DE69211237T2

DE69211237T2 - Vakuumbehälter mit einem gekühlten Element

Info

Publication number: DE69211237T2
Application number: DE69211237T
Authority: DE
Inventors: Takeo Nemoto; Hisanao Ogata; Norihide Saho; Taisei Uede; Yasuo Yamashita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JPH0515764A; EP0523871B1; DE69211237D1; US5426949A; JP3123126B2; EP0523871A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumbehälter mit einem Element, das im Gebrauch auf eine niedrige Temperatur, z.B. auf die Temperatur flüssigen Heliums, gekühlt wird, und sie betrifft eine Einrichtung zum Kühlen des gekühlten Elements. Spezieller, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung eine Kryopumpe zum Kondensieren und Adsorbieren von Gasmolekülen an der auf eine ultratiefe temperaturgekühlten Oberfläche einer Tieftemperaturtafel, wie in einem Kernfusionsreaktor usw. verwendet.
Der Artikel "Cryopumps und cryogenic systems of prototype injector unit for JT-60" von T. Shibata et al, 9th International Cryogenic Engineering Conference, Mai 1982, beschreibt eine Tieftemperatur-Großanlage. In jedem von mehreren Neutronenstrahlinjektoren, die um eine Kernfusionsanlage herum angeordnet sind, ist eine Kryopumpeneinheit verwendet. Jede Kryopumpeneinheit wird durch flüssiges Helium und flüssigen Stickstoff gekühlt. Die Tieftemperaturtafel jeder Kryopumpe, wie sie zum Kondensieren und damit Adsorbieren von Gasmolekülen und zum Ausgeben derselben mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, wird durch flüssiges Helium auf ungefähr 3,7 K gekühlt. Eine durch flüssigen Stickstoff auf eine niedrige Temperatur von ungefähr 80 K gekühlte Wärmeabschirmungsplatte ist um die Tieftemperaturtafel jeder Kryopumpeneinheit herum angeordnet, um zu verhindern, daß die Tieftemperaturtafel direkt durch Strahlungswärme von Teilen auf normaler und hoher Temperatur außerhalb der Pumpe erwärmt wird.
Bei bekannten Anordnungen wird das flüssige Helium, das die Tieftemperaturtafel jeder Kryopumpeneinheit kühlt, kollektiv durch eine gemeinsame, große Verflüssigungskühleinrichtung für flüssiges Helium erzeugt und durch eine wärmeisolierte Leitungsanordnung zu jeder Kryopumpeneinheit transportiert. Heliumgas niedriger Temperatur, das innerhalb einer Tieftemperaturplatte verdampft, wird über eine andere wärmeisolierte Leitungsanordnung von derselben großen Verflüssigungskühleinrichtung für flüssiges Helium rückgewonnen. Auch flüssiger Stickstoff wird kollektiv durch eine gemeinsame, große Verflüssigungsmaschine für flüssigen Stickstoff erzeugt oder vom selben Lagertank für flüssiges Stickstoff zu jeder Kryopumpeneinheit über eine wärmeisolierte Leitungsanordnung transportiert, und das Stlckstoffgas niedriger Temperatur aus der Verdampfung innerhalb einer Wärmeabschirmungsplatte wird an die Atmosphäre ausgegeben.
Bei dieser bekannten, großen Kryopumpe wird flüssiges Helium durch eine lange, wärmeisolierte Leitungsanordnung von der großen Verflüssigungskühleinrichtung für flüssigen Stickstoff zu jeder Kryopumpeneinheit transportiert, und es verdampft eine große Menge an flüssigem Helium innerhalb der Leitungsanordnung. Dieses verdampfte Heliumgas niedriger Temperatur kann zum Kühlen der Tieftemperaturtafel nicht verwendet werden, und es erhöht darüber hinaus den Fließdruckverlust innerhalb der Leitungsanordnung. Daher muß der Rohrdurchmesser der wärmeisolierenden Leitungsanordnung vergrößert werden.
In die isolierende Leitungsanordnung eintretende Wärme liegt im allgemeinen bei ungefähr 1 W/m, und wenn die Länge der wärmeisolierten Leitungsanordnung 200 m erreicht, verdampft flüssiges Helium entsprechend einer Wärmemenge von 200 W. Wärme, die an der Kryopumpe in das Helium eintritt, liegt im allgemeinen zwischen einigen und einigend Dutzend Watt, so daß das meiste flüssige Helium lediglich zum Kühlen der wärmeisolierten Leitungsanordnung verbraucht wird. Die bekannte, große Kryopumpe benötigt demgemäß eine große Menge an flüssigem Helium zum Kühlen der wärmeisolierten Leitungsanordnung. Aus diesem Grund ist eine große Verflüssigungsanlage für flüssiges Helium mit großem Energieverbrauch erforderlich.
Wenn Gas in den Vakuumbereich der vakuumisolierten Leitungsanordnung eindringt, wird der Wärmeisolierungseffekt stark beeinträchtigt und es verdampft eine große Menge an flüssigem Helium innerhalb der Leitungsanordnung, so daß die Wärmeübertragungsfunktion endet, ein Kühlen der Leitungsanordnung gegen die Umgebungstemperatur nicht erzielt werden kann und die Funktion der Kryopumpe häufig endet.
Die Veröffentlichung Nr. JP-U-62-167875 zu einem japanischen Gebrauchsmuster veröffentlicht Tieftemperaturtafeln, die von einem Heliumkreis gekühlt werden, der eine Verflüssigungskühleinrichtung und einen Tank für flüssiges Helium enthält. Eine Wärmeabschirmung oder eine Sperrwand mit Kühlrippen schützt eine Tieftemperaturtafel vor Teilen auf Umgebungstemperatur.
Die oben beschriebene Technik kühlt eine Gruppe von Kryopumpen mit flüssigem Helium, das von einer zentrierten, großen Verflüssigungsmaschine für flüssiges Helium erzeugt wurde und durch wärmeisolierende Leitungsanordnungen, die im umgebenden Atmosphärenraum angeordnet sind, übertragen wurde. Daher existieren die folgenden Schwierigkeiten:
(1) Zum Kühlen der Tieftemperaturtafeln ist viel elektrische Energie erforderlich;
(2) Es ist eine teure, große Verflüssigungsanlage für flüssiges Helium erforderlich;
(3) Es sind lange, isolierte Leitungsanordnungen mit großen Durchmessern erfordorlich;
(4) Da die lange Leitungsanordnung zunächst gekühlt werden muß, ist viel Zeit (einige Tage) erforderlich, um die Tieftemperaturplatte zu kühlen;
(5) Das Erwärmen der Tieftemperaturplatte benötigt entsprechend viel Zeit (einige Tage);
(6) Die Zuverlässigkeit des Kühlsystems ist gering.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumbehälter mit einer Kühleinrichtung für ein zu kühlendes Element zu schaffen, der das Erfordernis einer langen, isolierten Leitung verringert oder beseitigt und der relativ schnelles Abkühlen des Elements auf Betriebstemperatur erzielen kann. Es ist eine Aufgabe, den Energieverbrauch der Kühlanlage zu verringern, und eine andere Aufgabe ist es, eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Kühlvorgangs eines gekühlten Elements oder gekühlter Elemente in einer Vakuumkammer zu ermöglichen.
