DE4020593A1 - Kryogene kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kryogene Kühlvorrichtung, mit einer Wärmeabschirmung, einem Vakuumbehälter und einer magnetischen Abschirmung, die in dieser Reihenfolge außerhalb eines kryoge­ nen Behälters angeordnet sind, in welchem eine supraleitende Spule untergebracht ist. Ferner umfaßt die Vorrichtung eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Wärmeabschirmung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Beispiels einer herkömm­ lichen kryogenen Kühlvorrichtung von der Bauart, die in einem Diagnosesystem mit magnetischer Resonanz verwendet wird. In der dargestellten Weise ist ein Behälter 1 für flüssiges He­ lium vorgesehen, in welchem eine supraleitende Spule 13 un­ tergebracht ist und der mit flüssigem Helium 1a gefüllt ist, das als kryogenes Kühlmittel dient, um den Behälter 1 für flüs­ siges Helium auf einer Temperatur von 4,2 K zu halten. Eine er­ ste Wärmeabschirmung 2 ist außerhalb des Behälters 1 für flüssi­ ges Helium angeordnet und umgibt diesen.

Die erste Wärmeabschirmung 2 dient dazu, die Intensität von Strahlungswärme zu reduzieren, welche zum Behälter 1 für flüs­ siges Helium vordringen kann. Eine zweite Wärmeabschirmung 3 ist außerhalb von der ersten Wärmeabschirmung 2 vorgesehen und umgibt diese; sie dient dazu, die Intensität von Strahlungs­ wärme zu reduzieren, die zur ersten Wärmeabschirmung 2 vor­ dringen kann.

Der Behälter 1 für flüssiges Helium, die erste Wärmeabschir­ mung 2 und die zweite Wärmeabschirmung 3 sind in einem Vakuum­ behälter 4 untergebracht, dessen Innenraum zur Wärmeisolierung evakuiert ist. Eine magnetische Abschirmung 14 ist außerhalb von dem Vakuumbehälter 4 vorgesehen und umgibt diesen, wobei die magnetische Abschirmung 14 verhindert, daß ein von der supraleitenden Spule 13 erzeugter magnetischer Fluß nach außen dringt.

Eine Kühlvorrichtung 5 kühlt die erste Wärmeabschirmung 2 und die Wärmeabschirmung 3 durch eine Kühlleitung 5a. Die Kühllei­ tung 5a hat einen Kühlbereich 6 der ersten Stufe und einen Kühlbereich 7 der zweiten Stufe. Ein zweites wärmeleitendes Element 8 ist zwischen die zweite Wärmeabschirmung 3 und den Kühlbereich 6 der ersten Stufe geschaltet, um Wärme von der zweiten Wärmeabschirmung 3 zu dem Kühlbereich 6 der ersten Stufe abzuführen.

Ein erstes wärmeleitendes Element 9 ist in gleicher Weise zwi­ schen die zweite Wärmeabschirmung 2 und den Kühlbereich 7 der zweiten Stufe geschaltet, um Wärme von der ersten Wärmeab­ schirmung 2 zu dem Kühlbereich 7 der zweiten Stufe abzuführen. Die Kühlleitung 5a erstreckt sich durch Öffnungen 4a und 3a, die in dem Vakuumbehälter 4 bzw. der Wärmeabschirmung 3 ausge­ bildet sind und stellt eine Verbindung zwischen der Kühlvor­ richtung 5 sowie den Wärmeabschirmungen 2 und 3 dar.

Die Kühlleitung 5a, der Kühlbereich 6 der ersten Stufe, der Kühlbereich 7 der zweiten Stufe sowie die ersten und zweiten wärmeleitenden Elemente 8 und 9 wirken miteinander zusammen und bilden eine wärmeleitende und wärmeabführende Einrichtung. Ein Balg 10, der eine schwingungsdämpfende Einrichtung dar­ stellt, ist zwischen dem Vakuumbehälter 4 und einem Flansch 11 angeordnet, auf dem die Kühlvorrichtung 5 montiert ist. Der Balg 10 hält das Vakuum des Vakuumbehälters 4 und trägt ela­ stisch die Kühlvorrichtung 5 auf dem Vakuumbehälter 4 gegen­ über Kräften, die aus dem Unterdruck resultieren, um Schwin­ gungen der Kühlvorrichtung 5 im Betrieb zu absorbieren oder zu dämpfen.

