EP1617157A2 - Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager - Google Patents

Kryostatanordnung mit Kryokühler und Gasspaltwärmeübertrager Download PDF

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EP1617157A2
EP1617157A2 EP05014932A EP05014932A EP1617157A2 EP 1617157 A2 EP1617157 A2 EP 1617157A2 EP 05014932 A EP05014932 A EP 05014932A EP 05014932 A EP05014932 A EP 05014932A EP 1617157 A2 EP1617157 A2 EP 1617157A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cold
arrangement according
cryocooler
cryostat arrangement
cold head
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05014932A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1617157A3 (de
Inventor
Andreas Kraus
Beat Mraz
Johannes Bösel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bruker Biospin SAS
Original Assignee
Bruker Biospin SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bruker Biospin SAS filed Critical Bruker Biospin SAS
Publication of EP1617157A2 publication Critical patent/EP1617157A2/de
Publication of EP1617157A3 publication Critical patent/EP1617157A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/17—Re-condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages

Definitions

  • the invention relates to a Kryostatan extract for storing liquid helium, with an outer shell and a built-in helium container, wherein the helium container is connected to at least two suspension tubes with the outer shell and a neck tube containing the upper warm end with the outer shell and the lower cold end with the helium container is connected and in which a multi-stage cold head of a cryocooler is installed, wherein the outer shell, the helium container, the suspension tubes and the neck tube define an evacuated space, and wherein the helium container is further surrounded by at least one radiation shield, which with both the suspension tubes as is also thermally conductively connected to a contact surface on the neck tube of the helium container.
  • One way to integrate the cold head of a cryocooler in a Kryostatanssen is the example, two-stage cold head in a separate vacuum space (such as described in US5613367) or directly into the vacuum space of the cryostat (as described in US5563566) to install so that the first cold stage the cold head firmly connected to a radiation shield and the second stage cold over a fixed, rigid or flexible, thermal bridge or directly to the helium container thermally conductive.
  • the connection of the second cold stage to the helium container usually has a non-negligible thermal resistance and that vibrations of this cold stage can be transferred to the helium tank.
  • One way of avoiding these disadvantages is to insert the cold head into a neck tube which connects the outer vacuum envelope of the cryostat to the helium container and is correspondingly filled with helium gas, as described, for example, in document US2002 / 0002830A1.
  • the first cold stage of the two-stage cold head is again solidly contacted with a radiation shield, the second cold stage hangs freely in the helium atmosphere and liquefies directly evaporated helium.
  • vibrations of the second cold stage of the cold head of the cryocooler are not transmitted to the helium vessel when the cold head is directly installed in the neck tube connected to the helium vessel.
  • the first cold stage of the cold head and the radiation shield is usually a solid-state thermal bridge used. This thermal connection should be as soft as possible, in order to transmit as few vibrations as possible.
  • thin foil packages or strands braided into strands, each made of copper or aluminum, are used for this purpose. Such measures for vibration damping are described in numerous publications (eg in US5129232, US5331735, US5317879).
  • Object of the present invention is to propose a Kryostatan extract in which the thermal coupling between all cold stages of the cold head of a cryocooler and the Kryostatan immediately after the Kryostatan immediately.
  • This object is achieved in that between one or more cold stages of the cold head and one or more contact surfaces in the neck tube, which are each conductively connected to a radiation shield via a fixed, rigid or flexible, thermal bridge, in each case a gas gap, on the heat from respective radiation shield is passed into the corresponding cold stage of the cold head.
  • cryocooler is a pulse tube cooler, since pulse tube cooler can be operated with very low vibration.
  • cryocoolers e.g. Gifford-McMahon cooler to use.
  • helium can be liquefied at a temperature of 4.2 K or at a lower temperature at the coldest cold stage, since this offers a multitude of possible uses in the lowest temperature range.
  • the helium vaporizing within the cryostat is liquefied at the freezing stage in the neck tube and drips back into the helium container.
  • the helium loss and the refilling operations can be reduced or can be achieved at sufficiently large cooling capacity of the radiator, a loss-free operation.
  • the coldest cold stage of the cold head is not connected to the cryostat arrangement via a solid-state bridge, the transmission of vibrations of the cold stage to the helium container is completely prevented.
