DE4129522C2 - Regeleinrichtung zur Regelung des Gasdruckes in einem Cryostaten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung des Gasdruckes in einem Cryostaten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie z. B. zur Kühlung eines supraleitenden Magneten in einem magnetischen Kernresonanz-Darstellungsapparat verwendet wird.

Aus der US 45 43 794 ist eine Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei dieser bekannten Regeleinrichtung wird in einem Behälter eine supraleitende Spule in flüssigem Helium gekühlt. Über ein Rohr wird mit einem Druckmeßgerät der Druck innerhalb eines Behälters gemessen und über eine Steuerleitung ein Steuersignal an eine Steuereinheit weitergeleitet. Diese Steuereinheit steuert die Drehzahl eines Motors, der einen Kühlkompressor antreibt. Aufgrund des gemessenen Druckes im Behälter wird auf diese Weise die Kühlleitung des Kühlsystems verändert und der Druck in dem Behälter auf einem konstanten Wert gehalten.

Aus der DE-OS 14 26 980 ist eine Regeleinrichtung zur Regelung des Druckes am Eingang einer Kühlmitteldurchflußeinrichtung mit einer Druckpumpe oder einem Kompressor sowie einem Behälter, in dem ein Heizelement angeordnet ist, bekannt. Von der Druckpumpe führt eine Hochdruckrohrleitung zu einem luftgekühlten Kühlrohr, an dessen Austrittsöffnung ein Rückschlagklappenventil angeordnet ist, das die Zufuhr des Kühlmittels zu dem Behälter freigeben oder unterbrechen kann. Von der Austrittsöffnung des Behälters führt eine Hochdruckleitung zu einem Kühlmitteldurchflußregler, weiter zu einem Verdampfer und zurück zur Pumpe. Das Heizelement im Behälter ist zum einen mit einem Relaisschalter und zum anderen mit einer Stromquelle verbunden.

In der US 2 964 916 ist ein Flugzeugkraftstofftank über eine Leitung mit einem isolierten Behälter, der mit flüssigem Stickstoffgas gefüllt ist, verbunden. In dem isolierten Behälter ist eine Druckmessung und ein Heizelement angeordnet. In der Leitung zu dem Tank ist außerdem ein Ventil angeordnet. Um einen hohen Druck in dem isolierten Behälter zu halten, wird die Heizeinrichtung betätigt. Durch Einleitung des verdampften Gases in den Tank wird der darin beinhaltete Kraftstoff gekühlt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die einen bekannten Kälteregler bzw. eine Regeleinrichtung dargestellt. Flüssige cryogene Mischung, wie z. B. flüssiges Helium 1, also ein verflüssigtes Gas, ist in einem Behälter 2 für die cryogene Mischung enthalten, die darüber hinaus einen supraleitenden Magneten einschl. einer supraleitenden Spule 10 enthält, die im Inneren des Cryogenbehälters 2 aufgewickelt ist. Im Behälter 2 befindet sich ferner ein Helium-Gas 3, das durch die Verdampfung des flüssigen Heliums entstanden ist und das sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet. Um den Cryogenbehälter 2 herum ist ein Wärmeschutz (Strahlungsschutz) 4 vorgesehen. Der Wärmeschutz 4 ist von einem Vakuumbehälter 5 umgeben, in dessen Innerem ein Vakuumzustand aufrechterhalten wird. Zur Kühlung des Wärmeschutzes 4 und zum Rückkondensieren des Helium-Gases 3 in dem Cryogenbehälter 2 ist ein Kühlsystem 6 vorgesehen. Das Kühlsystem 6 umfaßt eine Kühleinheit 7 und eine Kompressoreinheit 8. Die Kühleinheit 7 hat einen Hauptblock 7a, der außerhalb des Vakuumbehälters 5 liegt, ferner einen länglichen, zum Beispiel zylindrischen Teil 7b, der sich durch die Wände des Vakuumbehälters 5 und des Wärmeschutzes 4 hindurch bis ins Innere des Wärmeschutzes 4 erstreckt sowie einen ersten und einen zweiten Kühlabschnitt 7c und 7d, die nahe an den Wänden des Wärmeschutzes 4 und des Cryogen-Behälters 2 angeordnet und mit diesen Wänden thermisch verbunden sind, so daß sie auf diese Weise den Wärmeschutz 4 und den Cryogenbehälter 2 kühlen.

