DE3304375C2

DE3304375C2 - Kühleinrichtung für eine Tieftemperatur-Magnetspule

Info

Publication number: DE3304375C2
Application number: DE19833304375
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Müller
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1983-02-09
Filing date: 1983-02-09
Publication date: 1987-01-29
Also published as: DE3304375A1

Abstract

Eine Kühleinrichtung ist für ein Tieftemperatur-Magnetsystem, insbesondere ein supraleitendes Magnetsystem vorgesehen, bei dem die Magnetspule (32) von wenigstens einem Zwischenschild (26, 29), umgeben in einer evakuierten Außenhülle (22), gehalten ist. Um den Kühlmittelverbrauch niedrig zu halten, ist auf der Außenhülle (22) ein Refrigerator (11) angeordnet, der über einen durch die Außenhülle (22) führenden Kühlarm (18) den wenigstens einen Zwischenschild (26, 29) kühlt. Um auch bei Dauerbetrieb des Magnetsystems den Refrigerator (11) warten zu können, ist die Durchführung durch die Außenhülle (22) als vakuumdichte Schiebevorrichtung ausgebildet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für eine Tieftemperatur-Magnetspule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Kühleinrichtung ist aus der Zeitschrift "Review of Scientific Instruments", 50 (1979), Seite 1382 bis 1385 bekannt.
Bei der aus der genannten Zeitschrift bekannten Kühleinrichtung ist ein Kühlsystem auf der Außenhülle angeordnet; das Kühlsystem kühlt über zwei unterschiedlich lange Kühlarme zwei Zwischenschilde. Die Kühlarme sind dabei fest mit den Zwischenschilden verbunden.
Auf verschiedenen Gebieten der Meßtechnik, insbesondere der analytischen Meßtechnik und der medizinischen Meßtechnik, werden homogene Magnetfelder hoher Feldstärke benötigt. Hierzu werden in immer größerem Umfange supraleitende Magnetspulen eingesetzt. Diese Magnetspulen sind aus supraleitendem Draht gewickelt und befinden sich in einem Kryostaten, der die supraleitende Magnetspule auf der Betriebstemperatur von etwa 4 K hält.
Üblicherweise werden für die genannten Anwendungen Solenoid-Spulen verwendet, die sich in einem Behälter für flüssiges Helium befinden. Dieser Behälter ist von einem weiteren Behälter umgeben, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Zwischen diesen Behältern und gegebenenfalls zwischen dem Stickstoffbehälter und einer Außenhülle sind sogenannte Schutzschilder angeordnet, die auf einer jeweils zwischen den angrenzenden Temperaturen liegenden Temperatur gehalten werden und ebenfalls zur Vorkühlung des innersten, das flüssige Helium enthaltenden Behälters dienen.
Die supraleitenden Magnetspulen dieser Art werden üblicherweise im "persistent mode" betrieben, das heißt die supraleitende Spule wird mit einem Strom beaufschlagt und dann deren Anfang und Ende kurzgeschlossen, so daß der eingespeiste Strom in der supraleitenden Spule praktisch unendlich lange fließen kann, solange die Supraleitung aufrecht erhalten wird. Für diese Betriebsweise ist jedoch eine zeitlich lang andauernde Kühlung der Spule erforderlich, die die Supraleitung der Spule sicherstellt. Der "persistent mode" kann auf diese Weise über Jahre hinweg aufrecht erhalten werden.
Die Betriebskosten und der Wartungsaufwand eines derartigen supraleitenden Magneten werden entscheidend durch den Verbrauch an den erwähnten flüssigen Gasen, nämlich flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium bestimmt. Gelingt es dabei, die Abdampfrate dieser flüssigen Gase niedrig zu halten, können die Betriebskosten eines derartigen supraleitenden Magneten niedrig gehalten werden, so daß - zusätzlich zu den Magnetfeldeigenschaften - auch hinsichtlich der Betriebskosten wesentlich günstigere Verhältnisse als bei klassischen Elektromagneten vorliegen.
Wie bereits zuvor erwähnt, werden die genannten supraleitenden Magnetspulen im "persistent mode" unter Umständen über Jahre hinweg in Betrieb gehalten. Andererseits ist das Kühlsystem einem mechanischem Verschleiß unterworfen, so daß es in bestimmten Zeitabständen mechanisch zu warten ist. Für eine derartige Wartung ist es jedoch erforderlich, das Kühlsystem auf Raumtemperatur zu erwärmen, um beispielsweise O-Ringe oder andere Dichtungen austauschen zu können oder andere mechanische Teile zu ersetzen. Ein mechanischer Abbau eines fest mit den Zwischenschilden verbundenen Kühlsystems führt zwangsläufig zu einer Betriebsunterbrechung, da das Vakuum beim Abbau nicht aufrecht erhalten werden kann.