NL1001506C2

NL1001506C2 - Koeler voor het verkrijgen van cryogene temperaturen.

Info

Publication number: NL1001506C2
Application number: NL1001506A
Authority: NL
Inventors: Tomomi Kaneko; Rohana Chandratilleke; Toru Kuriyama
Original assignee: Toshiba Kk
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-26
Publication date: 1997-05-13
Also published as: CN1083563C; US5842348A; JP3265139B2; NL1001506A1; GB2294534A; GB2294534B; GB9521877D0; JPH08128742A; CN1130250A; KR0175113B1; KR960014840A

Description

Korte aanduiding : Koeler voor het verkrijgen van cryogene tempe raturen.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een cryogene 5 koeler voor het koelen van een voorwerp, zoals een supergeleidende magneetinrichting op zeer lage temperaturen.

In een gebruikelijke supergeleidende magneetinrichting, welke gebruik maakt van een supergeleidende wikkeling wordt de supergeleidende wikkeling gekoeld tot een overgangstemperatuur voor super-10 geleiding of daaronder door een werkwijze, waarin de supergeleidende wikkeling rechtstreeks is ondergedompeld in een koelmiddel, zoals een vloeibaar helium of door een werkwijze, waarin een van een koel-inrichting voorziene cryogene inrichting wordt gebruikt.

Figuur 1 toont de constructie van een gebruikelijke 15 cryogene koeler.

De cryogene koeler omvat een vacuümhouder 2, een binnen de vacuümhouder 2 opgestelde supergeleidende wikkeling 1 voor het opwekken van een noodzakelijk magnetisch veld nabij de hartlijn van de koeler en een koel inrichting 4 voor het koelen van de supergeleidende 20 wikkeling 1. De koel inrichting 4 omvat een aandrijfeenheid 4a, een cylinder 9 aan de hoge temperatuur zijde, een hoge temperatuur koel-trap 7, een cylinder 6 aan de lage temperatuur zijde, een lage temperatuur koeltrap 5, en een warmte geleidende plaat 3.

De supergeleidende wikkeling 1 is op zijn plaats bevestigd 25 door de lage temperatuur koeltrap 5 van de koel inrichting 4 nabij het centrale gedeelte van de vacuümhouder 2, terwijl de warmte geleidende plaat 3 tussen de wikkeling 1 en de koeltrap 5 is opgesteld. De wikkeling 1 wordt gekoeld op ongeveer 4 K door de lage temperatuur koeltrap 5.

30 De lage temperatuur koeltrap 5 is aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigd op een bepaalde afstand, met de cylinder 6 van de lage temperatuur zijde van de koel inrichting 4 opgesteld tussen de koeltrap 5 en koeltrap 7. Een thermisch schild 8, dat de supergeleidende wikkeling afschermt van omgevingswarmtestraling is aange-35 bracht binnen de vacuümhouder 2. Een meerlaags warmte-isol erend orgaan is om het thermisch schild 8 gewikkeld.

1 c o .· Λ - .

2

Het thermisch schild 8 wordt door de hoge temperatuur koeltrap 7 van de koel inrichting afgekoeld tot een temperatuur van blijvende toestand. De hoge temperatuur koeltrap 7 is met de aandrijf-eenheid 4a van de koel inrichting verbonden, terwijl de cylinder 9 van 5 de hoge temperatuur zijde daartussen is opgesteld.

Een leiding 10 voor voorkoeling van de supergeleidende wikkeling 1 en het thermisch schild 8 door vloeibaar stikstof is aangebracht in contact met de buitenomtrek van de supergeleidende wikkeling 1 en de buitenomtrek van het thermisch schild 8.

10 Een werkwijze voor het koelen van de supergeleidende magneetinrichting onder gebruikmaken van de cryogene koeler welke de bovenstaande constructie heeft zal nu worden beschreven.

Eerst wordt de supergeleidende wikkeling 1 van de supergeleidende magneetinrichting afgekoeld door de lage temperatuur 15 koeltrap 5 van de koel inrichting 4.

In dit geval is de koelcapaciteit van de lage temperatuur koeltrap 5 van de koel inrichting 4 laag. Ten einde de supergeleidende wikkeling 1 doelmatig af te koelen van kamertemperatuur tot zeer lage temperaturen wordt dus algemeen een koelmiddel, zoals vloeibaar 20 stikstof in combinatie gebruikt.

Meer in het bijzonder wordt de supergeleidende wikkeling 1 afgekoeld vanaf kamertemperatuur tot ongeveer 77 K, overeenkomend met verzadiging van vloeibaar stikstof door in de voorkoelleiding 10 stromende vloeibare stikstof. Dan wordt de wikkeling 1 op een lagere 25 temperatuur afgekoeld, bijvoorbeeld tot 4 K door middel van de lage temperatuur koeltrap 5 alleen van koel inrichting 4.

Anderzijds wordt het thermisch schild 8 van kamertemperatuur tot temperatuur van blijvende toestand afgekoeld door de hoge temperatuur koeltrap 7 van de koel inrichting 4 onder het daarbij 30 verminderen van warmtestraling van kamertemperatuur-omgeving naar de supergeleidende wikkeling 1,

Nadat de supergeleidende wikkeling 1 en thermisch schild 8 ieder zijn afgekoeld tot temperatuur van blijvende toestand wordt een elektrische stroom toegevoerd vanaf een stroomleiding en wordt een 35 noodzakelijk magnetisch veld door de supergeleidende wikkeling 1 opgewekt.