Gemäß einer Erscheinungsform schafft die Erfindung einen Vakuumbehälter mit einem innerhalb des Behälters angeordneten Element, das so ausgebildet ist, daß es auf eine niedrige Betriebstemperatur gekühlt werden kann, und mit einem Hauptkühlkreis für ein Fluid zum Kühlen des Elements auf die Betriebstemperatur, der eine erste Fluidkühleinrichtung aufweist. Der Behälter enthält ferner einen Fluid-Vorkühlkreis zum Vorkühlen des Elements auf die Betriebstemperatur hin, der über eine zweite Fluidkühleinrichtung verfügt, die unabhängig von der ersten Fluidkühleinrichtung betreibbar ist.
Die erste Fluidkühleinrichtung im Hauptkreis, die typischerweise im Vakuumbehälter oder in dessen Nähe liegen kann, kann das Erfordernis einer langen, isolierten Leitungsanordnung von einer großen Kühleinrichtung her vermeiden, während der Vorkühlkreis unabhängig für schnelles Vorkühlen sorgen kann.
Für schnelle Vorkühlung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Vorkühlkreis so ausgebildet ist, daß er für eine Abkühlung des Hauptkühlkreises vor dem Betrieb des letzteren sorgt. Zu diesem Zweck sind der Hauptkühlkreis und der Vorkühlkreis vorzugsweise so miteinander verbunden, daß Fluid vom Vorkühlkreis in den Hauptkühlkreis strömen kann, um den Hauptkühlkreis vorzukühlen.
Wiederum zum Erzielen schnellen Vorkühlens ist es bevorzugt, falls der Vakuumbehälter über eine Wärmeabschirmung für das gekühlte Element und einen Wärmeabschirmungs-Kühlkreis, z.B. einen Kreis mit flüssigem Stickstoff, zum Kühlen der Wärmeabschirmung verfügt, daß der Wärmeabschirmungs-Kühlkreis die zweite Fluidkühleinrichtung des Vorkühlkreises enthält, wodurch Fluid im Wärmeabschirmungs-Kühlkreis für ein Kühlen des Fluids im Vorkühlkreis sorgt. Demgemäß kann das gekühlte Element schnell auf z.B. die Temperatur flüssigen Heliums abgekühlt werden. Die zweite Fluidkühleinrichtung kann ein Wärmeaustauscher zwischen dem Vorkühlkreis und dem Wärmeabschirmungs-Kühlkreis sein.
Bei einer Form der Erfindung umfaßt der Wärmeabschirmungs- Kühlkreis zur Fluidkühlung eine Expansionsvorrichtung für gasförmiges Fluid. Dieser Kreis kann in diesem Fall ein Heliumkreis sein.
Für verbesserte Zuverlässigkeit und einfachen Betrieb ist vorzugsweise mindestens ein Steuerventil, bevorzugter zwei oder mehr Steuerventile, für den Hauptkühlkreis an einem Ort desselben angeordnet, der sich während des Betriebs auf Umgebungstemperatur befindet. Dasselbe kann für den Vorkühlkreis gelten. Unter Umgebungstemperatur ist ungefähr normale Atmosphärentemperatur, z.B. 15 ºC, zu verstehen.
Das gekühlte Element kann eine Tieftemperaturtafel zum Kondensieren von aus dem Vakuumbehälter auszugebendem Gas sein, oder es kann eine supraleitende Vorrichtung, z.B. einen supraleitenden Magnet umfassen. Die Erfindung ist nicht auf diese Anwendungen begrenzt.
Um für eine schnelle Wiedererwärmung des gekühlten Elements und für gute Steuerung bei der Wiedererwärmung zu sorgen, kann der Hauptkühlkreis eine Heizeinrichtung zum Erwärmen von Fluid im Hauptkühlkreis enthalten, um ein Erwärmen des Elements auszuführen.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist ein Vakuumbehälter mit einem auf eine niedrige Betriebstemperatur zu kühlenden Element, einem Hauptkreis zum Kühlen des Elements auf Betriebstemperatur, einem Vorkühlkreis zum Vorkühlen des Elements auf die Betriebstemperatur hin und einer Wärmeabschirmung für das Element geschaffen. Ein Wärmeabschirmungs-Kühlkreis zum Abkühlen der Wärmeabschirmung verfügt über einen Behälter, der im Betrieb gekühltes Fluid, z.B. flüssigen Stickstoff, enthält und der innerhalb des Vakuumbehälters liegt und einen Teil des Hauptkühlkreises und einen Teil des Vorkühlkreises umgibt, um für Kühlung derselben zu sorgen. Dies unterstützt auch den Vorkühlvorgang und kann den Energieverbrauch verringern. Um Wärmeverluste und damit den Energieverbrauch im Hauptkühlkreis zu verringern, schafft die Erfindung gemäß einer anderen Erscheinungsform einen Vakuumbehälter mit einem innerhalb desselben, auf eine niedrige Betriebstemperatur zu kühlenden Element und einem Fluid-Kühlkreis zum Kühlen des Elements auf die Betriebstemperatur, der über eine Fluidkühleinrichtung verfügt, wobei im wesentlichen alle Teile des Kühlkreises, die während des Betriebs unter Umgebungstemperatur gehalten werden, innerhalb des Vakuumbehälters liegen. Dies verringert auch die Abkühlzeit, da keine lange externe Leitungsanordnung gekühlt werden muß.
Beim Anwenden der Erfindung auf einen Vakuumbehälter, der die Vakuumkammer einer Kernfusionsanlage bildet, ist mindestens eine Tieftemperaturplatte innerhalb des Behälters angeordnet, die auf niedrige Betriebstemperatur zu kühlen ist, um Teilchen zu kondensieren, um sie aus der Vakuumkammer auszugeben. Es ist ein Hauptkühlkreis zum Kühlen der Tieftemperaturtafel auf die Betriebstemperatur vorhanden, und ein Speichertank für flüssigen Stickstoffliegt innerhalb des Vakuumbehälters und ist so angeordnet, daß er für eine Vorkühlung der Tieftemperaturtafel zur Betriebstemperatur hin sorgt. Auf diese Weise wird flüssiger Stickstoff, der in der Fusionsanlage für andere Zwecke erforderlich ist, dazu verwendet, die Tieftemperaturtafel vorzukühlen.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung mittels nichtbeschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Diagramm eines die Erfindung verkörpernden Kryopumpsystems.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Tieftemperaturtafel-Anordnung und einer Kühleinrichtung für dieselbe, die die Erfindung verkörpern.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Tieftemperaturtafel-Anordnung und von Kühlkreisen für diese, die die Erfindung verkörpern.
