EP2066991A1 - Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten verbindungselement und einem mit den verbindungselementen verbundenen wärmerohr - Google Patents

Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten verbindungselement und einem mit den verbindungselementen verbundenen wärmerohr

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EP2066991A1
EP2066991A1 EP07803233A EP07803233A EP2066991A1 EP 2066991 A1 EP2066991 A1 EP 2066991A1 EP 07803233 A EP07803233 A EP 07803233A EP 07803233 A EP07803233 A EP 07803233A EP 2066991 A1 EP2066991 A1 EP 2066991A1
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EP
European Patent Office
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refrigeration system
heat pipe
parts
connection element
heat
Prior art date
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EP07803233A
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English (en)
French (fr)
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EP2066991B1 (de
Inventor
Marijn Pieter Oomen
Peter Van Hasselt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2066991B1 publication Critical patent/EP2066991B1/de
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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
    • 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
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • 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
    • F25D16/00—Devices using a combination of a cooling mode associated with refrigerating machinery with a cooling mode not associated with refrigerating machinery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F2013/005—Thermal joints
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • Cooling system with a hot and a cold connection element and a heat pipe connected to the connecting elements
  • the invention relates to a refrigeration system having at least one hot connection element, which is thermally connected to parts of a device to be cooled, a cold connection element, which is thermally connected to a heat sink, a heat pipe made of poorly heat-conducting material, which at a first end with the warm connection element and at a second end to the cold connection element is connected, and whose interior is at least partially filled with a circulating after a thermosiphon effect liquid.
  • Cooling systems e.g. Cooling systems for superconducting magnets often have so-called bath cooling.
  • a liquid refrigerant e.g. Helium
  • DE 10 2004 060 832 B3 discloses an NMR spectrometer whose superconducting magnet coil system has bath cooling.
  • the cooling system of the NMR spectrometer is designed such that a circulating refrigerant detects various elements of the NMR spectrometer in its circulation path. By means of such a refrigerant circulation, a multiplicity of elements of the NMR spectrometer with different temperature levels can be cooled by means of a single refrig- erator.
  • cooling systems are designed without a refrigerant bath.
  • Such cooling systems can do without any refrigerant.
  • the cooling capacity is introduced in this case only by solid-state heat conduction in the areas to be cooled.
  • the areas to be cooled may be replaced by a so-called solid state cryobus of e.g. Copper connected to a chiller.
  • Another possibility is to connect the areas to be cooled and the chiller to a closed piping system in which a small amount of refrigerant circulates.
  • the advantage of such cooling systems without a refrigerant bath continues to be that they are easier to adapt to moving loads to be cooled as cooling systems, which have a refrigerant bath.
  • Cooling systems without a refrigerant bath are therefore particularly suitable for superconducting magnets of a so-called gantry, as used in ion beam therapy for combating cancer.
  • the cooling capacity can be provided in the cooling systems described above typically a chiller with a cold head in particular a Stirling cooler available.
  • a superconducting magnet in which a cold head with its second stage is directly mechanically and thermally connected to the support structure of a superconducting magnet winding can be seen for example from US Pat. No. 5,396,206.
  • the necessary cooling capacity is directly transferred to the superconducting magnet by means of solid-state heat conduction in the superconducting magnet. introduced magnetic coils.
  • the abovementioned cooling device for a superconducting magnet has a decisive technical problem.
  • air or other gases may freeze at the cryogenic contact surface, in this case the superconductive winding support structure. Ice formed at these points leads to a poor thermal connection of the subsequently reused cold head with the holding structure of the winding.
  • the freezing of ambient gases at the deep-cold contact surfaces can be avoided by purposely flooding the space around these contact surfaces with gas.
  • this is expensive and leads to a large consumption of purge gas or vaporized refrigerant for this purpose.
  • EP 0 696 380 B1 discloses a superconducting magnet with a cryogen-free refrigeration system.
  • the disclosed refrigeration system has a thermal bus of good thermal conductivity material such as copper, which is connected to the superconducting magnet.
  • the thermal bus can still be connected to two cold heads.
  • the two cold heads are arranged symmetrically to the thermal bus. They can each be approached from opposite sides to the thermal bus. In this way one or both cold heads can be Fe be brought into thermal contact with the thermal bus.
  • the cooling capacity is introduced in accordance with one or both cold heads in the thermal bus.
  • JP 2000-146333 A discloses an apparatus and method for maintaining a cryocooler. Before replacing a cryocooler or cold head, a corresponding identical one is used
  • Cold head pre-cooled in a bath with liquid nitrogen.
  • the components of the cold head can be brought to a comparable temperature as the corresponding components to be replaced. In this way, the cryogenic conditions within a plant whose cold head is to be replaced, can be kept almost unchanged.
  • DE 102 11 568 B4 discloses a refrigeration system with two cold heads, which are connected to the parts of a device to be cooled via a piping system in which a refrigerant can be circulated according to a thermosiphon effect.
  • the piping system has a branch. At each end of the branches there is a refrigerant space, which is connected to a cold head. Liquid refrigerant decreases, starting from one of these refrigerant chambers, gravity driven to the parts of the device to be cooled, at which the heat transfer takes place. Gaseous refrigerant rises in the piping system again to the two cold heads, where it is reliquefied.
  • Such a cycle of the refrigerant may take place in the piping system both in the case where only one cold head is operating and in the case where both cold heads are operating. If the refrigeration system is dimensioned in such a way that a single cold head applies the cooling capacity necessary for the parts of the device to be cooled, another cold head can be exchanged during operation of the refrigeration system. This is to minimize thermal losses
  • DE 101 04 653 A1 discloses a mechanical heat switch, which consists of a first cup-shaped metal body, which can enclose a second metal body in a form-fitting manner.
  • the first metal body has for this purpose a free end which, together with the outer jacket of the second
  • Metal body can form a positive connection.
  • a fourth metal body is introduced, a third metal body surrounds the cup-shaped first metal body from the outside surrounding. Upon heating of the fourth metal body, this expands and presses against the inner wall of the pot of the first metal body such that the free end of the first metal body moves and thereby releases the connection to the second metal body. In this way, the thermal contact between the first and the second metal body can be opened.
  • the third metal body which surrounds the first metal body and forms a ring, contracts and presses the free end of the first metal body. gene the second metal body. In this way, the thermal switch can be closed.
  • the object of the present invention is to specify a refrigeration system in which the parts of a device to be cooled are connected to a heat pipe in which a liquid can be circulated by a thermosyphon effect, with a heat sink, wherein the parts to be cooled of a device should be largely thermally decoupled from the heat sink without a mechanical separation.
  • the present invention is based on the following considerations:
  • the heat exchange between the heat sink and the parts of a device to be cooled takes place essentially by the liquid which can be circulated in the heat pipe according to a thermosiphon effect.
  • the heat pipe can be pumped off via a pipe connected to its interior.
  • the heat pipe should be made of a poor thermal conductivity material at the same time.
  • the refrigeration system should contain at least one hot connection element, which is thermally connected to parts of a device to be cooled, and a cold connection element, which is thermally connected to a heat sink contain.
  • a heat pipe made of poorly heat-conducting material should be connected at a first end to the hot connection element and at a second end to be mechanically detachable with the cold connection element.
  • the interior of the heat pipe should be at least partially filled with a liquid which can be circulated according to a thermosiphon effect.
  • the refrigeration system should comprise a pipeline which is connected to a first end with the interior of the heat pipe and designed in such a way is that at least parts of the pipeline are geodetically higher than the liquid level.
  • the liquid should be able to be pumped out of the heat pipe via the pipeline.
  • the thermal contact when reinserting the heat sink will be much better than in the case in which there is significant ice formation at the contact surfaces. Furthermore, the cryogenic region in which the parts of the device to be cooled, due to the thermal decoupling, is prevented from penetrating into this region heat flows. In this way, even when replacing the heat sink to be cooled parts of a device at the desired low temperature.
  • a refrigeration system can be specified, which allows even with a single heat sink use, without heating the parts to be cooled is necessary to exchange the heat sink or wait or remove temporarily.
  • the refrigeration system according to the invention is particularly suitable for devices in the field of superconducting technology.