Als nächstes wird nun die Wirkungsweise des bekannten Kältereglers beschrieben. Das flüssige Helium 1 kühlt den supraleitenden Magneten. Der Wärmeschutz 4 vermindert das Eindringen von Wärme von außen nach innen in den Cryogenbehälter 2. Der um den Wärmeschutz 4 herum angeordnete Vakuumbehälter 5 ermöglicht ferner eine Vakuum-Wärmeisolierung. Trotzdem dringt jedoch noch Wärme von außen nach innen ein und das flüssige Helium verdampft aus diesem Grunde und wird zu Heliumgas 3. Das Kühlsystem 6 kondensiert das Heliumgas wiederum, um auf diese Weise die Verminderung der Menge des flüssigen Heliums 1 in Grenzen zu halten.

Bei dem bekannten Kälteregler, wie er oben beschrieben worden ist, besteht jedoch ein Problem insofern, als dann, wenn die Kühlung durch die Kühleinheit sehr hoch ist und die Kondensation des verdampften Gases schnell fortschreitet, das Innere des Behälters, der das flüssige Gas enthält, einen negativen Druck aufweisen kann, so daß Luft durch das Rohr, das sich zur Umwelt hinaus erstreckt, in das Innere des Behälters eingezogen werden kann. Aufgrund einer Veränderung des Innendruckes kann der Behälter 2 deformiert werden und die supraleitende Spule 10, die an der Innenseite des Cryogenbehälters 2 aufgewickelt ist, kann verformt werden, so daß die magnetische Feldstärke und die Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes in Frage gestellt werden können.

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, eine Regeleinrichtung anzugeben, bei der der das verflüssigte Gas beinhaltende Behälter nicht deformiert wird.

Dieses technische Problem wird durch eine Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Wenn bei einer Regeleinrichtung nach der Erfindung der Gasdruck innerhalb des Behälters absinkt, dann wird der Wärmeerzeuger bzw. die Heizvorrichtung betätigt, so daß die Temperatur im Inneren des Behälters ansteigen kann, um den Innendruck auf einem positiven, konstanten Wert zu halten.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beispielsweise beschrieben; dabei werden weitere Merkmale, Einzelheiten und Eigenschaften hervortreten. Es zeigen:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Kältereglers nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Querschnittansicht eines bekannten Kältereglers.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Fig. 1 beschrieben, die den prinzipiellen Aufbau dieser Ausführungsform zeigt. In der Figur sind Teile, die mit Teilen in Fig. 2 identisch sind oder ihnen entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und ihre Beschreibung kann daher unterbleiben.

Der Kälteregler nach dieser Ausführungsform ist zusätzlich mit einem Drucksensor 11 versehen, mit dessen Hilfe der Druck im Inneren des Cryogenbehälters 2 gemessen werden kann. Ein Ausgangssignal des Drucksensors 11 wird in die Drucksteuerung 13 eingeleitet, die dafür zuständig ist, daß der Druck auf einem gleichen, positiven Wert gehalten wird. Die Drucksteuerung 13 bei dieser Ausführungsform steuert entsprechend dem gemessenen Druck die Energiezufuhr zu elektrischen Wärmeerzeugern 12, die in der ersten und zweiten Stufe der Kühlabschnitte 7c und 7d angebracht sind.

Im einzelnen vergleicht die Drucksteuerung 13 den gemessenen Druck mit einem Bezugswert. Der Bezugswert kann im wesentlichen gleich oder leicht oberhalb des atmosphärischen Druckes eingestellt werden. Der "atmosphärische Druck" kann entweder ein Fest-Wert sein, der einem durchschnittlichen atmosphärischen Druckwert gleich ist oder ein gemessener Wert, der sich mit der Zeit verändert.

Wenn der gemessene Druck unter den Bezugswert absinkt, dann schaltet die Drucksteuerung die Energiezufuhr zu den Wärmeerzeugern 12 ein. Wenn der gemessene Druck über den Bezugswert ansteigt, dann hält die Drucksteuerung 13 die Energiezufuhr zu den Wärmeerzeugern 12 an. Auf diese Weise hält die Drucksteuerung 13 den Druck im Cryogenbehälter 2 auf dem Bezugswert.

