WO2016016216A1 - Pulsrohrkühler-system mit kraftkompensierter drehventilleitung - Google Patents

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Steffen Bonn
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Bruker Biospin GmbH
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Definitions

  • Pulse tube cooler system with force-compensated rotary valve line Pulse tube cooler system with force-compensated rotary valve line
  • the invention relates to a pulse tube cooler system comprising a cold head, a control valve and a connection device,
  • control valve alternately a high-pressure reservoir and a low-pressure reservoir of a working gas can be switched via the connecting device to the cold head
  • NMR Nuclear magnetic resonance
  • Solenoids must be operated at a cryogenic temperature. In order to maintain the operating temperature long term, so-called pulse tube coolers are often used.
  • the pulse tube cooler is based on a periodic pressure fluctuation in a so-called cold head.
  • a control valve switches on alternately
  • High pressure reservoir and a low pressure reservoir of a working gas on the cold head Typically, the switching frequency of the control valve is about 1 - 2 Hz.
  • the high-pressure and low-pressure reservoir are connected via a
  • the cold head protrudes into the cryostat of the NMR apparatus and is attached to the cryostat.
  • the NMR measurements can be disturbed by mechanical vibrations of the NMR apparatus, which are introduced in particular via the cold head.
  • High-pressure line that connects the compressor with a high-pressure reservoir, and in the low-pressure line that connects the compressor with a low-pressure reservoir, each to provide a flexible line section.
  • the pressure reservoirs, the control valve, the cold head and the cryostat together form a vibration-isolated system.
  • the control valve is mechanically rigidly connected to the cryostat. In this design, both the transmission of vibrations of the compressor to the cold head and the interference is minimized by the pressure pulses. Disturbances in the Control valve, arising in the connecting line between control valve and cold head or in the cold head itself are not isolated from the cryostat in this design.
  • Low-frequency vibrations can also be caused by the pressure fluctuations of the working gas at the frequency of about 1 -2 Hz in a connecting line between the switchable control valve and the cold head.
  • a pulse tube cooler system wherein the control valve is not rigidly coupled to the cold head and the cryostat.
  • a connecting line between the control valve and the cold head branches onto two line sections, which are brought together in such a way that pressure pulses vectorially compensate each other.
  • the line sections lead into the cold head on opposite sides, with the front parts of the two
  • Line sections lie on a line.
  • Connecting line between control valve and cold head are made flexible; usually a length of about 50 cm or more is needed.
  • connection line connecting device
  • the invention is based on the object, a pulse tube cooler system
  • Connecting device between the control valve and cold head can be suppressed in a compact design.
  • first line branch has a first flexible line section and the second line branch has a second flexible line section, in that the flexible line sections are arranged parallel to one another and offset from one another transversely to a longitudinal direction of the flexible line sections,
  • the connecting device has a front area and a rear area with respect to the longitudinal direction, wherein the flexible one
  • Line sections each have a front section end in the front region and a rear section end in the rear region
  • control valve is connected via a special connection device with the cold head, with both high-frequency vibration of the control valve can be isolated as well as low-frequency vibrations due to
  • connection device Pressure fluctuations in the connection device can be compensated in a small space.
  • Control valve and cold head omitted.
  • the connection between control valve and cold head takes place only with the participation of one of the flexible line sections or both flexible line sections, whereby the high-frequency vibrations of the control valve are isolated.
  • a length of 50 cm or more of a flexible line section suffices for sufficient isolation of the high-frequency vibrations.
  • the flexible ones are preferred
  • the two flexible pipe sections are used in response to the pressure fluctuations of the working gas in the
  • At least one of the flexible line sections must be formed by the working gas permeable.
  • the two flexible line sections are offset from one another parallel to one another and transversely to the longitudinal direction of the flexible line sections
  • Line sections are not on a line, the space requirement can be significantly reduced. Note that the two flexible conduit sections are generally straight. In the context of the invention, the two line branches (with their partially rigid line sections and the two flexible line sections) and possibly mechanical linkages are "folded", so to speak, typically with some rigid line sections and / or linkage extending parallel to and laterally adjacent to the flexible line sections.
  • the front and rear section ends of the two flexible conduit sections are rigidly mechanically interconnected "crosswise" using rigid conduit sections (carrying working gas) or rigid linkages (not carrying working gas) become.
  • Line section connected. For example, if both flexible conduit sections try to expand due to a simultaneous pressure increase of the working gas, they block each other.
  • the two flexible line sections also block each other when they both try to contract due to a simultaneous pressure drop of the working gas.
  • an effective, passive compensation of the low-frequency vibrations due to synchronous pressure fluctuations of the working gas is established in both branches of the connecting device.
  • Connecting device is ensured by the fact that the frequency of the pressure pulses to be compensated is small compared to the ratio of length of the flow-through line sections to the speed of sound in the working gas.
  • the forces caused by the two flexible line sections forces can be easily set equal in terms of absolute value, so that there is no net force on the cold head (or the entire cooled magnet system of a
  • Line sections preferably arranged as close as possible next to each other.
  • Pulse tube cooler system is provided that the front portion end of the first flexible conduit portion and the rear portion end of the second flexible conduit portion are rigidly connected to the cold head,
  • Line section and the front portion end of the second flexible conduit section are rigidly connected to the control valve.
  • the provided in this embodiment rigid mechanical connections of Section ends with the control valve and the cold head are due to the substantially expansion and contraction-free design of the
  • the said rigid compounds can in particular via rigid
  • Working gas can be directed.
  • control valve is designed as a rotary valve.
  • the periodic switching between high-pressure reservoir and low-pressure reservoir is particularly simple.
  • the high-frequency vibrations generated by a typical motor drive of a rotary valve can be well insulated via a flexible line section, such as metallic corrugated hose.
  • connections of the section ends are partially or completely established by rigid line sections through which the working gas can flow.
  • the rigid connections between the section ends have a dual function for vibration compensation and for the transport of the
  • An embodiment of the pulse tube cooler system according to the invention provides that both line branches are designed to be permeable by working gas.
  • both line branches take part in the gas flow between the control valve and the cold head, whereby the flow resistance for the working gas is kept low.
  • the two line branches are formed so that they have the same flow resistance for the working gas. This can be set up in particular by a symmetrical structure of the branches. In this design is the Compensation effect particularly high. Alternatively, an uneven flow resistance of the two line branches can be set up, which is often structurally easier to set up.
  • only one of the two line branches is designed to be permeable by working gas. This reduces dead volumes (which can degrade the efficiency of the pulse tube cooler system). Also, this allows in many cases structural simplifications; In particular, less rigid pipe sections (pipe sections) are necessary. It should be noted, however, that in this embodiment as well, both line branches or both flexible line sections for the working gas of the
  • High pressure reservoir and the low pressure reservoir are accessible.
  • Line sections are formed as metallic corrugated tubes. These have been proven in practice for the isolation of high-frequency vibrations, in particular with regard to long durability, and are commercially available at low cost.
  • the flexible conduit sections are of identical construction.
  • Line branches are in particular the same length, formed with the same diameter and the same material. This can be done in both
  • connection device is arranged such that the longitudinal direction of the flexible line sections extends horizontally is also preferred. In this design (and in the usual vertical arrangement of the cold head in the cryostat) by the
  • Coupling device introduced into the cold head residual torque low orientable so that it tries to rotate the cold head about its vertical axis;
  • the flexible pipe sections are arranged horizontally next to one another in a plane. Such torque does not draw the cold head against a wall in the cryostat; a "clanking" is avoided.
