn die obenerwähnten Elemente durch Drehtechniken in ihre Form gebracht worden sind, werden die inneren,.- einander mit Abstand benachbarten Oberflächen der jeweiligen Elemente einer Oberflächenbehandlung ausgesetzt, wie sie in der Patentanmeldung P 29 06 075.I näher beschrieben ist, was dazu führt, daß das Emissionsvermögen dieser Oberflächen um ca₀ 3.5 % verringert wird,

Di© Ineinanderschachtelung des Kryostaten₀ wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, erfordert im Innern mechanische Stützen,, um die Abstände aufrechtzuerhalten und die verschiedenen Mäntel zu zentrieren und koaxial auszurichten und enge Toleranzen zwischen ihnen einzuhalten. Es ist wichtige- daß die die Bohrung für den Zugang bei Zimmertemperatur bildenden koaxialen Rohre 111 j 113, 115, 117 und 119 exakt in ihrer Lage bestimmt sind. Mechanische Halterungen, mit denen eine solche Verstrebung erzielt wird, bilden einen thermisch leitfähigen Weg für den Wärmetransport. Einander benachbarte Elemente der Ineinander geschachtelten Bauteile HO₉ 112, 114 und 114 ·₈ 116 und 118 unterliegen Abstandseinschränkungen durch die in der Figur gezeigten, gespannten Polyesterstränge. Aus Gründen der Klarheit ist eine repräsentative Speiche 16O hervorgehoben. Die jeweiligen Abstände zwischen den einander benachbarten koaxialen Rohren in der Bohrung sind im einzelnen in dem schon genannten US-PS 4 212 169 beschrieben.

In Fig» 2 ist die besondere Verbesserung der Erfindung im einzelnen zu sehen. Das Füll- und Entlüftungsrohr I30 wird durch eine Kombination aus einem Druckentlastungsventil 228 und einem Verbindungsstück 210 geschlossen. Das Verbindungsstück 210 ist so gestaltet, daß es mit dem Rohr I30 in Verbindung treten und ein Hochdruckentlastungsventil 215 aufnehmen kann. Zum Füllen des Zentralbehälters kann das Verbindungsstück 210 abgenommen werden«, Ein im Rohr I30 angeordnetes„ weiteres Rohr 220 steht

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durch die Seitenwand des Verbindungsstücks 210 über einen Strömungsmesser 225 mit dem Hauptdruckentlastungsventil 228 in Verbindung, um dampfförmig gewordenes₍ flüssiges Helium entweichen zu lassen. Das primäre Druckentlastungsventil 228 ist typischerweise so eingestellt, daß es sich bei einem Druck von ca. 0,035 kg/cm (1/2 psi) öffnet, während das sekundäre Druckentlastungsventil 215 typischerweise so eingestellt ist, daß es sich bei einem Druck von ca. 0,0? kg/cm (1 psi) öffnet. Das Infiltrieren von Luft wird durch das primäre Druckentlastungsventil 228 auf ein Minimum eingeschränkt, und die Diffusion und anschließende Kondensation und Verfestigung von ins Innere des Rohres 220 eindringender Umgebungsluft führt zu keinem katastrophalen Ausfall der Vorrichtung, da ein alternativer Druckentlastungsweg durch das sekundäre Druckentlastungsventil 215 zur Verfügung steht.

Das der Steuerung dienende Rohr 220 ist bei einer Ausführungsform der Erfindung ein rostfreies Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 6,350 mm (1/4 Zoll) (0,152 mm - 0,006 Zoll Wanddicke). Der Außendurchmesser des Füll- und Entlüftungsrohres 130 beträgt 15*875 mm (5/8 Zoll) (0,152 mm - 0,006 Zoll - Wanddicke), so daß ein nominaler Spielraum von 4,699 mm (0,185 Zoll) zwischen diesen rohrförmigen Oberflächen erhalten wird. Das Querschnittsverhältnis für die Fläche des Ringraumes außerhalb des Rohres 220 der des Inneren des Rohres 220 beträgt etwa 4,5· Damit zeichnet sich der sekundäre Druckentlastungsweg durch einen besonders niedrigen relativen Druckwiderstand aus. Das ist beim vorliegenden Anwendungsfall besonders wichtig, da ein Normalleitend werden des supraleitfähigen Solemoids zu berücksichtigen ist, was eine sofortige Druckentlastung erfordert, um eine Zerstörung zu vermeiden.