Fig. 4 ist eine teilschematische Seitenansicht einer weiteren Tieftemperaturtafel-Anordnung und von Teilen von Kühlkreisen für dieselbe, die die Erfindung verkörpern.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht noch einer anderen Tieftemperaturtafel-Anordnung und von Kühlkreisen für dieselbe, die die Erfindung verkörpern.
Allgemein gesagt, sind in den beigefügten Zeichnungen für dieselben oder ähnliche Teile dieselben Bezugszahlen verwendet, und deren Beschreibung wird nicht für jede Figur vollständig wiederholt.
Nun wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert.
Kryopumpen 1 sind innerhalb eines Vakuumbehälters 2 angeordnet, der z.B. Teil eines Neutronenstrahlinjektors in einer Vakuumkammer einer Kernfusionsanlage ist. Jede Kryopumpe 1 ist über eine Zuführleitungsanordnung 3 für Helium auf ultratiefer Temperatur und eine Sammelleitungsanordnung 4 für Helium auf ultratiefer Temperatur innerhalb des Vakuumbehälters 2 mit einer kleinen Verflüssigungskühleinrichtung 5 für Helium verbunden. Heliumgas von hohem Druck und auf Umgebungstemperatur wird von einem Heliumkompressor 6 über eine Hochdruck-Leitungsanordnung 7 an jede Helium-Verflüssigungskühleinrichtung 5 geliefert, und Heliumgas von mittlerem und niedrigem Druck und auf Umgebungstemperatur, wie es nach adiabatischer Expansion in der Helium-Verflüssigungskühleinrichtung 5 vorliegt, wird über eine Mitteldruck-Leitungsanordnung 8 und eine Niederdruck-Leitungsanordnung 9 im Heliumkompressor 6 gesammelt.
Die zwei Kühleinrichtung 5 jedes Behälters 2 werden unabhängig voneinander gesteuert, so daß abhängig vom Bedarf entweder eine oder zwei Tieftemperaturtafeln 1 betrieben werden können.
Flüssiger Stickstoff zum Kühlen einer unten beschriebenen Wärmeabschirmung wird von einem Behälter 10 für flüssigen Stickstoff durch eine wärmeisolierte Leitungsanordnung 11 in den Bereich jeder Kühleinrichtung 5 geliefert, und es wird über eine Leitungsanordnung 12 für flüssigen Stickstoff an die Wärmeabschirmungsplatten jeder Kryopumpe 1 geliefert. Das innerhalb der Kryopumpe verdampfte Stickstoffgas wird über eine Leitungsanordnung 13 an die Atmosphäre ausgegeben.
Fig. 2 zeigt das Kühlsystem der innerhalb des Vakuumbehälters 2 zu kühlenden Tieftemperaturtafel-Anordnung 1. Demgemäß zeigt Fig. 2 die Teile 3, 4 und 5 von Fig. 1 im Detail. Die kleine Helium-Verflüssigungskühleinrichtung 5 umfaßt einen Heliumverdampfer 14, in diesem Fall einen Gifford-McMahon-Verdampfer, und einen Joule-Thomson-Kreis (nachfolgend als "J.T.-Kreis" bezeichnet) aus Wärmeaustauschern 15, 16, 17, 18, 19 und einem Joule-Thomson-Ventil 20 (nachfolgend als "J.T.-Ventil" bezeichnet) in einem Helium-Hauptkühlkreis. Ein Helium-Vorkühlkreis enthält Wärmeaustauscher 22, 23, und er ist mit dem Hauptkühlkreis verbunden. Ein Behälter 21 für flüssigen Stickstoff verfügt über ringförmigen Querschnitt und umgibt den Heliumverdampfer 14 und einen Teil des J.T.-Kreises sowie einen Teil des Vorkühlkreises und schirmt diese thermisch ab. Der Behälter 21 ist Teil eines Wärmeabschirmungs-Kühlkreises.
Die zwei Tieftemperaturtafeln 24, 26 zum Kondensieren auszugebenden Gases bei ultratiefer Temperatur und zum Verfestigen desselben verfügen in ihrem Inneren über Kühlrohre, die über eine Hochdruck-Leitungsanordnung 25 mit dem Auslaß des J.T.-Ventils 20, miteinander über eine Leitungsanordnung 28 und über eine Niederdruck-Leitungsanordnung 27 mit dem Wärmeaustauscher 19 verbunden sind.
Die Wärmeaustauscher 22 und 23 des Vorkühlkreises sind über eine Leitungsanordnung 29 miteinander verbunden. Der Auslaß des Wärmeaustauschers 23, der sich im Stickstofftank 21 befindet, ist durch eine Leitungsanordnung 30 mit dem Auslaß des J.T.-Ventils 20 verbunden, und die Niederdruck-Leitungsanordnung 27 und der Wärmeaustauscher 22 sind über eine Leitungsanordnung 31 miteinander verbunden.
Der untere Teil des Behälters 21 für flüssigen Stickstoff und eine scheibenförmige Wärmeabschirmung 32 der Kryopumpe 1 sind über eine Leitungsanordnung 33 verbunden, und der obere Teil des Behälters 21 für flüssigen Stickstoff und die Wärmeabschirmung 32 der Kryopumpe 1 sind über eine Leitungsanordnung 12 verbunden. Kühlrippen 34 umgeben die Tieftemperaturtafeln 24, 26 und sind über eine Leitungsanordnung 35 mit dem Wärmeabschirmungs-Kühlkreis verbunden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Kühlen der Kryopumpe 1 erläutert.
Vom Tank 10 für flüssigen Stickstoff durch die wärmeisolierte Leitungsanordnung 11 gelieferter flüssiger Stickstoff wird in den Behälter 21 für flüssigen Stickstoff eingeleitet, er strömt durch die Leitungsanordnungen 33 und 35 und er kühlt die Wärmeabschirmungsplatte 32 und die Kühlrippen 34 auf ungefähr 80 K. Das innerhalb der Wärmeabschirmung 32 verdampfende Stickstoffgas strömt durch die Leitungsanordnung 12, wird in den oberen Teil des Behälters 21 für flüssigen Stickstoff geleitet und wird durch die Leitungsanordnung 13 an die Atmosphäre ausgegeben.
Das auf hohem Druck und Umgebungstemperatur befindliche Heliumgas wird vom Heliumkompressor 6 über die Hochdruck-Leitungsanordnung 7 in den Wärmeaustauscher 22 des Vorkühlkreises geliefert und innerhalb des im Behälter 21 für flüssigen Stickstoff angeordneten Wärmeaustauschers 23 auf ungefähr 80 K gekühlt. Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und hohem Druck wird durch die Leitungsanordnungen 30 und 25 an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert und kühlt diese schnell ab.
Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und hohem Druck strömt nach dem Kühlen der Tafeln 24, 26 teilweise durch die Leitungsanordnung 27 durch die Wärmeaustauscher 19, 17, 15, um es auf Umgebungstemperatur zurückzuführen, und es nimmt eine Vorkühlung dieser Wärmeaustauscher vor. Das restliche Heliumgas auf hohem Druck durchläuft die Leitungsanordnung 21 und bewirkt im Wärmeaustauscher 22 einen Wärmeaustausch mit dem ankommenden Heliumgas auf hohem Druck, um dieses zu kühlen.