  • the embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also those of several subclaims. Accordingly, the refrigeration system according to the invention may additionally have the following features:
  • the parts of the device to be cooled can be arranged in an evacuatable cryostat and the second end of the pipeline can be outside the cryostat.
  • Deep-frozen parts of a device can be thermally insulated from their environment particularly advantageously by means of an evacuatable cryostat.
  • Such a thermal insulation represents a particularly effective insulation for cryogenic parts of a device.
  • Refrigeration system according to the above embodiment is therefore particularly advantageous especially for devices with cryogenic parts.
  • a multi-stage refrigerator with a first and a second stage, wherein the heat sink may be formed by the second stage and the first stage may be mechanically detachably connected to a disposed within the cryostat heat shield.
  • a multi-stage chiller is particularly suitable for cryogenic parts of a device to be cooled. It is particularly advantageous to use a heat shield as a further measure for thermal insulation.
  • the thermal separation according to the invention of the parts to be cooled of a device from the second stage of the refrigerating machine is particularly advantageous, since the advantage of a thermal separation without moving parts comes into play particularly in mechanically complex cooling systems.
  • At least parts of the refrigeration machine may be interchangeably mounted in an evacuable maintenance space separated from the evacuatable cryostat. With the help of another, separated from the evacuated cryostat, also evacuated maintenance space of the replacement of the chiller can be made without the vacuum of the cryostat must be broken. The maintenance process is particularly simple and effective in this way.
  • the liquid may be present as a two-phase mixture.
  • circulation of the liquid in the heat pipe may occur, condensing gaseous liquid at the cold end of the heat pipe and vaporizing liquid liquid at the warm end of the heat pipe.
  • the latent heat of the phase transition can be used for heat transport.
  • a corresponding circulation can also be achieved in a single-phase liquid due to natural convection based on density differences.
  • the refrigeration system can be rotatable about an axis which runs essentially parallel to an axis of symmetry of the heat pipe.
  • the heat pipe can furthermore have a larger cross-section in a first area, which is connected to the warm connecting element, than in a second area, which is connected to the cold connecting element.
  • the parts of the heat pipe connecting the first and the second area may be configured such that condensed refrigerant can freely move to the first area under the influence of gravity in the second area.
  • a refrigeration system with the aforementioned features can be used in particular advantageous for movable, in this case rotatably arranged to be cooled parts of a device. Due to the special design of the heat pipe the thermal contact between the chiller and the parts of the device to be cooled is guaranteed at any time even with a rotation of the parts to be cooled of a device.
  • the tubing may be connected at its ends near the axis of symmetry of the heat pipe to the heat pipe and the outside of the cryostat.
  • the pipeline can furthermore have at least one intermediate axis in the direction of travel.
  • the intermediate region of the pipeline can have a V-shaped course in the direction of the axis A.
  • a V-shaped bent pipe represents a particularly simple and effective embodiment of the pipeline.
  • the heat pipe can be configured substantially in the shape of a truncated cone.
  • a particularly simple inexpensive and effective form of the heat pipe can be specified.
  • the refrigeration system may comprise an additional cooling system, which has at least the following features: A refrigerant space which communicates with the cold connection element connected is; a supply line through which the refrigerant space can be filled from a geodetically higher location outside the cryostat with a second refrigerant; a piping system which is thermally connected over a large area with the parts to be cooled of the device and in which the second refrigerant is conditionally circulated by a thermosiphon effect; an exhaust pipe through which gaseous second refrigerant can escape from the piping system.
  • an additional cooling system with the aforementioned features, an acceleration of the cooling phase can be achieved, in particular for large masses to be cooled.
  • evaporating second refrigerant can escape via the exhaust pipe from the piping system.
  • the second refrigerant can circulate after a thermosiphon effect, thus providing effective cooling.
  • the connecting elements can be made of a good thermal conductive material, preferably of copper.
  • the heat pipe may be made of a material having a thermal conductivity less than that of copper, preferably of stainless steel.
  • Such a configuration of the connecting elements made of a good thermally conductive material such as copper a special effective thermal coupling can be achieved both to the heat sink as well as to be cooled parts of the device.
  • the thermal conductivity of the heat pipe is mainly due to the circulating within the heat pipe refrigerant. If the heat pipe itself is made of a poorly heat-conductive material, such as stainless steel, a particularly large reduction in the thermal conductivity can be achieved by pumping off the refrigerant.
  • the device may be a gantry device for radiotherapy, and the parts to be cooled may be the magnets of the gantry for deflecting a particle beam.
  • the refrigeration system according to the invention is particularly suitable for a gantry, since the magnets to be cooled are rotated about an axis of rotation of the gantry.
  • Figure 2 shows the cross section of a rotatable refrigeration system
  • Figure 3 shows the cross section of a rotatable refrigeration system with an additional cooling system.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a refrigeration system 100 according to one embodiment.
  • a cryostat 108 contains the parts 102 to be cooled of a device.
  • the device parts to be cooled 102 may be, for example, the magnet windings of a superconducting magnet or other parts of the superconducting technique.
  • a thermal shield 112 is attached inside the cryostat 108 to improve the thermal insulation.
  • the cooling capacity for the parts to be cooled 102 of the device is provided by a refrigerator 109, such as a cold head or a Stirling cooler.
  • a cold head can be used, which operates on the Gifford-McMahon principle.
  • Such a two-stage chiller can be thermally connected to the heat shield 112 according to the present embodiment with its first stage 111.
  • the connection between the first stage 111 of the refrigerator 109 and the heat shield 112 may preferably be a releasable mechanical connection, such as a screw or clamp connection, which simultaneously ensures good thermal contact of the components.
  • the second stage 110 of the refrigeration machine 109 represents the actual heat sink 104 of the refrigeration system 100.
  • the second stage 110 of the refrigerator 109 is thermally connected to a cold connection element 103.
  • the corresponding connection may preferably be a screw connection. That is, the refrigerator 109 is detachably screwed with its second stage 110 in the cold connection element 103.
  • the connecting elements 101 and 103 may be part of the parts 102 to be cooled of a device or the heat sink 104. They can continue to be integrated into the corresponding components or permanently connected to them.
  • the chiller 109 is partially located in a separately evacuable maintenance room 113. This maintenance room 113 is separated from the rest of the evacuatable space of the cryostat 108.
  • the cold connection element 103 is connected to a heat pipe 105 with good thermal conductivity and preferably also mechanically.
  • the heat pipe 105 is connected to a warm connection element 101. This compound is also designed to conduct heat well and may preferably also be a mechanical connection.
  • the warm connection element 101 is in turn connected to a good heat-conducting with the parts to be cooled 102 of a device.
  • a liquid 106 which can circulate in the heat pipe 105 in accordance with a thermosiphon effect.
  • the heat pipe 105 itself, however, consists of a poorly heat-conducting material.
  • the heat pipe 105 is completely filled with the liquid, this can be in the upper cold area of the heat pipe Due to the differences in density of the liquid 106, a circulation after the so-called. Thermosiphon effect can be adjusted in the heat pipe 105, which is a heat transport from the parts to be cooled 102 of the device the heat sink 104 causes.
  • the heat pipe 105 may be only partially filled with a liquid 106.
  • the necessity may arise that a refrigeration machine 109 must be replaced, for example, for maintenance work or due to a defect.
  • the liquid 106 which is located within the heat pipe 105, is pumped out via a pipe 107 leading to the outside. It is sufficient in many cases to pump out the liquid 106 for the most part from the heat pipe 105; but it can also be completely removed from the heat pipe 105. By removing the liquid 106 from the heat tube 105 is removed, the thermal conductivity of the heat pipe 105 is significantly reduced.
  • the heat pipe 105 made of a poor thermal conductivity material such as stainless steel, the thermal conduction between the connecting elements 101, 103 can be reduced to a minimum.
  • materials for the heat pipe 105 in addition to stainless steel, various plastics, ceramics or other low-temperature suitable materials can be used. Another measure for minimizing the heat conduction is to make the heat pipe 105 particularly thin-walled and / or with small geometrical dimensions.
  • the maintenance room 113 can be ventilated. Due to the ambient air flowing into the maintenance space 113, the cold connection element 103 as well as the previously cold parts of the cooling machine 109 begin to heat up.
  • the maintenance room 113 can also be flooded with a special purge gas, such as dried air, nitrogen or helium.