Die Anordnung des zusätzlichen Rohres 220 innerhalb des Rohres 130 hat sich als ein Mittel erwiesen, mit dem die Absiedegeschwindigkeit aus dem Zentralbehälter drastisch verringert

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Bei einer typischen Messung der Absiederate für den oben beschriebenen Kryostaten_; jedoch ohne das Rohr 220,ergibt sich ein Verbrauch an flüssigem Helium von 11 cm-Vstd. Bei dem gleichen Kryostaten ergibt sioh nach erfindungsgemäßer Ausrüstung ein Verbrauch von 8 cnr/Std. Diese Messungen sollten die Größe einer Kombination eines durch Konvektion und durch Abstrahlung wirkenden Transportes längs des Wärmeweges zeigen,, den das Innere des Bohres I30 (gemeinsam mit restlichen Wärmeverlusten verschiedenen Ursprungs) bildet«,

Der offene und ungehinderte Weg durch das Rohr I30 ohne den erfindungsgemäßen Zusatz erlaubt einen unbeschränkten Strahlungstransport von der Plüssigheliumoberflache im Innern des Zentralbehälters 110 an die Umgebungstemperatur beim Verschluß des Rohres I30. In ähnlicher Weise werden vermutlich die Sätze von Konvektionsstromschleifen längs der ganzen Länge eines solchen offenen Rohres erzeugt. Diese haben die Form verhältnis= mäßig kühlen, nach unten gerichteten Dampfs entlang der Mitte des offenen Rohres I30 und eines verhältnismäßg wärmeren Dampfes, der in der Nähe der Wände des Rohres I30 ansteigt. Über mit diesem Modell übereinstimmende Beobachtungen haben Boardman et al. in "Cryogenics", 1973, Band I3, Seite 520-523 berichtet. Zur Untersuchung dieser Verluste wurden ebene Umlenkplatten aus Aluminium, die etwa 90 % des Querschnitts im Innern des Rohres 130 abdeckten^ an einem dünnen Kunststoffrohr angebracht und hängend ins Innere des Rohres I30 eingeführt. Diese Umlenkplatten wurden an der Stelle des Wärmeübertragungskragens 133 und eines Wärmeübertragungskragens 159 angeordnet. Es zeigte sich, daß in Gegenwart dieser Umlenkorgane die Absiederate um ca. 10 % verringert war. Es wird die Hypothese aufgestellt, daß solche Umlenkorgane einen Widerstand darstellen^ der an der Oberseite jeder Umlenkplatte eine Strahlungsabsorption erfordert, gefolgt von einer ableitenden

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Übertragung durch das Umlenkorgan und einer erneuten Emission von der Unterseite desselben. Außerdem ist die konvektive Strömung bei dieser Anordnung durch die beiden Umlenkorgane in mindestens drei Zellen unterteilt, was eine Wärmeübertragung an den jeweiligen Umlenkorganoberflächen erforderlich macht. Wärmeübertragungsver.luste an den Grenzflächen der konvektiven Zellen tragen dazu bei, die gewünschte verbesserte Isolierung sicherzustellen.

Die obenerwähnten Querschnitts-Umlenkorgane sind keine wünschenswerte Einrichtung, um den Wärmewiderstand zu erhöhen, da die Eisverstopfungsgefahr etwas vergrößert ist. Außerdem können die Umlenkorgane an der Innenwand des Entlüftungs- und Füllrohree anfrieren, so daß sie nicht mehr herausgenommen werden können, wenn der Behälter gefüllt werden soll.