  • the tubes of the cold head are surrounded above the first cold stage and possibly also in the region of further cold stages with a heat insulation.
  • an undesirable heat input from the neck tube into the tubes of the cold head can be avoided or at least reduced.
  • the tubes above the first cold stage of the cold head have temperatures between room temperature and temperature of the first cold stage.
  • a special embodiment provides that the width of the gas gap can be set arbitrarily. In this way, if desired, the temperature of the radiation shield can be adjusted individually.
  • the colder heat transferring firmly connected to the cold stage of the cold head of the cryocooler surface above the warmer heat transfer surface is arranged, so that the prerequisite for the formation of a natural Gaskonvezzysströmung is given.
  • the warmer heat transfer surface is contacted with the neck tube of the helium container.
  • a development of this embodiment provides that the width of the gas gap can be increased so far that forms a natural convection in the gas gap.
  • a further embodiment of the cryostat arrangement according to the invention provides that the radiation shield or one of the radiation shields contains a container with liquid nitrogen, wherein the nitrogen is at least partially re-liquefied after evaporation because of the thermal connection of the radiation shield to the cold head of the cryocooler.
  • the radiation shield is not cooled directly by the cooler, but indirectly, via the evaporating nitrogen.
  • a, preferably electrical, heating is provided in or in contact with the nitrogen container to at an excess power of the cryocooler to keep the pressure in the nitrogen tank above the ambient pressure and constant.
  • a, preferably electrical, heating is provided in or in contact with the helium container.
  • the performance of the radiator is regulated by its operating frequency and / or the amount of working gas in the radiator.
  • cryostat arrangement contains a superconducting magnet arrangement, in particular if the superconducting magnet arrangement is part of an apparatus for nuclear magnetic resonance, in particular magnetic resonance imaging (MRI) or magnetic resonance spectroscopy (NMR).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • NMR magnetic resonance spectroscopy
  • FIG. 1 shows an embodiment of the inventive cryostat arrangement with an outer shell 1 and a helium container 2 installed therein.
  • the helium container is connected by suspension tubes 3 with the outer shell 1.
  • a neck tube 4 the upper warm end 5 is connected to the outer shell 1 and the lower cold end 6 with the helium container 2, a two-stage cold head 7 of a cryocooler is installed.
  • the helium container 2 is further surrounded by a radiation shield 8 , which is thermally conductively connected both to the suspension tubes 3 and to a contact surface 9 on the neck tube 4 of the helium container 2.
  • the cold head 7 is raised slightly so that a gas gap 13 exists between a cold surface 10 at the first cold stage 11 of the cold head 7 and the contact surface 9 in the neck tube 4, which is conductively connected to the radiation shield 8 via a fixed thermal bridge 12 , is conducted via the heat from the radiation shield 8 in the cold stage 11 of the cold head 7.
  • the heat transfer thus takes place via the thin gas gap 13, whereby a firm connection between the cold stage 11 of the cold head 7 and the radiation shield 8 is avoided.
  • the sunken on the radiation shield 8 heat Q ⁇ must be passed through the gas gap 13 of the width H to the cold head 7 of the cryocooler.
  • Q ⁇ ⁇ ⁇ H A ⁇ T with the mean thermal conductivity of the medium ⁇ ⁇ . the transmission area A and the temperature difference ⁇ T between the warm surface (contact surface 9) and the cold face 10. Since the thermal conductivity of helium gas is much lower than that of most solids such.
  • the temperature difference between the radiation shield 8 and the first cold stage 11 of the cold head 7 by raising the cold head is greater and thus increases the temperature of the radiation shield 8.
  • the temperature of Radiation shield 8 but not too high (and thus the heat on the helium container 2 does not rise), it is advantageous to keep the distance between the two surfaces 9, 10 as low as possible. On the other hand, can be over the width of the gas gap 13, if desired, adjust the shield temperature very easily.
  • FIGS. 2a and 2b each show a cold head 7 of a cryocooler of a cryostat arrangement according to the invention arranged in a neck tube 4. While FIG. 2 a shows a contact surface 9 with a smooth surface, FIG. 2 b shows an embodiment of the present invention in which the contact surface 9 has been enlarged by additional structures 14 . Such enlargement can be achieved for example by ribs or similar structures.