  • Connecting means arranged so that the longitudinal direction of the flexible conduit sections is vertical. This can be set up particularly space-saving.
  • Counterweight is arranged, with the one by the weight of the
  • Connecting device caused torque is compensated for the cold head.
  • the cold head can be kept particularly easy in its desired orientation on or in a cryostat.
  • first leg is a flexible line section and the second
  • Line branch has a flexible, tubular wall portion, wherein the flexible line section extends along a longitudinal direction and is arranged coaxially in the flexible tubular wall portion,
  • the connecting device has a front longitudinal direction Has area and a rear area, wherein the flexible
  • Line section and the flexible, tubular wall section each have a front section end in the front region and a rear section end in the rear region
  • a connection between the control valve and the cold head is not mechanically rigid, but only on the flexible
  • a preferred embodiment of this pulse tube cooler system provides that the front section end of the flexible conduit section and the rear section end of the flexible tubular wall section are rigidly connected to the cold head, and / or that the rear section end of the flexible conduit section and the front section end of the flexible, tubular wall portion are rigidly connected to the control valve.
  • the rigid mechanical connections of the section ends with the control valve and the cold head provided in this embodiment are due to the essentially expansion-and-contraction-free design of the
  • the flexible conduit section and the flexible, tubular wall section are each formed with a metallic corrugated hose, and that the spring rates of the two
  • Corrugated hoses are designed so that the two corrugated hoses generate the same amount of forces in the longitudinal direction at the same pressurization with working gas in the first and second line branch. As a result, a virtually complete compensation of the length expansion or length compression of the connecting device can be achieved.
  • first line branch is designed to be permeable by the working gas. This simplifies the construction; Dead volumes are reduced. It should be noted that in general at least one of the lines for the working gas is formed permeable, so that working gas can be conveyed to and from the cooling head, and further generally and therefore also in this embodiment, both lines are accessible to the working gas, so that both Line branches at the expansion and compression compensation
  • the second line branch an inner annular space between the outside of the flexible conduit section and an inner, rigid pipe section and an outer annular space between the flexible, tubular wall portion and an outer, rigid pipe section comprises.
  • the flexible conduit section branch an inner annular space between the outside of the flexible conduit section and an inner, rigid pipe section and an outer annular space between the flexible, tubular wall portion and an outer, rigid pipe section comprises.
  • Magnetic resonance arrangement in particular NMR spectrometer arrangement or NMR tomography arrangement, comprising a pulse tube cooler system according to the invention described above.
  • the magnetic resonance arrangement is particularly low-interference and therefore particularly well suited for high-resolution measurements.
  • a magnetic resonance arrangement typically comprises at least one magnet, which is generally superconducting and arranged in a cryostat, further high-frequency components, such as RF coils in a room temperature bore of the cryostat, and a
  • Figure 1 is a schematic side view of an embodiment of a pulse tube cooler system according to the invention, arranged on a cryostat of an NMR spectrometer, with horizontally arranged connecting device.
  • Fig. 2 is a schematic plan view of the pulse tube cooler system of
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an embodiment of a
  • Pulse tube cooler system with two meandering line branches;
  • Fig. 4 is a schematic plan view of an embodiment of a
  • Pulse tube cooler system with a flow-through line branch and a non-flowable line branch;
  • Fig. 5 is a schematic side view of an embodiment of a pulse tube cooler system according to the invention, arranged on a cryostat of an MNR spectrometer, with vertical arranged connecting device; a schematic side view of the pulse tube cooler system of Figure 5, rotated by 90 ° with respect to the view of Figure 5, with two meandering line branches.
  • a schematic external view of a metallic corrugated hose for the invention a schematic sectional view of a rotary valve for the invention, connected to the high-pressure reservoir; the sectional view of the rotary valve of Figure 8, connected to the low-pressure reservoir.
  • a schematic cross-sectional view of the cryostat of the NMR spectrometer of Fig. 1 a schematic, partially sectioned plan view of an embodiment of a pulse tube cooler system according to the invention, in which the components of the connecting device are arranged concentrically.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of an embodiment of a pulse tube cooler system according to the invention 10.
  • the pulse tube cooler system 0 serves a cooling medium (such as liquid helium) in a
  • cryostat 1 to a cryogenic temperature (in liquid He-4 about 4.2 K) to keep.
  • the cooling medium in the cryostat 1 tempered a superconducting
  • the pulse tube cooler system 10 is equipped with a control valve 3, here a rotary valve, which is arranged spatially separated from a cold head 2.
  • the control valve 3 switches alternately at a frequency of about 1-2 Hz to a high-pressure reservoir and a low-pressure reservoir (cf., Fig. 8 and Fig. 9) of a working gas, usually helium-4, on the cold head 2, which is attached to the cryostat 1 is.
  • the control valve 3 is connected via a horizontally arranged connecting device 4 to the cold head, wherein the working gas can flow from the control valve 3 to the cold head through the connecting device 4 and vice versa.
  • a counterweight 5 is arranged, through which the torque which causes the weight of the connecting device 4 on the cold head 2, is compensated.
  • the control valve 3 is held on a holder 9 to position the control valve 3 at the same height as the cold head 2.
  • Fig. 2 in plan view of the construction of the particular connection means 4 of the pulse tube cooler system 10 can be seen better.
  • the connecting device 4 is provided with a rigid line section
  • Line section 13 branches at a branching point 14 to a first, here straight (directly) extending line branch 11 and a second, here meandering ("folded") extending line branch 12.
  • first line branch 1 1 includes a first flexible line section 4 a
  • second line branch 12 includes a second flexible line section
  • the flexible line sections 4a, 4b each have a front section in a front region VB, which here is close to the cold head 2
  • the forward section end 17 of the first flexible conduit section 4a is over a short, rigid conduit section 21 and the rear
  • Section end 20 of the second flexible conduit section 4b is provided with a longer, angled, rigid conduit section 22 with the
  • the forward section end 18 of the second flexible conduit section 4b is connected to the branching point 14 via a longer, angular rigid conduit section 23 and the rear section end 19 of the first flexible conduit section 4a is connected to the branch point 14 by a short, straight, rigid conduit section 24.
  • the section ends 18, 19 via the rigid line sections 23, 24 mechanically rigidly connected to each other.
  • the control valve 3 switches a low pressure on the two flexible line sections 4a, 4b, they try to shorten in the longitudinal direction LR.
  • the first flexible line section 4a tries to pull the points 14, 15 together over the rigid line sections 21, 24.
  • the second flexible conduit section 4b tries to pull the points 14, 15 apart via the rigid connection sections 22, 23. As a result, there is again approximately no relative movement between the points 14, 15 due to the pressure reduction.
  • the expansion or contraction forces of the flexible line sections 4a, 4b with pressure fluctuations thus compensate each other. Since the flexible line sections 4a, 4b are of identical construction, in particular the length and the cross section are equal, this compensation is approximately complete and there is (approximately) no changes in length.
  • the second line branch 12 is offset by the distance x transversely to the longitudinal direction LR with respect to the first line branch 1, which can lead to the introduction of a torque on the cold head 2, which runs around its longitudinal axis LA (which is perpendicular to the plane in FIG ) tries to turn.