1 o e :: ·'· f.' 3

In de leiding 10 toegevoerde vloeibare stikstof wordt slechts gebruikt op het tijdstip van voorkoeling van het thermisch schild 8 en supergeleidende wikkeling 1. In de normale wijze van werking van de supergeleidende magneet is de leiding 10 in een vacuüm-5 toestand geplaatst en wordt de supergeleidende toestand van de supergeleidende wikkeling 1 slechts door de koel inrichting 4 gehandhaafd.

Bij het koelen van de supergeleidende wikkeling 1 onder gebruikmaken van de bovenstaande cryogene koelmiddelen is een koel-middel zoals vloeibaar stikstof benodigd voor iedere voorkoel-10 handeling. Het gebruiken van de magneetinrichting is dus tijdrovend in de gevallen, dat een magnetisch veld in verhoudingsgewijs korte tijd moet worden opgewekt, of het magnetisch veld veelvuldig moet worden opgewekt.

Zelfs indien de supergeleidende wikkeling 1 door de 15 koel inrichting wordt afgekoeld vanaf kamertemperaturen wordt een lange koel tijd vereist, omdat de koelcapaciteit van de lage temperatuur koeltrap zeer laag is.

De huidige uitvinding is gemaakt onder het beschouwen van de bovenstaande omstandigheden, en een oogmerk daarvan is een cryogene 20 koeler te verschaffen, welke een thermische schakelaar heeft, waarin koeling efficiënt kan worden uitgevoerd in een gebied vanaf kamertemperatuur naar een lagere temperatuur zonder gebruikmaken van een koelmiddel voor het afkoelen van een voorwerp, zoals een supergeleidende wikkeling.

25 In overeenstemming met een aspect van de uitvinding is er een cryogene koeler verschaft voorzien van een vacuümhouder voor het bevatten van een te koelen voorwerp, en ten minste een koel inrichting voor het koelen van het voorwerp waarbij de koel inrichting is uitgerust met een hoge temperatuur koeltrap en een lage temperatuur 30 koeltrap opgesteld op een bepaalde afstand van elkaar met een cylinder van lage temperatuur zijde tussen beide trappen opgesteld, en waarin de cryogene koeler verder een thermische schakelaar omvat, die is voorzien van: ten minste een warmte-overdrachtorgaan aan de hoge tempe-35 ratuur zijde bevestigd aan de hoge temperatuur koeltrap van de koel-inrichting; 10015 f ·?.

4 ten minste een warmte-overdrachtorgaan aan de lage temperatuur zijde, bevestigd aan de lage temperatuur koeltrap van de koel inrichting, ten minste een warmte-overdrachtorgaan aan de lage temperatuur zijde opgesteld zijnde om te zijn gelegen tegenover ten 5 minste een warmte-overdrachtorgaan aan de hoge temperatuur zijde met een kleine afstand daartussen; en een afgedichte houder voor het bevatten van ten minste een warmte-overdrachtorgaan van de hoge temperatuur zijde en ten minste een warmte-overdrachtorgaan van de lage temperatuur zijde, waarbij de 10 afgedichte houder gevuld is met een cryogeen gas voor warmtegeleiding tussen ten minste een warmte-overdrachtorgaan aan de hoge temperatuur zijde en ten minste een warmte-overdrachtorgaan aan de lage temperatuur zijde.

In overeenstemming met de cryogene koel inrichting van de 15 huidige uitvinding wordt de thermische schakelaar ingeschakeld bij warmte-overdracht via het in de spleten tussen de warmte-overdracht-organen gevulde gas. Indien de temperatuur van het gas het kookpunt en dan een tripel-punt bereikt wordt het gas gestold en wordt het warmtetransport tussen de warmte-overdrachtorganen slechts tot een klein 20 warmtetransport door straling beperkt. Als resultaat wordt de thermische schakelaar uitgeschakeld. Het voorwerp kan daardoor worden gekoeld door alleen de koel inrichting van de cryogene koeler.

Aanvullende oogmerken en voordelen van de uitvinding zullen in de onderstaande beschrijving worden uiteengezet en zullen ten 25 minste gedeeltelijk duidelijk zijn uit de beschrijving of kunnen door toepassing van de uitvinding worden geleerd. De oogmerken en voordelen van de uitvinding kunnen worden gerealiseerd en verkregen door middel van de instrumentatie en combinaties die in het bijzonder uiteengezet zijn in de onderconclusies.

30 De bijgaande tekeningen, die zijn opgenomen in en een deel vormen van de beschrijving tonen momenteel de voorkeur gegeven uitvoeringsvormen van de uitvinding en dienen tezamen met de hierboven gegeven algemene beschrijving en de hieronder gegeven gedetailleerde beschrijving van de de voorkeur gegeven uitvoeringsvormen voor het 35 uiteenzetten van de principes van de uitvinding.

1001500/ 5

Figuur 1 toont de constructie van een gebruikelijke cryogene koeler;

Figuur 2 toont de constructie van een cryogene koeler volgens een eerste uitvoeringsvorm van de huidige uitvinding; 5 Figuur 3 toont de constructie van een thermische schakelaar in het eerste uitvoeringsvoorbeeld;

Figuur 4 is een grafiek, welke de verhouding weergeeft tussen de thermische weerstand van de thermische schakelaar en temperatuur; 10 Figuur 5 toont de constructie van een cryogene koeler in overeenstemming met een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Figuur 6 toont de constructie van een thermische schakelaar waarin contact verhinderende organen 31 zijn aangebracht tussen een warmte-overdrachtorgaan aan de hoge temperatuur zijde en een warmte-15 overdrachtorgaan aan de lage temperatuur zijde;