  • the refrigerator 109 can be removed from the refrigeration system 100.
  • the previously deep-cold connection element 103 is thermally decoupled from the remaining still very cold parts, in particular the warm connection element 101 and the parts 102 to be cooled of a device and will therefore heat up quickly to a temperature close to room temperature.
  • Superconducting magnet windings are particularly suitable for irradiation systems, such as those used in particle therapy eg for combating cancer. Such superconducting magnet windings are preferably mounted in a so-called gantry, which is rotatable about a fixed axis.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the refrigeration system, generally designated by 100, wherein the entire refrigeration system 100, including the parts 102 to be cooled, is surrounded by a
  • a axis A are arranged rotatable.
  • the parts 102 to be cooled are located in a cryostat 108, which additionally has a heat shield 112.
  • the refrigerator 109 is preferably designed rotationally symmetrical with respect to a further axis B.
  • the refrigerator 109 is housed in a maintenance room 113, which is evacuated separately from the cryostat 108.
  • the first stage 111 of the refrigerator 109 is connected to the heat shield 112, the second stage 104 of the refrigerator 109 is connected to the cold
  • the heat pipe 105 is located with a first part 202 in thermal, preferably also mechanical connection with the cold connection element 103. Another part 201 of the heat pipe 105 is in thermal, preferably also mechanical contact with the warm connection element 101 Heat pipe 105 has a smaller cross section than the second part 201 of the heat pipe 105.
  • the part 203 of the heat pipe 105 which connects the first part 202 and the second part 201 of the heat pipe 105, is configured in such a way that condensed liquid 106 can pass unhindered from the first region 202 into the second region 201 due to gravity ,
  • the entire heat pipe 105 may preferably have the shape of a truncated cone closed on both sides. Such a heat pipe
  • the 105 may further be connected to the refrigerator 109 so that the axis of symmetry of the truncated cone coincides with the axis B.
  • a pipe 107 is connected to the heat pipe 105.
  • the pipeline 107 has such a shape that any liquid 106 entering the pipeline 107 from the heat pipe 105 can not pass unhindered to the outer part of the pipeline 107 which is in communication with the cryostat 108.
  • the pipeline 107 has a part 204 bent in the direction of the axis A.
  • the liquid 106 can be pumped out of the heat pipe 105 through the pipeline 107. In this way, a thermal separation between the parts to be cooled 102 of a device and the heat sink 104 is achieved.
  • the working space 113 is aerated after the liquid 106 has been pumped off.
  • the parts of the working space 113 which are arranged between the mounting flange of the first stage 111 of the refrigerator with the heat shield 112 and the condenser 103, can be designed to be flexible. Such a flexible embodiment can be carried out, for example, with the aid of a bellows.
  • the condenser 103 may be movable along the axis B due to a flexible configuration of the heat pipe 105.
  • the heat pipe 105 may also have a bellows for this purpose.
  • Figure 3 shows another embodiment of a generally designated 100 refrigeration system.
  • a refrigerant space 301 is in thermal, preferably also in mechanical contact with the cold connection element 103.
  • This refrigerant space 301 can be filled by a feed line 302 from a geodetically higher location.
  • a same or similar refrigerant can be used as it is used for the heat pipe 105. Usable are, for example, helium, neon or nitrogen.
  • a piping system 303 is connected, which is connected over a large area with the parts to be cooled 102 of a device. In this way, additional cooling capacity can be brought to the parts to be cooled 102 of a device.
  • evaporating refrigerant can escape via an exhaust pipe 304 from the piping system 303. In this way, an overpressure in the piping system 303 is avoided.
  • the auxiliary cooling device may e.g. be used so that the parts to be cooled 102 of a device first with nitrogen, which is inexpensive and readily available, are pre-cooled before using the chiller 109, the parts to be cooled 102 are cooled to even lower temperatures.
  • additional cooling device it is technically necessary to stop the refrigeration system 100 in its possible rotation about the axis A, or at least to move so slowly that in the piping system 303, a gravity-driven refrigerant circuit, which is based on a thermosiphon effect, can set ,

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Abstract

Die Kälteanlage (100) umfasst ein warmes und ein kaltes Verbindungselement (101, 103) und ein zwischen diesen Verbindungselementen (101, 103) angeordnetes Wärmerohr (105). Das Wärmerohr (105) soll zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit (106) gefüllt sein, welche in dem Wärmerohr (105) nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist. Mit dem warmen Verbindungselement (101) sind die zu kühlenden Teile (102) einer Einrichtung, insbesondere der Supraleitungstechnik, verbunden, mit dem kalten Verbindungselement (103) ist eine Wärmesenke (104) verbunden. Zur thermischen Trennung der Verbindungselemente (101, 103) ist die Flüssigkeit (106) über eine mit dem Innenraum des Wärmerohres (105) verbundene Rohrleitung (107) abpumpbar.

Description

Beschreibung
Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten Verbindungselement und einem mit den Verbindungselementen verbundenen Wär- merohr
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit mindestens einem warmen Verbindungselement, welches mit zu kühlenden Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist, - einem kalten Verbindungselement, welches thermisch mit einer Wärmesenke verbunden ist, einem Wärmerohr aus schlecht-wärmeleitendem Material, welches an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement und an einem zweiten Ende mit dem kalten Verbindungs- element verbunden ist, und dessen Innenraum zumindest teilweise mit einer nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Flüssigkeit gefüllt ist.
Eine Kälteanlage mit den oben genannten Merkmalen geht beispielsweise aus der DE 102 11 568 B4 hervor.
Kühlsysteme, z.B. Kühlsysteme für supraleitende Magnete, verfügen oftmals über eine so genannte Badkühlung. Für eine solche Badkühlung kann ein flüssiges Kältemittel, z.B. Helium, mit einer Temperatur von typischerweise 4,2 K verwendet wer- den. Die DE 10 2004 060 832 B3 offenbart ein NMR-Spektro- meter, dessen supraleitendes Magnetspulensystem eine Badkühlung aufweist. Die Kühlanlage des NMR-Spektrometers ist derart ausgelegt, dass ein zirkulierendes Kältemittel auf seinem Zirkulationsweg verschiedene Elemente des NMR-Spektrometers erfasst. Durch eine derartige Kältemittelzirkulation können eine Vielzahl von Elementen des NMR-Spektrometers mit unterschiedlichen Temperaturniveaus mittels eines einzigen Refri- gerators gekühlt werden.
Für eine Badkühlung sind jedoch große Mengen des entsprechenden Kältemittels notwendig. Bei einem supraleitenden Magneten besteht weiterhin die Möglichkeit, dass dieser, z.B. durch Überschreiten eines für das entsprechende supraleitende Mate- rial kritischen Stromes oder eines kritischen Magnetfeldes, seine supraleitenden Eigenschaften verliert. In einem solchen Fall tritt an dem supraleitenden Material kurzfristig eine große Hitzeentwicklung auf. Die anfallende Wärme führt bei einer Badkühlung zu einem Sieden des Kältemittels innerhalb des Kryostaten. In großen Mengen anfallendes gasförmiges Kältemittel führt zu einem schnellen Anstieg des Druckes innerhalb des Kryostaten.
Um diesem Problem zu begegnen und gleichzeitig die Kosten für das Kältemittel zu reduzieren, werden Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad konzipiert. Solche Kühlsysteme können ohne jegliches Kältemittel auskommen. Die Kälteleistung wird in diesem Fall lediglich durch Festkörperwärmeleitung in die zu kühlenden Bereiche eingebracht. Bei einem solchen Kühlsystem können die zu kühlenden Bereiche durch einen sog. Festkörper- Kryobus aus z.B. Kupfer mit einer Kältemaschine verbunden sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die zu kühlenden Bereiche und die Kältemaschine mit einem geschlossenen Rohrleitungssystem zu verbinden, in welchem eine geringe Menge Kältemittel zirkuliert. Der Vorteil solcher Kühlsysteme ohne ein Kältemittelbad besteht weiterhin darin, dass diese einfacher an bewegliche zu kühlende Lasten anzupassen sind als Kühlsysteme, welche ein Kältemittelbad aufweisen. Kühl- Systeme ohne ein Kältemittelbad sind daher insbesondere für supraleitende Magnete einer so genannten Gantry geeignet, wie sie in der Ionenstrahltherapie zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Die Kälteleistung kann in den zuvor beschriebenen Kühlsystemen typischerweise einer Kältemaschine mit einem Kaltkopf insbesondere einem Stirlingkühler zur Verfügung gestellt werden.
