DE3635007A1 - Zweifache thermokopplung - Google Patents

Zweifache thermokopplung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zweifache Thermo­ kopplung gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 11.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind dabei auf den thermischen Kontakt zwischen axial fluchtenden Wärmeüber­ gangsstellen eines Kühlers und zugeordneten axial fluchten­ den Wärmeübergangsstellen eines von dem Kühler zu kühlenden Bauteils gerichtet.
Aus der US-PS 36 20 029 ist eine mehrstufige Thermokopp­ lung bekannt, welche eine erste und eine zweite Stufe eines zweistufigen Kühlers oder jede Stufe eines mehr­ stufigen Kühlers mit mehr als zwei Stufen mit Kühlleistung versorgt. Derartige Thermokopplungen können in Verbindung mit einem Joule-Thompson-Kühlkreis verwendet werden, um flüssiges Helium zu rekondensieren und dazwischen ge­ schaltete Strahlungsschirme eines Helium-Kryostaten zu kühlen, wie dies in der US-PS 42 23 540 veranschaulicht ist.
Dort ist ein zweistufiger Kühler mit einem 4°K-Joule- Thompson-Kühlkreis im Füllstutzen eines Helium-Kryostaten angebracht, wo er Strahlungsschirme auf 77°K und 20°K abkühlt sowie das Helium rekondensiert.
Die Kühlung ist am stärksten zwischen dem Anfang des Joule-Thompson-Kühlkreises und dem Ende der ersten Stufe. Der Kühler ist im Füllstutzen verschieblich eingepaßt, damit er für Wartungsarbeiten entfernt werden kann. Herkömmliche toleranzarme Thermokopplungen sind mit einem großen thermischen Gradienten (ΔT) behaftet, so daß ein besserer mechanischer Kontakt angestrebt wird.
Ein Gleitreibungskontakt, wie er in Verbindung mit einer Kryopumpe in der US-PS 45 14 204 gezeigt ist, stellt eine Möglichkeit dar, um Kühlleistung von dem Kühler zu einer Wärmeübergangsstelle und weiter zu den Kryoplatten zu über­ tragen.
Die US-PS 44 84 458 beschreibt einen Kühler zur Konden­ sation von Helium in einem geschlossenen Raum. Da dieser Kühler für die erfindungsgemäße Thermokopplung geeignet ist, wird auf die Beschreibung der US-PS 44 84 458 vor­ liegend Bezug genommen.
Das Problem des Zugangs zu dem in einem Dewar- oder Speichergefäß befindlichen Kühlmittel mit Hilfe flexibler Bälge im Füllstutzen, mit denen die thermische Kontraktion infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem flüssigen Helium von 4°K im Dewar-Gefäß und der Umgebungstemperatur von + 300°K kompensiert wird, ist in dem Buch "Cryogenic Systems" von R. Baron (McGraw-Hill-Verlag, New York 1966) auf Seite 448 sowie in den Aufsätzen von S.J.St. Lorant und D. L. Jassby in der Januar-Ausgabe 1979 von "IEEE Transaction on Magnetics", Bd. MAG-15, Nr. 1 beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Thermo­ kopplung der eingangs erwähnten Art den thermischen Gra­ dienten durch Verbesserung des thermischen Kontaktes zwischen den Wärmeübergangsstellen zu verringern.
Diese Aufgabe wird alternativ durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 11 ge­ löst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der er­ findungsgemäßen Thermokopplungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Bildung eines innigen Kontaktes zwischen den axial hintereinander angeordneten Wärmeübergangsstellen eines Kühlers und den dazu komplementären, axial hintereinander angeordneten Wärmeübergangsstellen eines zu kühlenden Bau­ teils wird erfindungsgemäß eine erste Wärmeübergangsstelle des zu kühlenden Bauteils an einer generell zylindrischen Muffe angebracht.