  • the cold head 7 In the region of the first cold stage, in which temperatures between room temperature and the temperature of the first cold stage 11 prevails, the cold head 7 is provided with an insulation 15 .
  • insulation may also be provided around the tubes of further cooling stages.
  • a further improvement can be achieved by additionally transferring heat in the gas gap 13 in addition to the heat conduction by convection.
  • Convection can be excited from the outside or occurs at sufficiently large gas gap 13 and temperature difference .DELTA.T by itself (free convection).
  • the colder surface 10 which is contacted with the cold head 7, above the warmer surface (contact surface 9), which is contacted with the radiation shield, is arranged.
  • Another advantage of the invention is reflected in the simpler structural design of the neck tube 4.
  • no bushings for screwing the contact surfaces 9 and 10 must be provided. Installation and removal of the cold head 7 can be carried out easily and quickly.
  • the first cold stage 11 of the cold head 7 of the cryocooler be thermally conductively connected via a gas gap 13 with a nitrogen tank 16 , so that evaporated nitrogen can be liquefied again.
  • the inventive cryostat arrangement of FIG. 3 shows a heater 18 arranged in the helium container 2 and a heater 19 in the nitrogen container 16.
  • the heaters 18, 19 serve to keep the pressure in the helium container 2 or in the nitrogen container 16 above the ambient pressure and constant .
  • the heaters 18, 19 may also be arranged outside the containers as long as there is thermal contact with the respective liquids.
  • the cryostat assembly according to the invention thus enables a coupling between the cold stages of the cold head 7 of the cryocooler and the cryostat, in which vibrations of the cold stages of the cold head 7 no longer reach measurable in the cryostat and yet a sufficiently good heat transfer is ensured.
  • the cryostat arrangement is therefore particularly suitable for cooling a magnet arrangement 20 which is part of a nuclear magnetic resonance apparatus, in particular magnetic resonance imaging (MRI) or magnetic resonance spectroscopy (NMR).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • NMR magnetic resonance spectroscopy

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Abstract

Eine Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel (1) und einem darin eingebauten Heliumbehälter (2), wobei der Heliumbehälter (2) an mindestens zwei Aufhängerohren (3) mit dem Außenmantel (1) verbunden ist und ein Halsrohr (4) enthält, dessen oberes warmes Ende (5) mit dem Außenmantel (1) und dessen unteres kaltes Ende (6) mit dem Heliumbehälter (2) verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers (7) eingebaut ist, wobei der Außenmantel (1), der Heliumbehälter (2), die Aufhängerohre (3) und das Halsrohr (4) einen evakuierten Raum begrenzen, und wobei der Heliumbehälter (2) ferner von mindestens einem Strahlungsschild (8) umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren (3) als auch mit einer Kontaktfläche (9) am Halsrohr (4) des Heliumbehälters (2) thermisch leitend verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen des Kaltkopfes (7) und einer oder mehrerer Kontaktflächen (9) im Halsrohr (4), die jeweils mit einem Strahlungsschild (8) über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke (12) leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt (13) besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild (8) in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes (7) geleitet wird. Durch eine derartige Kryostatanordnung wird gewährleistet, dass die Vibrationen der Kältestufen des Kaltkopfes (7) nicht mehr messbar in die Kryostatanordnung gelangen, wobei die thermische Ankopplung des Kaltkopfes (7) an den oder die Strahlungsschilde (8) immer noch ausreichend gut ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel und einem darin eingebauten Heliumbehälter, wobei der Heliumbehälter an mindestens zwei Aufhängerohren mit dem Außenmantel verbunden ist und ein Halsrohr enthält, dessen oberes warmes Ende mit dem Außenmantel und dessen unteres kaltes Ende mit dem Heliumbehälter verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers eingebaut ist, wobei der Außenmantel, der Heliumbehälter, die Aufhängerohre und das Halsrohr einen evakuierten Raum begrenzen, und wobei der Heliumbehälter ferner von mindestens einem Strahlungsschild umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren als auch mit einer Kontaktfläche am Halsrohr des Heliumbehälters thermisch leitend verbunden ist.
