DE3639760C2

DE3639760C2 -

Info

Publication number: DE3639760C2
Application number: DE19863639760
Authority: DE
Inventors: Katsuyoshi Toyoda; Takashi Kobe Hyogo Jp Murai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-11-28
Filing date: 1986-11-21
Publication date: 1989-01-26
Also published as: US4713941A; DE3639760A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelbehälter zum Halten eines elektrischen Gerätes bei Tiefsttemperaturen, mit einem Kühlmitteltank mit einer im wesentlichen flachen Oberwand, in dem das zu kühlende elektrische Gerät in einem Kühlmittel enthalten ist; mit einem Strahlungs schirm, der den Kühlmitteltank zur thermischen Abschirmung gegen Wärmestrahlung von außen einschließt; mit einem äußeren Gehäuse, das wiederum den Strahlungsschirm um schließt; mit wärmeisolierenden Stützen, die den Kühlmittel tank und den Strahlungsschirm in thermisch isolierender Wechselbeziehung halten; und mit einem Kühlrohr auf der Oberfläche des Strahlungsschirmes zum Hindurchführen von im Kühlmitteltank verdampftem Kühlmittel, wobei der Einlaß des Kühlrohres in der Oberwand des Kühlmitteltanks und sein Auslaß in der Wand des äußeren Gehäuses angebracht sind.

Ein derartiger Kühlmittelbehälter ist beispielsweise aus der JP-OS 56-1 16 555 bekannt und wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.

Der herkömmliche Kühlmittelbehälter umfaßt einen Kühlmitteltank 10 für flüssiges Helium und weist eine im wesentlichen flache Oberwand 12, eine Boden wand 14 sowie Seitenwände 16 auf. Der Kühlmitteltank 10 ist aus rostfreiem Stahl hergestellt, da das Material mechanisch äußerst fest und gut schweißbar sein muß. Der Kühlmitteltank 10 umschließt dicht in seinem Innenraum ein elektrisches Gerät 18, z. B. eine supraleitende Spule, die bei Tiefst temperaturen gehalten werden muß. Das elektrische Gerät 18 wird von einem Kühlmittel 20, beispielsweise flüssigem Helium umgeben und gekühlt, und zwar bei Tiefsttemperaturen.

Der Kühlmittelbehälter umfaßt außerdem einen Strahlungsschirm 22, der den Kühlmitteltank 10 umgibt. Ein äußeres Gehäuse 24 umschließt wiederum den Strahlungsschirm 22. Der Strahlungs schirm 22 dient dazu, den Kühlmitteltank 10 gegen Wärmestrahlung vom äußeren Gehäuse 24 abzuschirmen. Der Strahlungsschirm 22 und der Kühlmitteltank 10 werden von einer Vielzahl von wärmeisolierenden Stützen 26 in thermisch isolierender Ver bindung zueinander gehalten.

Der Kühlmittelbehälter weist weiterhin ein Kühlrohr 28 auf, um durch dieses verdampftes Kühlmittel 30 bzw. Kühlmittelgas im Kühlmitteltank 10 längs des Strahlungsschirmes 22 zu führen, damit dieser Strahlungsschirm 22 gleichmäßig gekühlt wird. Das Kühlmittelrohr 28 ist im allgemeinen gewickelt oder serpetinenförmig gewunden und mit dem Strahlungsschirm 22 in einer gut wärmeleitenden Verbindung gehalten, so daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Strahlungsschirmes 22 gleichmäßig gekühlt wird. Das Kühlrohr 28 hat einen einzelnen Einlaß 32, der im Zentrum der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 mündet; sein Auslaß 34 führt durch die Oberwand 12 des äußeren Gehäuses 24 und steht mit dessen Außenseite in Verbindung.

Da eine Temperaturdifferenz von ca. 300 K zwischen dem äußeren Gehäuse 25 und dem Kühlmitteltank 10 für flüssiges Gehäuse besteht, gelangt eine große Strahlungsmenge (proportional zur Differenz zwischen den vierten Potenzen der absoluten Temperaturen gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz) vom äußeren Gehäuse 24 in den Kühlmitteltank 10, so daß dort eine große Menge von flüsisgem Kühlmittel 20 (Helium) verdampft würde, wenn kein Strahlungsschirm 22 vorgesehen wäre. Der Strahlungs schirm 22 dient dazu, den direkten Einfall von Strahlungs wärme vom äußeren Gehäuse 24 in den Kühlmitteltank 10 abzuschirmen. Je niedriger die Temperatur des Strahlungs schirmes 22 ist, desto geringer ist die Wärmemenge, die in den Kühlmitteltank 10 gelangt. Der Strahlungsschirm 22 ist daher auf seiner Oberfläche mit dem Kühlrohr 28 versehen, damit der Strahlungsschirm 22 durch den kalten Heliumdampf gekühlt werden kann.

