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Die Erfindung betrifft einen Kryostaten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Kryostaten sind bekannt (DE-OS 29 06 060; US-PS 39 38 346).
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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 den 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.
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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 Entlüftungsrohre benutzt werden, die zusätzliche Oberfläche zum Erwärmen des Dampfes bieten. Das kann jedoch zum Beschicken des Kühlgeräts durch die außerordentlich langen Halsrohre unbequem sein. Schließlich ist es bekannt, in einem weiten Entlüftungsrohr einen Stopfen mit einer wendelförmigen engen Nut vorzusehen, die den Dampfabzug verlangsamt, bis der Dampf Umgebungstemperatur erreicht hat (US-PS 39 38 346). Solche engen Kanäle verstopfen jedoch sehr leicht, insbesondere durch gefrierende Luftfeuchtigkeit, so daß Explosionsgefahr entsteht, vor allem wenn die Absiederate der kryogenen Flüssigkeit etwa im Anschluß an einen Beschickungsvorgang ansteigt.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 gekennzeichnet; derartige Einrichtungen sind für ähnliche Zwecke bekannt (US-PS 37 35 465).
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen ist
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Fig. 1 ein Kryostat gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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Fig. 2 ein mit Rippen versehener Wärmeaustauscher zur praktischen Anwendung der Erfindung;
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Fig. 3 eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Wärmeaustauschers; und
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Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Wärmetauschers nach der Erfindung.
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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 hat, 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.
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Der Kryostat gemäß Fig. 1 weist einen Außenbehälter 118, einen flüssigen Stickstoff enthaltenden Zwischenbehälter 114&min; 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 LN 2) ist ein Strahlungsschirm 112 vorgesehen, und ein weiterer Strahlungsschirm 116 ist zwischen dem isothermischen Mantel 114 mit der LN 2-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.
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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&min; für LN 2 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 Halsrohr 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.
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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 N 2 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 N 2-Dampfstrom ist in diesen Anordnungen verhältnismäßig stark, und selbst wenn seine Wärmekapazität im Vergleich zum Heliumdampf gering ist, entsteht ein wesentliches Kondensationsproblem am Ausgang aus dem N 2- Halsrohr.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein mit Rippen versehener Wärmeaustauscher 30, wie er in Fig. 1, 2 und 4 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.
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Bei einem in der Praxis angewandten Beispiel wurde eine kombinierte N 2-Strömung von 1,6 l/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 verlängerte. Das mit Rippen versehene Glied war als Aluminiumstrangguß hergestellt und hatte eine glatt schwarze Oberfläche, um seine Absorptionseigenschaften zu verbessern. Die Abmessungen der einzelnen Rippen von grob gesagt 15,24 cm × 2,16 cm liefern ca. 65,81 cm2 (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.
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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 l/Min., als zwei Halsrohre abgedeckt wurden und das siedende Gas durch ein drittes Halsrohr geleitet wurde. Der Grund für diesen verringerten Verbrauch an LN 2 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.
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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.