  • the (horizontal) distance x is therefore usually chosen as small as possible in practice.
  • the flexible conduit sections can also be arranged one above the other; In this case, the (vertical) distance of the flexible line sections would result in a tilting moment on the cold head.
  • working gas can flow through both line branches 1 1, 12.
  • the second line branch 12 is approximately three times as long as the first line branch 1 1 and has a correspondingly higher flow resistance, so that significantly more working gas flows through the first line branch 1 1 than through the second line branch 12th
  • Fig. 3 is another embodiment of an inventive
  • Pulse tube cooler system 10 Similar to the pulse tube cooler system shown in Fig. 2 shown. Above all, the differences from FIG. 2 will be explained.
  • the section ends 17, 20 on the one hand and 18, 19 on the other hand are in turn rigidly connected to one another mechanically via rigid line sections 21, 22 and 23, 24. This mechanically rigid connection of the section ends 17, 18, 19 20 "crosswise" enables the compensation of changes in length of the flexible line sections 4 a, 4 b caused by pressure fluctuations as described in FIG. 2.
  • the two line branches, 12 are here approximately the same length and accordingly with approximately the same flow resistance formed so that can flow through the two line branches 1 1, 12, approximately the same amount of working gas.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of an inventive
  • Pulse tube cooler system 10 Similar to the pulse tube cooler system of Fig. 2. Again, especially the differences from the embodiment of Fig. 2 will be explained.
  • connection device 4 branches on
  • the front portion end 18 of the second flexible conduit member 4b is mechanically rigidly connected to the rear portion end 19 of the first flexible conduit portion 4a via the rigid conduit portions 23,24.
  • the second flexible conduit member 4b takes over the rigid conduit portion 23 of pressure fluctuations of the working gas, as switched by the control valve 3, part. Accordingly, the second flexible connecting member 4b also tries to expand and contract in accordance with the applied pressure of the working gas in the longitudinal direction LR.
  • the rear section end 20 of the second flexible conduit section 4b is formed here closed and rigidly connected to the rigid conduit section 21 via a rigid linkage 25, through which no working gas can flow, namely at the transition 15a to the rigid conduit section 16 to the cold head 2.
  • the angled, rigid line section 21 in turn leads to the front section end 17 of the first flexible line section 4a.
  • the section ends 17 and 20 are mechanically rigidly interconnected. This mechanically rigid connection of the section ends 17, 18, 19 20 "crosswise" in turn allows the compensation of the
  • FIG. 5 is a schematic side view of a pulse tube cooler system 10 similar to that shown in FIG. Again, it will be the
  • the control valve 3 is here on the ground (or alternatively near the ground)
  • the connecting device 4 extends substantially vertically here. As a result, the connecting device 4 and the control valve 3 can move closer in the horizontal direction to the cryostat 1 than in the embodiment of Fig. 1, whereby the overall structure is more compact.
  • FIG. 6 illustrates a 90 ° rotated side view of the pulse tube cooler system 0 of Fig. 5.
  • the connecting device 4 is as shown in Fig. 3 branches on two line branches 1 1, 12, wherein the section ends 17, 18, 19, 20 the two flexible pipe sections 4a, 4b are in turn mechanically rigidly connected (and piped) to one another "crosswise.”
  • the front region VB close to the cold head is here at the top, and the rear,
  • Control valve near area HB is arranged here below.
  • FIG. 7 shows a schematic external view of a metallic corrugated tube 70 with which a flexible connecting section according to the invention can be formed.
  • the corrugated tube 70 has in the longitudinal direction LR a sequence of many smaller diameter portions 71 and larger diameter 72.
  • the corrugated tube 70 can be stretched or compressed relatively easily elastically in the longitudinal direction LR, in particular with pressure changes in the interior of the corrugated tube 70.
  • the metallic corrugated pipe 70th in particular by welding metallic rings or hydroforming a straight piece of pipe.
  • FIG. 8 shows, in a schematic sectional view, the function of a control valve designed as a rotary valve 80 for the invention.
  • the rotary valve 80 has a motor 7 with which a rotary body 6 is rotated, typically at a constant speed of 0.5 to 2 revolutions per second.
  • the rotary body 6 is arranged in a housing 8, which is connected to a high-pressure reservoir 81 (about 25 bar) of a working gas; in the housing 8 is shown in the
  • Embodiment also working gas under high pressure.
  • On the housing 8 is also a connection to a low pressure reservoir 82 (about 6 bar) of the working gas and a connection 83 to the cold head (or for
  • High pressure reservoir 81 and the low pressure reservoir 82 are typically connected via metallic corrugated hoses.
  • a channel 84 is opened between the connection 83 of the cold head and the interior of the housing 80, and thus to the high-pressure reservoir 81.
  • a channel 85 (dashed lines, as actually rotated by 90 °) to the low-pressure reservoir 82, however, is closed.
  • FIG. 10 shows a magnetic resonance arrangement 90, here an NMR spectrometer, at which a pulse tube cooler system according to the invention
  • a superconducting magnet coil 91 is disposed, which is maintained at a cryogenic temperature below the transition temperature of the superconductor in the magnetic coil 91 with a coolant (typically, a liquid gas such as LHe or LN2, not shown).
  • the coolant can be cooled by a pulse tube cooler system according to the invention, which projects into the cryostat 1 with a cold head (not shown in FIG. 10, but see FIG. 1 and FIG. 5).
  • the magnet 91 generates in the sample volume 94 a strong homogeneous magnetic field B 0 , z. B. of 5 Tesla or more, which is needed for the NMR measurement.
  • FIG. 11 shows a schematic plan view of an alternative
  • Embodiment of a pulse tube cooler system 100 according to the invention similar to that shown in Fig. 2, wherein the connecting device 1 10 is shown in section. Above all, the differences become
  • rotationally symmetrical connection device 10 includes a straight, first line branch 101, which in the embodiment shown by a first rigid tube piece 105, a flexible line section 103, here formed by a metallic corrugated tube, and a second rigid tube piece 06 is formed.
  • the first line branch 01 can be directly flowed through for working gas flowing from the control valve 3 to the cold head 2 and back.
  • the connecting device 110 furthermore comprises a running second line branch 102, which in the embodiment shown is essentially formed by an inner annular space 111 and an outer one
  • Annulus 113; the annular spaces 111, 113 are nested in one another and arranged coaxially (concentrically) with respect to the central axis ZA.
  • the inner annular space 111 is bounded radially on the inside essentially by the rigid pipe sections 105, 106 and the flexible pipe section 103, and on the outside by an inner, rigid pipe section 112.
  • the outer annular space 113 is bounded radially on the inside by a flexible, tubular portion 104, here formed by a metallic corrugated hose, and on the outside by an outer, rigid pipe portion 114.
  • the inner annulus 111 is connected to the first branch 101 ("branch points" for the working gas) .
  • the outer annulus 113 is further connected through an annular passage 108 for the working gas to the inner annulus 111.
  • Line branch 102 is not here for the working gas by ström bar, but ends near the rear portion end 120 of the flexible tubular wall portion 104 as a "dead end”.
  • the flexible conduit section 103 and the flexible tubular wall section 104 are nested and arranged coaxially (concentrically) with respect to the central axis ZA, and extend from a rear area substantially along the longitudinal direction LR parallel to the central axis ZA HB up to a front portion VB of the connecting device 1 10.