Die Strömungsraten des Fiehumgases auf niedriger Temperatur und hohem Druck, wie es an die beiden Wärmeaustauscher 19, 22 geliefert wird, werden in der Niederdruck-Leitungsanordnung 9 durch ein Ventil 36 auf Umgebungstemperatur und in einer Mitteldruck-Leitungsanordnung 8 durch ein Ventil 37 auf Umgebungstemperatur eingestellt. Dabei wird das Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von hohem Druck vom Heliumkompressor 6 über Hochdruck-Leitungsanordnung 7 an den Heliumverdampfer 14 geliefert, und es wird adiabatisch in diesem entspannt, um in einer ersten Stufe 14a Kälte von ungefähr 50 K und in einer zweiten Stufe 14b Kälte von ungefähr K zu erzeugen.
Nachdem die Tieftemperaturtafel auf ungefähr 80 K gekühlt ist, wird das Ventil 38 auf Umgebungstemperatur in der Hochdruck-Leitungsanordnung 7 geschlossen, das Ventil 37 wird leicht geöffnet, das Ventil 39 in der Hochdruck-Leitungsanordnung 7 wird geöffnet und das Ventil 36 in der Niederdruck-Leitungsanordnung 9 wird vollständig geöffnet.
Das Hochdruck-Heliumgas, das vom Ventil 39 auf Umgebungstemperatur in den J.T.-Kreis strömt, durchläuft die Wärmeaustauscher 15, 16, 17, 18, 19 und wird dann durch das J.T.- Ventil 20 und die Leitungsanordnung 25 an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert, wobei es diese auf ungefähr 10 K herunterkühlt. Danach strömt das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von niedrigem Druck durch die Leitungsanordnungen 27, 31 und den Wärmeaustauscher 22 und wird in die Mitteldruck-Leitungsanordnung 8 ausgegeben.
Danach wird das Ventil 37 geschlossen. Nachdem das Hochdruck-Heliumgas durch den Wärmeaustauscher 19 gelaufen ist, entspannt es adiabatisch im J.T.-Ventil 20 und wird teilweise verflüssigt, um flüssiges Helium bei 3,7 K zu ergeben. Das Niederdruckgas bei 3,7 K und das flüssige Helium werden durch die Leitungsanordnung 25 an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert, und sie kühlen diese. Dabei verdampft das flüssige Helium.
Danach durchläuft das Heliumgas auf ultratiefer Temperatur und von niedrigem Druck die Leitungsanordnung 27, es wird zu Heliumgas von Umgebungstemperatur und auf niedrigem Druck, während es das Hochdruck-Heliumgas innerhalb der Wärmeaustauscher 19, 17, 15 kühlt, und das Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von niedrigem Druck strömt durch das Ventil 36 in die Niederdruck-Leitungsanordnung 9.
Während des Vorgangs, bei dem die Tieftemperaturtafel zum Regenerieren der Kryopumpe erwärmt wird und das auszugebende Gas, das sich an der Oberfläche der Tieftemperaturtafel verfestigt hat, freigegeben wird, wird das Niederdruckgas stromabwärts bezüglich des J.T.-Ventils durch einen Heizer 40 an der Leitungsanordnung 25 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und die Tieftemperaturtafel wird auf ungefähr 10 K erwärmt.
Nachdem das auszugebende Gas freigegeben ist, wird die Erwärmung durch den Heizer 40 beendet und die Tieftemperaturtafel wird auf dieselbe Weise wie beim Kühlvorgang auf 3,7 K gekühlt. Das Material der Tieftemperaturtafel ist Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer oder dergleichen, und seine spezifische Wärme ist bei Temperaturen unter 10 K extrem klein. Daher wird der Kühlvorgang von 10 K auf 3,7 K innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei diesem Ausführungsbeispiel jede Kryopumpe 1 durch flüssigen Stickstoff, der zum Kühlen der Wärmeabschirmung 32 verwendet wird, vorgekühlt, und sie kann dann durch die kleine Helium-Verflüssigungskühleinrichtung 5 auf eine vorbestimmte, ultratiefe Temperatur abgekühlt werden. Daher ist es nicht erforderlich, wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnungen während des Kühlens und Heizens der Tieftemperaturplatte zu kühlen und zu heizen, und das Kühlen und Heizen der Tieftemperaturplatte können innerhalb kurzer Zeit erzielt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist keine lange wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnung zum Transportieren flüssigen Heliums erforderlich. Daher muß flüssiges Helium nur zum Kühlen der Tieftemperaturtafel erzeugt und zugeführt werden, und elektrische Energie zum Erzeugen flüssigen Heliums kann im Vergleich zum Fall beim Stand der Technik stark verringert werden.
Ferner treten, da keine wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnung erforderlich ist, von derartigen Leitungsanordnungen herrührende Schwierigkeiten wie Vakuumlecks nicht auf. Da nur das J.T.-Ventil bei niedriger Temperatur betrieben werden muß, kann die Zuverlässigkeit des Kühlsystems verbessert werden. Außerdem können, da keine teure, große Verflüssigungsanlage für flüssiges Helium erforderlich ist, die Kosten des Kühlsystems verringert werden.
Die Kälte des Heliumverdampfers wird nicht zum Kühlen der wärmeabschirmung der Kryopumpe verwendet. Daher kann die kleine Helium-Verflüssigungskühleinrichtung auf niedrige Temperatur gekühlt werden, es kann eine Verflüssigung einer größeren Menge an Heliumgas erfolgen, die Kühlmenge von Gas auf 3,7 K kann erhöht werden und die Abkühlzeit für die Tieftemperaturplatte kann weiter verringert werden.
Ferner kann, wenn eine Vakuumpumpe 13a an der stromabwärtigen Seite der Leitungsanordnung 13 angeordnet ist, der flüssige Stickstoff durch Verdampfung auf unter 77 K gekühlt werden, und die Temperaturen der Wärmeabschirmungsplatte 32 und der Kühlrippe 34 werden auf ungefähr 70 K abgesenkt. Die Menge an Wärmestrahlung, die von der Wärmeabschirmung 32 und den Kühlrippen 34 in die Tieftemperaturplatte von 3,7 K eintritt, kann auf ungefähr 1/1,7 derjenigen verringert werden, wie sie dann vorliegt, wenn sich die Wärmeabschirmung und die Kühlrippen auf 80 K befinden. Demgemäß kann die Menge an flüssigem Helium, die von der kleinen Helium-Verflüssigungskühleinrichtung erzeugt werden muß, verringert werden, und die elektrische Energie zum Betreiben der kleinen Helium- Verflüssigungskühleinrichtung kann weiter verringert werden.
In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Innerhalb des Vakuumbehälters 2 ist der Aufbau bei diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen identisch mit dem von Fig. 2. Außerhalb des Behälters 2 wird bei diesem Ausführungsbeispiel Hochdruck-Heliumgas statt vom gemeinsamen Heliumkompressor 6 der Fig. 1 und 2 für jede Kryopumpe 1 von einem Heliumkompressor 41 geliefert, der in der Nähe der Kryopumpe angeordnet ist. Dieser Kompressor 41 ist mit dem Heliumverdampfer 14 über eine Leitung 43 verbunden, und das Mitteldruck-Heliumgas nach der Expansion wird durch eine Leitung 44 an den Kompressor 41 zurückgeführt.