  • Eine Möglichkeit zur Integration des Kaltkopfes eines Kryokühlers in eine Kryostatanordnung besteht darin, den beispielsweise zweistufigen Kaltkopf in einem separaten Vakuumraum (wie z.B. in US5613367 beschrieben) oder direkt in den Vakuumraum des Kryostaten (wie z.B. in US5563566 beschreiben) so einzubauen, dass die erste Kältestufe des Kaltkopfes fest mit einem Strahlungsschild und die zweite Kältestufe über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke oder direkt mit dem Heliumbehälter thermisch leitend verbunden werden. Durch Rückkondensation des durch Wärmeeinfall von außen verdampfenden Heliums an der kalten Kontaktfläche im Heliumbehälter kann der gesamte Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter kompensiert und ein verlustfreier Betrieb des Systems ermöglicht werden. Nachteilig daran ist, dass auch die Verbindung von der zweiten Kältestufe zum Heliumbehälter in der Regel einen nicht zu vernachlässigenden thermischen Widerstand aufweist und dass Vibrationen dieser Kältestufe auf den Heliumbehälter übertragen werden können.
  • Eine Möglichkeit zur Vermeidung dieser Nachteile ist das Einfügen des Kaltkopfes in ein Halsrohr, welches die äußere Vakuumhülle des Kryostaten mit dem Heliumbehälter verbindet und entsprechend mit Heliumgas gefüllt ist, wie es beispielsweise in der Druckschrift US2002/0002830A1 beschrieben wird. Die erste Kältestufe des zweistufigen Kaltkopfes ist wiederum fest leitend mit einem Strahlungsschild kontaktiert, die zweite Kältestufe hängt frei in der Helium-Atmosphäre und verflüssigt direkt verdampftes Helium.
  • Da der Kaltkopf von Heliumgas umgeben ist und zwischen Kaltkopf und Halsrohrwand oder weiteren Halsrohreinbauten eine Temperaturdifferenz besteht, kann es in den Kaltkopf zu einem erheblichen Wärmeeintrag durch Wärmeleitung im Gas und durch Konvektionsströme kommen. In W003036207 und W003036190 wird daher vorgeschlagen, die Rohre des Kaltkopfes auf die eine oder andere Weise zu isolieren.
  • Wie oben beschrieben, werden Vibrationen der zweiten Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers auf den Heliumbehälter nicht übertragen, wenn der Kaltkopf direkt in das mit dem Heliumbehälter verbundene Halsrohr eingebaut wird. Zwischen der ersten Kältestufe des Kaltkopfes und dem Strahlungsschild wird allerdings in der Regel eine Festkörper-Wärmebrücke verwendet. Diese thermische Verbindung soll möglichst ,weich' ausgeführt werden, um möglichst wenig Vibrationen zu übertragen. Üblicherweise werden dazu dünne Folienpakete oder zu Litzen verflochtene Drähte, jeweils aus Kupfer oder Aluminium, eingesetzt. Derartige Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung werden in zahlreichen Druckschriften beschrieben (z. B. in US5129232, US5331735, US5317879). Dabei steht der Forderung nach einer schlechten Vibrationsübertragung (dünne, lange Drähte) die Forderung nach guter Wärmeübertragung (dicke, kurze Drähte) gegenüber. Letztlich muss daher ein Kompromiss gefunden werden, wobei nicht restlos verhindert werden kann, dass Schwingungen des Kaltkopfes des Kryokühlers auch in den Kryostaten gelangen, was speziell dann nachteilig ist, wenn dieser Teil einer hochempfindlichen Apparatur ist, wie es ein Kernspinresonanzspektrometer, insbesondere eine Magnetic Resonance Imaging (MRI) Apparatur oder ein Magnetresonanzspektrometer (NMR), darstellt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kryostatanordnung vorzuschlagen, bei der die thermische Ankopplung zwischen allen Kältestufen des Kaltkopfes eines Kryokühlers und der Kryostatanordnung so gestaltet ist, dass Vibrationen der Kältestufen nicht mehr messbar in die Kryostatanordnung gelangen, wobei aber immer noch eine ausreichend gute Wärmeübertragung zwischen Kaltkopf und Kryostatanordnung gewährleistet sein muss.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen des Kaltkopfes und einer oder mehreren Kontaktflächen im Halsrohr, die jeweils mit einem Strahlungsschild über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes geleitet wird.