Ein supraleitender Magnet, bei dem ein Kaltkopf mit seiner zweiten Stufe unmittelbar mechanisch und thermisch mit der Haltestruktur einer supraleitenden Magnetwicklung verbunden ist, geht z.B. aus der US 5,396,206 hervor. Die notwendige Kälteleistung wird bei dem zuvor genannten supraleitenden Magnet direkt durch Festkörperwärmeleitung in die supralei- tenden Magnetwicklungen eingebracht. Muss jedoch ein Kaltkopf z.B. zu Wartungszwecken ausgetauscht werden, weist die vorgenannte Kühlvorrichtung für einen supraleitenden Magneten ein entscheidendes technisches Problem auf. Während des Aus- tauschvorgangs können Luft oder andere Gase an der tiefkalten Kontaktfläche, in diesem Fall der Haltestruktur der supraleitenden Wicklungen, festfrieren. An diesen Stellen entstehendes Eis führt zu einer schlechten thermischen Verbindung des anschließend wieder eingesetzten Kaltkopfes mit der Halte- struktur der Wicklung.
Um ein Festfrieren von Gasen an den tiefkalten Kontaktflächen zu vermeiden, können diese auf etwa Raumtemperatur erwärmt werden. Dies führt in der Regel dazu, dass die gesamten zu kühlenden Teile einer Einrichtung, z.B. die gesamten supraleitenden Wicklungen eines Magneten, auf Raumtemperatur gebracht werden müssen, bevor der Kaltkopf ausgetauscht werden kann. Insbesondere für große Systeme können eine solche Aufwärmphase und die anschließende Abkühlphase eine lange Zeit in Anspruch nehmen. Dies führt zu langen Ausfallzeiten des Systems. Die Aufwärm- und Abkühlphasen führen weiterhin zu einem großen Verbrauch an Energie.
Alternativ kann das Anfrieren von Umgebungsgasen an den tief- kalten Kontaktflächen dadurch vermeiden werden, dass der Raum um diese Kontaktflächen gezielt mit Gas geflutet wird. Dies ist jedoch aufwändig und führt zu einem großen Verbrauch an Spülgas oder zu diesem Zweck verdampftem Kältemittel.
EP 0 696 380 Bl offenbart einen supraleitenden Magneten mit einer kryogenfreien Kälteanlage. Die offenbarte Kälteanlage verfügt über einen thermischen Bus aus gut wärmeleitfähigem Material wie z.B. Kupfer, welcher mit dem supraleitenden Magneten verbunden ist. Der thermische Bus ist weiterhin mit zwei Kaltköpfen verbindbar. Die beiden Kaltköpfe sind symmetrisch zu dem thermischen Bus angeordnet. Sie können jeweils von entgegengesetzten Seiten an den thermischen Bus herangefahren werden. Auf diese Weise kann einer oder beide Kaltköp- fe in thermischen Kontakt mit dem thermischen Bus gebracht werden. Die Kälteleistung wird entsprechend von einem oder auch beiden Kaltköpfen in den thermischen Bus eingebracht.
Zum Austausch eines der beiden Kaltköpfe der bekannten Anlage kann dieser von dem thermischen Bus mechanisch zurückgefahren werden, wodurch der entsprechende Kaltkopf ebenfalls thermisch von dem thermischen Bus getrennt wird. In diesem Fall wird die Kälteleistung lediglich durch den einen verbleiben- den Kaltkopf zur Verfügung gestellt. Ein Austausch des zurückgefahrenen Kaltkopfes kann nun erfolgen, ohne dass der supraleitende Magnet erwärmt werden muss. Bei der in EP 0 696 380 Bl offenbarten Kälteanlage müssen die Kaltköpfe jedoch mechanisch beweglich ausgeführt werden, was eine Viel- zahl von tieftemperaturtauglichen Bauteilen und eine entsprechende, möglicherweise störanfällige Mechanik voraussetzt.
JP 2000-146333 A offenbart eine Vorrichtung und Methode zur Wartung eines Kryokühlers. Vor dem Austausch eines Kryoküh- lers bzw. Kaltkopfes wird ein entsprechender baugleicher
Kaltkopf in einem Bad mit flüssigem Stickstoff vorgekühlt. Durch die Vorkühlung des baugleichen Kaltkopfes können die Bauteile des Kaltkopfes auf eine vergleichbare Temperatur wie die entsprechenden auszutauschenden Bauteile gebracht werden. Auf diese Weise können die kryogenen Verhältnisse innerhalb einer Anlage, deren Kaltkopf ausgetauscht werden soll, nahezu unverändert gehalten werden.
DE 102 11 568 B4 offenbart eine Kälteanlage mit zwei Kaltköp- fen, welche über ein Rohrleitungssystem, in dem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist, mit den zu kühlenden Teilen einer Einrichtung verbunden sind. Das Rohrleitungssystem weist eine Verzweigung auf. An den Enden der Äste befindet sich je ein Kältemittelraum, der mit je- weils einem Kaltkopf verbunden ist. Flüssiges Kältemittel sinkt, ausgehend von einem dieser Kältemittelräume, schwerkraftgetrieben zu den zu kühlenden Teilen der Einrichtung, an welchen der Wärmeübergang erfolgt. Gasförmiges Kältemittel steigt in dem Rohrleitungssystem wiederum zu den beiden Kaltköpfen auf, wo es rückverflüssigt wird. Ein derartiger Kreislauf des Kältemittels kann in dem Rohrleitungssystem sowohl in dem Fall stattfinden, dass lediglich ein Kaltkopf arbei- tet, als auch in dem Fall, in dem beide Kaltköpfe arbeiten. Wird die Kälteanlage derart dimensioniert, dass auch ein einzelner Kaltkopf die für die zu kühlenden Teile der Einrichtung notwendige Kälteleistung aufbringt, kann im laufenden Betrieb der Kälteanlage ein weiterer Kaltkopf ausgetauscht werden. Zur Minimierung von thermischen Verlusten ist das
Rohrleitungssystem zwischen der Verzweigung und den Kältemittelräumen, die jeweils mit einem Kaltkopf verbunden sind, aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt. Auf diese Weise können die Verluste durch Festkörperwärmeleitung begrenzt werden. Gasförmiges Kältemittel wird jedoch stets auch zu dem Punkt aufsteigen, an dem sich kein oder ein abgeschalteter Kaltkopf befindet. So können zwar die Verluste durch Festkörperwärmeleitung begrenzt werden, nicht jedoch die Verluste, welche durch zirkulierendes Kältemittel verursacht werden.