  • the front end portion 1 17 of the flexible line section 103 is here via the cold head 2 and the outer rigid tube section 1 14 rigidly connected to the rear end portion 120 of the flexible tubular wall portion 104.
  • the front portion end 1 18 of the flexible, tubular wall portion 104 here via the inner, rigid pipe section 1 12, the control valve 3 and the rigid pipe section 105 rigid with the rear
  • Section end 1 19 of the flexible line section 103 connected.
  • corrugated tube of the flexible conduit section 103 and the corrugated tube of the flexible tubular wall section 104 are adjacent to each other
  • the flexible pipe section 103 and the flexible tubular wall portion 104 in the longitudinal direction LR the same length; for adaptation of the spring rates, the wall thickness of the corrugated hose is selected to be thinner here in the case of the flexible tubular wall section 104 than in the case of the flexible conduit section 103 (not shown in greater detail). Note that the
  • Spring rates can be adjusted via various factors, in addition to the wall thickness in the radial direction, for example, via the hose material or the bellows geometry on each corrugated hose.

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Abstract

Ein Pulsrohrkühler-System (10), umfassend einen Kaltkopf (2), ein Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (4), wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung (4) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist, und wobei die Verbindungseinrichtung (4) in einen ersten Leitungszweig (11) und einen zweiten Leitungszweig (12) verzweigt, ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (11) einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt (4a) und der zweite Leitungszweig (12) einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt (4b) aufweist, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) gegeneinander versetzt sind, dass die Verbindungseinrichtung (4) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) jeweils ein vorderes Abschnittsende (17, 18) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (19, 20) im hinteren Bereich (HB) aufweisen, dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt. Mit dem Pulsrohrkühler-System werden sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils als auch niederfrequente Vibrationen durch Druckschwankungen in der Verbindungseinrichtung zwischen Steuerventil und Kaltkopf in einer kompakten Bauform unterdrückt.

Description

Pulsrohrkühler-System mit kraftkompensierter Drehventilleitung
Die Erfindung betrifft ein Pulsrohrkühler-System, umfassend einen Kaltkopf, ein Steuerventil und eine Verbindungseinrichtung,
wobei mit dem Steuerventil abwechselnd ein Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir eines Arbeitsgases über die Verbindungseinrichtung auf den Kaltkopf schaltbar ist,
und wobei die Verbindungseinrichtung in einen ersten Leitungszweig und einen zweiten Leitungszweig verzweigt. Ein solches Pulsrohr-Kühlersystem ist aus der DE 10 2005 004 269 A1 bekannt geworden.
Kernspinresonanz(=NMR)-Apparaturen, insbesondere NMR-Spektrometer und NMR-Tomographen, benötigen starke Magnetfelder, die oftmals mittels supraleitender Magnetspulen erzeugt werden. Die supraleitenden
Magnetspulen müssen auf einer kryogenen Temperatur betrieben werden. Um die Betriebstemperatur langfristig aufrecht zu erhalten, werden häufig so genannte Pulsrohrkühler eingesetzt.
Der Pulsrohrkühler basiert auf einer periodische Druckschwankung in einem so genannten Kaltkopf. Ein Steuerventil schaltet dafür abwechselnd ein
Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir eines Arbeitsgases auf den Kaltkopf; typischerweise liegt die Umschaltfrequenz des Steuerventils bei ca. 1 - 2 Hz. Das Hochdruck- und Niederdruckreservoir werden über einen
Kompressor für das Arbeitsgas beschickt. Der Kaltkopf ragt in den Kryostaten der NMR-Apparatur und ist am Kryostaten befestigt.
Die NMR-Messungen können durch mechanische Vibrationen der NMR- Apparatur, die insbesondere über den Kaltkopf eingebracht werden, gestört werden.
Aus der DE 10 2005 035 892 B4 ist es bekannt geworden, in der
Hochdruckleitung, die den Kompressor mit einem Hochdruckreservoir verbindet, sowie in der Niederdruckleitung, die den Kompressor mit einem Niederdruckreservoir verbindet, jeweils einen flexiblen Leitungsabschnitt vorzusehen. Die Druckreservoirs, das Steuerventil, der Kaltkopf und der Kryostat bilden zusammen ein schwingungsisoliertes System. Das Steuerventil ist mechanisch starr mit dem Kryostaten verbunden. Bei dieser Bauform wird sowohl die Übertragung von Vibrationen des Kompressors auf den Kaltkopf als auch die Störung durch die Druckpulse minimiert. Störungen, die im Steuerventil, in der Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf oder im Kaltkopf selbst entstehen, werden bei dieser Bauform nicht vom Kryostaten isoliert.
Niederfrequente Vibrationen können auch von den Druckschwankungen des Arbeitsgases mit der Frequenz von etwa 1 -2 Hz in einer Verbindungsleitung zwischen dem umschaltbaren Steuerventil und dem Kaltkopf verursacht werden.
Aus der DE 10 2005 004 269 A1 ist ein Pulsrohrkühler-System bekannt, wobei das Steuerventil nicht starr an den Kaltkopf und den Kryostaten gekoppelt ist. Eine Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf verzweigt auf zwei Leitungsabschnitte, die so zusammengeführt sind, dass sich Druckimpulse vektoriell kompensieren. Die Leitungsabschnitte führen an gegenüberliegenden Seiten in den Kaltkopf hinein, wobei die vorderen Teile der beiden
Leitungsabschnitte auf einer Linie liegen.
Vom Steuerventil eines Pulsrohrkühlers gehen aufgrund der Umschaltmechanik (zum Beispiel einer Drehmechanik mit Elektromotor) hochfrequente
mechanische Vibrationen (typischerweise mit einigen hundert Hz oder mehr) aus. Um diese nicht auf den Kaltkopf zu übertragen, kann die
Verbindungsleitung zwischen Steuerventil und Kaltkopf flexibel ausgestaltet werden; in der Regel ist dafür eine Länge von ca. 50 cm oder mehr nötig.
Wenn die zum Kaltkopf führende Verbindungsleitung verzweigt würde, und die am Kaltkopf angeschlossenen Leitungsabschnitte flexibel ausgebildet und gegenüberliegend auf einer Linie angeordnet würden, könnten zwar
mechanische Vibrationen am Kaltkopf gut vermieden werden, jedoch wäre die Baugröße der verzweigten Verbindungsleitung (Verbindungseinrichtung) sehr ausladend und für viele Anwendungen nicht mehr kompakt genug. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pulsrohrkühler-System
vorzustellen, bei dem sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils als auch niederfrequente Vibrationen durch Druckschwankungen in einer
Verbindungseinrichtung zwischen Steuerventil und Kaltkopf in einer kompakten Bauform unterdrückt werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Pulsrohrkühler-System der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass der erste Leitungszweig einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt und der zweite Leitungszweig einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt aufweist, dass die flexiblen Leitungsabschnitte parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte gegeneinander versetzt sind,
dass die Verbindungseinrichtung bezüglich der Längsrichtung einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich aufweist, wobei die flexiblen
Leitungsabschnitte jeweils ein vorderes Abschnittsende im vorderen Bereich und ein hinteres Abschnittsende im hinteren Bereich aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr miteinander verbunden sind,
dass das hintere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr miteinander verbunden sind,
und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf gibt. Bei der erfind ungsgemäßeri Bauform des Pulsrohr-Kühlersystems wird das Steuerventil über eine besondere Verbindungseinrichtung mit dem Kaltkopf verbunden, mit der sowohl hochfrequente Vibrationen des Steuerventils isoliert werden können als auch niederfrequente Vibrationen aufgrund der
Druckschwankungen in der Verbindungseinrichtung auf geringem Raum kompensiert werden können.