Figuur 7 is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie van een thermische schakelaar, die voorzien is van een cylindrische houder, waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen radiaal zijn opgesteld; 20 Figuur 8 is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie voor een thermische schakelaar welke een prismatische gevormde houder heeft, waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen radiaal zijn opgesteld;

Figuur 9A is een perspectivisch aanzicht, dat een 25 thermische schakelaar toont, die voorzien is van een prismatisch gevormde houder waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld;

Figuur 9B is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie van een thermische schakelaar, die voorzien is van een 30 prismatisch gevormde houder waarin plaatvormige warmte-overdracht organen parallel zijn opgesteld;

Figuur 10A is een perspectivisch aanzicht, dat een thermische schakelaar toont, die voorzien is van een prismatisch gevormde houder waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen parallel 35 zijn opgesteld; 1 0 0 1 5 06.

6

Figuur 10B is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie voor een thermische schakelaar, die voorzien is van de prismatisch gevormde houder waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld; 5 Figuur 11A is een perspectivisch aanzicht, welke een cylindrische thermische schakelaar toont, waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld;

Figuur 11B is een aanzicht voor het beschrijven van een cylindrische prismatische thermische schakelaar waarin kamvormige 10 warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld;

Figuur 12A is een perspectivisch aanzicht, dat de constructie toont van een thermische schakelaar, die voorzien is van een prismatisch gevormde houder waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld; 15 Figuur 12B is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie van een thermische schakelaar, die een prismatisch ge vormde houder heeft waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld;

Figuur 13A is een perspectivisch aanzicht, dat de 20 constructie toont van een cylindrische thermische schakelaar waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld;

Figuur 13B is een aanzicht voor het beschrijven van de constructie van een cylindrische thermische schakelaar waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld; 25 Figuur 14A is een perspectivisch aanzicht, dat de constructie toont van een cylindrische thermische schakelaar waarin schroeflijnvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld; en

Figuur 14B is een aanzicht voor het beschrijven van de 30 constructie van een cylindrische thermische schakelaar waarin schroeflijnvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld.

Cryogene koelers volgens de de voorkeur gegeven uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen nu met verwijzing naar de bijgaande tekeningen worden beschreven.

10 015 C .

35 7

Eerste uitvoeringsvorm

Figuur 2 toont de constructie van een cryogene koeler in overeenstemming met een eerste uitvoeringsvorm van de huidige uitvinding. De constructieve elementen, die overeenkomen met de in figuur 5 1 weergegeven constructieve elementen zijn met dezelfde verwijzings- cijfers aangeduid als in figuur 1.

Zoals weergegeven in figuur 2 wordt de cryogene koeler van dit uitvoeringsvoorbeeld gekenmerkt doordat een thermische schakelaar 20 is aangebracht tussen de lage temperatuur koel trap 5 van de koel-10 inrichting 4 voor het koelen van de supergeleidende wikkeling 1 en de hoge temperatuur koel trap 7 voor het koelen van het thermische schild 8.

Figuur 3 toont een gedetailleerde constructie van de thermische schakelaar 20, die coaxiaal is opgesteld met de cylinder 6 15 aan de lage temperatuur zijde van koel inrichting 4.

Zoals weergegeven in figuur 3 is een eindplaat 21 bevestigd aan de hoge temperatuur koeltrap 7 van koel inrichting 4, en is een eindplaat 22 bevestigd aan de lage temperatuur koeltrap 5 rondom de cylinder 6 van de lage temperatuur zijde.

20 Een cylindrisch orgaan 23 is aangebracht rondom de cylinder 6 aan de lage temperatuur zijde en is ten minste nagenoeg loodrecht bevestigd op dat zijoppervlak van de eindplaat 21, dat gekeerd is naar de eindplaat 22. Een aantal cylindrische organen 23 met verschillende diameters zijn in hoofdzaak loodrecht bevestigd aan dat zijoppervlak 25 van de eindplaat 22, dat gekeerd is naar de eindplaat 21.

De oppervlakken van de cylindrische organen 23 zijn uitgevoerd als gepolijste oppervlakken, zodat overdracht van stralingswarmte tussen het aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische orgaan 23 en de aan de lage temperatuur koeltrap 30 5 bevestigde cylindrische organen 23 klein zal zijn.

De aan de lage temperatuur koeltrap 5 en hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 zijn zodanig opgesteld, dat er een kleine afstand tussen deze organen is. De ruimte waarin de cylindrische organen 23 zijn opgesteld vormt een hermetisch afgesloten 35 houder 26, die wordt begrensd door een binnenwand 24 en een buitenwand 25.

10 Cl?': δ

De thermische schakelaar is een afgedichte houder, die is voorzien van coaxiaal opgestelde dunne cylindrische warmte-overdracht-organen. De binnenwand 24 en buitenwand 25 van de afgedichte houder zijn bevestigd aan de hoge temperatuur koel trap 7 en lage temperatuur 5 koeltrap 5 van koel inrichting 4 met de eindplaten 21 en 22 ertussen geplaatst.

Indien de temperatuur van de hoge temperatuur koeltrap 7 lager wordt dan die van de lage temperatuur koeltrap 5 is het dienovereenkomstig noodzakelijk warmtegeleiding van de hoge temperatuur 10 koeltrap 7 naar de lage temperatuur koeltrap 5 te verhinderen.

Voor dit doel is het noodzakelijk de binnenwand 24 en buitenwand 25 van de thermische schakelaar te vormen uit een materiaal met lage thermische geleidbaarheid, noodzakelijk om hun dikte te verminderen en zo veel als mogelijk de afstand voor warmtegeleiding 15 tussen de hoge temperatuur koeltrap 7 en de lage temperatuur koeltrap 5 te vergroten.

