-
Die Erfindung befaßt sich mit der Verringerung der Ansammlung
-
von Feuchtigkeit und Eis an den Außenflächen von Entleerungs-und Beschickungsrohren
eines als Flüssiggasbehälter benutzten Kryostaten.
-
Aus bekannten Kryostaten entweichender Siededampf wird meistens mit
verhältnismäßig niedriger Temperatur im Vergleich zu den Umgebungsbedingungen an
die Atmosphäre abgegeben. Das bedeutet, daß der entweichende kalte Dampf ausreichend
kalt ist, um Wärme vom Entleerungsrohr mit solcher Geschwindigkeit und Menge zu
übertragen, daß die Temperatur dieses Bauteils ziemlich stark unter dell Gefrierpunkt
atmosphärischer Luftfeuchtigkeit absinkt. Die Feuchtigkeit kondensiert am Bauteil,
gefriert und sammelt sich weiter an. In der Nähe des sich ansammelnden Eises entsteht
notwendigerweise ein auf eine Zwischentemperatur abgekühlter Bereich, in dem Feuchtigkeit
kondensiert, aber ohne zu gefrieren fließt. Selbst in diesem Beharrungszustand entwickelt
sich also weiterhin Flüssigkeit.
-
Folglich kann an einem Kryostaten Korrosion auftreten, und das ist
besonders gefährlich, weil das Halsrohr normalerweise am Körper des Kryostaten angeschweißt
ist. Eine an dieser Stelle auftretende Korrosion schwächt die Schweißstelle und
kann die Unversehrtheit des Vakuums im Innenaufbau des Kryostaten zerstören. Da
das Halsrohr bzw. die Rohre einen großen Teil des Innenaufbaus abstützen, kann schwere
Korrosion zu einer mechanischen Schwächung des Innenaufbaus führen.
-
Um diese Ansammlung von Feuchtigkeit zu verringern, hat man bereits
eine elektrische Einrichtung eingesetzt, um dem entweichenden Gas Wärme zuzuführen.
Bei einem anderen Versuch in dieser Richtung ist dochtartiges Material verwendet
worden, um Feuchtigkeit zu absorbieren und durch kapillare Anziehung in einen Behälter
abzuführen. Bei einer weiteren Ausführungsform können sehr lange Entflüftungsrohre
benutzt werden, die zusätzliche Oberfläche zum Erwärmen des Dampfes bieten. Das
kann jedoch zum Beschicken des Kühlgeräts durch die außerordentlich
langen
Halsrohre unbequem sein.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Ansammlung von Eis und Feuchtigkeit
an der Außenseite der Beschickungs- und Entleerungsrohre eines als Behälter benutzten
Kryostaten zu verringern.
-
Dazu wird ein mit Rippen versehener Wärmeaustauscher vorgesehen, der
dem durch das Innere des Beschickungs- und Entleerungsrohrs bzw. der Rohre streichenden
Siededampf aus der Omgebung entzogene Wärme mit Umgebungstemperatur zuführt.
-
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
den Zeichnungen ist: Fig. 1 ein Kryostat gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2
ein mit Rippen versehener Wärmeaustauscher zur praktischen Anwendung der Erfindung;
Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Wärmeaustauschers; und Fig. 4 eine
teilweise gewhnittene Seitenansicht eines Wätauschers nach der Erfindung.
-
Der Zusammenhang der Erfindung geht aus Fig. 1 hervor, die einen Kryostaten
zeigt, der geeignet ist, eine supraleitfähige Vorrichtung in einem zentralen Bereich
auf dem Siedepunkt von flüssigem Helium zu halten. Bei dem hier gezeigten Kryostaten
ist ein Außenmantel aus flüssigem Stickstoff vorgesehen, der die Aufgabe hat1 eine
isothermische Oberfläche von Zwischentemperaturen zu schaffen, die den Behälter
flüssigen Heliums umgibt. Die Erfindung eignet sich für jeden beliebigen Kryostaten
als Behälter verflüssigten Gases, aber das hier gezeigte Beispiel ist in vieler
Hinsicht typisch.