Um hochfrequente Vibrationen vom Steuerventil nicht auf den Kaltkopf zu übertragen, wird auf eine durchgehende, starre Verbindung zwischen
Steuerventil und Kaltkopf verzichtet. Die Verbindung zwischen Steuerventil und Kaltkopf erfolgt lediglich unter Beteiligung eines der flexiblen Leitungsabschnitte oder auch beider flexibler Leitungsabschnitte, wodurch die hochfrequenten Vibrationen des Steuerventils isoliert werden. In der Regel genügt eine Länge von 50 cm oder mehr eines flexiblen Leitungsabschnitts für eine ausreichende Isolation der hochfrequenten Vibrationen. Bevorzugt sind die flexiblen
Leitungsabschnitte so ausgebildet (insbesondere hinsichtlich Leitungsmaterial und Länge), dass die hochfrequenten Vibrationen des Steuerventils
(beispielsweise mit 500 Hz und mehr) um wenigstens einen Faktor 100 abgeschwächt werden.
Zum anderen werden die zwei flexiblen Leitungsabschnitte dazu eingesetzt, als Reaktion auf die Druckschwankungen des Arbeitsgases in der
Verbindungseinrichtung im Wesentlichen gegenläufige mechanische Kräfte zu erzeugen. Die flexiblen Leitungsabschnitte sind infolge der Verzweigung der Verbindungseinrichtung so angeschlossen, dass sie beide denselben
Druckschwankungen (wie vom Steuerventil geschaltet) des Arbeitsgases unterliegen, und sie entsprechend gleichzeitig (synchron) gemäß dem momentanen Druck des Arbeitsgases entgegengesetzte longitudinale
Kontraktions- und/oder Expansionskräfte hervorrufen. Wenigstens einer der flexiblen Leitungsabschnitte muss vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sein. Die beiden flexiblen Leitungsabschnitte sind parallel zueinander und quer zur Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte gegeneinander versetzt
(„nebeneinander") angeordnet, typischerweise ohne oder nur mit geringem Versatz in Längsrichtung (z.B. mit einem Versatz von maximal der Hälfte der Länge eines flexiblen Leitungsabschnitts). Dadurch, dass die flexiblen
Leitungsabschnitte nicht auf einer Linie liegen, kann der Platzbedarf deutlich verringert werden. Man beachte, dass die beiden flexiblen Leitungsabschnitte im Allgemeinen gerade verlaufen. Im Rahmen der Erfindung werden die beiden Leitungszweige (mit ihren teilweise starren Leitungsabschnitten und den beiden flexiblen Leitungsabschnitten) und gegebenenfalls mechanische Gestänge sozusagen„zusammengefaltet", typischerweise wobei einige starre Leitungsabschnitte und/oder Gestänge parallel zu und seitlich neben den flexiblen Leitungsabschnitten verlaufen.
Um die gegenläufigen mechanischen Kräfte bei den Druckschwankungen zu erhalten, sind die vorderen und hinteren Abschnittsenden der beiden flexiblen Leitungsabschnitte„über Kreuz" miteinander starr mechanisch verbunden; hierfür können starre Leitungsabschnitte (die Arbeitsgas führen) oder auch starre Gestänge (die kein Arbeitsgas führen) eingesetzt werden.
Eine Längenexpansion des ersten flexiblen Leitungsabschnitts in Längsrichtung wäre über die starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit einer Längenkompression des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts verbunden. In analoger Weise wäre eine Längenexpansion des zweiten flexiblen
Leitungsabschnitts über die starren mechanischen Verbindungen der
Abschnittsenden mit einer Längenkompression des ersten flexiblen
Leitungsabschnitts verbunden. Wenn nun beide flexible Leitungsabschnitte beispielsweise versuchen, aufgrund einer gleichzeitigen Druckerhöhung des Arbeitsgases zu expandieren, so blockieren sie sich dabei gegenseitig.
Entsprechend blockieren sich die beiden flexiblen Leitungsabschnitte auch gegenseitig, wenn sie sich aufgrund einer gleichzeitigen Druckabsenkung des Arbeitsgases beide versuchen zusammenzuziehen. Dadurch ist eine effektive, passive Kompensation der niederfrequenten Vibrationen aufgrund von synchronen Druckschwankungen des Arbeitsgases in beiden Zweigen der Verbindungseinrichtung eingerichtet.
Die Synchronität der Druckverläufe in beiden Zweigen der
Verbindungseinrichtung wird dadurch gewährleistet, dass die Frequenz der zu kompensierenden Druckpulse klein ist gegen das Verhältnis aus Länge der durchströmten Leitungsabschnitte zur Schallgeschwindigkeit im Arbeitsgas.
Die durch die beiden flexiblen Leitungsabschnitte bewirkten Kräfte können leicht betragsmäßig gleich eingerichtet werden, so dass es keine Nettokraft auf den Kaltkopf (bzw. das gesamte gekühlte Magnetsystem einer
Magnetresonanzapparatur) gibt, insbesondere durch Verwendung baugleicher flexibler Leitungsabschnitte. Allerdings verbleibt aufgrund des Querversatzes der flexiblen Leitungsabschnitte stets ein gewisses Drehmoment auf den Kaltkopf. Um dieses möglichst gering zu halten, werden die flexiblen
Leitungsabschnitte bevorzugt möglichst eng benachbart nebeneinander angeordnet.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Pulsrohrkühler-Systems ist vorgesehen, dass das vordere Abschnittsende des ersten flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr mit dem Kaltkopf verbunden sind,
und/oder dass das hintere Abschnittsende des ersten flexiblen
Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts starr mit dem Steuerventil verbunden sind. Die in dieser Ausführungsform vorgesehenen starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit dem Steuerventil und dem Kaltkopf sind aufgrund der im Wesentlichen expansions- und kontraktionsfreien Ausgestaltung der
Verbindungseinrichtung bezüglich der niederfrequenten Vibrationen unkritisch. Die besagten starren Verbindungen können insbesondere über starre
Leitungsabschnitte („Rohrstücke") eingerichtet werden, durch die das
Arbeitsgas geleitet werden kann.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Steuerventil als ein Drehventil ausgebildet ist. Mit einem Drehventil ist die periodische Umschaltung zwischen Hochdruckreservoir und Niederdruckreservoir besonders einfach. Die von einem typischen motorischen Antrieb eines Drehventils erzeugten hochfrequenten Schwingungen können über einen flexiblen Leitungsabschnitt, etwa aus metallischem Wellschlauch, gut isoliert werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die starren
Verbindungen der Abschnittsenden teilweise oder vollständig durch starre Leitungsabschnitte eingerichtet sind, durch die das Arbeitsgas strömen kann. Dadurch haben die starren Verbindungen zwischen den Abschnittsenden eine Doppelfunktion zur Vibrationskompensation und für den Transport des