Mit der vorbeschriebenen Anordnung des Kühlmittelbehälters wird nun folgendes erreicht: Wenn der Kühlmitteltank 10 eine hinreichende Menge an flüssigem Kühlmittel 20 (Helium) auf weist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, so wird der obere Bereich des Kühlmitteltanks 10 über dem Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittels 20 (Helium) hinreichend gekühlt, und zwar durch verdampftes Kühlmittel 30, das über dem Flüssigkeitsspiegel von flüssigem Kühlmittel 20 (Helium) vorhanden ist. Auf diese Weise ist die Wärmestrahlungsmenge, die vom äußeren Gehäuse 24 in das flüssige Kühlmittel 20 gelangt, hinreichend gering, dementsprechend ist auch die Verdampfung von flüsigem Kühl mittel 20 niedrig.

Wenn nach einer gewissen Zeit aber der Pegel des flüssigen Kühl mittels 20 im Kühlmitteltank 10 niedrig wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist und durch Verdampfung erfolgt, so fließt das verdampfte Kühlmittel 30 (Heliumgas) im wesentlichen entlang der Pfade, die mit Pfeilen in Fig. 2 angedeutet sind, und zwar von der Oberfläche des flüssigen Kühlmitels 20 in Richtung des Einlasses 32 des Kühlrohres 28.

Das verdampfte Kühlmittel 30 berührt aus diesem Grunde die obere Ecken des Kühlmitteltanks 10 nicht in ausreichender Weise, so daß wiederum diese Abschnitte des Kühlmitteltanks 10 nicht hinreichend gekühlt werden. Die unzureichende Kühlung der Eckbereiche des Kühlmitteltanks 10 wird dadurch verstärkt, daß der Kühlmitteltank 10 aus rostfreiem Stahl besteht, der eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Infolgedessen steigt die Temperatur in den oberen Ecken des Kühlmitteltanks 10 aufgrund der Wärmestrahlung vom äußeren Gehäuse 24 weiter an, so daß die Wärmestrahlung in den Kühlmitteltank 10 gelangt bzw. die Wärmestrahlungsmenge ansteigt, was wiederum die Verdampfungsrate an flüssigem Kühlmittel 20, wie z. B. von Helium vergrößert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Külmittelbehälter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Kälteverluste des Kühlmitteltanks und damit auch die Ver dampfungsrate möglichst gering sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß an der flachen Oberwand des Kühlmitteltanks eine zusätzliche Kühlanordnung vorgesehen ist, durch die ein Teil der Kälte energie des auf dem Kühlmitteltank austretenden, verdampften Kühlmittels auf die Oberwand übertragbar ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Kühlmittelbehälter wird das ange strebte Ziel in zufriedenstellender Weise erreicht. In vorteilhafter Weise kann die Kälteenergie des Kühlmittels wesentlich ausgiebiger als bei herkömmlichen Anordnungen genutzt werden.

Bei einer speziellen Ausführungsform des Kühlmittelbehälters ist vorgesehen, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Wärmeleitplatte aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, besteht, die in Wärmeleitung mit der Oberwand des Kühlmitteltanks angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte thermisch mit dem Einlaß des Kühlrohres gekoppelt ist.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlmittelbehälters ist vorgesehen, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Kühlschlange besteht, die an der Oberwand des Kühlmitteltanks angeordnet ist, wobei die Kühlschlange einen an der Oberwand des Kühlmitteltanks mündenden Einlaß sowie einen Auslaß aufweist, der mit dem Einlaß des Kühlrohres verbunden ist.

Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelbehälters ist vorgesehen, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Vielzahl von Einlässen in der Ober wand des Kühlmitteltanks für das verdampfte Kühlmittel besteht, wobei diese Vielzahl von Einlässen im wesentlichen gleichmäßig über die Oberwand des Kühlmitteltanks verteilt, insbesondere auch in den Umfangs- und Eckbereichen der Oberwand angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines her kömmlichen Kühlmittelbehälters, bei dem der Kühlmitteltank im wesentlichen mit flüssigem Kühlmittel (Helium) gefüllt ist;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, wobei aber eine größere Menge von flüssigem Kühl mittel bereits verdampft ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der eine wärmeleitfähige Platte im Kühlmitteltank vorgesehen ist;

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche schematische Schnitt ansicht einer anderen Ausführungsform des Kühlmittelbehälters, wobei eine Kühlschlange im Kühlmitteltank vorgesehen ist; und in

Fig. 5 eine den Fig. 3 und 4 ähnliche schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Kühlmittelbehälters, wobei ein Kühlrohr auf dem Strahlungsschirm eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Einlässen zum Kühlmittel tank aufweist.

Im folgenden wird auf die schematische Darstellung in Fig. 3 zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform Bezug genommen. Vergleicht man die Anordnung des Kühlmittelbehälters gemäß Fig. 3 mit der eines herkömmlichen Kühlmittelbehälters nach Fig. 1 und 2, so zeigt sich, daß der Kühlmittelbehälter gemäß Fig. 3 zusätzlich an der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 mit einer zusätzlichen Kühlanordnung an der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 versehen ist, um eine noch gleichmäßigere Kühlung zu erzielen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Wärmeleitplatte 40 aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer. Die Wärmeleitplatte 40 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte innere Oberfläche der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 und ist in engster Verbindung mit dieser angeordnet, so daß eine gute Wärmeleitung zwischen der Oberwand 12 und der Wärmeleitplatte 40 gewährleistet ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, hat die Wärmeleitplatte 40 eine Öffnung 41, die der Öffnung des Einlasses 32 des Kühlrohres 28 hinsichtlich ihrer Position entspricht, so daß verdampftes Kühlmittel 30 (Heliumgas) hindurchfließen kann und in das Kühlrohr 28 gelangt. Die Wärmeleitplatte 40 kann auch auf der äußeren Oberfläche der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 angeordnet sein.

Wenn das verdampfte Kühlmittel (Heliumgas) 30 entlang des Weges fließt, der mit Pfeilen in der Zeichnung dargestellt ist, und in den Einlaß 32 des Kühlrohres 28 gelangt, so wird die Wärmeleitplatte 40 in ihrem Zentrum und rings um die Einlaßöffnung 41 hinreichend gekühlt, wie es oben erläutert ist. Diese niedrige Temperatur wird durch die Wärmeleitplatte 40 aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit entsprechend geleitet. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß auch dann, wenn die Kanten oder die Peripherie der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 oder die oberen Ecken dieses Kühlmittel tanks 10 nicht hinreichend gekühlt sind, die Peripherie der Wärmeleitplatte 40 bei einer hinreichend niedrigen Temperatur gehalten wird, weil sie die hohe Wärmeleitfähigkeit auch für die niedrigen Temperaturen besitzt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Kühlmittel behälters, wobei die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Kühlschlange 44 besteht, die an der Oberwand 12 des Kühlmittel tanks 10 angeordnet ist. Die Kühlschlange 44 hat einen Einlaß 45, der etwa im Zentrum der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 mündet. Die Kühlschlange 44 ist spulenförmig aufgewickelt und im wesentlichen gleichmäßig über die Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 verteilt und mit dieser in einer gut wärmeleitfähigen Verbindung gehalten. Die Kühlschlange 44 hat einen Auslaß 46, der mit dem Einlaß 32 des Kühlrohres 28 ver bunden ist, wobei das Kühlrohr 28 auf dem Strahlungsschirm 22 angeordnet ist. Die Kühlschlange 44 kann an der Innenfläche der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 befestigt sein.