-
Der Kryostat gemäß Fig. 1 weist einen Außenbehälter 118, einen
flüssigen
Stickstoff enthaltenden Zwischenbehälter 114' sowie einen Innenbehälter 110 für
flüssiges Helium auf. Im Innern des Behälters mit flüssigem Helium ist eine Vorrichtung
50 vorgesehen, bei der es sich im vorliegenden Beispiel um einen supraleitenden
Magneten handeln kann. Zwischen dem Innenbehälter 110 für flüssiges Helium und einem
zwischengeschalteten isothermischen Mantel 114 (mit der Temperatur von LN2) ist
ein Strahlungsschirm 112 vorgesehen, und ein weiterer Strahlungsschirm 116 ist zwischen
dem isothermischen Mantel 114 mit der LN2-Temperatur und dem Außenbehälter 118 angeordnet.
Mit Ausnahme mechanischer Stützen, die wie beschrieben vorgesehen sind, müssen diese
verschiedenen Bauelemente in mechanisch stabiler Weise im Abstand voneinander gehalten
sein. In bestimmten Beispielen kann der Kryostat eine Bohrung 119 aufweisen, die
dann in jedem der ineinandergeschachtelten Bauelemente eine entsprechende Bohrung
erfordert.
-
Die Möglichkeit, die entsprechenden Kryogenbehälter füllen und entleeren
zu können, und ihnen eine strukturelle Stütze zu geben, besteht in der Anordnung
verschiedener Halsrohre. In Fig. 1 sind zwei Halsrohranordnungen gezeigt. So ist
z.B. die Halsrohranordnung 210 eine von zwei Halsrohren, die mit dem Innenbehälter
110 für flüssiges Helium in Verbindung stehen.
-
Die Halsrohranordnung 210 weist konzentrische, rohrförmige Glieder
auf, einschließlich eines zentralen Rohres 130 und Wärme abschirmender Rohre 132,
134, 160 und 161. Eine weitere Halsrohranordnung 220 (eine von drei) steht mit dem
Zwischenbehälter 114 für LN2 in Verbindung und weist ein der Kontrolle dienendes
Rohr 222 sowie konzentrische, Wärme abschirmende Rohre 224 und 226 auf. Der jeweilige
Abstand zwischen den Rohren ist durch die mechanische Verbindung der Halsrohranordnungen
mit den einzelnen Bauelementen des Kryostaten erzielt. An diesen Stellen besteht
Wärmeberührung, und die Wahl des Ortes für die Verbindung ist so getroffen, daß
Wärme vom entsprechenden Bauelement an das Hals rohr mit der gewünschten
Temperatur
in das Wärmegefälle von der Temperatur des flüssigen Heliums zur Umgebungstemperatur
übertragen wird. Eine nichtthermische Zugverbindung zwischen den einzelnen Bauelementen
ist in Form einer Art von Takelung 162 mit hoher thermischer Impedanz vorgesehen,
die zum Stabilisieren der Anordnung dient.
-
In dem hier gezeigten Kryostaten wird Wärme an Kragen 133, 158 und
159 an das flüssiges Helium führende Halsrohr übertragen, wodurch dem entweichenden
Heliumdampf Wärme zugeführt wird.
-
Es hat sich gezeigt, daß der Durchsatz an flüssigem Helium in der
Praxis gering genug und seine Wärmekapazität verhältnismäßig hoch ist, so daß am
Ausgang aus dem Helium führenden Halsrohr kein nennenswertes Kondensationsproblem
auftritt. In diesem Fall braucht an diesem Entleerungsrohr die Erfindung nicht vorgesehen
zu sein. An das N2 abführende Halsrohr bzw.
-
die Halsrohre wird an einem Kragen 227 von dem äußeren Strahlungsschirm
116 Wärme übertragen, ehe der Stickstoff an die Umgebung entlassen wird, Der N2
-Dampfstrom ist in diesen Anordnungen verhältnismäßig stark, und selbst wenn seine
Wärme kapazität im Vergleich zum Heliumdampf gering ist, entsteht ein wesentliches
Kondensationsproblem am Ausgang aus dem N2 Halsrohr.