De binnenwand 24 en buitenwand 25 van de thermische schakelaar zijn in deze uitvoeringsvorm gevormd uit roestvast staal of titaan. In aanvulling zijn de binnenwand 24 en buitenwand 25 zodanig 20 gevormd, dat zij een balgconstructie hebben met een dikte van ongeveer 1 mm waardoor de afstand van warmtegeleiding tussen de hoge tempe ratuur koeltrap 7 en de lage temperatuur koeltrap 5 wordt vergroot.

De afgedichte houder 26 is gevuld met een gas 27, zoals stikstofgas. Aangezien de eindplaten 21 en 22 en cylindrische organen 25 23 uit een metaal zijn gevormd, zoals zuurstofvrij hoog thermisch geleidend koper, worden de temperaturen van de eindplaat 21 en van aan de eindplaat 21 bevestigde cylindrische organen 23 nagenoeg gelijk aan de temperatuur van de hoge temperatuur koeltrap 7.

Op soortgelijke wijze worden de temperaturen van de 30 eindplaat 22 en aan de eindplaat 22 bevestigde cylindrische organen 23 nagenoeg gelijk aan de temperatuur van de lage temperatuur koeltrap 5.

Een werkwijze voor het koelen van de supergeleidende magneetinrichting onder gebruikmaken van de cryogene koeler, welke de bovenstaande constructie heeft, zal nu worden beschreven.

35 Indien het koelen van de supergeleidende wikkeling 1 door de koel inrichting 4 vanaf kamertemperatuur op gang wordt gebracht 10 0'',·'.

9 wordt de thermische plaat 8, die in contact is geplaatst met de hoge temperatuur koeltrap 7, die een hoge koelcapaciteit heeft, het eerst gekoeld. De temperatuur van de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cilindrische organen 23 van de thermische schakelaar 5 vermindert ook geleidelijk.

Anderzijds blijft de supergeleidende wikkeling 1, die in aanraking is geplaatst met de lage temperatuur koeltrap 5, die een lage koelcapaciteit heeft, nagenoeg op de kamertemperatuur. De temperatuur van de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylin- 10 drische organen 23 van de thermische schakelaar 20 van koel inrichting 4 is lager dan die van de aan de onderste koeltrap 5 bevestigde cylindrische organen 23 van de thermische schakelaar 20 van de koel-inrichting 4.

In deze situatie wordt warmte vanaf de cylindrische organen 15 23 van de lage temperatuur koeltrap 5 via het gas overgebracht naar de cylindrische organen 23 van de hoge temperatuur koeltrap 7. De warmteoverdracht via het gas gaat door totdat het ingevulde gas vloeibaar wordt gemaakt en dan gestold.

De warmtegeleiding via het gas zal nu worden beschreven.

20 Indien de temperatuur van de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 het kookpunt van het gevulde gas nadert begint het gas vloeibaar te worden. Zo lang de temperatuur van de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 boven het kookpunt van het gevulde gas is 25 wordt de warmtegeleiding hoofdzakelijk bewerkstelligd via het medium in de gasfase.

Indien het vloeibaar worden van het gas begint wordt warmtetransport via vloeistofdruppels bewerkstelligd. In het bijzonder vallen druppels van het vloeibaar gemaakte gas op de aan de lage 30 temperatuur koeltrap 5 bevestigde eindplaat 22 en de druppels vloeibaar gemaakt gas worden weer verdampt bij de lage temperatuur koeltrap 5, welke een hogere temperatuur heeft dan de temperatuur van de hoge temperatuur koeltrap 7.

Indien het vloeibaar gemaakte gas wordt verdampt wordt 35 warmte geabsorbeerd als latente warmte van de cylindrische organen 23 van de lage temperatuur koeltrap 5, welke op een hoge temperatuur is.

1 0 0 1 5 0 6 10

Het verdampte gas wordt opnieuw vloeibaar gemaakt door de aan de hoge temperatuur koel trap 7 bevestigde een lage temperatuur bezittende cylindrische organen 23 en warmte wordt overgebracht op de aan de hogere temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 5 23.

Totdat het gevulde gas is gestold wordt warmtetransport vanaf de aan de lage temperatuur koeltrap 5 bevestigde cylindrische organen 23 aan de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 voortgezet via de druppels van het vloeibaar 10 gemaakte gas. In dit geval wordt, totdat de temperatuur van het vloeibaar gemaakte gas het stollingspunt bereikt, het warmtetransport in hoofdzaak bewerkstelligd via herhaalde fasewisseling van het gevulde gas.

Het warmtetransport via het in de afgedichte houder 26 15 gevulde gas 27 is voltooid indien de temperatuur van de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 het kookpunt van het gas bereikt indien het gas vloeibaar wordt gemaakt, en gaat onder het tripel-punt naar het stollingspunt, indien het gas 27 wordt gestold.

20 Indien het gas 27 in de gasfase is zijn de hoge temperatuur koeltrap 7 en lage temperatuur koeltrap 5 thermisch met elkaar verbonden via warmte-geleiding door het in de thermische schakelaar gevulde gas, dat is gelegen tussen beide trappen 7 en 5, d.w.z. de thermische schakelaar is in de "ingeschakelde" stand ingesteld.

25 Indien het gas is gestold is een vacuümruimte tot stand gebracht tussen de trappen 7 en 5. De hoge temperatuur koeltrap 7 en lage temperatuur koeltrap 5 zijn dus thermisch van elkaar ontkoppeld, d.w.z. de thermische schakelaar is ingesteld in de "uitgeschakelde" stand.