Der Balg 10 kann mit einer Vielzahl von nicht dargestellten Fe­ dern kombiniert sein, die zwischen dem Flansch 11 und dem Va­ kuumbehälter 4 angeordnet sind. Eine Kompressoreinheit 12 lie­ fert der Kühlvorrichtung 5 komprimiertes Heliumgas sowie elek­ trische Energie für einen nicht dargestellten Ventilbetäti­ gungsmotor, der in der Kühlvorrichtung 5 vorgesehen ist.

Ein Rohr 100a bildet in seinem Innenraum einen elektromagneti­ schen Hohlraum 100, in welchem ein Magnetfeld von der supralei­ tenden Spule 13 erzeugt wird. Das Rohr 100a ist so angeordnet, daß es sich durch Öffnungen 14b, 4b und 3b erstreckt, die in der magnetischen Abschirmung 14, dem Vakuumbehälter 4 bzw. der zweiten Wärmeabschirmung 3 ausgebildet sind. Der Bereich des Rohres 100a, der den elektromagnetischen Hohlraum 100 bildet und der sich durch die Öffnung 4b des Vakuumbehälters 4 er­ streckt, ist von einem Flansch 4c luftdicht gelagert. Diese Bauteile bilden eine Zugangseinrichtung, um von außen einen Zu­ gang zum Magnetfeld zu ermöglichen, das von der supraleitenden Spule 13 erzeugt wird.

Die Wirkungsweise der herkömmlichen kryogenen Kühlvorrichtung wird nachstehend erläutert. Die Wärmemenge, welche in den Be­ hälter 1 für flüssiges Helium eindringt, schwankt mit der Ände­ rung der Temperaturen der Wärmeabschirmungen. Wenn die Tempera­ turen der Wärmeabschirmungen niedriger werden, so wird auch die Wärmemenge klein, welche zu dem Behälter 1 für flüssiges Helium vordringt, und der Verbrauch an flüssigem Helium in dem Behälter 1 für flüssiges Helium 1a kann reduziert werden.

Genauer gesagt, während des Betriebes der Kühlvorrichtung 5 werden der Kühlbereich 6 der ersten Stufe und der Kühlbereich 7 der zweiten Stufe auf ungefähr 80 K bzw. 20 K gekühlt. In­ folgedessen wird die zweite Wärmeabschirmung 3 durch das zweite wärmeleitende Element 8 gekühlt, während die erste Wärmeab­ schirmung 2 durch das erste wärmeleitende Element 9 gekühlt wird. Daher wird der Verbrauch an flüssigem Helium reduziert.

Bei der herkömmlichen kryogenen Kühlvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau tritt jedoch das Problem auf, daß die Vi­ brationen der Kühlvorrichtung 5 im Betrieb auf den dünnwandi­ gen Vakuumbehälter 4 übertragen werden und Geräusche sowie Störungen durch die Schwingungen des Vakuumbehälters 4 hervor­ gerufen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kryogene Kühlvorrich­ tung anzugeben, mit der es möglich ist, Geräusche und Störun­ gen wirksam zu unterdrücken, die während des Betriebes der Kühlvorrichtung erzeugt werden.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise erreicht. Die erfindungsgemäße kryogene Kühlvorrichtung weist folgendes auf:
einen kryogenen Behälter, in welchem eine supraleitende Spule untergebracht ist, die in ein kryogenes Kühlmittel eingetaucht ist, und der einen elektromagnetischen Hohlraum umgebend angeordnet ist, in welchem ein Magnetfeld von der supraleitenden Spule erzeugt wird;
einen Vakuumbehäl­ ter, der außerhalb des kryogenen Behälters angeordnet ist, wo­ bei ein Vakuumbereich zwischen ihnen vorhanden und mit einer Einrichtung versehen ist, die eine Öffnung bildet;
eine Wärme­ abschirmung, welche mindestens eine Schicht oder Wand aufweist, die zwischen dem Vakuumbehälter und dem kryogenen Behälter an­ geordnet ist;
eine magnetische Abschirmung, die außerhalb des Vakuumbehälters angeordnet ist, um zu verhindern, daß ein von der supraleitenden Spule erzeugter magnetischer Fluß nach außen dringt, wobei die magnetische Abschirmung eine größere Wandstär­ ke besitzt als der Vakuumbehälter;
eine Kühleinrichtung, die fest von der magnetischen Abschirmung gelagert und getragen ist, um die Wärmeabschirmung zu kühlen;
eine wärmeleitende bzw. wärmeabführende Einrichtung, die zwischen die Kühleinrichtung und die Wärmeabschirmung geschaltet ist und durch die Öffnung in dem Vakuumbehälter hindurchgeht, um von der Kühleinrichtung aus eine Kühlwirkung auf die Wärmeabschirmung auszuüben;
eine Schwingungen absorbierende Einrichtung, die zwischen die magne­ tische Abschirmung und den Vakuumbehälter geschaltet ist, um einen Vakuumbereich zu bilden, in welchem der kryogene Behäl­ ter untergebracht ist, wobei die Schwingungen absorbierende Einrichtung eine Elastizität besitzt, die im wesentlichen ver­ hindert, daß von der Kühleinrichtung erzeugte Schwingungen von der magnetischen Abschirmung zum Vakuumbehälter übertragen wer­ den; und
eine Zugangseinrichtung, um einen Zugang von außen zu einem Magnetfeld zu bieten, das in dem elektromagnetischen Hohlraum von der supraleitenden Spule erzeugt wird.