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung zu schaffen, bei der die maximale Betriebsdauer nicht durch die erforderliche Wartung des Kühlsystems beeinträchtigt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlarm in seiner Längsrichtung verschiebbar ist, daß die Außenhülle während der Verschiebebewegung vakuumdicht bleibt und daß der Kühlarm in der eingeschobenen Endstellung mit dem zu kühlenden Zwischenschild in wärmeleitender Verbindung steht, in der herausgeschobenen Endstellung hingegen von diesem getrennt ist.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat damit den besonderen Vorteil, daß die Supraleitung in der Magnetspule aufrecht erhalten werden kann, während das Kühlsystem mechanisch gewartet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In Bezug auf den Anspruch 4 sei erwähnt, daß aus der Zeitschrift "Cryogenics" (Oktober 1976) Seite 593 bis 595 an sich eine Kühleinrichtung für eine supraleitende Magnetspule bekannt ist, bei der ein die evakuierbare Außenhülle durchsetzender länglicher Experimentier- Einsatz an seiner zylindrischen Oberfläche auch bei Verschiebung mit einem O-Ring abgedichtet ist.
In Bezug auf den Anspruch 5 ist aus der Zeitschrift "Cryogenics" (August 1976) Seite 465 bis 468 an sich eine Kühleinrichtung bekannt, bei dem eine Pumpe über einen Faltenbalg an die evakuierbare Außenhülle angeschlossen ist. Bei dieser Anwendung kommt es jedoch nicht auf eine vakuumdichte Schiebevorrichtung an, sondern es geht vielmehr darum, die Vibrationen der Pumpe über das elastische Verbindungsmittel des Faltenbalges von der Außenhülle fernzuhalten.
Die Erfindung wird nun an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachstehenden Beschreibung im einzelnen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Hälfte einer Kühleinrichtung;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes aus Fig. 1;
Fig. 3a und b ein Kopplungsteil, wie es bei der Kühleinrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verwendet werden kann.
In Fig. 1 bezeichnet 10 ein supraleitendes Magnetsystem, das über ein Kühlsystem 11 zum Kühlen von innenliegenden Schutzschilden verfügt. Das Kühlsystem 11 wird von einem räumlich getrennten Kompressor 12 über eine flexible Druckleitung 13 mit beispielsweise Hochdruckgas versorgt. Das Kühlsystem 11 ist als Aufsatz ausgebildet, der aus einem Kopf 14 sowie einem daran angeformten ersten Flansch 15 besteht. Der erste Flansch 15 liegt auf einem zweiten Flansch 16 auf, der in ein Rohr 17 übergeht, das einen Kühlarm 18 umschließt. Im zweiten Flansch 16 sind als Führung dienende Stangen 19 angeordnet, die in einem gegenüber dem zweiten Flansch 16 liegenden dritten Flansch 20 geführt werden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die Stangen 19 im dritten Flansch 20 zu befestigen und im ersten bzw. zweiten Flansch 15, 16 zu führen. Der dritte Flansch 20 ist dabei Teil eines Halses 21, der an einer Außenhülle 22 des supraleitenden Magnetsystems 10 angeformt ist.
Die Außenhülle 22 geht an den Endabschnitten des supraleitenden Magentsystems 10 in Deckenteile 23 über, in denen sich auch eine Probenöffnung 24 in der Achse 25 des Magnetsystems 10 befindet.
Die Außenhülle 22 umgibt zunächst einen ersten Zwischenschild 26, der in unmittelbarem mechanischen und damit wärmeleitenden Kontakt zu einem Behälter 27 steht, der flüssigen Stickstoff 28 enthält. Der erste Zwischenschild 26 umgibt einen zweiten Zwischenschild 29. Der zweite Zwischenschild 29 umgibt wiederum einen Behälter 30 für flüssiges Helium 31. Im Behälter 30 bzw. im flüssigen Helium 31 befindet sich eine Magnetspule 32, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Solenoidspule mit an den Enden aufgesetzter Korrektur-Spaltspule. Die Zwischenräume 33 zwischen der Außenhülle 22, dem ersten Zwischenschild 26, dem zweiten Zwischenschild 29 sowie dem Behälter 30 sind dabei evakuiert.
Es versteht sich, daß in der Darstellung in Fig. 1 die aus dem Stand der Technik bekannten Befestigungsmittel und Isolationsfolien (Superisolation) für die einzelnen Behälter des Magnetsystems 10 nicht dargestellt sind.
Um den Wärmeübergang zwischen dem Kühlarm 18 des Kühlsystems 11 und den von diesem zu kühlenden ersten Zwischenschild 26 bzw. zweiten Zwischenschild 29 herzustellen, sind in den Schilden 26, 29 Kopplungsteile 34, 35 vorgesehen.