30 Zoals hierboven beschreven heeft de afgedichte houder 26 geen verbinding met buiten de afgedichte houder 26 tijdens een werking van een thermische schakelaar.

Daarna wordt het thermisch schild 8 gekoeld door de hoge temperatuur thermische koeltrap 7 resp. de supergeleidende wikkeling 35 door de lage temperatuur koeltrap 5 gekoeld op temperaturen van blijvende toestand.

1001506 10a

De hoeveelheid Q van warmtegeleiding van punt A naar punt B in een geleidend medium wordt uitgedrukt door Q = λ · S · (tl - t2)/Δχ ...(1) 1001506 11 waarin tl = de temperatuur bij punt A, t2 = de temperatuur bij punt B, Δχ = de afstand tussen voorwerpen A en B, S = het warmtegeleidingsoppervlak, en 5 λ = de thermische geleidbaarheid.

Indien deze vergelijking wordt toegepast bij de huidige uitvoeringsvorm is tl de temperatuur van de aan de koel trap 5 aan de lage temperatuur zijde bevestigde cylindrische organen 23, is t2 de temperatuur van de aan de hoge temperatuur koel trap 7 bevestigde 10 cylindrische organen 23, is Δχ de gasspleet tussen twee naburige cylindrische organen 23, is S het oppervlakgebied van de cylindrische organen, en is λ de thermische geleidbaarheid van het gas.

Indien thermische weerstand K wordt uitgedrukt door K = Δχ/(Λ · S) ...(2) 15 vereenvoudigt vergelijking (1) tot KQ = tl - t2 ...(3).

Uit vergelijking (3) wordt het begrepen, dat het temperatuurverschil (tl - t2) toeneemt indien de waarde K toeneemt, of indien de geleide warmte Q toeneemt.

20 Figuur 4 toont de verhouding tussen de thermische weerstand van de thermische schakelaar en temperatuur indien stikstof wordt gebruikt.

Zoals weergegeven in figuur 4 neemt de thermische weerstand een weinig toe in het gebied van temperaturen van kamertemperatuur 25 (300 K) naar het kookpunt van stikstof, d.w.z. ongeveer 70 K. Het warmtetransport werd bewerkstelligd via warmtegeleiding door ongeveer een stikstofgastemperatuur van ongeveer 70 K. De warmteweerstand neemt steil af indien de nabijheid van 70 K. De reden hiervoor is, dat de thermische schakelaar als een warmtepijp begint te werken. Dat wil 30 zeggen warmte-overdracht via vloeibaar gemaakte stikstof treedt op.

Indien de temperatuur van de schakelaar behoorlijk omlaag gaat begint het vloeibaar gemaakte stikstof geleidelijk te bevriezen. Dientengevolge wordt de werking van de warmtepijp verminderd en neemt de thermische weerstand steil toe. Indien vloeibaar gemaakt gas geheel 35 is bevroren is de schakelaar in de "uitgeschakelde" stand geplaatst.

1 ü ' 'i : 12

Zoals begrepen uit vergelijkingen (2) en (3) is het, opdat de lage temperatuur koeltrap 5 van de koel inrichting zo snel mogelijk wordt gekoeld, noodzakelijk de spleet tussen de naburige cilindrische organen 23 van de thermische schakelaar zo veel als mogelijk te 5 verminderen. Tengevolge van fabricage-beperkingen is de spleet tussen de cylindrische organen van de thermische schakelaar volgens de in figuur 2 weergegeven uitvoeringsvorm op ongeveer 1 mm gezet.

In figuur 3 is een geschikte afstand C zo verschaft, dat het vloeibaar gemaakte en gestolde gas, dat verzameld is bij het 10 onderste gebied, de cylindrische organen 23 niet kan koppelen, hetgeen warmtegeleiding zou toestaan.

De keuze van het gas met betrekking tot de hierboven vermelde thermische geleidbaarheid zal nu worden beschreven.

De "uitschakel" temperatuur van de thermische schakelaar, 15 d.w.z. de temperatuur bij welke warmtegeleiding vanaf de aan de lage temperatuur koeltrap 5 bevestigde cylindrische organen 23 naar de aan de hoge temperatuur koeltrap 7 bevestigde cylindrische organen 23 voltooid is, kan worden geregeld door het kookpunt van het gas 27. Met andere woorden wordt de temperatuur, waarbij de thermische schakelaar 20 wordt uitgeschakeld, bepaald door het gekozen gas.

Tabel 1 toont de kookpunten van sommige gebruikelijke gassen, die kookpunten onder kamertemperatuur hebben.

1001506 13

Tabel 1 __Kookpunten (K) Tripel-punten (K) n-H,__20,28__13,81_

Ne__27,10__24,55 5 _N__77,34__63,14 CO__81,67__68,09_

Ar__87,26__83,82_ CH„__111,67__90,67 NO__121,4__109,5_ 10 _CF^__145,2__8M_ _Oj__161,3__80^5_ CC IF,__191,7__92_j_0_ CH,C1__248,9__175,4_ CH,Br 276,7 179,5 15

De temperatuur van de lage temperatuur koel trap 5 van koel inrichting 4 gaat sterker omlaag dan die van de hoge temperatuur koeltrap 7, maar heeft een lagere koelcapaciteit. Ten einde de supergeleidende wikkeling 1 efficiënt en snel te koelen is het dienovereen-20 komstig noodzakelijk gebruik te maken van de hoge temperatuur koeltrap 7 als een hulpkoelorgaan totdat de temperatuur van de lage temperatuur koeltrap 5 zo veel als mogelijk vermindert.