Hochdruckgas für den Hauptkühlkreis (J.T.-Kreis) wird von einem Heliumkompressor 42, der in der Nähe jeder Kryopumpe angeordnet ist, durch eine Leitung 49 an den Wärmeaustauscher 15 geliefert, und Niederdruck-Heliumgas wird nach der Expansion in diesem Kreis über eine Leitung 52 an den Kompressor 42 zurückgeführt.
Die Hochdruckleitung 43 vom Heliumkompressor 41 und eine Hochdruckleitung 44 des Vorkühlkreises sind über ein Strömungsrate-Regulierventil 45 miteinander verbunden. Die Mitteldruckleitung 44 des Heliumkompressors 41 und die Mitteldruck-Leitungsanordnung 47 des Vorkühlkreises sind miteinander über ein Strömungsrate-Regulierventil 48 verbunden.
Eine Hochdruck-Leitungsanordnung 49 vom Heliumkompressor 42 und ein Überschußgas-Speichertank 50 sind über ein Strömungsrate-Regulierventil 51 miteinander verbunden. Die Niederdruckleitung 52 des Heliumkompressors 42 und der Überschußgas-Speichertank 50 sind über ein Strömungsrate-Regulierventil 53 miteinander verbunden.
Die Mitteldruckleitung 44 des Heliumkompressors 41 und die Niederdruckleitung 52 des Heliumkompressors 42 sind miteinander über ein Strömungsrate-Regulierventil 54 verbunden.
Nun wird das Verfahren zum Abkühlen der Kryopumpe 1 bei diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Flüssiger Stickstoff, wie er vom Tank 10 für flüssigen Stickstoff durch die wärmeisolierte Leitungsanordnung 11 geliefert wird, wird in den Behälter 21 für flüssigen Stickstoff eingeleitet und kühlt die Wärmeabschirmung 32 und die Kühlrippen 34 über die Leitungsanordnungen 33 und 35 auf eine Temperatur von ungefähr 80 K. Das innerhalb der Wärmeabschirmungsplatte 32 verdampfende Stickstoffgas wird durch die Leitungsanordnung 12 in den oberen Teil des Behälters 21 für flüssigen Stickstoff geleitet und durch die Leitungsanordnung 13 an die Atmosphäre ausgegeben.
Das Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von hohem Druck wird vom Heliumkompressor 41, dessen Kapazität ungefähr die Zehnfache desjenigen des Heliumkompressors 42 ist, über die Hochdruck-Leitungsanordnung 43 und das Ventil 45 an den Wärmeaustauscher 22 des Vorkühlkreises geliefert, und dieses Hochdruck-Heliumgas wird innerhalb des Wärmeaustauschers 23 im Behälter 21 für flüssigen Stickstoff auf eine Temperatur von ungefähr 80 K gekühlt. Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von hohem Druck wird durch die Leitungsanordnungen 30 und 25 an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert und kühlt diese schnell ab.
Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von hohem Druck kehrt nach dem Abkühlen der Tieftemperaturtafeln in die Leitungsanordnungen 27 und 31 zurück. Ein Teil desselben läuft durch die auf Umgebungstemperatur befindlichen Wärmeaustauscher 19, 17, 15 und kühlt diese. Der andere Teil des Hochdruck-Heliumgases läuft durch die Leitungsanordnung 31 und bewirkt einen Wärmeaustausch mit dem eintreffenden Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von niedrigem Druck im Vorkühlkreis im Wärmeaustauscher 22.
Die Strömungsraten des Heliumgases auf niedriger Temperatur und von hohem Druck an die zwei Wärmeaustauscher 19, 22 werden durch das Ventil 54 und das Ventil 48 reguliert.
Während dieser Vorabkühlphase liefert der Heliumkompressor 41 das Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von niedrigem Druck durch die Hochdruckleitung 43 an den Heliumverdampfer 14. Das Helium wird innerhalb des Heliumverdampfers adiabatisch entspannt und erzeugt in der ersten Stufe 14a Kälte von ungefähr 50 K und in der zweiten Stufe 14b Kälte von ungefähr 10 K.
Nachdem die Tieftemperaturtafeln 84 auf ungefähr 80 K gekühlt sind, werden die Ventile 45 und 48 geschlossen.
Anschließend wird Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von hohem Druck vom Heliumkompressor 42 durch die Hochdruck-Leitungsanordnung 49 an den Hauptkühlkreis (J.T.-Kreis) geliefert, und es wird abgekühlt, während es durch die Wärmeaustauscher 15, 16, 17 und 13 läuft. Dann wird das Heliumgas durch ein Vorkühlventil 55, das den Wärmeaustauscher 19 und das J.T.-Ventil 20 umgeht, an die Tieftemperaturplatte 24 geliefert, und es kühlt dieselbe auf ungefähr 10 K.
Danach läuft das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von niedrigem Druck durch die Leitungsanordnung 27, und es kühlt das Hochdruck-Heliumgas in den Wärmeaustauschern 17, 15, es strömt dann in die Niederdruck-Leitungsanordnung 52 und es 20 kehrt zum Heliumkompressor 42 zurück.
Dann wird das Vorabkühlventil 55 geschlossen. Das Hochdruck- Heliumgas läuft nun durch den Wärmeaustauscher 19 und wird im J.T.-Ventil 20 adiabatisch entspannt, um flüssiges Helium bei einer Temperatur von 3,7 K zu ergeben, da ein Teil des Gases verflüssigt wird. Das Niederdruckgas von 3,7 K und das flüssige Helium laufen durch die Leitungsanordnung 25 zu den Tieftemperaturtafeln 24 und kühlen diese, während das flüssige Helium verdampft.
Dann durchläuft das Heliumgas auf ultratiefer Temperatur und von niedrigem Druck die Leitungsanordnung 27, es kühlt das Hochdruck-Heliumgas in den Wärmeaustauschern 19, 17, 15, es strömt in die Niederdruck-Leitungsanordnung 52 und es kehrt zum Heliumkompressor 42 zurück.
Das umlaufende Helium vom Heliumkompressor 41 wird durch das Ventil 54 auf eine geeignete Strömungsrate reguliert, und die Menge an Heliumgas innerhalb des Überschußgas-Speichertanks 50 wird durch die Ventile 51, 53 erhöht oder erniedrigt, um die Strömungsrate umlaufenden Heliums vom Heliumkompressor 42 her geeignet zu regulieren.
Während des Betriebs, bei dem die Tieftemperaturtafel 24 erwärmt wird und das auszugebende Gas, das sich an der Oberfläche der Tieftemperaturtafel verfestigt hat, freigegeben wird, um die Tieftemperaturtafel zu regenerieren, wird das Niederdruck-Heliumgas stromabwärts bezüglich des J.T.-Ventils durch den in der Leitungsanordnung 25 angeordneten Heizer 40 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt und die Tieftemperaturtafel wird auf ungefähr 10 K erwärmt.