Vorzugsweise ist das Füll- und Entlüftungsrohr I30 und das darin angeordnete Rohr 220 in einem Strahlungswärme-Austauschverhältnis angeordnet. Das bedeutet, daß die einander benachbarten, einander zugewandten Oberflächen der Rohre 13O und so behandelt sind, daß ihr Emissionsvermögen verbessert wird, um dadurch die Strahlungsemission und -absorption zwischen diesen Oberflächen zu fördern. Diese Rohre stützen ganz deutlich ein thermisches Gefälle in Längsrichtung; die Strahlungsverbesserung zwischen diesen Oberflächen dient dazu, jegliches thermische Gefälle in radialer Richtung zu verringern oder auf ein Minimum einzuschränken. Folglich werden die radialen Komponenten konvektiver Ströme im Ringbereich zwischen diesen Oberflächen ähnlich auf ein Minimum eingeschränkt, während Längskomponenten der konvektiven Ströme einem etwas höheren effektiven thermischen Widerstand ausgesetzt sind durch den Wärmeaustausch mit der jeweiligen inneren Oberfläche des Rohres 130 und der äußeren Oberfläche des Rohres 220.

Das im Inneren angeordnete Rohr 220 beim bevorzugten Ausführungs-

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beispiel wird hypothetisch als ein axial verteiltes Umlenkorgan betrachtet. Strahlungsenergie, die im Bereich des Verschlusses des Entlüftungs- und Füllrohres vorhanden ist, wird zwischen der Innenfläche des Rohres I30 und der benachbarten Außenfläche des Rohres 220 mehrfach reflektiert. Die einander zugewandten, benachbarten Oberflächen der Rohre I30 und 220 sind so behandelt, daß sie das Emissionsvermögen verbessern, was zur Folge hat, daß die einfallende Strahlung absorbiert wird und sich nicht in nennenswertem Ausmaß längs der Innenseite des Füll- und Entlüftungsrohres 13O ausbreitet. Dar axiale Strahlungsfluß durch das Innere des Rohres 220 ist im Querschnitt verringert, so daß die Größe dieses Verlustes deutlich reduziert ist. Ferner bildet das eingesetzte Rohr 220 mit kleinem Durchmesser einen zusätzlichen Gasströmungswiderstand, da der wirksame Querschnitt des primären Entlüftungsweges eingeschränkt ist, wodurch der Wärmetransport durch konvektive Ströme längs des eingesetzten Rohres nach unten reduziert ist.

Der jeweilige Beitrag von Strahlungsverlustsn und Konvektionsverlusten durch das Füll- und Entlüftungsrohr I30 wurde dadurch untersucht, daß das Rohr 220 durch ein massives zylindrisches Element ersetzt wurde. Für diese Messung wurde ein Nylonstab von dem gleichen Querschnitt vom Verbindungsstück 210 herabgelassen und die Siederate mittels des Strömungs« messers 225 gemessen, welcher in Reihe mit dem Druckentlastungsventil 228 eingesetzt war. Innerhalb der Grenzen dieser Messung erwies sich, daß die Absiederate die gleiche war wie bei Benutzung des zylindrischen Umlenkorganes in Rohrform gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Folglich hat ein Äusführungsbeispiel, welches einen massiven zylindrischen Körper als verteiltes Umlenkorgan aufweist, einen ähnlichen Wärmevorteil» Allerdings ist bei einem solchen Ausführungsbeispiel insofern ein Sicherheitsmerkmal aufgegeben, als kein alternativer Gasdruck-Entlastungsweg zur Verfügung steht»

Eb sei noch darauf hingewiesen, daß die verbesserten thermischen Eigenschaften der Erfindung durch Abweichungen von der koaxialen Anordnung des in die Mitte eingesetzten Rohres 220 im Rohr I30 nicht beeinflußt werden. Bei Berührung des unteren Endes des Rohres 220 mit der Innenwand des Rohres 130 wurde keine nennenswerte Leistungsminderung beobachtet.

Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Ιο' ■-..·. //*Kryos-tat₉

adurch gekennzeichnet „ daß eine kryogene Flüssigkeit in einem inneren Behälter enthalten ist,, daß äußere Mäntel den Behält©? umgeben;, daß ein Füll» und Ent« lüftungsrohr vom inneren Behälter durch den äußeren Mantel und ein zylindrisches Umlenkorgang welches im Inneren des Füll« und Entlastungsrohres angeordnet ist_D eine Verbindung herstellt;, daß das zylindrische Umlenkorgan ein anderes Rohr aufweist₀ dessen Außendurchmssser wesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Füll» und Entlüftungsrohres _B daß das Innere des anderen Rohres geeignet ist_s mit der Außenseite des äußeren Mantels durch ein Niederdruckentlastungsventil in Verbindung zu treten,, und daß der ringförmige Leitungsraum_p der zwischen der Außenseite des anderen Rohres und der Innen« seite des Füll» und Entlüftungsrohres geschaffen ist_B mit der Außenseite des Außenroantels durch ein Druckentlastungsventil für verhältnismäßig hohen Druck in Verbindung bringbar ist«,

2_O Kryostat nach Anspruch I₀

dadurch gekennzeichnet _B daß das andere Rohr eine begrenzte Länge hat und nicht ins Volumen des inneren Behäl'ters hineinragt»

3ο Kryostat nach Anspruch 2₀

dadurch gekennzeichnet _s daß das Füll» und Entlüftungsrohr und das andere Rohr aus rostfreiem Stahl bestehen.

^q Kryostat nach Anspruch 3₀

dadurch gekennzeichnet _D daß die äußere Oberfläche des anderen Rohres so behandelt ist₈ daß ihr Emissionsvermögen erhöht ist ο

5ο Kryostat nach Anspruch 3 oder k_s dadurch gekennzeichnet ₀ daß die innere Ober»

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fläche des Füll- und Entlüftungsrohres so behandelt ist, daß ihr Emissionsvermögen erhöht ist.

6. Kryostat,

dadurch gekennzeichnet , daß eine kryogene Flüssigkeit in einem inneren-Behälter enthalten ist, daß der Behälter von äußeren Mänteln umgeben ist, daß ein Füll- und Entlüftungs-Rohr vom inneren Behälter über den äußeren Mantel und ein im Innern des Füll- und Entlüftungsrohres angeordnetes, zylindrisches Umlenkorgan eine Verbindung herstellt, daß das zylindrische Umlenkorgan einen massiven, zylindrischen, nichtwärmeleitfähigen Körper aufweist, dessen Außendurchmesser deutlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Füll- und Entlüftungsrohres, daß der zwischen der Außenseite des massiven zylindrischen Körpers und der Innenseite des Füll- und Entlüftungsrohres gebildete ringförmige Leitungsraum geeignet ist, mit der Außenseite des äußeren Mantels durch ein Entlastungsventil für verhältnismäßig niedrigen Druck in Verbindung gebracht zu werden.

7. Kryostat nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß der massive zylindrische Körper eine begrenzte Länge hat und nicht in das Volumen des inneren Behälters ragt.

8. Kryostat nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet , daß das Füll- und Entlastungsrohr rostfreien Stahl aufweist, und daß der massive zylindrische Körper Nylon aufweist.

9. Kryostat nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Oberfläche des massiven zylindrischen Körpers so behandelt ist, daß ihr Emissionsvermögen erhöht ist.

3U3759

10ο Kryostat nach Anspruch 8 oder 9₉

dadurch gekennzeichnet „ daß die innere Oberfläche des Füll= und Entlüftungsrohres so behandelt ist₀ daß ihr Emissionsvermögen erhöht ist»