In der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist die Kühleinrichtung, beispielsweise die Kühlvorrichtung, auf der magnetischen Abschirmung gelagert, so daß während des Betrie­ bes der Kühlvorrichtung auftretende Vibrationen oder Schwin­ gungen durch die dickwandige magnetische Abschirmung unter­ drückt werden, so daß praktisch keine Schwingungen oder Vibra­ tionen zum Vakuumbehälter übertragen werden.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht im Querschnitt einer herkömmlichen kryogenen Kühlvorrichtung der oben beschriebenen Art; und in

Fig. 2 eine Seitenansicht im Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer kryogenen Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung.

Nachstehend wird zur Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels auf Fig. 2 Bezug genommen, die einen Querschnitt zeigt. In Fig. 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile wie bei der vorstehend anhand von Fig. 1 erläuterten Ausführungsform, so daß zur Vermeidung von Wieder­ holungen auf die obigen Darlegungen verwiesen wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine Kühlvorrichtung 5 luftdicht auf einer magnetischen Abschirmung 20 gelagert und abgestützt, und zwar mit einem dazwischenliegenden Flansch 21. Dieser Flansch 21 ist zweckmäßigerweise ringförmig ausgebildet und an der magnetischen Abschirmung 20 im Bereich ihrer Öff­ nung 20a befestigt, durch die die Kühlleitung 5a hindurchgeht. Dabei ist der Flansch 21, wie in Fig. 2 dargestellt, fest und luftdicht mit der magnetischen Abschirmung 20 verbunden, z. B. durch Schweißung, und bildet eine massive Abstützung und Hal­ terung. Gegebenenfalls kann die Kühlvorrichtung 5 auch luft­ dicht in direktem Kontakt mit der magnetischen Abschirmung 20 angebracht sein.

Bei der kryogenen Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem solchen Aufbau wird somit die Kühlvorrichtung 5 von der dickwandigen magnetischen Abschirmung 20 hoher Festigkeit und Steifigkeit getragen. Dadurch werden während des Betriebes von der Kühlvorrichtung 5 erzeugte Vibrationen und Schwingun­ gen durch die magnetische Abschirmung 20 unterdrückt. Der Balg 10, der sich von dem Vakuumbehälter 4 entweder durch eine Öff­ nung 20a zum Flansch 21 oder zu der magnetischen Abschirmung 20 selbst erstreckt, nimmt etwaige restliche Vibrationen oder Schwingungen auf.

Auf diese Weise wird zuverlässig vermieden, daß Vibrationen oder Schwingungen von der Kühlvorrichtung 5 zum Vakuumbehälter 4 übertragen werden, so daß sich verhindern läßt, daß Geräu­ sche und Störungen durch Vibrationen bzw. Schwingungen des Vakuumbehälters 4 auftreten.