DE 101 04 653 Al offenbart einen mechanischen Wärmeschalter, welcher aus einem ersten topfförmigen Metallkörper besteht, der einen zweiten Metallkörper formschlüssig umschließen kann. Der erste Metallkörper weist zu diesem Zweck ein freies Ende auf, welches gemeinsam mit dem Außenmantel des zweiten
Metallkörpers einen Formschluss ausbilden kann. In den ersten topfförmigen Metallkörper ist ein vierter Metallkörper eingebracht, ein dritter Metallkörper umschließt den topfförmigen ersten Metallkörper von außen umgebend. Bei einer Erwärmung des vierten Metallkörpers dehnt sich dieser aus und drückt derart gegen die Topfinnenwand des ersten Metallkörpers, dass sich das freie Ende des ersten Metallkörpers bewegt und dadurch die Verbindung zu dem zweiten Metallkörper freigibt. Auf diese Weise kann der Wärmekontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Metallkörper geöffnet werden. Beim Abkühlen des ersten Metallkörpers zieht sich der den ersten Metallkörper umschließende als Ring ausgebildete dritte Metallkörper zusammen und presst das freie Ende des ersten Metallkörpers ge- gen den zweiten Metallkörper. Auf diese Weise kann der Wärmeschalter geschlossen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage anzugeben, bei der die zu kühlenden Teile einer Einrichtung mit einem Wärmerohr, in dem eine Flüssigkeit nach einem Ther- mosyphon-Effekt zirkulierbar ist, mit einer Wärmsenke verbunden sind, wobei die zu kühlenden Teilen einer Einrichtung ohne eine mechanische Trennung weitgehend thermisch von der Wärmesenke entkoppelbar sein sollen.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegen dabei die folgenden Überlegungen zugrunde: Der Wärmeaustausch zwischen der Wärmesenke und den zu kühlenden Teilen einer Einrichtung erfolgt im Wesentlichen durch die in dem Wärmerohr nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbare Flüssigkeit. Zur thermischen Trennung der Wärmesenke von den zu kühlenden Teilen der Einrichtung kann das Wärmerohr über eine an seinen Innenraum an- geschlossene Rohrleitung abgepumpt werden. Das Wärmerohr soll gleichzeitig aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material hergestellt sein. Durch diese Maßnahmen wird die thermische Verbindung zwischen der Wärmesenke und den zu kühlenden Teilen der Einrichtung bis auf ein durch die Festkörperwärme- leitfähigkeit des Wärmerohres definiertes geringes Maß herabgesetzt. Erfindungsgemäß soll die Kälteanlage mindestens ein warmes Verbindungselement enthalten, welches mit zu kühlenden Teilen einer Einrichtung thermisch verbunden ist, und ein kaltes Verbindungselement, welches thermisch mit einer Wärme- senke verbunden ist, enthalten. Ein Wärmerohr aus schlechtwärmeleitendem Material soll an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement und an einem zweiten Ende mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement verbunden sein. Der Innenraum des Wärmerohrs soll zumindest teilweise mit einer nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Flüssigkeit gefüllt sein. Weiterhin soll die Kälteanlage eine Rohrleitung umfassen, die mit einem ersten Ende mit dem Innenraum des Wärmerohrs verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass zumindest Teile der Rohrleitung geodätisch höher als der Flüssigkeitsspiegel liegen. Zur thermischen Trennung der Verbindungselemente soll erfindungsgemäß die Flüssigkeit über die Rohrleitung aus dem Wärmerohr abpumpbar sein.
Die Vorteile einer Kälteanlage mit den zuvor genannten Merkmalen sind vor allem darin zu sehen, dass eine Wärmeübertragung über das Wärmerohr deutlich herabgesetzt wird, indem die Flüssigkeit aus dem Inneren des Wärmerohres abgepumpt wird. Auf diese Weise können die zu kühlenden Teile einer Einrichtung thermisch von der Wärmesenke weitgehend entkoppelt werden, ohne dass eine zweite Wärmesenke benötigt wird und ohne dass eine oder mehrere Wärmesenken mechanisch bewegt werden müssen. Wird die Wärmesenke, welche mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist, aus der Kälteanlage entfernt, kann sich das kalte Verbindungselement binnen einer kurzen Zeit soweit erwärmen, dass insbesondere Luft oder andere in der Umgebungsatmosphäre enthaltene Gase nur in geringem Maß an der Oberfläche des kalten Verbindungselements an- frieren. Eine Eisbildung an den Kontaktflächen zwischen dem kalten Verbindungselement und der Wärmesenke kann auf diese Weise größtenteils vermieden werden. Aufgrund der verminderten Eisbildung wird der thermische Kontakt beim Wiedereinsetzen der Wärmsenke deutlich besser ausfallen als in dem Fall, in dem sich deutliche Eisbildung an den Kontaktflächen zeigt. Weiterhin bleibt der kryogene Bereich, in dem sich die zu kühlenden Teile der Einrichtung befinden, bedingt durch die thermische Entkopplung vor in diesen Bereich eindringenden Wärmeströmen bewahrt. Auf diese Weise bleiben auch bei einem Austausch der Wärmesenke die zu kühlenden Teile einer Einrichtung auf der gewünschten tiefen Temperatur. Mit den zuvor genannten Maßnahmen kann eine Kälteanlage angegeben werden, welche es gestattet, auch bei einer Verwendung einer einzelnen Wärmesenke, ohne dass ein Erwärmen der zu kühlenden Teile notwendig wird, die Wärmesenke auszutauschen oder zu warten bzw. temporär zu entfernen. Die erfindungsgemäße Kälteanlage ist besonders für Einrichtungen auf dem Gebiet der Supraleitungstechnik geeignet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merk- malen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die Kälteanlage nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
- Die zu kühlenden Teile der Einrichtung können in einem evakuierbaren Kryostaten angeordnet sein und das zweite Ende der Rohrleitung kann außerhalb des Kryostaten liegen. Tiefkalte Teile einer Einrichtung können besonders vorteilhaft mittels eines evakuierbaren Kryostaten thermisch vor ihrer Umgebung isoliert werden. Eine solche thermische Isolation stellt eine besonders effektive Isolation für tiefkalte Teile einer Einrichtung dar. Insbesondere bei solchen tiefkalten Teilen einer Einrichtung ist es wünschenswert, eine Eisbildung an den Kontaktflächen des kal- ten Verbindungselementes zu vermeiden. Der Einsatz einer
Kälteanlage gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist daher insbesondere für Vorrichtungen mit tiefkalten Teilen besonders vorteilhaft.
- Es kann eine mehrstufige Kältemaschine mit einer ersten und einer zweiten Stufe vorhanden sein, wobei die Wärmesenke von der zweiten Stufe gebildet sein kann und die erste Stufe mechanisch lösbar mit einem innerhalb des Kryostaten angeordneten Wärmeschild verbunden sein kann. Eine mehrstufige Kältemaschine ist besonders für tiefkalt zu kühlende Teile einer Einrichtung geeignet. Besonders vorteilhaft ist es, einen Wärmeschild als eine weitere Maßnahme zur thermischen Isolation einzusetzen. Die erfindungsgemäße thermische Trennung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung von der zweiten Stufe der Kältemaschine ist besonders vorteilhaft, da insbesondere bei mechanisch komplexen Kühlsystemen der Vorteil einer thermischen Trennung ohne bewegliche Teile zum Tragen kommt. Zumindest Teile der Kältemaschine können in einem von dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, evakuierbaren Wartungsraum auswechselbar angebracht sein. Mit Hilfe eines weiteren, von dem evakuierbaren Kryostaten abgetrennten, ebenfalls evakuierbaren Wartungsraums kann der Auswechselvorgang der Kältemaschine vorgenommen werden, ohne dass das Vakuum des Kryostaten gebrochen werden muss. Der Wartungsvorgang gestaltet sich in dieser Weise besonders ein- fach und effektiv.
Die Flüssigkeit kann als ein Zweiphasengemisch vorliegen. Liegt die Flüssigkeit in dem Wärmerohr in zwei Phasen vor, so kann sich eine Zirkulation der Flüssigkeit in dem Wär- merohr einstellen, durch die gasförmige Flüssigkeit an dem kalten Ende des Wärmerohres kondensiert und flüssige Flüssigkeit an dem warmen Ende des Wärmerohres verdampft. Auf diese Weise kann die latente Wärme des Phasenübergangs zum Wärmetransport genutzt werden. Eine entsprechende Zirkula- tion kann sich aber auch in einer einphasigen Flüssigkeit auf Grund natürlicher, auf Dichteunterschieden basierender Konvektion einstellen.
Die Kälteanlage kann um eine Achse drehbar sein, welche im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse des Wärmerohres verläuft. Das Wärmerohr kann weiterhin in einem ersten Bereich, der mit dem warmen Verbindungselement verbunden ist, einen größeren Querschnitt aufweisen als in einem zweiten Bereich, der mit dem kalten Verbindungsele- ment verbunden ist. Die Teile des Wärmerohres, die den ersten und den zweiten Bereich miteinander verbinden, können derart ausgestaltet sein, dass in dem zweiten Bereich kondensiertes Kältemittel ungehindert unter dem Einfluss der Schwerkraft zu dem ersten Bereich gelangen kann. Eine Kälteanlage mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere vorteilhaft für bewegliche, in diesem Fall drehbar angeordnete zu kühlende Teile einer Einrichtung verwendet werden. Durch die spezielle Ausgestaltung des Wärmerohres wird auch bei einer Drehung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung jederzeit der thermische Kontakt zwischen der Kältemaschine und den zu kühlenden Teilen der Einrichtung gewährleistet .