Arbeitsgases. Zusätzliche Gestänge sind nicht erforderlich.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems sieht vor, dass beide Leitungszweige von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform nehmen beide Leitungszweige am Gasfluss zwischen Steuerventil und Kaltkopf teil, wodurch der Strömungswiderstand für das Arbeitsgas gering gehalten wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die beiden Leitungszweige so ausgebildet, dass sie den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen. Dies kann insbesondere durch einen symmetrischen Aufbau der Zweige eingerichtet werden. Bei dieser Bauform ist die Kompensationswirkung besonders hoch. Alternativ kann auch ein ungleicher Strömungswiderstand der beiden Leitungszweige eingerichtet sein, was oft baulich einfacher einzurichten ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist nur einer der beiden Leitungszweige von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet. Dadurch werden Totvolumina (die den Wirkungsgrad des Pulsrohrkühler-Systems verschlechtern können) reduziert. Auch ermöglicht dies in vielen Fällen bauliche Vereinfachungen; insbesondere sind weniger starre Leitungsabschnitte (Rohrstücke) nötig. Man beachte, dass jedoch auch in dieser Ausführungsform beide Leitungszweige bzw. beide flexiblen Leitungsabschnitte für das Arbeitsgas des
Hochdruckreservoirs und des Niederdruckreservoirs (entsprechend dem Schaltzustand des Steuerventils) zugänglich sind.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der einer der Leitungszweige an einem der Abschnittsenden von dessen flexiblem
Leitungsabschnitt blockiert ist. Dies ist baulich sehr einfach zu realisieren.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die flexiblen
Leitungsabschnitte als metallische Wellschläuche ausgebildet sind. Diese haben sich für die Isolation von hochfrequenten Vibrationen in der Praxis bewährt, insbesondere bezüglich langer Haltbarkeit, und sind kostengünstig kommerziell erhältlich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die flexiblen Leitungsabschnitte baugleich ausgebildet. Die flexiblen Leitungsabschnitte der beiden
Leitungszweige sind insbesondere gleich lang, mit gleichem Durchmesser und gleichem Material ausgebildet. Dadurch können die in beiden
Leitungsabschnitten durch Druckschwankungen erzeugten Kräfte auf einfache Weise betragsmäßig näherungsweise gleich eingerichtet werden. Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Verbindungseinrichtung so angeordnet ist, dass die Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte horizontal verläuft. Bei dieser Bauform (und bei der üblichen vertikalen Anordnung des Kaltkopfs im Kryostaten) ist das durch die
Verbindungseinrichtung in den Kaltkopf eingebrachte Rest-Drehmoment günstig orientierbar, so dass es versucht, den Kaltkopf um seine vertikale Achse zu drehen; hierfür werden die flexiblen Leitungsabschnitte in einer Ebene horizontal nebeneinander angeordnet. Ein solches Drehmoment zieht den Kaltkopf nicht gegen eine Wand im Kryostaten; ein„Scheppern" wird vermieden.
Bei einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform ist die
Verbindungseinrichtung so angeordnet, dass die Längsrichtung der flexiblen Leitungsabschnitte vertikal verläuft. Dies kann besonders platzsparend eingerichtet werden.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der am Kaltkopf ein
Gegengewicht angeordnet ist, mit dem ein durch das Gewicht der
Verbindungseinrichtung bewirktes Drehmoment auf den Kaltkopf kompensiert ist. Dadurch kann der Kaltkopf besonders einfach in seiner Sollorientierung an bzw. in einem Kryostaten gehalten werden.
Bauform mit geschachtelten Leitungszweigen
Die obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Pulsrohrkühler-System der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass der erste Leitungszweig einen flexiblen Leitungsabschnitt und der zweite
Leitungszweig einen flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt aufweist, wobei der flexible Leitungsabschnitt entlang einer Längsrichtung verläuft und koaxial im flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt angeordnet ist,
dass die Verbindungseinrichtung bezüglich der Längsrichtung einen vorderen Bereich und einen hinteren Bereich aufweist, wobei der flexible
Leitungsabschnitt und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt jeweils ein vorderes Abschnittsende im vorderen Bereich und ein hinteres Abschnittsende im hinteren Bereich aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr miteinander verbunden sind,
dass das hintere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr miteinander verbunden sind,
und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf gibt. Bei dieser Bauform blockieren der flexible
Leitungsabschnitt einerseits und der der flexible, rohrförmige Abschnitt andererseits sich gegenseitig bezüglich einer Längenexpansion oder
Längenkompression aufgrund der synchronen, niederfrequenten
Druckschwankungen in beiden Leitungszweigen. Dieses Blockieren wird durch die starren Verbindungen der vorderen und hinteren Abschnittsenden„über Kreuz" erreicht, in gleicher Weise wie in der zuerst vorgestellten Bauform mit zwei flexiblen Leitungsabschnitten. Die starren Verbindungen werden
typischerweise durch einen inneren und einen äußeren, starren Rohrabschnitt eingerichtet; diese Rohrabschnitte begrenzen bevorzugt auch den zweiten Leitungszweig. Eine Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Kaltkopf erfolgt nicht mechanisch starr, sondern lediglich über den flexiblen
Verbindungsabschnitt und/oder den flexiblen, rohrförmigen Abschnitt, wodurch hochfrequente Schwingungen des Steuerventils isoliert werden. Durch die konzentrische, geschachtelte Anordnung von flexiblem Leitungsabschnitt und flexiblem, rohrförmigen Abschnitt kann ein Einbringen eines Drehmoments auf den Kaltkopf aufgrund von Druckschwankungen des Arbeitsgases praktisch vollständig verhindert werden; zudem wird ein kompakter Bau erreicht. Man beachte, dass Ausführungsformen zur zuerst vorgestellten Bauform, soweit sie nicht die beiden flexiblen Leitungsabschnitte weiterbilden, auch auf diese zweite Bauform mit flexiblem Leitungsabschnitt und flexiblem, rohrförmigem Wandabschnitt angewandt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Pulsrohrkühler-System sieht vor, dass das vordere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das hintere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr mit dem Kaltkopf verbunden sind, und/oder dass das hintere Abschnittsende des flexiblen Leitungsabschnitts und das vordere Abschnittsende des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts starr mit dem Steuerventil verbunden sind. Die in dieser Ausführungsform vorgesehenen starren mechanischen Verbindungen der Abschnittsenden mit dem Steuerventil und dem Kaltkopf sind aufgrund der im Wesentlichen expansions- und kontraktionsfreien Ausgestaltung der
Verbindungseinrichtung bezüglich der niederfrequenten Vibrationen unkritisch.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der flexible Leitungsabschnitt und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt jeweils mit einem metallischen Wellschlauch ausgebildet sind, und dass die Federraten der beiden
Wellschläuche so ausgebildet sind, dass bei gleicher Druckbeaufschlagung mit Arbeitsgas im ersten und zweiten Leitungszweig die beiden Wellschläuche betragsgleiche Kräfte in Längsrichtung erzeugen. Dadurch kann eine praktisch vollständige Kompensation der Längenexpansion bzw. Längenkompression der Verbindungseinrichtung erreicht werden.