Claims (5)

1. Kryogene Kühlvorrichtung, umfassend

• - einen kryogenen Behälter (1), in welchem eine supraleitende Spule (13) untergebracht ist, die in ein kryogenes Kühlmit­ tel (1a) eintaucht, und der einen elektromagnetischen Hohl­ raum (100) umgibt, in welchem ein Magnetfeld von der supra­ leitenden Spule (13) erzeugt wird;
• - einen Vakuumbehälter (4), der außerhalb des kryogenen Be­ hälters (1) mit einem Vakuumbereich zwischen ihnen angeord­ net ist und der mit einer Öffnung (4a, 4b) versehen ist;
• - eine Wärmeabschirmung (2, 3), die mindestens eine Schicht oder Wand zwischen dem Vakuumbehälter (4) und dem kryogenen Behälter (1) aufweist;
• - eine magnetische Abschirmung (20), die außerhalb des Vakuum­ behälters (4) angeordnet ist und verhindert, daß ein von der supraleitenden Spule (13) erzeugter magnetischer Fluß nach außen dringt, wobei die magnetische Abschirmung (20) eine größere Wandstärke hat als der Vakuumbehälter (4);
• - eine Kühleinrichtung (5, 12), die fest von der magnetischen Abschirmung (20, 21) gelagert und getragen ist und die Wärmeabschirmung (2, 3) kühlt;
• - eine wärmeleitende Einrichtung (5a, 8, 9), die zwischen die Kühleinrichtung (5, 12) und die Wärmeabschirmung (2, 3) geschaltet ist und sich durch die Öffnung (4a) des Vakuum­ behälters (4) erstreckt, um von der Kühleinrichtung (5, 12) aus der Wärmeabschirmung (2, 3) Kühlmittel zuzuführen und eine Kühlwirkung auszuüben;
• - eine Vibrationen absorbierende Einrichtung (10), die zwi­ schen die magnetische Abschirmung (20) und den Vakuumbe­ hälter (4) geschaltet ist und einen Vakuumbereich bildet, in welchem der kryogene Behälter (1) und die Wärmeabschir­ mung (2, 3) untergebracht sind, wobei die Vibrationen ab­ sorbierende Einrichtung (10) eine Elastizität besitzt, die im wesentlichen verhindert, daß von der Kühleinrichtung (5, 12) erzeugte Schwingungen und Vibrationen von der magne­ tischen Abschirmung (20) aus zum Vakuumbehälter (4) über­ tragen werden; und
• - eine Zugangseinrichtung (4c), die einen Zugang von außen zu einem Magnetfeld bietet, das in dem elektromagnetischen Hohlraum (100) von der supraleitenden Spule (13) erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (20) eine Öffnung (20a) be­ sitzt, durch die sich die wärmeleitende Einrichtung (5a, 8, 9) zu der magnetischen Abschirmung (20) erstreckt, wobei die Kühleinrichtung (5, 12) luftdicht in direktem Kontakt mit dem äußeren Bereich der magnetischen Abschirmung (20) befestigt ist, in welcher die Öffnung (20a) ausgebildet ist, und wobei die wärmeleitende Einrichtung (5a, 8, 9) zwischen die Kühlein­ richtung (5, 12) und die Wärmeabschirmung (2, 3) geschaltet ist und durch die Öffnungen (4a, 20a) in dem Vakuumbehälter (4) bzw. in der magnetischen Abschirmung (20) hindurchgeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Abschirmung (20) eine Öffnung (20a) sowie einen Flansch (21) aufweist, der zur Befestigung und Lagerung der Kühleinrichtung (5, 12) dient,
daß die Kühleinrichtung (5, 12) mit dem dazwischengeschalteten Flansch (21) luftdicht am äußeren Bereich der magnetischen Ab­ schirmung (20) befestigt ist, in der die Öffnung (20a) vorge­ sehen ist, und
daß die wärmeleitende Einrichtung (5a, 8, 9) zwischen die Kühleinrichtung (5, 12) und die Wärmeabschirmung (2, 3) ge­ schaltet ist und durch die Öffnungen (4a, 20a) in dem Vakuum­ behälter (4) bzw. in der magnetischen Abschirmung (20) hin­ durchgeht, wobei die Vibrationen absorbierende Einrichtung (10) zwischen den Flansch (21) und den Vakuumbehälter (4) ge­ schaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationen absorbierende Einrichtung (10) aus einem Balg besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (5, 12) aus einer Kühlvorrichtung (5) und einer Kompressoreinheit (12) besteht, die die Kühlvorrich­ tung (5) mit elektrischer Energie und mit Kühlgas versorgt.