Die Rohrleitung kann an ihren Enden nahe der Symmetrieachse des Wärmerohres mit dem Wärmerohr und der Außenseite des Kryostaten verbunden sein. Die Rohrleitung kann weiterhin in Verlaufsrichtung mindestens einen der Achse na- hen Zwischenbereich aufweisen. Durch eine Ausgestaltung der Rohrleitung, wie sie zuvor beschrieben ist, kann bei einer Drehung der zu kühlenden Teile einer Einrichtung verhindert werden, das Kältemittel durch die Rohrleitung bis an das warme Ende der Rohrleitung vordringt, welches außerhalb des Kryostaten befestigt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich eine Zirkulation des Kältemittels in der Rohrleitung zwischen dem innerhalb des Wärmerohres befindlichen tiefkalten Bereich und dem Ende der Rohrleitung, welches außerhalb des Kryostaten angebracht ist, stattfindet. Besonders vorteilhaft kann durch die zuvor beschriebene Ausgestaltung der Rohrleitung Wärmeverluste durch eine wie zuvor beschriebene Zirkulation des Kältemittels unterbunden werden.
- Der Zwischenbereich der Rohrleitung kann einen V-förmigen Verlauf in Richtung der Achse A aufweisen. Eine V-förmig gebogene Rohrleitung stellt eine besonders einfache und effektive Ausgestaltungsform der Rohrleitung dar.
- Das Wärmerohr kann im Wesentlichen in der Form eines Kegelstumpfes ausgestaltet sein. Durch eine Ausbildung des Wärmerohres in der Form eines Kegelstumpfes kann eine besonders einfache kostengünstige und effektive Form des Wärmerohrs angegeben werden.
Die Kälteanlage kann ein Zusatzkühlsystem umfassen, welches zumindest die folgenden Merkmale aufweist: Einen Kältemittelraum, welcher mit dem kalten Verbindungselement verbunden ist; eine Zuleitung, durch welche der Kältemittelraum von einem geodätisch höher gelegenen Ort außerhalb des Kryostaten mit einem zweiten Kältemittel befüllbar ist; ein Rohrleitungssystem, welches thermisch großflächig mit den zu kühlenden Teilen der Einrichtung verbunden ist und in welchen das zweite Kältemittel bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist; eine Abgasleitung, durch welche gasförmiges zweites Kältemittel aus dem Rohrleitungssystem entweichen kann. Durch ein Zusatzkühlsystem mit den zuvor genannten Merkmalen kann insbesondere bei großen zu kühlenden Massen eine Beschleunigung der Abkühlphase erreicht werden. Indem über die Zuleitung ein zweites Kältemittel von einem geodätisch höher gelegenen Ort außerhalb des Kryostaten in den Kältemittelraum gefüllt wird, wird zusätzliche Kühlleistung für die zu kühlenden
Teile einer Einrichtung bereitgestellt. Gegebenenfalls abdampfendes zweites Kältemittel kann über die Abgasleitung aus dem Rohrleitungssystem entweichen. Auf diese Weise wird die Bildung eines Überdruckes in dem Rohrleitungssys- tem verhindert. Innerhalb des Rohrleitungssystems kann das zweite Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkulieren und so für eine effektive Kühlung sorgen.
Die Verbindungselemente können aus einem gut wärmeleitfä- higen Material, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen. Das Wärmerohr kann aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit geringer als der von Kupfer, vorzugsweise aus Edelstahl, bestehen. Durch eine derartige Ausgestaltung der Verbindungselemente aus einem gut wärmeleitfähi- gen Material wie z.B. Kupfer, kann eine besondere effektive thermische Ankopplung sowohl an die Wärmesenke wie auch an die zu kühlenden Teile der Einrichtung erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohres ist vor allem durch das innerhalb des Wärmerohrs zirkulierende Kältemittel be- dingt. Wird das Wärmerohr selbst aus einem schlecht wärme- leitfähigen Material wie z.B. Edelstahl hergestellt, so kann durch Abpumpen des Kältemittels eine besonders starke Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Die Einrichtung kann eine Gantry-Vorrichtung zur Strahlentherapie sein, und die zu kühlenden Teile können die Magnete der Gantry zur Ablenkung eines Teilchenstrahls sein. Die erfindungsgemäße Kälteanlage ist für eine Gantry besonders geeignet, da die zu kühlenden Magnete um eine Rotationsachse der Gantry gedreht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuternden Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kälteanlage in leicht schematisierter Form angedeutet. Dabei zeigen deren Figur 1 den Querschnitt einer Kälteanlage,
Figur 2 den Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage und Figur 3 den Querschnitt einer rotierbaren Kälteanlage mit einem Zusatzkühlsystem.
Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit den- selben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kälteanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In einem Kryostaten 108 be- finden sich die zu kühlenden Teile 102 einer Einrichtung. Die zu kühlenden Teile 102 der Einrichtung können z.B. die Magnetwicklungen eines supraleitenden Magneten oder andere Teile der Supraleitungstechnik sein. Innerhalb des Kryostaten 108 ist zur Verbesserung der thermischen Isolierung ein Wärme- schild 112 angebracht. Die Kühlleistung für die zu kühlenden Teile 102 der Einrichtung wird durch eine Kältemaschine 109, z.B. einem Kaltkopf oder einen Stirlingkühler, zur Verfügung gestellt. Vorzugsweise kann ein Kaltkopf eingesetzt werden, der nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeitet. Eine solche zweistufige Kältemaschine kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit ihrer ersten Stufe 111 thermisch mit dem Wärmeschild 112 verbunden sein. Die Verbindung zwischen der ersten Stufe 111 der Kältemaschine 109 und dem Wärmeschild 112 kann vorzugsweise eine lösbare mechanische Verbindung, z.B. eine Schraub- oder Klemmverbindung sein, welche gleichzeitig einen guten thermischen Kontakt der Bauteile gewährleistet. Die zweite Stufe 110 der Kältemaschine 109 stellt die eigentliche Wärmesenke 104 der Kälteanlage 100 dar. Die zweite Stufe 110 der Kältemaschine 109 ist thermisch mit einem kalten Verbindungselement 103 verbunden. Die entsprechende Verbindung kann vorzugsweise eine Schraubverbindung sein. D.h. die Kältemaschine 109 wird mit ihrer zweiten Stufe 110 in das kalte Verbindungselement 103 lösbar eingeschraubt. Jede andere mechanische Verbindung, welche lösbar ist und gleichzeitig einen guten thermischen Kontakt zwischen der zweiten Stufe 110 der Kältemaschine 109 und dem kalten Verbindungselement 103 gewährleistet, ist ebenfalls für das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel geeignet. Die Verbindungselemente 101 und 103 können dabei ein Teil der zu kühlenden Teile 102 einer Einrichtung bzw. der Wärmesenke 104 sein. Sie können weiterhin in die entsprechenden Bauteile integriert sein oder dauerhaft fest mit diesen verbunden sein.
Die Kältemaschine 109 befindet sich teilweise in einem separat evakuierbaren Wartungsraum 113. Dieser Wartungsraum 113 ist von dem übrigen evakuierbaren Raum des Kryostaten 108 abgetrennt. Das kalte Verbindungselement 103 ist mit einem Wär- merohr 105 gut wärmeleitend und vorzugsweise auch mechanisch verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Wärmerohr 105 mit einem warmen Verbindungselement 101 verbunden. Diese Verbindung ist ebenfalls gut wärmeleitend ausgestaltet und kann vorzugsweise auch eine mechanische Verbindung sein. Das warme Verbindungselement 101 ist wiederum gut wärmeleitend mit den zu kühlenden Teilen 102 einer Einrichtung verbunden. Innerhalb des Wärmerohres 105 befindet sich eine Flüssigkeit 106, welche in dem Wärmerohr 105 gemäß einem Thermosiphonef- fekt zirkulieren kann. Das Wärmerohr 105 selbst besteht je- doch aus einem schlecht-wärmeleitenden Material.
Ist das Wärmerohr 105 vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt, so kann diese im oberen kalten Bereich des Wärmerohres 105, temperaturbedingt eine höhere Dichte annehmen als im unteren, wärmeren Bereich des Wärmerohres 105. Aufgrund der Dichteunterschiede der Flüssigkeit 106 kann sich in dem Wärmerohr 105 eine Zirkulation nach dem sog. Thermosiphoneffekt einstellen, welche einen Wärmetransport von den zu kühlenden Teilen 102 der Einrichtung zu der Wärmesenke 104 bewirkt.