Betrachtet man nun die vergrößerte Darstellung des Kühlsystems mit den zugehörigen Teilen des Magnetsystems 10 in Fig. 2, so erkennt man, daß der Kühlarm 18 an seinem der Magnetspule 32 zugewandten Ende in einen konzentrischen Endabschnitt 39 ausläuft, der einen gegenüber dem übrigen Kühlarm 38 verminderten Querschnitt aufweist.
Um eine gute Dichtung zwischen den Flanschen 15, 16 herzustellen, ist zwischen diesen eine als O-Ring 40 ausgebildete Dichtung vorgesehen. Die Dichtwirkung zwischen dem verschiebbaren Kühlsystem 11 und der Außenhülle 22 erfolgt entweder über O-Ringe 41, 42, die zwischen dem Hals 21 und dem Rohr 17 angeordnet sind, und/oder über einen Faltenbalg 43. Es versteht sich, daß es sich in Fig. 2 um eine vereinfachte Darstellung handelt, in der zwei Ausführungsformen in einer Skizze gezeigt werden. Die tatsächlichen Ausführungsformen sind i. a. rotationssymmetrisch.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 ist das Kühlsystem 11 im ausgefahrenen Zustand dargestellt. Dazu gleitet das Rohr 17 im Hals 21 von der eingefahrenen Stellung, bei der der zweite Flansch 16 auf dem dritten Flansch 20 aufliegt bis in die dargestellte ausgefahrene Stellung, die vorzugsweise dadurch gekennzeichnet werden kann, daß auf einer der Stangen 19 eine Marke 36 angebracht ist, die den ausgefahrenen Zustand des Kühlsystems 11anzeigt.
In diesem ausgefahrenen Zustand kann zunächst über eine Heizeinrichtung 60 der Kühlarm 18 auf Raumtemperatur gebracht werden, damit ein Austausch mechanischer Teile, beispielsweise von Dichtelementen, möglich ist. Die Heizeinrichtung 60 ist dabei, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in einem Bereich angeordnet, der im ausgefahrenen Zustand außerhalb der Außenhülle 22 liegt, so daß die Rückwirkung dieser Aufheizung auf die innenliegenden Teile, insbesondere die Schutzschilde 26 und 29, minimal bleibt.
Im ausgefahrenen Zustand bleibt jedoch die Vakuumdichtheit der Außenhülle voll erhalten, so daß keine Beeinträchtigung des Vakuums in den Zwischenräumen 33 eintritt und demnach die Magnetspule 32 im supraleitenden Zustand verbleiben kann.
Sind die mechanischen Wartungsarbeiten am Kühlsystem 11 beendet, kann dieses aus der in Fig. 2 gezeichneten Stellung wieder in seine Arbeitsstellung eingeschoben werden. Dann gelangt der Teil 38 des Kühlarms in wärmeleitenden Kontakt mit dem Kopplungsteil 34 und der Endabschnitt 39 in wärmeleitenden Kontakt mit dem Kopplungsteil 35. Hierzu sind die Kopplungsteile 34 bzw. 35 als zylinderartige Vorsprünge 37 der Schilde 26 bzw. 29 ausgebildet, durch die zentrale Bohrungen führen. Die Außendurchmesser 44 bzw. 46 des Kühlarms sowie die Innendurchmesser 45 bzw. 47 der genannten Vorsprünge 37 sind dabei so bemessen, daß sich eine gute mechanische Passung und damit ein guter Wärmeübergang zwischen den genannten Teilen ergibt. Der Teil 38 des Kühlarms 18 wird dann vom Kühlsystem 11 auf die Temperatur gebracht, die der erste Zwischenschild 26 annehmen soll, beispielsweise 80 bis 100 K, während der Endabschnitt 39 auf die Temperatur abgekühlt wird, die der zweite Zwischenschild 29 annehmen soll, beispielsweise 20 bis 50 K.
Um das Einführen des Kühlarms 18 in die Kopplungsteile 34 bzw. 35 zu erleichtern, sind die jeweiligen Stirnflächen mit Fasen 48 bzw. 50 versehen, ebenso wie die nach außen weisenden Stirnflächen der Vorsprünge 37 mit Fasen 49 bzw. 51 versehen sind.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines derartigen Kopplungsteils, dargestellt am Beispiel des Kopplungsteils 35, abgebildet, wobei Fig. 3a eine Schnittdarstellung ist, die dem Schnitt entlang der Linie AA in Fig. 3b entspricht.
Wie man ohne weiteres erkennt, ist der Vorsprung 37 dabei mit der bereits erwähnten zentralen Bohrung des Innendurchmessers 47 versehen, von der radiale Schlitze 52 durch den Vorsprung 37 hindurchgehen. Verjüngt man weiterhin das Fußteil des stehenbleibenden Restes des Vorsprunges 37 durch eine Ansenkung mit einem Durchmesser 53, der größer als der Durchmesser 47 ist, entsteht eine federnde, kronenartige Halterung, in die der Endabschnitt 39 federnd eingeführt werden kann. Durch die federnde Halterung entsteht dabei eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Vorsprung 37 und Endabschnitt 39, die einen besonders guten wärmeleitenden Übergang bewirkt.
Es versteht sich dabei, daß die dabei verwendeten Materialien, insbesondere für die Kopplungsteile 34, 35 so gewählt sind, daß sie bei tiefen Temperaturen eine besonders gute Wärmeleitung aufweisen.