Diese Muffe läßt sich derart bezüglich der Öffnung eines Gefäßes anordnen, daß sie eine erste Wärmeübergangsstelle des Kühlers aufnimmt. Eine zweite generell zylindrische, flexible Muffe kann zu der ersten Muffe axial fluchtend angeordnet und so ausgebildet werden, daß sie eine zweite Wärmeübergangsstelle in Paßsitz mit der zweiten Wärme­ übergangsstelle des Kühlers bringt. Ein flexibler Balg dient zur Kompensation von axialen Abmessungstoleranzen und von thermischer Kontraktion bei der Anpassung der Wärmeübergangsstelle des Kühlers an die Wärmeübergangs­ stellen des zu kühlenden Bauteils und bei dem Ausgleich der Temperaturdifferenz.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine teilweise ge­ schnittene Vorderansicht der erfindungsgemäßen Thermo­ kopplung mit eingesetztem Kühler.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, umfaßt die erfin­ dungsgemäße Thermokopplung (10) eine erste Muffe (12), die mittels einer Tragplatte (14) am Einlaß oder Füll­ stutzen (16) eines vakuumummantelten Heliumspeichers oder Dewar-Gefäßes (19) befestigt ist, wie dies aus der US-PS 42 23 540 bekannt ist, auf deren Beschreibung aus­ drücklich Bezug genommen wird. Die Muffe (12) kann aus einem dünnwandigen, starren Rohr, wie in der Zeichnung gezeigt, hergestellt sein. Alternativ hierzu kann die Muffe (12) von einem flexiblen Balg gebildet sein.
In jedem Fall ist rostfreier Stahl ein bevorzugtes Her­ stellungsmaterial. Der Füllstutzen (16) ist mit Hilfe von Schraubbolzen (18) und einer in eine Nut der Tragplatte (14) eingelegten Dichtung, z.B. O-Ring 20, an der Trag­ platte (14) kühlmitteldicht befestigt.
In den Füllstutzen (16) ist mit Gleitsitz ein Kryo-Kühler (22) eingepaßt, wie nachstehend noch im einzelnen er­ läutert wird. Der Kryo-Kühler (22) kann mit dem in der US-PS 44 84 458 beschriebenen Kryo-Kühler identisch sein.
Die Thermokopplung (10) weist ferner an der Unterseite der Muffe (12) eine erste Wärmeübergangsstelle (30) auf, welche an der Muffe (12) befestigt ist, beispielsweise mittels Hartlötung. Die Wärmeübergangsstelle (30) weist einen generell zylindrischen Querschnitt mit konischer Innen­ fläche auf und ist in ihrer Form komplementär zur Form der Wärmeübergangsstelle (32) ausgebildet, welche an der ersten Stufe (34) des Kühlers (22) angebracht ist. Um die Muffe (12) ist in engem Kontakt mit der Wärmeüber­ gangsstelle (30) ein Adapter (36) für das durch die erste Stufe (34) zu kühlende Bauteil, z.B. ein Wärmeschirm (38) des vorstehend erwähnten vakuumummantelten Speichers bzw. Dewar-Gefäßes, angebracht. Unterhalb von der Wärmeüber­ gangsstelle (30) befindet sich eine zweite oder flexible Muffe (40), welche eine zweite Wärmeübergangsstelle (42) auf axialen Abstand von der ersten Wärmeübergangsstelle (30) hält.
Die flexible Muffe (40) ist vorzugsweise als metallischer Balg ausgebildet, der vorzugsweise aus einem schlechten Wärmeleiter wie rostfreiem Stahl hergestellt ist. Die zweite Wärmeübergangsstelle (42) ist ebenfalls von generell zylindrischer Form und so ausgebildet, daß ihre Innenfläche komplementär zur Außenfläche der der zweiten Stufe (46) des Kühlers (22) zugeordneten zweiten Wärmeübergangsstelle (42) ist, um Kühlleistung von der zweiten Stufe (46) des Kühlers (22) zu einem Adapter (48) zu übertragen, welcher seinerseits die Kühlleistung zu einem zu kühlenden Gegen­ stand, z.B. dem zweiten Strahlungsschirm (50) des Dewar- Gefäßes (19), überträgt. Unterhalb und in engem thermischen Kontakt mit der zweiten Wärmeübergangsstelle (42) befindet sich eine zweite flexible Muffe (52), welche für eine Be­ festigung an dem das flüssige Helium enthaltenden Innen­ behälter (54) des Dewar-Gefäßes (19) ausgebildet ist. Die zweite flexible Muffe (52), die ebenfalls als ther­ misch schlecht leitender Metall-Balg (z.B. aus rostfreiem Stahl) ausgebildet ist, umgibt den Joule-Thompson-Kühl­ kreis (53) des Kühlers (22). Innerhalb der ersten Muffe (Balg) (40) befindet sich eine nicht-metallische Hülse (60), die generell starr ist und zur Verhinderung einer Radialbewegung der Wärmeübergangsstelle (42) dient.
Der Kühler (22) umfaßt eine erste Stufe (34), welche Kühlleistung bei etwa 77°K erzeugt, eine zweite Stufe (46), welche Kühlleistung bei etwa 20°K und flüssiges Helium in der Öffnung des Joule-Thompson-Kühlkreises (56) bei 4°K erzeugt. Derartige Kühlsysteme können für magnetische Kernresonanzbauteile verwendet werden, um supra-leitende Magneten zu kühlen.