Bei dieser speziellen Ausführungsform fließt verdampftes Kühl mittel (kaltes Heliumgas) 30, das im Kühlmitteltank 10 ent halten ist, gemäß den eingetragenen Pfeilen durch den Einlaß 45 in die Kühlschlange 44. Wenn das vedampfte Kühlmittel 30 durch diese gleichmäßig verteilte Kühlschlange 44 fließt, wird die Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 gleichmäßig gekühlt. Das Heliumgas als verdampftes Kühlmittel 30, welches die Kühlschlange 44 aus deren Auslaß 46 verläßt, tritt in den Einlaß 32 des Kühlrohres 28 am Strahlungsschirm 22 ein, um diesen zu kühlen. Auf diese Weise wird die Oberwand des Kühl mitteltanks 10 im wesentlichen gleichmäßig gekühlt, auch wenn der Pegel von flüssigem Kühlmittel 20 innerhalb des Kühlmittel tanks 10 niedrig ist, so daß die Wärmemenge, die durch Wärmestrahlung in das flüssige Kühlmittel 20 gelangt, nur gering ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere, spezielle Ausführungsform des Kühlmittelbehälters, wobei die zusätzliche Kühlanordnung eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Einlässen 48 und 49 des Kühlrohres 50 umfaßt. Das Kühlrohr 50, das am Strahlungs schirm 22 angebracht ist, erstreckt sich über die gesamte Oberfläche des Strahlungsschirmes 22, so daß der Strahlungs schirm 22 durch das verdampfte Kühlmittel (z. B. Heliumgas) gleichmäßig gekühlt wird, welches durch das Kühlrohr 50 fließt. Die Vielzahl von Einlässen 48 und 49 ist im wesentlichen gleichmäßig über die Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 ver teilt, so daß die Strömung von verdampftem Kühlmittel 30 über der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels 20 diesen Raum gleichmäßig ausfüllt, so daß die Oberwand 12 des Kühlmittel tanks 10 gleichmäßig gekühlt wird. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist der Einlaß 48 im wesentlichen im Zentrum der Oberwand 12 angeordnet. Die Einlässe 49 sind an der Peripherie oder in den Eckabschnitten der Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 angeordnet. Die Vielzahl von Einlässen 48 und 49 ist mit dem Kühlrohr 50 an geeigneten Stellen verbunden, so daß das verdampfte Kühlmittel 30, das durch diese hindurch fließt, gesammelt und über einen Auslaß 51 abgelassen wird.

Da bei dieser Ausführungsform eine Vielzahl von Einlässen 48 und 49 des Kühlrohres 50 gleichmäßig über die Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 vorgesehen sind, ergibt sich eine Vielzahl von Strömen von verdampftem Kühlmittel bzw. Heliumgas, die im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind. Dadurch wird die Oberwand 12 des Kühlmitteltanks 10 gleichmäßig auf der gewünschten niedrigen Temperatur gehalten.

Claims

1. Kühlmittelbehälter zum Halten eines elektrischen Gerätes (18) bei Tiefsttemperaturen,
mit einem Kühlmitteltank (10) mit einer im wesentlichen flachen Oberwand (12), in dem das zu kühlende elektrische Gerät (18) in einem Kühlmittel (20) enthalten ist;
mit einem Strahlungsschirm (22), der den Kühlmitteltank (10) zur thermischen Abschirmung gegen Wärmestrahlung von außen einschließt;
mit einem äußeren Gehäuse (24), das wiederum den Strahlungs schirm (22) umschließt;
mit wärmeisolierenden Stützen (26), die den Kühlmitteltank (10) und den Strahlungsschirm (22) in thermisch isolierender Wechselbeziehung halten; und
mit einem Kühlrohr (28) auf der Oberfläche des Strahlungs schirmes (22) zum Hindurchführen von im Kühlmitteltank (10) verdampftem Kühlmittel (30), wobei der Einlaß (32) des Kühl rohres (28) in der Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) und sein Auslaß (34) in der Wand des äußeren Gehäuses (24) angebracht sind,
dadurch gekennzeichnet,daß an der flachen Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) eine zusätzliche Kühlanordnung (40; 44; 48, 49) vorge sehen ist, durch die ein Teil der Kälteenergie des aus dem Kühlmitteltank (10) austretenden, verdampften Kühl mittels auf die Oberwand (12) übertragbar ist.

2. Kühlmittelbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Wärmeleit platte (40) aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Kupfer, besteht, die in Wärmeleitung mit der Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) angeordnet ist, wobei die Wärmeleitplatte (40) thermisch mit dem Einlaß (32, 41) des Kühlrohres (28) gekoppelt ist.

3. Kühlmittelbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Kühlschlange (44) besteht, die an der Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) angeordnet ist, wobei die Kühlschlange (44) einen an der Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) mündenden Ein laß (45) sowie einen Auslaß (46) aufweist, der mit dem Einlaß (32) des Kühlrohres (28) verbunden ist.

4. Kühlmittelbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kühlanordnung aus einer Vielzahl von Einlässen (48, 49) in der Oberwand (12) des Kühlmittel tanks (10) für das verdampfte Kühlmittel besteht, wobei diese Vielzahl von Einlässen (48, 49) im wesentlichen gleichmäßig über die Oberwand (12) des Kühlmitteltanks (10) verteilt, insbesondere auch in den Umfangs- und Eck bereichen der Oberwand (12) angeordnet sind.