Claims

1. Kühleinrichtung für eine Tieftemperatur-Magnetspule (32), die von wenigstens einem Zwischenschild (26, 29) umgeben und in einer evakuierten Außenhülle (22) gehalten ist, wobei ein auf der Außenhülle (22) angeordnetes Kühlsystem (11) vorgesehen ist, das über einen durch die Außenhülle (22) vakuumdicht führenden Kühlarm (18) den wenigstens einen Zwischenschild (26, 29) kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlarm (18) in seiner Längsrichtung verschiebbar ist, daß die Außenhülle (22) während der Verschiebebewegung vakuumdicht bleibt und daß der Kühlarm (18) in der eingeschobenen Endstellung mit dem zu kühlenden Zwischenschild (26, 29) in wärmeleitender Verbindung steht, in der herausgeschobenen Endstellung hingegen von diesem getrennt ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlarm (18) in einem zum Kühlsystem gehörigen Rohr (17) angeordnet ist, das in einem an die Außenhülle (22) angeformten Hals (21) verschiebbar ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hals (21) und Rohr (17) eine vakuumdichte Abdichtung angeordnet ist.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung eine O-Ring- Dichtung (41, 42) ist.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vakuumdichte Abdichtung ein Faltenbalg (43) ist.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hals (21) in einem Flansch (20) ausläuft, auf dem in der eingeschobenen Endstellung des Kühlarms (18) ein Flansch (16) des Kühlsystems (11) aufliegt.

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Flansche (16, 20) als Führungen dienende Stangen (19) angeordnet sind, die in Ausnehmungen des jeweils anderen Flansch (20, 16) geführt werden.

8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (17) mit dem übrigen Kühlsystem über Flansche (15, 16) lösbar verbunden ist.

9. Kühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den der Rohrverbindung dienenden Flanschen (15, 16) eine vakuumdichte Dichtung, vorzugsweise ein O-Ring (40), angeordnet ist.

10. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlarm (18) in wenigstens einen verjüngten Endabschnitt (39) ausläuft, der in der eingeschobenen Endstellung des Kühlarms (18) in mechanischer Verbindung mit dem innersten von wenigstens zwei hintereinanderliegenden Zwischenschilden (26, 29) steht.

11. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zwischenschild (26, 29) über ein Kopplungsteil (34, 35) verfügt, in das der Kühlarm (18) einsteckbar ist.

12. Kühleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil (34, 35) aus einem vorzugsweise zylinderartigen Vorsprung (37) des Zwischenschildes (26, 29) besteht, der über eine zentrale Bohrung mit an den Außendurchmesser (44, 46) des Kühlarms (18) angepaßten lnnendurchmesser (45, 47) verfügt.

13. Kühleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung am zur Außenhülle (22) weisenden Ende eine Fase (49, 51) aufweist.

14. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlarm (18) an seiner zur Magnetspule (32) weisenden Verjüngung bzw. Stirnfläche eine Fase (48, 50) aufweist.

15. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsteil (34, 35) über eine federnde Aufnahme des Kühlarms (18) verfügt.

16. Kühleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderartige Vorsprung (37) mit radialen, durchgehenden Schlitzen (52) versehen ist.