Weiterhin ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der lediglich der erste Leitungszweig vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist. Dies vereinfacht den Aufbau; Totvolumina werden reduziert. Man beachte, dass allgemein wenigstens einer der Leitungszweige für das Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist, so dass Arbeitsgas zum und vom Kühlkopf befördert werden kann, und weiterhin allgemein und daher auch in dieser Ausführungsform beide Leitungszweige für das Arbeitsgas zugänglich sind, so dass beide Leitungszweige an der Expansions- und Kompressionskompensation
teilnehmen können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Leitungszweig einen inneren Ringraum zwischen der Außenseite des flexiblen Leitungsabschnitts und einem inneren, starren Rohrabschnitt und einen äußeren Ringraum zwischen dem flexiblen, rohrförmigen Wand abschnitt und einem äußeren, starren Rohrabschnitt umfasst. Hier wird der flexible
Leitungsabschnitt des ersten Leitungszweigs gleichzeitig zur Begrenzung des zweiten Leitungszweigs eingesetzt, was die Anzahl der benötigten Wandungen reduziert und außerdem eine starre Verbindung zwischen Steuerventil und Kaltkopf auf einfache Weise vermeidet.
Erfindungsgemäße Magnetresonanzanordnung
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine
Magnetresonanzanordnung, insbesondere NMR-Spektrometer-Anordnung oder NMR-Tomographie-Anordnung, umfassend ein erfindungsgemäßes, oben beschriebenes Pulsrohrkühler-System. Die Magnetresonanzanordnung ist besonders störungsarm und daher für hochauflösende Messungen besonders gut geeignet. Eine Magnetresonanzanordnung umfasst typischerweise zumindest einen Magneten, der in der Regel supraleitend ausgebildet und in einem Kryostaten angeordnet ist, weiterhin Hochfrequenzkomponenten, etwa HF-Spulen in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten, und eine
Probenposition für eine zu vermessende Probe.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die
Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, angeordnet an einem Kryostaten eines NMR-Spektrometers, mit horizontal angeordneter Verbindungseinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf das Pulsrohrkühler-System von
Fig. 1 , mit einem geraden Leitungszweig und einem meandrierenden Leitungszweig; Fig. 3 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, mit zwei meandrierenden Leitungszweigen;
Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, mit einem durchströmbaren Leitungszweig und einem nicht durchströmbaren Leitungszweig;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems, angeordnet an einem Kryostaten eines MNR-Spektrometers, mit vertikal angeordneter Verbindungseinrichtung; eine schematische Seitenansicht des Pulsrohrkühler-Systems von Fig. 5, um 90° gegenüber der Ansicht von Fig. 5 gedreht, mit zwei meandrierenden Leitungszweigen; eine schematische Außenansicht eines metallischen Wellschlauchs für die Erfindung; eine schematische Schnittdarstellung eines Drehventils für die Erfindung, geschaltet auf das Hochdruckreservoir; die Schnittdarstellung des Drehventils von Fig. 8, geschaltet auf das Niederdruckreservoir; eine schematische Querschnittsansicht des Kryostaten des NMR Spektrometers von Fig. 1 ; eine schematische, teilweise geschnittene Aufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler- Systems, in der die Komponenten der Verbindungseinrichtung konzentrisch angeordnet sind.
Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 10. Das Pulsrohrkühler- System 0 dient dazu, ein Kühlmedium (etwa flüssiges Helium) in einem
Kryostaten 1 auf einer kryogenen Temperatur (bei flüssigem He-4 ca. 4,2 K) zu halten. Das Kühlmedium im Kryostaten 1 temperiert eine supraleitende
Magnetspule, die für eine NMR-Messung ein Magnetfeld erzeugt (vgl. dazu Fig. 10). Um die NMR-Messung möglichst wenig zu stören, ist das Pulsrohrkühler- System 10 mit einem Steuerventil 3, hier einem Drehventil, ausgestattet, das räumlich getrennt von einem Kaltkopf 2 angeordnet ist.
Das Steuerventil 3 schaltet abwechselnd mit einer Frequenz von ca. 1-2 Hz ein Hochdruckreservoir und ein Niederdruckreservoir (vgl. dazu Fig. 8 und Fig. 9) eines Arbeitsgases, meist Helium-4, auf den Kaltkopf 2, der am Kryostaten 1 befestigt ist.
Das Steuerventil 3 ist über eine horizontal angeordnete Verbindungseinrichtung 4 mit dem Kaltkopf verbunden, wobei durch die Verbindungseinrichtung 4 das Arbeitsgas vom Steuerventil 3 zum Kaltkopf strömen kann und umgekehrt.
Am Kaltkopf 2 ist ein Gegengewicht 5 angeordnet, durch das das Drehmoment, das das Eigengewicht der Verbindungseinrichtung 4 am Kaltkopf 2 bewirkt, ausgeglichen wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das Steuerventil 3 auf einer Halterung 9 gehalten, um das Steuerventil 3 auf der gleichen Höhe wie den Kaltkopf 2 zu positionieren.
In Fig. 2 in Aufsicht kann der Aufbau insbesondere der Verbindungseinrichtung 4 des Pulsrohrkühler-Systems 10 besser ersehen werden.
Die Verbindungseinrichtung 4 ist mit einem starren Leitungsabschnitt
(„Rohrstück") 13 mit dem Steuerventil 3 verbunden. Dieser starre
Leitungsabschnitt 13 verzweigt an einem Verzweigungspunkt 14 auf einen ersten, hier gerade (direkt) verlaufenden Leitungszweig 11 und einen zweiten, hier meandrierend („zusammengefaltet") verlaufenden Leitungszweig 12. An einem Vereinigungspunkt 15 werden die Leitungszweige 11 , 12 wieder zusammengeführt und sind über einen starren Leitungsabschnitt 6 mit dem Kaltkopf 2 verbunden. Der erste Leitungszweig 1 1 enthält einen ersten flexiblen Leitungsabschnitt 4a, und der zweite Leitungszweig 12 enthält einen zweiten flexiblen
Leitungsabschnitt 4b. Die beiden flexiblen Leitungsabschnitte
(„Schlauchstücke") 4a, 4b verlaufen parallel zueinander entlang einer
Längsrichtung LR; die Längsrichtung LR verläuft hier horizontal.
Die flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b weisen jeweils in einem vorderen Bereich VB, der hier dem Kaltkopf 2 nahe ist, jeweils ein vorderes
Abschnittsende 17, 18 auf, und in einem hinteren Bereich HB, der hier dem Steuerventil 3 nahe ist, jeweils ein hinteres Abschnittsende 19, 20 auf.
Das vordere Abschnittsende 17 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a ist über einen kurzen, starren Leitungsabschnitt 21 und das hintere
Abschnittsende 20 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist mit einem längeren, verwinkelten, starren Leitungsabschnitt 22 mit dem
Vereinigungspunkt 15 verbunden. Damit sind auch die Abschnittsenden 17, 20 über die starren Leitungsabschnitte 21 , 22 mechanisch starr miteinander verbunden.
Das vordere Abschnittsende 18 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist über einen längeren, verwinkelten starren Leitungsabschnitt 23 und das hintere Abschnittsende 19 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a ist mit einem kurzen, geraden, starren Leitungsabschnitt 24 mit dem Verzweigungspunkt 14 verbunden. Damit sind auch die Abschnittsenden 18, 19 über die starren Leitungsabschnitte 23, 24 mechanisch starr miteinander verbunden.