Met andere woorden is het gewenst de thermische schakelaar bij de laagst mogelijke temperatuur uit te schakelen.

25 Uit tabel 1 wordt het begrepen, dat indien n-H2 gas wordt gebruikt in de thermische schakelaar de koelcapaciteit van de lage temperatuur koeltrap 5 kan worden ondersteund door de hoge temperatuur koeltrap 7, tot aan 20 K. Indien eenmaal de thermische schakelaar is uitgeschakeld bij temperaturen onder 20 K wordt de supergeleidende 30 wikkeling 1 afgekoeld tot 4 K door alleen de lage temperatuur koeltrap 5.

In dit geval is n-H2 (normale waterstof) een mengsel van 75% o-H2 (ortho-waterstof) en 25% p-H2 (para-waterstof).

In de cryogene koeler van deze uitvoeringsvorm wordt voor 35 voorkoeling gebruikt stikstofgas gebruikt als een vulgas in de schake- 10 Oi - .

14 laar omdat stikstofgas goedkoop en gemakkelijk te verwerken is. Indien stikstofgas wordt gebruikt wordt de thermische schakelaar uitgeschakeld bij ongeveer 50 K, zoals weergegeven in figuur 4. Bij temperaturen onder 50 K wordt de supergeleidende wikkeling 1 slechts 5 afgekoeld tot 4 K door de koel prestatie van de lage temperatuur koeltrap 5 van de koel inrichting 4.

Dienovereenkomstig is er een cryogene koeler verschaft met een thermische schakelaar, waarin de supergeleidende wikkeling 1 doelmatig kan worden gekoeld door alleen de koel inrichting 4, zonder 10 de noodzaak een koelmiddel, zoals een vloeibaar stikstof, te gebruiken voor voorkoeling.

Aangezien de thermische schakelaar 20 en koel inrichting 4 zijn geïntegreerd kan verder de afmeting van de cryogene koeler worden verminderd.

15

Tweede uitvoeringsvorm

Figuur 5 toont de constructie van een cryogene koeler volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Zoals afgebeeld in figuur 5 zijn in de cryogene koeler van 20 deze uitvoeringsvorm drie thermische schakelaars 20 aangebracht tussen de hoge temperatuur koeltrap 7 en lage temperatuur koeltrap 5 van de koel inrichting 4.

Dit uitvoeringsvoorbeeld past niet de techniek toe van het gebruiken van een soort gas en efficiënt koelen van de supergeleidende 25 wikkeling 1. In deze uitvoeringsvorm worden twee of meer soorten gas, die verschillende kookpunten en tripel-punten hebben, gebruikt onder het daarbij vergroten van het temperatuurgebied voor warmtetransport via gasdruppels en in werking stellen van de thermische schakelaars bij de laagst mogelijke thermische weerstanden.

30 Indien twee of meer gassen, die verschillende kookpunten tripel-punten hebben, juist worden gekozen kan het temperatuurgebied voor warmtetransport via druppels vloeibaar gemaakt gas worden vergroot.

In deze uitvoeringsvorm zijn de drie thermische schakelaars 35 resp. met verschillende gassen gevuld. De drie thermische schakelaars 1 o r' r! ~.

15 zijn bijvoorbeeld gevuld met 03 gas, CO gas resp. Ne gas. Het warmtetransport door de gassen in dit geval zal nu worden beschreven.

Indien de temperatuur van de aan de hoge temperatuur koel trap 7 bevestigde cylindrische organen 161,3 K of het kookpunt van 5 03 heeft bereikt begint warmtetransport van de lage temperatuur koel- trap 5 via vloeistofdruppels in de met 03-gevulde thermische schake-1 aar.

Dit warmtetransport gaat door totdat de temperatuur van de cylindrische organen ongeveer 80,5 K of het tripel-punt bereikt. 10 Indien het warmtetransport door de warmtepijpfunctie van met 03 gevulde thermische schakelaar op het punt is om te beëindigen begint het warmtetransport door de warmtepijp-functie van de met CO gevulde thermische schakelaar. Vervolgens begint het warmtetransport door de warmtepijp-functie van de met Ne gevulde thermische schakelaar.

15 Zoals hierboven beschreven is worden in deze uitvoerings vorm drie soorten gas gebruikt. Daarbij kan het temperatuurgebied voor warmtetransport via vloeistofdruppels tussen de hoge temperatuur koel trap 7 en lage temperatuur koel trap 5 van de koel inrichting 4 worden vergroot tot een gebied tussen ongeveer 161 K en ongeveer 26 K.

20

Derde uitvoeringsvorm

Figuur 6 toont de constructie van een thermische schakelaar waarin contact verhinderende organen 31 zijn aangebracht tussen een warmte-overdrachtorgaan van de hoge temperatuur zijde en een warmte-25 overdrachtorgaan van de lage temperatuur zijde.

Zoals weergegeven in figuur 6 zijn de contact verhinderende organen 31 bevestigd aan vrije eindgedeelten van de warmte-overdracht-organen. Een eindgedeelte van ieder contact verhinderend orgaan 31 is als een pen gepunt onder het daarbij verhinderen van warmtegeleiding 30 via de contact verhinderende organen 31 indien de eindgedeelten van de contact verhinderende organen 31 in contact zijn gekomen met de warmte-overdrachtorganen.

Voor dit doel zijn de contact verhinderende organen 31 gevormd uit een materiaal met lage thermische geleidbaarheid, zoals 35 roestvast staal of titaan.