-
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein mit Rippen
versehener Wärmeaustauscher 30, wie er in Fig. 1, 2 und gezeigt ist, der für einen
innigen thermischen Kontakt mit dem entweichenden Dampf geeignet ist. Ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel desselben ist an den Ausgang der Halsrohranordnung 220 eng anpaßbar
und bildet nur eine geringfügige Verlängerung desselben mit einer entsprechend geringen
Zunahme des Strömungsweges. Der mit Rippen versehene Wärmeaustauscher 30 ist vorzugsweise
gemäß bekannter Verfahren als Stranggußprodukt hergestellt. Je nach den Abmessungen
der Vorrichtung kann jede beliebige Anzahl von Rippen 32 vorgesehen sein.
-
Bei einem in der Praxis angewandten Beispiel wurde eine kombinierte
N2-Strömung von 1,6 1/Min. aus drei Halsrohren gemessen, mit denen ein Behälter
für flüssigen Stickstoff in Form des oben beschriebenen Kryostaten entleert wurde.
An jedes Halsrohr war ein mit Rippen versehenes Glied angeschlossen, welches in
jedem Fall zwölf radiale, in gleichmäßigen Abständen vorgesehene Rippen hatte und
jeweils den Strömungsweg um ca. 12,7 cm (5 Zoll) verlängerte. Das mit Rippen versehene
Glied war als Aluminiumstrangguß aus Thermalloy 10910 hergestellt und hatte eine
glatt schwarze Oberfläche, um seine Absorptionseigenschaften zu verbessern. Die
Abmessungen der einzelnen Rippen von grob gesagt 15,24 cm x 2,16 cm (6 x 0,85 Zoll)
liefern ca. 65,81 cm2 (10,2 Zoll2 ) (beide Seiten) an Absorptionsfläche für jede
als Wärmeaustauschelement wirkende Rippe 32. In Umgebungen, in denen die gemessene
Feuchtigkeit bis zu 80 % betrug, zeigte sich, daß die Rippen ausreichend Wärme an
den entweichenden Dampf übertragen konnten, um eine merkliche Kondensierung zu verhindern.
-
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß eine Vielzahl von Halsrohren
ein übliches Konstruktionsmerkmal ist, welches strukturelle Stabilität bietet und
außerdem das getrennte Entlüften durch mindestens ein Halsrohr und das Einfüllen
durch ein anderes Halsrohr ermöglicht. Es ist häufig üblich, bei eingeschwungenem
Betriebszustand die Vorrichtung durch nur ein Rohr zu entleeren. Diese Praxis hat
sich gemäß der Erfindung jedoch als nachteilig erwiesen. Bei dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel erhöhte sich die Gesamtströmung auf 1,8 1/Min., als zwei Halsrohre
abgedeckt wurden und das siedende Gas durch ein drittes Halsrohr geleitet wurde.
Der Grund für diesen verringerten Verbrauch an LN2 bei mehrfacher Entleerung beruht
vermutlich auf der Eigenwärme des entweichenden Dampfes, die in gewissem Ausmaß
die durch die der Entlüftung dienenden Halsrohre bzw. das Halsrohr gerichtete Aufheizung
abfangen. Nicht dem Abzug dienende Halsrohre weisen eine thermische Belastung auf,
die durch die Eigenwärme des entweichenden
Gases ungeschmälert
bleibt.
-
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Wärmeaustausch an den
Dampf durch Innenrippen 40 gefördert werden, die sich, wie in Fig. 3 gezeigt, in
die Bohrung des Ablaßrohres erstrecken. Es kann auch im Innenraum der Bohrung innerhalb
des Wärmeaustauschers eine Packung aus Kupferwolle oder Kupferspänen in Berührung
mit der Außenwand vorgesehen sein.