Nachdem das auszugebende Gas von den Tieftemperaturtafeln 24 freigesetzt wurde, wird die Erwärmung durch den Heizer 40 beendet und die Tieftemperaturtafel wird auf dieselbe Weise wie beim Kühlvorgang auf 3,7 K gekühlt. Das Material der Tieftemperaturtafel ist Aluminium, rostfreier Stahl, Kupfer oder dergleichen. Da dessen spezifische Wärme bei Temperaturen unter 10 K extrem klein ist, kann die Abkühlung von 10 K auf 3,7 K innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen werden.
Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 3 kann die Kryopumpe 1 dadurch vorgekühlt werden, daß große Mengen an Heliumgas von Umgebungstemperatur vom Heliumkompressor 41 mit einer Verarbeitungskapazität, die ungefähr das Zehnfache derjenigen des Heliumkompressors 42 ist, durch die Hochtemperatur-Leitungsanordnung 43, 44 an den Wärmeaustauscher 23 des Vorkühlkreises geliefert wird, wo es durch die Kälte eines Teils des zum Kühlen der Wärmeabschirmung verwendeten flüssigen Stickstoffs gekühlt wird. Anschließend wird die Kryopumpe 1 durch die kleine Helium-Verflüssigungskühleinrichtung, wie durch den Hauptkühlkreis (J.T.-Kreis) gebildet, mittels des Hehumgases vom Heliumkompressor 42 auf eine vorbestimmte ultratiefe Temperatur gekühlt. Demgemäß ist es nicht erforder lich, lange wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnungen abzukühlen und zu erwärmen, wenn die Tieftemperaturtafel abgekühlt und erwärmt wird, und das Abkühlen und Erwärmen der Tieftemperaturtafel können innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen werden. Alle Steuerventile liegen außerhalb der Vakuumkammer auf Umgebungstemperatur, mit Ausnahme des Umgehungsventils 55.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Heliumkompressor für jede Kryopumpe nahe jeder Kryopumpe angeordnet. Daher kann insbesondere die Niederdruck-Leitungsanordnung 52 des Hauptkühlkreises verkürzt werden und der Druckverlust des Niederdruck-Heliumgases kann minimiert werden. Auch kann die Leistung des Heliumkompressors 42 zum Erzielen der vorgegebenen Sättigungsdrucktemperatur von 3,7 K des Niederdruckheliums am Auslaß des J.T.-Ventils verringert werden. Demgemäß kann der Energieverbrauch weiter verringert werden.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das tatsächlich eine modifizierte Konstruktionsanordnung zum Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist. Die durch die gestrichelte Linie 56' in Fig. 3 umgebenen Teile sind alle in einem Behälter 56 untergebracht, d.h. Heliumkompressoren 41, 42, ein Überschußgas-Speichertank 50 und mehrere Strömungsrate-Regulierventile. Der Behälter 56 steht auf einem Boden 61 auf dem Niveau des unteren Teils des Vakuumbehälters 2, nahe der Kryopumpe.
Flüssiger Stickstoff wird in einen oberen Tank 57 für flüssigen Stickstoff geliefert, der im oberen Teil des Vakuumbehälters 2 angeordnet ist, und es zirkuliert durch eine Leitungsanordnung 58 in einen unteren Tank 59 für flüssigen Stickstoff. Von dort läuft flüssiger Stickstoff durch eine Leitungsanordnung 60a nach oben, kühlt die Wärmeabschirmungsplatte 32, durchläuft dann eine Leitungsanordnung 60b und kehrt zum oberen Tank 57 für flüssigen Stickstoff zurück.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die kleine Heliumkühleinrichtung 14 und die Wärmeaustauscher des Hauptkühl- und des Vorkühlkreises auf einem niedrigen Niveau im Vakuumbehälter 2 angeordnet, speziell hauptsächlich in einem vorspringenden Gehäuseabschnitt 62 des Vakuumbehälters 2. Daher können die Wartung und die Inspektion dieser Anlagen leicht vom Boden 61 aus erfolgen, auf dem der Vakuumbehälter installiert ist. Der Gehäuseabschnitt 62 und der Behälter 56 liegen beide unter einem mittelhohen Niveau des Vakuumbehälters 2.
Fig. 5 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ersetzt ein kleiner Heliumkreis auf mittlerer Temperatur zum Kühlen der Wärmeabschirmung 32 den Wärmeabschirmungskühlkreis mit flüssigem Stickstoff von Fig. 2. Die Heliumleitungen 7, 8, 9 von Fig. 5 sind auf die in Fig. 1 dargestellte Weise mit einem Heliumkompressor 6 verbunden.
Der kleine Heliumkreis zum Kühlen der Wärmeabschirmung 32 umfaßt einen Wärmeaustauscher 61, einen Heliumverdampfer 62 und einen Wärmeaustauscher 63. Der Wärmeaustauscher 63 hat die Funktion des Wärmeaustauschers 23 des in Fig. 1 dargestellten Vorkühlkreises, d.h., er sorgt für ein Abkühlen des Heliums, das über die Ventile 38 und 37 im Vorkühlkreis fließt.
Hochdruck-Heliumgas wird vom Heliumkompressor 6 über die Leitungsanordnung 7 und über ein Strömungsrate-Regulierventil 66 an den Heliumkreis zum Kühlen der Wärmeabschirmung 32 geliefert. Dieses Hochdruck-Heliumgas strömt in den Wärmeaustauscher 61, wird in ihm gekühlt, strömt dann in den Heliumverdampfer 62, wie einen Verdampfer vom Turbinentyp, und es expandiert adiabatisch, um für Kälte bei ungefähr 50 K zu sorgen.
Das Heliumgas von 50 K von mittlerem Druck und auf niedriger Temperatur strömt nach der Expansion in den Wärmeaustauscher 63, kühlt denselben, strömt durch die Leitungsanordnung 64 und kühlt die Wärmeabschirmung 62 und die Kühlrippen 34 auf eine Temperatur von ungefähr 60 K. Das Heliumgas von mittlerem Druck und auf niedriger Temperatur, dessen Temperatur innerhalb der Wärmeabschirmung 32 etwas ansteigt, durchläuft eine Leitungsanordnung 65, strömt in den Wärmeaustauscher 61, kühlt denselben und wird in Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von mittlerem Druck umgesetzt und durch die Mitteldruck-Leitungsanordnung 8 gesammelt.
In der Vorkühlschaltung wird Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von hohem Druck vom Heliumkompressor 6 an den Wärmeaustauscher 63 des Vorkühlkreises über das Ventil 38 und den Wärmeaustauscher 22 geliefert, und es wird innerhalb des Wärmeaustauschers 63 auf ungefähr 60 K gekühlt, von wo es durch Leitungsanordnungen 30 und 25 zu den Tieftemperaturtafeln 24 läuft und diese schnell auf 60 K kühlt.
Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von hohem Druck läuft nach dem Abkühlen der Tafeln 24 teilweise durch die Leitungsanordnung 27 und durch die Wärmeaustauscher 19, 17, und nimmt eine Vorkühlung dieser Wärmeaustauscher vor. Das restliche Hochdruck-Heliumgas durchläuft die Leitungsanordnung 31 und bewirkt Wärmeaustausch mit dem ankommenden Heliumgas auf normaler Temperatur und von hohem Druck innerhalb des Wärmeaustauschers 22, um es zu kühlen. In diesem Stadium werden die Strömungsraten des Hochdruck-Heliumgases, wie es den beiden Wärmeaustauschern 19, 63 zugeführt wird, durch das Ventil 36 und das Ventil 37 reguliert.
Nachdem die Tieftemperaturtafel auf ungefähr 60 K gekühlt ist, wird das Ventil 38 geschlossen, das Ventil 37 wird leicht geöffnet, das Ventil 39 wird geöffnet und das Ventil 36 wird vollständig geöffnet. Die Kühleinrichtung 14 wird betrieben. Das Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von hohem Druck, das vom Ventil 39 in den J.T.-Kreis strömt, durchläuft die Wärmeaustauscher 15, 16, 17, 18, 19, durchläuft dann ein J.T.-Ventil 20 und die Leitungsanordnung 25 und wird an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert und kühlt diese auf ungefähr 10 K. Das Heliumgas auf niedriger Temperatur und von niedrigem Druck durchläuft die Leitungsanordnung 31 und den Wärmeaustauscher 22 und wird in die Leitungsanordnung 8 ausgegeben.
Danach wird das Ventil 37 geschlossen. Das Hochdruck-Heliumgas durchläuft den Wärmeaustauscher 19 und wird dann im J.T.-Ventil 20 adiabatisch entspannt und teilweise verflüssigt, um flüssiges Helium mit einer Temperatur von 3,7 K zu erzeugen. Das Niederdruckgas von 3,7 K und das flüssige Hehum durchlaufen die Leitungsanordnung 25 und werden an die Tieftemperaturtafel 24 geliefert. Wenn sie die Tieftemperaturtafel 24 kühlen, wird das flüssige Helium verdampft. Das Heliumgas auf ultratiefer Temperatur und von niedrigem Druck durchläuft die Leitungsanordnung 27 und wird in Heliumgas auf Umgebungstemperatur und von niedrigem Druck umgewandelt, während es das ankommende Heliumgas innerhalb der Wärmeaustauscher 19, 17, 15 kühlt, und es strömt durch das Ventil 36 in die Niederdruck-Luitungsanordnung 9.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine wärmeisolierte Leitungsanordnung zum Transportieren flüssigen Stickstoffs überflüssig. Daher besteht kein Bedarf, eine derartige wärmeisolierte Leitungsanordnung zu kühlen, und die Abkühlzeit der Kryopumpe kann weiter verringert werden. Da die Wärmeabschirmung und die Kühlrippen auf 60 K gekühlt werden können, kann die Strahlungswärmemenge, die von der Wärmeabschirmung und den Kühlrippen her in die Tieftemperaturtafel auf 3,7 K eindringt, auf ungefähr 1/3 derjenigen verringert werden, wenn sich die Wärmeabschirmung und die Kühlrippen auf 80 K befinden. Demgemäß kann die Menge an im Helium-Hauptkühlkreis erzeugtem flüssigem Helium verringert werden und die erforderliche elektrische Energie kann weiter verringert werden.
Die veranschaulichten Ausführungsbeispiele verwenden im Hauptkühlkreis eine Gifford-McMahon-Kühleinrichtung als Kälteerzeugungseinrichtung, jedoch kann dieselbe Wirkung erzielt werden, wenn diese Kälteerzeugungseinrichtung eine andere geeignete Kühleinrichtung wie eine Solvay-Kühleinrichtung, eine Veuilleumier-Kühleinrichtung, eine Impulsrohr- Kühleinrichtung, eine Turbinenkühleinrichtung, eine Stirling-Kühleinrichtung, eine daude-Kühleinrichtung oder eine Kühleinrichtung mit hin- und hergehendem Teil mit einem Ventil in einem Tieftemperaturabschnitt ist.
Entsprechend ist als zweite Kälteerzeugungseinrichtung das J.T.-Ventil 20 im Hauptkühlkreis verwendet, jedoch können dieselben Wirkungen erzielt werden, wenn diese zweite Kälteerzeugungseinrichtung eine andere geeignete Vorrichtung wie ein Turbinenverdampfer, ein Stirling-Verdampfer oder ein Verdampfer mit hin- und hergehendem Teil mit einem Ventil in einem Abschnitt auf tieferer Temperatur ist.
Im Wärmeabschirmungs-Kühlkreis ist flüssiger Stickstoff oder der Helium-Turbinenverdampfer 62 als Kältequelle verwendet. Dieselben Wirkungen ergeben sich, wenn diese Kältequelle z.B. ein Stirling-Verdampfer, ein Verdampfer mit einem hin- und hergehenden Teil mit einem Ventil in einem Niedertemperaturabschnitt oder ein Fxpansionsventil ist, das bei 80 K oder höher arbeitet.
Zusammengefaßt gesagt gilt für die Vorteile dieser Ausführungsbeispiele, daß jede von mehreren in einem Vakuumbehälter, z.B. einem Neutronenstrahlinjektor eines Kernfusionsreaktors, angeordneten Kryopumpen durch eine kleine Verflüssigungskühleinrichtung für flüssiges Helium gekühlt wird. In einem Umgebungstemperaturabschnitt ist keine wärmeisolierte Leitungsanordnung zum Transportieren flüssigen Heliums angeordnet, so daß Verluste an flüssigem Hehuin in einer wärmeisolierten Leitung minimiert werden können. Die Tieftemperaturtafel kann unter Verwendung der Kälte flüssigen Stickstoffs, das zum Kühlen einer Wärmeabschirmung verwendet wird, von normaler Temperatur aus abgekühlt werden. Daher können das Abkühlen und erwärmen der Tieftemperaturplatte innerhalb kurzer Zeit erfolgen. Der Vorkühlkreis beschleunigt auch den Abkühlprozeß.
Da Heliumgas, das als Medium verwendet wird, das in der Verflüssigungskühleinrichtung niedrige Temperatur erzeugt, durch eine Leitungsanordnung auf Umgebungstemperatur zugeführt und gesammelt wird, ist es nicht erforderlich, eine wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnung zu verwenden. Demgemäß treten keine Wärmeverluste auf. Da eine Leitungsanordnung auf normaler Temperatur, bei der sich alle oder die meisten Ventile auf Umgebungstemperatur befinden, höhere Betriebszuverlässigkeit aufweist als eine wärmeisolierte Vakuumleitungsanordnung ist die Zuverlässigkeit des Kühlsystems verbessert.
Obwohl die Erfindung hier für den Fall veranschaulicht wurde, daß Tieftemperaturtafeln die zu kühlenden Elemente sind, werden dieselben Wirkungen erzielt, wenn das zu kühlende Element z.B. ein supraleitender Magnet oder eine Komponente einer Elektronikherstellausrüstung, z.B. einer Plasmaerzeugungsausrüstung ist.