1 ο δ 1 b 16

In overeenstemming met de cryogene koeler met deze constructie is het mogelijk in een dergelijk geval als wanneer de supergeleidende wikkeling plotseling afkoelt op de oppervlakken van de warmte-overdrachtorganen geïnduceerde wervel stromen te voorkomen en 5 daarbij te verhinderen, dat de warmte-overdrachtorganen naar de supergeleidende wikkeling worden getrokken. De thermische schakelaar kan daardoor zelfs na het plotseling afkoelen van de supergeleidende wikkeling werken.

De huidige uitvinding is niet beperkt op de bovenstaande 10 uitvoeringsvormen.

In de bovenstaande uitvoeringsvormen is bijvoorbeeld de koel inrichting 4 coaxiaal met de thermische schakelaar aangebracht. Koel inrichting 4 en thermische schakelaar kunnen afzonderlijk zijn aangebracht.

15 In het bijzonder kan, indien de thermische schakelaar zo is opgesteld als in contact te komen met de twee koel trappen van de koel inrichting 4, hetzelfde effect als in de bovenstaande uitvoeringsvormen worden verkregen.

In de bovenstaande uitvoeringsvormen zijn cylindrische 20 thermische schakelaars beschreven. De vorm van de thermische schakelaar kan echter hol-prismatisch zijn. Het warmte-overdrachtorgaan kan niet slechts een cylindrische vorm hebben, maar ook een dunne plaat-vorm, een stangvorm, een kamvorm, of een schroeflijnvormige vorm.

Figuur 7 is een aanzicht voor het beschrijven van de 25 constructie van een cylindrische thermische schakelaar, waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen radiaal zijn opgesteld ten opzichte van de lage temperatuur cylinder, en figuur 8 is een aanzicht voor het tonen van de constructie van een thermische schakelaar, die een prismatisch gevormde houder heeft waarin plaatvormige warmte-over-30 drachtorganen radiaal zijn opgesteld.

Figuur 9A is een perspectivisch aanzicht, dat een thermische schakelaar toont, welke een prismatisch gevormde houder heeft waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld, en figuur 9B is een aanzicht voor het tonen van de 35 constructie van een thermische schakelaar, die een prismatisch gevormde houder heeft, waarin plaatvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld.

1001506 17

Figuur 10A is een perspectivisch aanzicht, dat een thermische schakelaar toont, die een prismatisch gevormde houder heeft waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld, en figuur 10B is een aanzicht voor het tonen van de constructie van een 5 thermische schakelaar met een prismatisch gevormde houder, waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld.

Figuur 1 IA is een perspectivisch aanzicht, dat een cylin-drische thermische schakelaar toont, waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld, en figuur 11B is een aanzicht 10 voor het tonen van de constructie van de cylindrische prismatische thermische schakelaar, waarin kamvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld.

Figuur 12A is een perspectivisch aanzicht, dat de constructie toont van een thermische schakelaar, welke een prismatisch 15 gevormde houder heeft, waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld, en figuur 12B is een aanzicht voor het tonen van de constructie van een thermische schakelaar, die een prismatisch gevormde houder heeft, waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld.

20 Figuur 13A is een perspectivisch aanzicht, dat de constructie toont van een cylindrische thermische schakelaar waarin stangvormige warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld, en figuur 13B is een aanzicht voor het tonen van de constructie van een cylindrische prismatische thermische schakelaar, waarin stangvormige 25 warmte-overdrachtorganen parallel zijn opgesteld.

Figuur 14A is een perspectivisch aanzicht, dat de constructie toont van een cylindrische thermische schakelaar, waarin schroeflijnvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld, en figuur 14B is een aanzicht voor het tonen van de constructie van 30 een cylindrische thermische schakelaar, waarin schroeflijnvormige warmte-overdrachtorganen coaxiaal zijn opgesteld.

De met betrekking tot het derde uitvoeringsvoorbeeld beschreven contact verhinderende organen 31 zijn bijzonder effectief indien de thermische schakelaar parallel opgestelde dunne platen 10 015 C 6.

18 omvat. Het zal echter overbodig zijn te zeggen, dat de contact verhinderende organen 31 toepasbaar zijn bij warmte-overdrachtorganen met andere vormen.

Verder is het te koelen voorwerp niet beperkt op de 5 supergeleidende wikkeling 1. Deze uitvinding is toepasbaar bij ieder voorwerp, dat op cryogene temperaturen moet worden afgekoeld.

In de cryogene koeler wordt de thermische schakelaar ingeschakeld door de warmte-overdracht via het gas. Indien de temperatuur van het gas het kookpunt en dan tri pel-punt bereikt wordt het 10 gas gestold en wordt de thermische schakelaar uitgeschakeld. Het voorwerp kan daardoor worden gekoeld door alleen de koel inrichting van de cryogene koeler zonder de noodzaak een koelmiddel voor koelen van het voorwerp te gebruiken.

Aangezien de oppervlakken van de warmte-overdrachtorganen 15 gepolijst zijn kan warmtestraling onder de warmte-overdrachtorganen worden verminderd.

Aangezien de zijoppervlakken van de afgedichte houders zijn gevormd uit een materiaal met een lage thermische geleidbaarheid in een balgconstructie kan aanvullend de afstand voor warmtegeleiding 20 tussen de hoge temperatuur koel trap en lage temperatuur koel trap worden vergroot en daardoor kan de warmtegeleiding vanaf de hoge temperatuur koel trap naar de lage temperatuur koel trap worden verminderd.