Bei einem derartigen Bauteil ist es erforderlich, den Kühler (22) regelmäßig für Wartungszwecke zu entfernen. Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist der Adapter (72) des Kühlers (22) kühlmitteldicht am Füllstutzen (16) des Dewar-Gefäßes (19) befestigt, wie oben bereits erwähnt ist. Der Kühler (22) kann dann in die Thermokopplung (10) ein­ gesetzt werden, wobei mit Hilfe einer Nut in dem Kühler­ adapter (72) und eines darin eingesetzten O-Ringes (70) eine Abdichtung erreicht wird.
Dies gewährleistet einen gasdichten Verschluß zwischen dem Kühler (22) und dem Füllstutzen (16) des Dewar-Gefäßes (19). Sobald der Kühler (22) in die Thermokopplung (10) eingesetzt ist, legt sich die zweite Wärmeübergangsstelle (44) des Kühlers (22) an die zweite Wärmeübergangsstelle (42) an, dehnt die erste bzw. obere flexible Muffe (Balg) (40) und komprimiert die zweite bzw. untere Muffe (Balg) (52) solange, bis zwischen der Wärmeübergangsstelle (32) des Kühlers (22) und der Wärmeübergangsstelle (30) der Thermokopplung (10) ein Kontakt hergestellt ist.
Dies gewährleistet einen innigen Kontakt zwischen der Wärmeübergangsstelle (32) des Kühlers (22) und der Wärme­ übergangsstelle (30) der Thermokopplung (10). Da die Thermokopplung (10) kühlmitteldicht mit dem Innenbehälter (54) des Dewar-Gefäßes (19) verbunden ist, wird das zwischen dem Kühler (22) und dem Kühleradapter (72) einge­ fangene Helium dichtend eingeschlossen, um als Wärmeüber­ tragungsmittel zu dienen.
Bei der erfindungegemäßen Thermokopplung ist der thermi­ sche Gradient zwischen den Wärmeübergangsstellen der Kühlquelle und den zu kühlenden Wärmeübergangsstellen faktisch Null, da aufgrund des mechanischen Kontaktes und der Wärmeleitung des Gases ein inniger thermischer Kon­ takt gegeben ist.
Sofern ein zweistufiger Kühler ohne einen Joule-Thompson- Kühlkreis verwendet wird, um Kühlleistung zwischen der ersten und zweiten Stufe des Kühlers und den zu kühlenden Bauteilen zu übertragen, ist selbstverständlich die zweite bzw. untere flexible Muffe (Balg) (52) entbehrlich. Die Thermokopplung endet dann bei der zweiten Wärmeüber­ gangsstelle (42), welche mittels eines flexiblen, wärme­ leitenden Bandes an dem zweiten zu kühlenden Bauteil be­ festigt ist.
Wie vorstehend erläutert, kann bei der erfindungsgemäßen Thermokopplung der Kühler (22) problemlos aus dem Helium- Dewar-Gefäß zu Wartungszwecken entfernt werden, ohne daß ein übermäßiger Verlust an Helium auftritt, und mit der Gewähr dafür, daß bei Wiederinbetriebnahme des Kühlers Kühlleistung zwischen den einzelnen Stufen des Kühlers und den zugeordneten Bauteilen im Dewar-Gefäß wieder effektiv übertragen wird.

Claims (20)

1. Zweifache Thermokopplung, welche durch einen Kühler mit festgelegten axial hintereinander liegenden ersten und zweiten Wärmeübergangsstellen (32, 44) kühlbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - Eine erste generell zylindrische Muffe (12) zur Positionierung einer ersten Wärmeübergangsstelle (30), welche für einen Paßsitz mit der ersten Wärme­ übergangsstelle (32) des in die Thermokopplung (10) eingesetzten Kühlers (22) ausgebildet ist, und
  • - eine zweite generell zylindrische, flexible Muffe (40), welche mit der ersten Muffe (12) und der ersten Wärmeübergangsstelle (30) axial fluchtet und eine zweite Wärmeübergangsstelle (42) positioniert, die sich in axialem Abstand von der ersten Wärme­ übergangsstelle (30) befindet und einen Paßsitz mit der zweiten Wärmeübergangsstelle (44) des Kühlers (22) bildet, wobei nach Einsetzen des Kühlers (22) in das Innere der axial fluchtenden Muffen (12, 40) die zweite Wärmeübergangsstelle (42) relativ be­ züglich der ersten Wärmeübergangsstelle (30) mittels des Kühlers (22) verschiebbar ist, derart, daß zwischen der ersten Wärmeübergangsstelle (32) des Kühlers (22) und der ersten Wärmeübergangsstelle (30) der Thermokopplung (10) sowie zwischen der zweiten Wärmeübergangsstelle (44) des Kühlers (22) und der zweiten Wärmeübergangsstelle (42) der Thermokopplung (10) jeweils ein thermischer Kontakt gebildet ist.
2. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte generell zylindrische, flexible Muffe (52) bezüglich der zweiten Muffe (40) axial fluchtend angeordnet und an der zweiten Wärmeübergangsstelle (42) befestigt ist, derart, daß die dritte Muffe (52) einen größeren Abstand von der ersten Wärmeübergangsstelle (30) aufweist, als die zweite, flexible Muffe (40).
3. Thermokopplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite und dritte flexiblen Muffen (40, 52) metallische Bälge vorgesehen sind.
4. Thermokopplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bälge aus rostfreiem Stahl hergestellt sind.
5. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite flexible Muffe (40) ein metallischer Balg ist.
6. Thermokopplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Balg aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
7. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste und zweite Wärmeübergangsstellen (32, 44) des Kühlers (22) wärme­ leitende, generell kegelige Stopfen vorgesehen sind, die an dem Kühler (22) befestigt sind.
8. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wärmeübergangsstellen (30, 42) generell zylindrische, gut wärmeleitende Teile mit kegeligen Innenflächen sind, welche sich in eine Richtung verjüngen, welche von der Lage der ersten zylindrischen Muffe (12) wegführt.
9. Thermokopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühler (22) ein zweistufiger Kryokühler vorgesehen ist, welcher axial fluchtende Kühlstufen aufweist.
10. Thermokopplung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine feste Verbindung der Thermokopplung (10) mit einem vakuumummantelten Kühl­ mittelbehälter.
11. Thermokopplung zur Aufnahme eines zweistufigen Kryokühlers mit axial fluchtenden ersten und zweiten Kühl­ stufen, welche im Inneren der Thermokopplung mindestens zwei Kühlebenen erzeugen,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
  • - Eine erste generell zylindrische Muffe (12) zur Positionierung einer ersten Wärmeübergangsstelle (30) in Bezug zu und in engem thermischen Kontakt mit der ersten Stufe des Kühlers (22), und
  • - eine zweite generell zylindrische, flexible Muffe (40), welche mit der ersten Muffe (12) axial fluchtet und eine zweite Wärmeübergangsstelle (42) in engem thermischen Kontakt mit der zweiten Stufe des Kryo­ kühlers (22) positioniert.
12. Thermokopplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte generell zylindrische, flexible Muffe (52) für eine Positionierung zwischen der zweiten Wärmeübergangsstelle (42) und einem Voratsbehälter für flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist, wobei sich der Voratsbehälter in einem Gefäß (19) be­ findet, an welchem die Thermokopplung (10) befestigt ist.
13. Thermokopplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (22) einen Joule-Thompson-Wärmetauscher aufweist, der sich unterhalb der zweiten Stufe befindet und innerhalb einer dritten Muffe (52) positioniert ist, wenn der Kühler (22) in die Thermokopplung (10) eingesetzt ist.
14. Thermokopplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite und dritte generell flexiblen Muffen (40, 52) metallische Bälge vor­ gesehen sind.
15. Thermokopplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bälge aus rostfreiem Stahl hergestellt sind.
16. Thermokopplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als flexible Muffe (40) ein metallischer Balg vorgesehen ist.
17. Thermokopplung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Balg aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
18. Thermokopplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den ersten und zweiten Kühlstufen des Kühlers (22) generell zylindrische Stopfen mit kegeligen Außenflächen befestigt sind.
19. Thermokopplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wärmeübergangsstellen (30, 42) generell zylindrische, gut wärmeleitenden Teile mit kegeligen Innenflächen sind, welche sich in eine Richtung verjüngen, die von der ersten zylindrischen Muffe (12) wegführt.
20. Thermokopplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kühlstufen und die ersten und zweiten Wärmeübergangsstel­ len (30, 42) in thermischem Kontakt stehen, sobald der Kühler (22) in die Thermokopplung (10) eingesetzt ist, wobei der thermische Kontakt dadurch gebildet ist, daß die Stopfen (32, 44) und die Wärmeübergangsstellen (30, 42) komplementär aufeinander angepaßte kegelige Oberflächen aufweisen und der Kühler (22) bzw. die Stopfen (32, 44) und die Wärmeübergangsstellen (30, 42) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind.
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