Weiterhin kann das Wärmerohr 105 lediglich teilweise mit einer Flüssigkeit 106 gefüllt sein. In diesem Fall kann sich eine Zirkulation der Flüssigkeit 106 in zwei verschiedenen
Phasen einstellen, z.B. flüssig-gasförmig. Demgemäß wird gasförmige Flüssigkeit in dem Teil des Wärmerohres 105, welcher sich in thermischem Kontakt mit dem kalten Verbindungsstück 103 befindet, verflüssigt. Kondensierte Flüssigkeit 106 be- wegt sich schwerkraftgetrieben in den in Figur 1 weiter unten dargestellten Teil des Wärmerohres 105, welcher sich in thermischem Kontakt mit dem warmen Verbindungsstück 101 befindet. In diesem Teil des Wärmerohres 105 gibt die Flüssigkeit 106 die Kälteleistung an das warme Verbindungsstück 101 ab (und somit auch an die zu kühlenden Teile der Einrichtung 102) ab, woraufhin gasförmige Flüssigkeit 106 wieder in den oberen Teil des Wärmerohres aufsteigt. In diesem Fall wirkt das kalte Verbindungsstück 103 als Kondensator und das warme Verbindungsstück als Verdampfer. Auf diese Weise kann eine gute thermische Verbindung zwischen der Kältemaschine 109 bzw. dessen zweiter Stufe 110 und den zu kühlenden Teilen 102 einer Einrichtung gewährleistet werden.
Im Betrieb einer Kälteanlage 100 kann sich die Notwendigkeit ergeben, dass eine Kältemaschine 109 z.B. zu Wartungsarbeiten oder aufgrund eines Defekts ausgetauscht werden muss. Bevor die Kältemaschine 109 aus der Kälteanlage 100 entfernt wird, wird die Flüssigkeit 106, welche sich innerhalb des Wärmerohres 105 befindet, über eine nach außen führende Rohrleitung 107 abgepumpt. Es ist in vielen Fällen ausreichend, die Flüssigkeit 106 zum überwiegenden Teil aus dem Wärmerohr 105 abzupumpen; sie kann aber auch vollständig aus dem Wärmerohr 105 entfernt werden. Indem die Flüssigkeit 106 aus dem Wärme- rohr 105 entfernt wird, wird die Wärmeleitfähigkeit des Wärmerohres 105 erheblich herabgesetzt. Zwischen dem kalten Verbindungselement 103 und dem warmen Verbindungselement 101 findet im Folgenden eine Wärmeleitung lediglich infolge von Festkörperwärmeleitung über das Material des Wärmerohres 105 statt. Wird das Wärmerohr 105 aus einem schlecht wärmeleitenden Material wie z.B. Edelstahl hergestellt, kann die thermische Leitung zwischen den Verbindungselementen 101, 103 auf ein Minimum reduziert werden. Als Materialien für das Wärme- rohr 105 sind neben Edelstahl auch verschiedene Kunststoffe, Keramiken oder andere tieftemperaturgeeignete Werkstoffe verwendbar. Eine weitere Maßnahme zur Minimierung der Wärmeleitung ist, das Wärmerohr 105 besonders dünnwandig und/oder mit geringen geometrischen Ausmaßen zu fertigen.
Nachdem die Flüssigkeit 106 aus dem Wärmerohr 105 über die Rohrleitung 107 abgepumpt worden ist, kann der Wartungsraum 113 belüftet werden. Bedingt durch die in den Wartungsraum 113 einströmende Umgebungsluft beginnt sich das kalte Verbin- dungselement 103 sowie die vormals kalten Teile der Kältemaschine 109 zu erwärmen. Der Wartungsraum 113 kann ebenfalls mit einem speziellen Spülgas, wie z.B. getrocknete Luft, Stickstoff oder Helium geflutet werden. Nachdem der Wartungsraum 113 belüftet worden ist, kann die Kältemaschine 109 aus der Kälteanlage 100 entfernt werden. Das vormals tiefkalte Verbindungselement 103 ist von den übrigen immer noch tiefkalten Teilen, insbesondere dem warmen Verbindungselement 101 und den zu kühlenden Teilen 102 einer Einrichtung, thermisch entkoppelt und wird sich daher schnell auf eine Temperatur nahe der Raumtemperatur erwärmen. Da sich das kalte Verbindungselement 103, wie zuvor beschrieben, erwärmt, wird eine Eisbildung durch kondensierendes Gas wie vorzugsweise Umgebungsluft weitgehend vermieden. Beim Wiedereinsetzen der Kältemaschine 109 ist daher ein guter thermischer und mechani- scher Kontakt zwischen deren zweiter Stufe 110 und dem kalten Verbindungselement 103 gewährleistet. Supraleitende Magnetwicklungen sind insbesondere für Bestrahlungsanlagen geeignet, wie sie in der Teilchentherapie z.B. zur Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Solche supraleitenden Magnetwicklungen befinden sich bevorzugt in einer so genann- ten Gantry montiert, welche um eine festgelegte Achse rotierbar ist.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der allgemein mit 100 bezeichneten Kälteanlage, wobei die gesamte Kältean- läge 100 einschließlich der zu kühlenden Teile 102 um eine
Achse A rotierbar angeordnet sind. Gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Kälteanlage 100 befinden sich die zu kühlenden Teile 102 in einem Kryostaten 108, welcher zusätzlich einen Wärmeschild 112 aufweist. Die Kältemaschine 109 ist vorzugsweise bezüglich einer weiteren Achse B rotationssymmetrisch ausgestaltet. Die Kältemaschine 109 ist in einem Wartungsraum 113 untergebracht, welcher getrennt von dem Kryostaten 108 evakuierbar ist. Die erste Stufe 111 der Kältemaschine 109 ist mit dem Wärmeschild 112 verbunden, die zweite Stufe 104 der Kältemaschine 109 ist mit dem kalten
Verbindungselement 103 verbunden. Das Wärmerohr 105 befindet sich mit einem ersten Teil 202 in thermischer, vorzugsweise auch mechanischer Verbindung mit dem kalten Verbindungselement 103. Ein weiterer Teil 201 des Wärmerohres 105 befindet sich in thermischem, vorzugsweise auch mechanischem Kontakt mit dem warmen Verbindungselement 101. Der erste Teil 202 des Wärmerohres 105 weist einen geringeren Querschnitt als der zweite Teil 201 des Wärmerohres 105 auf. Der Teil 203 des Wärmerohres 105, welcher den ersten Teil 202 und den zweiten Teil 201 des Wärmerohres 105 verbindet, ist derart ausgestaltet, dass durch diesen Teil 203 kondensierte Flüssigkeit 106 infolge der Schwerkraft ungehindert von dem ersten Bereich 202 in den zweiten Bereich 201 gelangen kann. Das gesamte Wärmerohr 105 kann vorzugsweise die Form eines beidseitig ge- schlossenen Kegelstumpfes aufweisen. Ein solches Wärmerohr
105 kann weiterhin derart mit der Kältemaschine 109 verbunden sein, dass die Symmetrieachse des Kegelstumpfes mit der Achse B zusammenfällt. Im Bereich dieser Achse B ist eine Rohrleitung 107 mit dem Wärmerohr 105 verbunden. Durch diese Rohrleitung ist die Flüssigkeit 106 aus dem Wärmerohr 105 abpumpbar. Die Rohrlei- tung 107 weist eine derartige Form auf, dass etwaig von dem Wärmerohr 105 in die Rohrleitung 107 eintretende Flüssigkeit 106 nicht ungehindert zu dem äußeren, in Verbindung mit dem Kryostaten 108 stehenden Teil der Rohrleitung 107 gelangen kann. Zu diesem Zweck weist die Rohrleitung 107 einen in Richtung der Achse A gebogenen Teil 204 auf. Durch eine derartige Ausgestaltung des Rohres 107 kann auch bei einer Drehung der gesamten Kälteanlage 100 um die Achse A verhindert werden, dass Flüssigkeit 106 durch die Rohrleitung 107 in ständigen Kontakt mit dem äußeren Teil der Rohrleitung 107 tritt.
Wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, kann die Flüssigkeit 106 aus dem Wärmerohr 105 durch die Rohrleitung 107 abgepumpt werden. Auf diese Weise wird eine thermische Tren- nung zwischen den zu kühlenden Teilen 102 einer Einrichtung und der Wärmesenke 104 erreicht. Um auch bei einer solchen um eine Achse A drehbaren Kälteanlage 100 die Kältemaschine 109 z.B. zu Wartungsarbeiten austauschen zu können, wird nach Abpumpen der Flüssigkeit 106 der Arbeitsraum 113 belüftet. Für den Fall, dass der Wärmeschild 112 eine starre Verbindung mit dem Kryostaten 108 aufweist, können die Teile des Arbeitsraumes 113, die zwischen dem Befestigungsflansch der ersten Stufe 111 der Kältemaschine mit dem Wärmeschild 112 und dem Kondensator 103 angeordnet sind, flexibel ausgestaltet sein. Ei- ne derartige flexible Ausgestaltung kann z.B. mit Hilfe eines Faltenbalges erfolgen. Um eine Trennung zwischen der zweiten Stufe 110 der Kältemaschine 109 und dem Kondensator 103 zu ermöglichen, kann der Kondensator 103 aufgrund einer flexiblen Ausgestaltung des Wärmerohres 105 entlang der Achse B be- wegbar sein. Das Wärmerohr 105 kann zu diesem Zweck ebenfalls einen Faltenbalg aufweisen. Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer allgemein mit 100 bezeichneten Kälteanlage. Die in Figur 3 dargestellte Kälteanlage 100 ist gegenüber derjenigen, welche in Figur 2 dargestellt ist, um ein zusätzliches Kühlsystem er- weitert. Ein Kältemittelraum 301 befindet sich in thermischem, vorzugsweise auch mechanischem Kontakt mit dem kalten Verbindungselement 103. Dieser Kältemittelraum 301 ist durch eine Zuleitung 302 von einem geodätisch höher liegenden Ort befüllbar. Als Kältemittel kann ein gleiches oder ähnliches Kältemittel verwendet werden, wie es auch für das Wärmerohr 105 verwendet wird. Verwendbar sind z.B. Helium, Neon oder auch Stickstoff. An den Kältemittelraum 301 ist ein Rohrleitungssystem 303 angeschlossen, welches großflächig mit den zu kühlenden Teilen 102 einer Einrichtung verbunden ist. Auf diese Weise kann zusätzliche Kälteleistung an die zu kühlenden Teile 102 einer Einrichtung gebracht werden. Auf diese Weise können die Abkühlzeiten z.B. für einen supraleitenden Magneten deutlich verringert werden. Gegebenenfalls in dem Rohrleitungssystem 303 verdampfendes Kältemittel kann über eine Abgasleitung 304 aus dem Rohrleitungssystem 303 entweichen. Auf diese Weise wird ein Überdruck in dem Rohrleitungssystem 303 vermieden.
Die Zusatzkühleinrichtung kann z.B. derart eingesetzt werden, dass die zu kühlenden Teile 102 einer Einrichtung zunächst mit Stickstoff, welcher preiswert und gut verfügbar ist, vorgekühlt werden, bevor mit Hilfe der Kältemaschine 109 die zu kühlenden Teile 102 auf noch tiefere Temperaturen abgekühlt werden. Für den Einsatz der Zusatzkühleinrichtung ist es technisch notwendig, die Kälteanlage 100 in ihrer möglichen Rotation um die Achse A zu stoppen oder zumindest derart langsam zu bewegen, dass sich in dem Rohrleitungssystem 303 ein schwerkraftgetriebener Kältemittelkreislauf, welcher auf einem Thermosyphon-Effekt beruht, einstellen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Kälteanlage (100) mit mindestens a. einem warmen Verbindungselement (101), welches mit zu küh- lenden Teilen (102) einer Einrichtung thermisch verbunden ist, b. einem kalten Verbindungselement (103), welches thermisch mit einer Wärmesenke (104) verbunden ist, c. einem Wärmerohr (105) aus schlecht-wärmeleitendem Materi- al, welches an einem ersten Ende mit dem warmen Verbindungselement (101) und an einem zweiten Ende mechanisch lösbar mit dem kalten Verbindungselement (103) verbunden ist und dessen Innenraum zumindest teilweise mit einer nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbaren Flüssigkeit (106) gefüllt ist, und d. einer Rohrleitung (107), die an einem ersten Ende mit dem Innenraum des Wärmerohrs (105) verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass zumindest Teile der Rohrleitung (107) geodätisch höher als der Flüssigkeitsspiegel liegen, e. wobei zu einer thermischen Trennung der Verbindungselemente (101, 103) die Flüssigkeit (106) über die Rohrleitung (107) abpumpbar ist.
2. Kälteanlage (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die zu kühlenden Teile (102) der Einrichtung in einem evakuierbaren Kryostaten (108) angeordnet sind und das zweite Ende der Rohrleitung (107) außerhalb des Kryostaten (108) liegt.
3. Kälteanlage (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrstufige Kältemaschine (109) mit einer ersten Stufe (111) und einer zweiten Stufe (110) vorhanden ist, wobei die Wärmesenke (104) von der zweiten Stufe (110) ausgebildet ist, und die erste Stufe (111) mechanisch lösbar mit einem innerhalb des Kryostaten (108) angeordneten Wärmeschild (112) verbunden ist.
4. Kälteanlage (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Kältemaschine (109) in einem von dem evakuierbaren Kryostaten (108) abgetrennten, evakuierbaren Wartungsraum (113) auswechselbar angebracht sind.
5. Kälteanlage (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (106) als ein Zweiphasengemisch vorliegt.
6. Kälteanlage (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass a. eine Drehbarkeit um eine Achse (A) vorgesehen ist, welche im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieachse (B) des Wärmerohres (105) verläuft, und b. das Wärmerohr (105) in einem ersten Bereich (201), der mit dem warmen Verbindungselement (101) verbundenen ist, einen größeren Querschnitt aufweist als in einem zweiten Bereich (202), der mit dem kalten Verbindungselement (103) verbundenen ist, und die Teile (203) des Wärmerohres, die den ersten (201) und den zweiten Bereich (202) miteinander verbindenden, derart ausgestaltet sind, dass in dem zweiten Bereich (202) kondensiertes Kältemittel (106) ungehindert unter dem Einfluss der Schwerkraft in den ersten Bereich (201) gelangen kann.
7. Kälteanlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (107) an ihren Enden nahe der Symmetrieachse
(B) des Wärmerohres (105) mit dem Wärmerohr (105) und der Außenseite des Kryostaten (108) verbunden ist, und die Rohrlei- tung (107) in Verlaufsrichtung mindestens einen der Achse (A) nahen Zwischenbereich (204) aufweist.
8. Kälteanlage gemäß Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (204) in Verlaufsrichtung der Rohrleitung (107) eine V-förmige Biegung in Richtung der Achse (A) aufweist.
9. Kälteanlage gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (105) im Wesentlichen in der Form eines Kegelstumpfes ausgebildet ist.
10. Kälteanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Zusatzkühlsystem, umfassend a. einen mit dem kalten Verbindungselement (103) verbundenen Kältemittelraum (301), b. eine Zuleitung (302), durch welche der Kältemittelraum (301) von einem geodätisch höher gelegenen Ort außerhalb des Kryostaten (108) mit einem zweiten Kältemittel befüll- bar ist, c. ein Rohrleitungssystem (303), welches thermisch großflächig mit den zu kühlenden Teilen der Einrichtung (102) verbunden ist und in welchem das zweite Kältemittel bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist, und d. eine Abgasleitung (304), durch welche gasförmiges zweites Kältemittel aus dem Rohrleitungssystem (303) entweichen kann .
11. Kälteanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (101, 103) aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen.
12. Kälteanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (105) aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit geringer als die von Kupfer, vorzugsweise aus Edelstahl, besteht.
13. Kälteanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung supraleitende Teile enthält.
14. Kälteanlage gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Gantry- Vorrichtung zur Strahlentherapie ist.
15. Kälteanlage gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden Teile (102) Magnete, vorzugsweise supraleitende Magnete, zur Ablenkung eines Teilchenstrahls sind.
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