De afmeting van de cryogene koeler kan worden verminderd 25 door de thermische schakelaar coaxiaal met de cylinder aan de lage temperatuur zijde van de koel inrichting op te stellen.

Door thermische schakelaars te vullen met verschillende soorten gas kan het temperatuurgebied, waarin warmte tussen de hoge temperatuur en lage temperatuur koel trappen van de koel inrichting 30 wordt getransporteerd als resultaat van fasewisseling van de gevulde gassen, worden vergroot.

Aanvullende voordelen en wijzigingen zullen gemakkelijk opkomen bij vaklui. Daarom is de uitvinding in zijn ruimere aspecten niet beperkt op de hierin beschreven specifieke details en als voor-35 beeld weergegeven inrichtingen. Dienovereenkomstig kunnen ver- 10 c i i> - .

19 schillende wijzigingen worden gemaakt zonder buiten de geest of bescherming van het algemene inventieve concept van de uitvinding te gaan.

10 OU.

Claims

20

1. Cryogene koeler voorzien van een vacuümhouder voor het opnemen van een te koelen voorwerp, en van ten minste een koel- 5 inrichting (4) voor het koelen van het voorwerp (1), waarbij de koel inrichting (4) is uitgerust met een hoge temperatuur koeltrap (7) en een lage temperatuur koeltrap (5), die op een bepaalde afstand van elkaar zijn opgesteld met een cylinder (6) van lage temperatuur tussen de hoge temperatuur koeltrap en de lage temperatuur koeltrap opge- 10 steld, en een van thermische schakeleenheid (20), gekenmerkt doordat hij is voorzien van: ten minste een aan de hoge temperatuur koeltrap (7) van de koel inrichting (4) bevestigd hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23); 15 ten minste een aan de lage temperatuur koeltrap (5) van de koel inrichting (4) bevestigd lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan dat gescheiden is van het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23); en een afgedichte houder, welke geen verbinding heeft met de 20 buitenzijde van de afgedichte houder gedurende een werking van de thermische schakeleenheid en aangebracht is tussen de lage temperatuur koeltrap en de hoge temperatuur koeltrap voor het bevatten van het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en van een 25 substantie, waarbij warmte-geleiding tussen het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) via de substantie plaatsvindt, indien de substantie gasvormig is.

2. Cryogene koeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 30 het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) cylindrische vormen hebben.

3. Cryogene koeler volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en 35 het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) verschillende diameters hebben. 10 0 1 5 0 6 21

4. Cryogene koeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) plaatvormige vormen hebben.

5. Cryogene koeler volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar zijn opgesteld.

6. Cryogene koeler volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, 10 dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) radiaal zijn opgesteld ten opzichte van de lage temperatuur cylinder.

7. Cryogene koeler volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-over- 15 drachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte- overdrachtorgaan (23) gepolijste oppervlakken hebben.

8. Cryogene koeler volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de afgedichte houder zijwanden (24, 25) heeft, die zijn gevormd uit een materiaal met een lage temperatuurgeleidbaarheid 20 in een balgconstructie.

9. Cryogene koeler volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de thermische schakelaar coaxiaal met de lage temperatuur cylinder van de koel inrichting is opgesteld.

10. Cryogene koeler volgens een der voorgaande conclusies, met 25 het kenmerk, dat de thermische schakeleenheid een aantal thermische schakelaars omvat en verschillende soorten gassen in de thermische schakelaars zijn gevuld.

11. Cryogene koeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en 30 het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) een schroeflijnvormige vorm hebben.

12. Cryogene koeler volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte- 35 overdrachtorgaan (23) zijn voorzien van contact verhinderende organen (31) om contact tussen het ten minste ene hoge temperatuur warmte- 1001506 22 overdrachtorgaan en het ten minste ene lage temperatuur warmte-over-drachtorgaan te verhinderen.

13. Cryogene koeler volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de contact verhinderende organen (31) uit titaan zijn gevormd.

14. Cryogene koeler volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de contact verhinderende organen (31) uit roestvast staal zijn gevormd .

15. Cryogene koeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en 10 het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) kamvormen hebben.

16. Cryogene koeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ten minste ene hoge temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) en het ten minste ene lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan (23) 15 stangvormen hebben.

17. Cryogene koeler voorzien van: een vacuümhouder voor het opnemen van een te koelen voorwerp; ten minste een koel inrichting voor het koelen van het 20 voorwerp, welke koel inrichting is voorzien van een hoge temperatuur koel trap en een via een lage temperatuur cylinder met de hoge temperatuur koeltrap verbonden lage temperatuur koeltrap; een thermische schakeleenheid voorzien van tenminste een aan de hoge temperatuur koeltrap bevestigd hoge temperatuur warmte-25 overdrachtorgaan, van tenminste een van het hoge temperatuur warmte- overdrachtorgaan gescheiden en aan de lage temperatuur koeltrap bevestigd lage temperatuur warmte-overdrachtorgaan en van een tussen de hoge temperatuur koeltrap en de lage temperatuur koeltrap aangebrachte afgesloten houder welke afgesloten houder de lage temperatuur 30 en hoge temperatuur overdrachtorganen bevat; en de afgedichte houder een substantie bevat welke als een gas of als een vaste stof kan bestaan, waarbij warmte-overdracht tussen de lage temperatuur en hoge temperatuur warmte-overdrachtorganen via de substantie plaatsvindt indien de substantie gasvormig is en de warmte-35 overdracht in hoofdzaak is stopgezet indien de substantie in de afgedichte houder in vaste toestand is. 1001506