  • Die Wärmeübertragung von einem Strahlungsschild auf eine Kältestufe des Kaltkopfes erfolgt demnach über einen Gasspalt, indem die auf den Strahlungsschild eingefallene Wärme durch den Gasspalt zum Kaltkopf geleitet wird. Bei der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung besteht keine feste Verbindung zwischen der oder den Kältestufen des Kaltkopfes des Kryokühlers und dem oder den Strahlungsschilden, so dass die Übertragung von Vibrationen vom Kaltkopf auf den oder die Strahlungsschilde weitgehend unterbunden wird, wobei die thermische Ankopplung des Kaltkopfes an den oder die Strahlungsschilde immer noch ausreichend gut ist.
  • Insbesondere für hochauflösende NMR-Verfahren, bei denen sich auch geringe Vibrationen, die z. B. über den Kaltkopf eines Kryokühlers in das System eingebracht werden, negativ auf die Qualität der Spektren auswirken, ist es vorteilhaft, wenn der Kryokühler ein Pulsrohrkühler ist, da Pulsrohrkühler besonders vibrationsarm betrieben werden können. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich andere Kryokühler, wie z.B. Gifford-McMahon Kühler zu verwenden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn an der kältesten Kältestufe Helium bei einer Temperatur von 4,2 K oder bei tieferer Temperatur verflüssigt werden kann, da sich hierdurch eine Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten im Tiefsttemperaturenbereich bietet. Das innerhalb des Kryostaten verdampfende Helium wird an der frei im Halsrohr hängenden Kältestufe verflüssigt und tropft in den Heliumbehälter zurück. Somit können der Helium-Verlust und die Nachfüllvorgänge reduziert werden bzw. kann bei genügend großer Kälteleistung des Kühlers ein verlustfreier Betrieb erreicht werden. Ferner wird, da auch die kälteste Kältestufe des Kaltkopfes ist nicht über eine Festkörperbrücke mit der Kryostatanordnung verbunden ist, die Übertragung von Vibrationen der Kältestufe auf den Heliumbehälter vollständig unterbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre des Kaltkopfes oberhalb der ersten Kältestufe und unter Umständen auch im Bereich weiterer Kältestufen mit einer Wärmeisolation umgeben. Somit kann ein unerwünschter Wärmeeintrag von dem Halsrohr in die Rohre des Kaltkopfes vermieden oder zumindest reduziert werden. Die Rohre oberhalb der ersten Kältestufe des Kaltkopfes weisen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und Temperatur der ersten Kältestufe auf.
  • Eine spezielle Ausführungsform sieht vor, dass sich die Breite des Gasspalts beliebig einstellen lässt. Hierdurch lässt sich auf Wunsch die Temperatur des Strahlungsschildes individuell anpassen.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche der den Gasspalt begrenzenden, sich gegenüberliegenden, Wärme übertragenden Flächen, insbesondere durch Berippung u. ä., vergrößert werden kann.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung ist die kältere Wärme übertragende, mit der Kältestufe des Kaltkopfes des Kryokühlers fest verbundene Fläche oberhalb der wärmeren Wärme übertragenden Fläche angeordnet, so dass die Vorraussetzung für die Ausbildung einer natürlichen Gaskonvektionsströmung gegeben ist. Die wärmeren Wärme übertragenden Fläche ist dabei mit dem Halsrohr des Heliumbehälters kontaktiert.
  • Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die Breite des Gasspalts soweit vergrößerbar ist, dass sich eine natürliche Konvektionsströmung im Gasspalt ausbildet.
  • Darüber hinaus ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass von außen eine Strömung durch den Gasspalt angeregt wird, die den Wärmeübergang verbessert.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung sieht vor, dass der Strahlungsschild oder einer der Strahlungsschilde einen Behälter mit flüssigem Stickstoff enthält, wobei der Stickstoff nach dem Verdampfen wegen der thermischen Anbindung des Strahlungsschildes an den Kaltkopf des Kryokühlers mindestens teilweise wieder verflüssigt wird. Der Strahlungsschild wird in diesem Fall nicht direkt durch den Kühler, sondern indirekt, über den verdampfenden Stickstoff, gekühlt.
  • Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist im oder in Kontakt mit dem Stickstoffbehälter eine, vorzugsweise elektrische, Heizung vorgesehen, um bei einer Überschussleistung des Kryokühlers den Druck im Stickstoffbehälter über dem Umgebungsdruck und konstant zu halten.
  • In einer weiten Ausführungsform ist im oder in Kontakt mit dem Heliumbehälter eine, vorzugsweise elektrische, Heizung vorgesehen. Bei einer Überschussleistung des Kryokühlers kann somit der Druck im Heliumbehälter über dem Umgebungsdruck und konstant gehalten werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Leistung des Kühlers über seine Betriebsfrequenz und/ oder die Füllmenge an Arbeitsgas im Kühler geregelt wird.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kryostatanordnung kommen besonders gut zur Geltung, wenn die Kryostatanordnung eine supraleitende Magnetanordnung enthält, insbesondere wenn die supraleitende Magnetanordnung Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • Fig.1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
    Fig.2a
    eine schematische Darstellung eines in einem Halsrohr angeordneten Kaltkopfes eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung;
    Fig.2b
    eine schematische Darstellung eines in einem Halsrohr angeordneten Kaltkopfes eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit berippten Kontaktflächen;
    Fig.3
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung mit einem Stickstofftank;
  • Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäße Kryostatanordnung mit einem Außenmantel 1 und einem darin eingebauten Heliumbehälter 2. Der Heliumbehälter ist durch Aufhängerohre 3 mit dem Außenmantel 1 verbunden. In einem Halsrohr 4, dessen oberes warmes Ende 5 mit dem Außenmantel 1 und dessen unteres kaltes Ende 6 mit dem Heliumbehälter 2 verbunden ist, ist ein zweistufige Kaltkopf 7 eines Kryokühler eingebaut. Der Heliumbehälter 2 ist ferner von einem Strahlungsschild 8 umgeben, welcher sowohl mit den Aufhängerohren 3 als auch mit einer Kontaktfläche 9 am Halsrohr 4 des Heliumbehälters 2 thermisch leitend verbunden ist. Der Kaltkopf 7 ist ein wenig angehoben, so dass zwischen einer kalten Fläche 10 an der ersten Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 und der Kontaktfläche 9 im Halsrohr 4, die mit dem Strahlungsschild 8 über eine feste Wärmebrücke 12 leitend verbunden ist, ein Gasspalt 13 besteht, über den Wärme vom Strahlungsschild 8 in die Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 geleitet wird. Der Wärmeübertrag erfolgt also über den dünnen Gasspalt 13, wodurch eine feste Verbindung zwischen der Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 und dem Strahlungsschild 8 vermieden wird.
  • Die auf den Strahlungsschild 8 eingefallene Wärme Q̇ muss durch den Gasspalt 13 der Breite H zum Kaltkopf 7 des Kryokühlers geleitet werden. Für die Wärmeleitung durch ein ruhendes Medium gilt: Q ˙ = λ ‾ H A Δ T
    Figure imgb0001
     mit der mittleren Wärmeleitfähigkeit des Mediums λ ‾ ,
    Figure imgb0002
     der Übertragungsfläche A und der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der warmen Fläche (Kontaktfläche 9) und der kalten Fläche 10. Da die Wärmeleitfähigkeit von Heliumgas viel geringer ist als die von den meisten Festkörpern, wie z. B. Kupfer, wird die Temperaturdifferenz zwischen Strahlungsschild 8 und erster Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 durch das Anheben des Kaltkopfes größer und somit steigt die Temperatur des Strahlungsschildes 8. Damit bei gegebenem Wärmestrom die Temperatur des Strahlungsschildes 8 aber nicht zu hoch wird (und somit auch der Wärmeeinfall auf den Heliumbehälter 2 nicht steigt), ist es vorteilhaft, den Abstand zwischen den beiden Flächen 9, 10 so gering wie möglich zu halten. Andererseits lässt sich über die Breite des Gasspaltes 13, wenn erwünscht, die Schildtemperatur sehr einfach anpassen.