Claims

1. Vakuumbehälter mit einem innerhalb des Behälters (2) angeordneten Element (24), das so ausgebildet ist, daß es auf eine niedrige Betriebstemperatur gekühlt werden kann, und mit einem Hauptkühlkreis (15 20) für ein Fluid zum Kühlen des Elements (24) auf die Betriebstemperatur, der eine erste Fluidkühleinrichtung (14, 16, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorkühlung des Elements (24) und/oder des Hauptkühlkreises durch mindestens einen weiteren Kreis (22, 23) oder ein im Vakuumbehälter (2) liegendes kaltes Teil (21), bewirkt wird.

2. Vakuumbehälter nach Anspruch 1, bei dem der weitere Kreis ein Fluid-Vorkühlkreis (22, 23) ist, um das Element zur Betriebstemperatur vorzukühlen, wobei dieser Vorkühlkreis eine zweite Fluidkühleinrichtung (23) aufweist, die unabhängig von der ersten Fluidkühleinrichtung (14) betreibbar ist.

3. Vakuumbehälter nach Anspruch 2, bei dem die Vorkühlschaltung (22, 23) so ausgebildet ist, daß sie eine Kühlung des Hauptkühlkreises (15 - 20) vor dem Betreiben dieses Hauptkühlkreises bewirkt.

4. Vakuumbehälter nach Anspruch 3, bei dem der Hauptkühlkreis (15 - 20) und der Vorkühlkreis (22, 23) so verbunden sind, daß Fluid vom Vorkühlkreis in den Hauptkühlkreis strömen kann, um den Hauptkühlkreis vorzukühlen.

5. Vakuumbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner mit:

- einer Wärmeabschirmung (32) für das Element (24) und einem Wärmeabschirmungs-Kühlkreis (12, 21, 35, 25) für Fluid zum Kühlen der Wärmeabschirmung, und der die zweite Fluidkühleinrichtung (23) des Vorkühlkreises enthält, wodurch Fluid im wärmeabschirmungs-Kühlkreis für ein Kühlen des Fluids des Vorkühlkreises sorgt.

6. Vakuumbehälter nach Anspruch 5, bei dem die zweite Fluidkühleinrichtung (23) einen Wärmetauscher zwischen dem Vorkühlkreis und dem Wärmeabschirmungs-Kühlkreis aufweist.

7. Vakuumbehälter nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem der Wärmeabschirmungs-Kühlkreis ein Kühlkreis mit flüssigem Stickstoff oder ein Heliumkreis ist, mit einer Gasfluid-Expansionsvorrichtung (62) zur Fluidkühlung.

8. Vakuumbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit mindestens einem Steuerventil (36 - 39) für die Kühlkreise, das an einem Ort angebracht ist, an dem es sich während des Betriebs auf der Umgebungstemperatur befindet.

9. Vakuumbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Hauptkühlkreis eine Heizeinrichtung (40) zum Heizen von Fluid im Hauptkühlkreis aufweist, um ein Beheizen des Elements (24) zu bewirken.

10. Vakuumbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Element eine Kryoplatte (24) zum Kondensieren von aus dem Vakuumbehälter auszublasendem Gas ist, oder es einen Supraleiter aufweist.

11. Vakuumbehälter nach Anspruch 1, mit einer Wärmeabschirmung (32) für das Element (24) und einem Wärmeabschirmungs-Kühlkreis (12, 21, 35, 25) für ein Fluid zum Kühlen der Wärmeabschirmung, der einen Behälter (21) aufweist, der im Betrieb gekühltes Fluid enthält und der innerhalb des Vakuumbehälters (2) liegt und einen Teil des Hauptkühlkreises und des Vorkühlkreises umgibt, um für Kühlung derselben zu sorgen.

12. Vakuumbehälter nach Anspruch 1, mit einer Vakuumkammer einer Kernfusionsvorrichtung, wobei das Element (24) mindestens eine innerhalb des Behälters angeordnete Kryoplatte ist, um Teilchen zu kondensieren, um diese aus der Vakuumkammer auszublasen, und wobei ein Aufbewahrungstank (21) für flüssiges Helium innerhalb des Vakuumbehälters (2) liegt und so ausgebildet ist, daß er eine Vorkühlung der Kryoplatte (24) auf die Betriebstemperatur hin bewirkt.

13. Vakuumbehälter nach Anspruch 1, mit einer Wärmeabschirmung (32) für das Element, einem Wärmeabschirmungs- Kühlkreis (12, 21, 35, 25) für Fluid zum Kühlen der Wärmeabschirmung, mit einem Aufbewahrungstank (21) für flüssigen Stickstoff, und einer Einrichtung (13a) zum Aufrechterhalten des Aufbewahrungstanks (21) für flüssigen Stickstoff auf einem Druck unter dem Atmosphärendruck, wozu die Temperatur des flüssigen Stickstoffs im Aufbewahrungstank für flüssigen Stickstoff unter den Siedepunkt flüssigen Stickstoffs herabgesetzt wird.

14. Vakuumbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen alle Teile des Hauptkühlkreises, die während des Betriebs unter der Umgebungstemperatur gehalten werden, innerhalb des Vakuumbehälters (2) liegen.