Wenn der Druck im Inneren des Cryogenbehälters 2 während des Betriebes unter den Bezugswert fällt oder negativ wird, wird dies durch den Drucksensor 11 gemessen und die Wärmeerzeuger 12 werden angeschaltet und die gesamte Kühlleistung des Kältereglers wird vermindert, so daß sich die Temperatur im Cryogenbehälter 2 und im Wärmeschutz 4 erhöht. Dies führt dazu, daß die Verdampfung des flüssigen Heliums 1 gefördert wird und daß der Druck innerhalb des Cryogenbehälters 2 ansteigt. Wenn der Druck über den Bezugswert ansteigt und positiv wird, werden die Wärmeerzeuger 12 abgeschaltet und die Gesamtkühlleistung des Kältereglers nimmt wieder den ursprünglichen Wert an, so daß die Verdampfung des flüssigen Heliums 1 in Grenzen gehalten wird. Selbst wenn durch das Kühlsystem 6 eine hohe Kühlleistung erbracht wird, wird auf diese Weise der Druck des Heliumgases 3 auf einen im wesentlichen gleichmäßigen, positiven Wert gehalten.

Bei der obigen Ausführungsform wird flüssiges Helium als flüssige Cryogen-Mischung verwendet. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt, sondern es könnte zum Beispiel auch flüssiger Stickstoff verwendet werden.

Wie dies oben beschrieben worden ist, wird nach der Erfindung die Wirkung des Wärmeerzeugers über einen Drucksensor gesteuert, der den Gasdruck innerhalb des Behälters mißt, der ein flüssiges Gas enthält. Wenn der Druck des Gases aufgrund einer sehr starken Kühlung durch die Kühleinrichtung absinkt, wird der Wärmeerzeuger angeschaltet, so daß der Druck des Gases wieder ansteigt und der Druck innerhalb des Behälters auf einem im wesentlichen gleichen, positiven Wert gehalten wird. Dies führt dazu, daß eine Verformung des Cryogen-Behälters aufgrund von Druckschwankungen vermieden wird und daß eine Verformung der aufgewickelten, supraleitenden Spule im Cryogenbe­ hälter vermieden wird, so daß die magnetische Feldstärke und das magnetische Feld auf einem gleichförmigen Wert gehalten werden können.

Claims (7)

1. Regeleinrichtung zur Regelung des Gasdruckes in einem Cryostaten, umfassend:

• - einen von einem Wärmeschutz (4) umschlossenen Cryogenbehälter (2), in dem sich ein in flüssigem Cryogengas zu kühlendes Kühlobjekt befindet,
• - ein Kühlsystem (6) zum Rückkondensieren des im Cryogenbehälter (2) verdampfenden Cryogengases,
• - einen den Druck des Cryogengases im Cryogenbehälter (2) registrierenden Drucksensor (11) und eine zugehörige Druckregelung (13), die den Druck des Cryogengases in dem Cryogenbehälter (2) auf einen vorgegebenen, konstanten Wert einregelt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zumindest ein Wärmeerzeuger (12) an einer Zuleitung (7b) für das rückkondensierte Cryogengas an einem Kühlabschnitt (7c) am Wärmeschutz (4) und/oder an einem Kühlabschnitt (7d) am Cryogenbehälter (2) angebracht ist, und
• - die Druckregelung (13) den Druck des Cryogengases über die Wärmeabgabe des Wärmeerzeugers (12) auf den konstanten Wert einregelt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregelung (13) den Wärmeerzeuger (12) dann einschaltet, wenn der gemessene Druck einen Bezugswert überschreitet.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich zum atmosphärischen Druck ist oder geringfügig oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der atmosphärische Druck ein festgelegter, durchschnittlicher atmosphärischer Druck oder ein gemessener atmosphärischer Druck ist.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumbehälter (5) den Wärmeschutz (4) umgibt und eine Vakuum-Wärmeisolierung darstellt.

6. Cryostat mit einer Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5.