  • Fig. 2a und Fig. 2b zeigen je einen in einem Halsrohr 4 angeordneten Kaltkopf 7 eines Kryokühlers einer erfindungsgemäßen Kryostatanordnung. Während in Fig. 2a eine Kontaktfläche 9 mit glatter Oberfläche dargestellt ist, zeigt Fig. 2b eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der die Kontaktfläche 9 durch zusätzliche Strukturen 14 vergrößert wurde. Eine derartige Vergrößerung kann beispielsweise durch Rippen oder ähnliche Strukturen erreicht werden.
  • Im Bereich der ersten Kältestufe, in welchem Temperaturen zwischen Raumtemperatur und der Temperatur der ersten Kältestufe 11 herrscht, ist der Kaltkopf 7 mit einer Isolierung 15 versehen. Bei Kaltköpfen mit mehreren Kühlstufen kann auch um die Rohre weiterer Kühlstufen eine Isolierung vorgesehen sein.
  • Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, dass im Gasspalt 13 neben der Wärmeleitung zusätzlich Wärme durch Konvektion übertragen wird. Konvektion lässt sich von außen anregen oder tritt bei genügend großem Gasspalt 13 und Temperaturdifferenz ΔT von selber auf (freie Konvektion). Vorraussetzung hierfür ist allerdings, dass die kältere Fläche 10, welche mit dem Kaltkopf 7 kontaktiert ist, oberhalb der wärmeren Fläche (Kontaktfläche 9), die mit dem Strahlungsschild kontaktiert ist, angeordnet wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich in der einfacheren konstruktiven Gestaltung des Halsrohres 4. So müssen beispielsweise keine Durchführungen zur Verschraubung der Kontaktflächen 9 und 10 vorgesehen werden. Ein- und Ausbau des Kaltkopfes 7 lassen sich einfach und schnell durchführen.
  • Es ist auch möglich, dass der Strahlungsschild 8 - ähnlich wie in einem nicht aktiv gekühlten System (d.h. ohne Kryokühler) - nicht direkt, sondern mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, wie in Fig. 3 gezeigt. In diesem Fall muss die erste Kältestufe 11 des Kaltkopfes 7 des Kryokühlers über einen Gasspalt 13 mit einem Stickstoffbehälter 16 thermisch leitend verbunden sein, so dass verdampfter Stickstoff wieder verflüssigt werden kann.
  • Im Bereich der zweiten Kältestufe 17 des Kaltkopfes 7 sind keine weiteren Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung vorzusehen, da der Kaltkopf 7 in diesem Bereich sowieso frei in der Helium-Atmosphäre hängt und kein fester Kontakt mit dem Heliumbehälter 2 vorhanden ist.
  • Des Weiteren zeigt die erfindungsgemäße Kryostatanordnung aus Fig. 3 eine im Heliumbehälter 2 angeordnete Heizung 18, sowie eine Heizung 19 im Stickstoffbehälter 16. Die Heizungen 18, 19 dienen dazu, den Druck im Heliumbehälter 2 beziehungsweise im Stickstoffbehälter 16 über dem Umgebungsdruck und konstant zu halten. Alternativ zu der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Heizungen 18, 19 im Heliumbehälter 2 beziehungsweise am Stickstoffbehälter 16 können die Heizungen 18, 19 auch außerhalb der Behälter angeordnet sein, solange ein thermischer Kontakt zu den jeweiligen Flüssigkeiten besteht.
  • Die erfindungsgemäße Kryostatanordnung ermöglicht somit eine Ankopplung zwischen den Kältestufen des Kaltkopfes 7 des Kryokühlers und der Kryostatanordnung, bei der Vibrationen der Kältestufen des Kaltkopfes 7 nicht mehr messbar in den Kryostaten gelangen und dennoch eine ausreichend gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Die Kryostatanordnung eignet sich daher besonders gut zur Kühlung einer Magnetanordnung 20, die ein Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Außenmantel
    2
    Heliumbehälter
    3
    Aufhängerohre
    4
    Halsrohr
    5
    oberes warmes Ende des Halsrohrs
    6
    unteres kaltes Ende des Halsrohrs
    7
    Kaltkopf eines Kryokühlers
    8
    Strahlungsschild
    9
    Kontaktfläche
    10
    kalte Fläche
    11
    erste Kältestufe des Kaltkopfes
    12
    Wärmebrücke
    13
    Gasspalt
    14
    Strukturen
    15
    Wärmeisolation
    16
    Stickstoffbehälter
    17
    zweite Kältestufe des Kaltkopfes
    18
    Heizung im oder am Heliumbehälter
    19
    Heizung im oder am Stickstoffbehälter
    20
    Magnetanordnung

Claims (14)

  1. Kryostatanordnung zur Aufbewahrung von flüssigem Helium, mit einem Außenmantel (1) und einem darin eingebauten Heliumbehälter (2), wobei der Heliumbehälter (2) an mindestens zwei Aufhängerohren (3) mit dem Außenmantel (1) verbunden ist und ein Halsrohr (4) enthält, dessen oberes warmes Ende (5) mit dem Außenmantel (1) und dessen unteres kaltes Ende (6) mit dem Heliumbehälter (2) verbunden ist und in das ein mehrstufiger Kaltkopf eines Kryokühlers (7) eingebaut ist, wobei der Außenmantel (1), der Heliumbehälter (2), die Aufhängerohre (3) und das Halsrohr (4) einen evakuierten Raum begrenzen, und wobei der Heliumbehälter (2) ferner von mindestens einem Strahlungsschild (8) umgeben ist, welcher sowohl mit den Aufhängerohren (3) als auch mit einer Kontaktfläche (9) am Halsrohr (4) des Heliumbehälters (2) thermisch leitend verbunden ist
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen einer oder mehreren Kältestufen (11) des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers und einer oder mehreren Kontaktflächen (9) im Halsrohr (4), die jeweils mit einem der Strahlungsschilde (8) über eine feste, starre oder flexible, Wärmebrücke (12) leitend verbunden sind, jeweils ein Gasspalt (13) besteht, über den Wärme vom jeweiligen Strahlungsschild (8) in die entsprechende Kältestufe des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers geleitet wird.
  2. Kryostatanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryokühler ein Pulsrohrkühler ist.
  3. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der kältesten Kältestufe des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers Helium bei einer Temperatur von 4,2 K oder bei tieferer Temperatur verflüssigt werden kann.
  4. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre des Kaltkopfes des Kryokühlers (7) oberhalb der ersten Kältestufe und unter Umständen auch im Bereich weiterer Kältestufen mit einer Wärmeisolation (15) umgeben sind.
  5. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite des Gasspalts (13) beliebig einstellen lässt.
  6. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der den Gasspalt (13) begrenzenden, sich gegenüberliegenden, Wärme übertragenden Flächen (9), (10) insbesondere durch Berippung u. ä., vergrößert werden kann.
  7. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kältere Wärme übertragende, mit der Kältestufe (11) des Kaltkopfes (7) des Kryokühlers fest verbundene Fläche (10) oberhalb der wärmeren Wärme übertragenden Kontaktfläche (9) angeordnet ist.
  8. Kryostatanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Gasspalts (13) soweit vergrößerbar ist, dass sich eine natürliche Konvektionsströmung im Gasspalt (13) ausbildet.
  9. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von außen eine Strömung durch den Gasspalt (13) angeregt wird, die den Wärmeübergang verbessert.
  10. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild oder einer der Strahlungsschilde (8) einen Behälter (16) mit flüssigem Stickstoff enthält, wobei der Stickstoff nach dem Verdampfen wegen der thermischen Anbindung des Strahlungsschildes (8) an den Kaltkopf des Kryokühlers (7) mindestens teilweise wieder verflüssigt wird.
  11. Kryostatanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im oder in Kontakt mit dem Stickstoffbehälter (16) eine, vorzugsweise elektrische, Heizung (19) vorgesehen ist.
  12. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder in Kontakt mit dem Heliumbehälter (2) eine, vorzugsweise elektrische, Heizung (18) vorgesehen ist.
  13. Kryostatanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kryostatanordnung eine supraleitende Magnetanordnung (20) enthält.
  14. Kryostatanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Magnetanordnung (20) Teil einer Apparatur zur Kernspinresonanz, insbesondere Magnetic Resonance Imaging (MRI) oder Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist.
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