Schaltet nun das Steuerventil 3 einen hohen Druck auf die beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b, so versuchen sich diese in Längsrichtung LR auszudehnen. Der erste flexible Leitungsabschnitt 4a versucht dabei, die Punkte 14, 15 über die starren Leitungsabschnitte 21 , 24
auseinanderzudrücken. Hingegen versucht der zweite flexible Leitungsabschnitt 4b, die Punkte 14, 15 über die starren Verbindungsabschnitte 22, 23
zusammenzudrücken. Im Ergebnis gibt es näherungsweise keine relative Bewegung zwischen den Punkten 14, 15 durch die Druckerhöhung.
Schaltet hingegen das Steuerventil 3 einen niedrigen Druck auf die beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b, so versuchen sich diese in Längsrichtung LR zu verkürzen. Der erste flexible Leitungsabschnitt 4a versucht dabei, die Punkte 14, 15 über die starren Leitungsabschnitte 21 , 24 zusammenzuziehen. Hingegen versucht der zweite flexible Leitungsabschnitt 4b, die Punkte 14, 15 über die starren Verbindungsabschnitte 22, 23 auseinanderzuziehen. Im Ergebnis gibt es wiederum näherungsweise keine relative Bewegung zwischen den Punkten 14, 15 durch die Druckerniedrigung.
Die Expansions- bzw. Kontraktionskräfte der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b bei Druckschwankungen kompensieren sich somit gegenseitig. Da die flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b baugleich sind, insbesondere sind Länge und Querschnitt gleich, ist diese Kompensation näherungsweise vollständig und es kommt (näherungsweise) zu keinen Längenänderungen. Allerdings ist der zweite Leitungszweig 12 um den Abstand x quer zur Längsrichtung LR gegenüber dem ersten Leitungszweig 1 1 versetzt, was zur Einbringung eines Drehmoments auf den Kaltkopf 2 führen kann, welches diesen um seine Längsachse LA (die senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2 verläuft) zu drehen versucht. Der (horizontale) Abstand x wird daher in der Praxis meist so klein wie möglich gewählt. Man beachte, dass in einer Variante der gezeigten Ausführungsform die flexiblen Leitungsabschnitte auch übereinander angeordnet werden können; in diesem Fall ergäbe sich durch den (vertikalen) Abstand der flexiblen Leitungsabschnitte ein Kippmoment auf den Kaltkopf.
Man beachte weiterhin, dass zwischen dem Steuerventil 3 und dem Kaltkopf 2 keine durchgehende starre Verbindung besteht. Die Leitungsverbindung in beiden Zweigen 1 1 , 12 erfolgt jeweils über Vermittlung eines der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b. Dadurch können am Steuerventil 3 auftretende hochfrequente Schwingungen (insbesondere verursacht durch einen
motorischen Antrieb eines Drehkörpers) vom Kaltkopf 2 ferngehalten werden. Man beachte, dass für diese Isolationsfunktion eine gewisse Mindestlänge der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b nötig ist, typischerweise 50 cm oder mehr, wodurch auch der horizontale Mindestabstand des Steuerventils 3 vom Kaltkopf 2 in dieser Ausführungsform bestimmt wird.
In der gezeigten Ausführungsform kann Arbeitsgas durch beide Leitungszweige 1 1 , 12 hindurch fließen. Allerdings ist der zweite Leitungszweig 12 ca. dreimal so lang wie der erste Leitungszweig 1 1 und hat einen entsprechend höheren Strömungswiderstand, so dass deutlich mehr Arbeitsgas durch den ersten Leitungszweig 1 1 fließt als durch den zweiten Leitungszweig 12.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Pulsrohrkühler-Systems 10, ähnlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Pulsrohrkühler- System gezeigt. Es werden vor allem die Unterschiede zu Fig. 2 erläutert.
In dieser Ausführungsform sind beide Leitungszweige 1 1 , 12 der
Verbindungseinrichtung 4 meandrierend ausgebildet. Beide Leitungszweige 1 1 , 12 sind vom Arbeitsgas durchströmbar und enthalten jeweils einen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b. Die Abschnittsenden 17, 20 einerseits und 18, 19 andererseits sind wiederum über starre Leitungsabschnitte 21 , 22 und 23, 24 starr mechanisch miteinander verbunden. Diese mechanisch starre Verbindung der Abschnittsenden 17, 18, 19 20„über Kreuz" ermöglicht die Kompensation von durch Druckschwankungen bedingten Längenänderungen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wie bei Fig. 2 beschrieben.
Die beiden Leitungszweige , 12 sind hier insgesamt näherungsweise gleich lang und entsprechend mit näherungsweise gleichem Strömungswiderstand ausgebildet, so dass durch die beiden Leitungszweige 1 1 , 12 näherungsweise gleich viel Arbeitsgas strömen kann.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Pulsrohrkühler-Systems 10, ähnlich zu dem Pulsrohrkühler-System von Fig. 2. Es werden wiederum vor allem die Unterschiede zur Ausführungsform von Fig. 2 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform verzweigt die Verbindungseinrichtung 4 am
Verzweigungspunkt 14 auf den durchströmbaren ersten Leitungszweig 1 1 mit dem ersten flexiblen Leitungselement 4a einerseits und den nicht
durchströmbaren zweiten Leitungszweig 12 mit dem zweiten flexiblen
Leitungselement 4b andererseits.
Das vordere Abschnittsende 18 des zweiten flexiblen Leitungselements 4b ist über die starren Leitungsabschnitte 23, 24 mit dem hinteren Abschnittsende 19 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a mechanisch starr verbunden. Das zweite flexible Leitungselement 4b nimmt über den starren Leitungsabschnitt 23 an Druckschwankungen des Arbeitsgases, wie vom Steuerventil 3 geschaltet, teil. Entsprechend versucht das zweite flexible Verbindungselement 4b auch, entsprechend dem anliegenden Druck des Arbeitsgases in Längsrichtung LR zu expandieren und zu kontrahieren.
Das hintere Abschnittsende 20 des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts 4b ist hier geschlossen ausgebildet und über ein starres Gestänge 25, durch das kein Arbeitsgas fließen kann, mit dem starren Leitungsabschnitt 21 starr verbunden, nämlich am Übergang 15a zum starren Leitungsabschnitt 16 zum Kaltkopf 2. Der verwinkelte, starre Leitungsabschnitt 21 führt wiederum zum vorderen Abschnittsende 17 des ersten flexiblen Leitungsabschnitts 4a. Damit sind die Abschnittsenden 17 und 20 mechanisch starr miteinander verbunden. Diese mechanisch starre Verbindung der Abschnittsenden 17, 18, 19 20„über Kreuz" ermöglicht wiederum die Kompensation der durch die
Druckschwankungen des Arbeitsgases bedingten Längenänderungen der flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wie bei Fig. 2 beschrieben.
Fig. 5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Pulsrohrkühler-System 10 ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt. Es werden wiederum vor allem die
Unterschiede zur Ausführungsform von Fig. 1 erläutert.
Das Steuerventil 3 ist hier am Boden (oder alternativ in Bodennähe)
angeordnet, während der Kaltkopf 2 an einem oberen Teil des Kryostaten 1 angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung 4 verläuft hier im Wesentlichen vertikal. Dadurch können die Verbindungseinrichtung 4 und das Steuerventil 3 in horizontaler Richtung näher an den Kryostaten 1 heranrücken als in der Ausführungsform von Fig. 1 , wodurch der Gesamtaufbau kompakter wird.
Die Fig. 6 illustriert eine um 90° gedrehte Seitenansicht des Pulsrohr- Kühlersystems 0 von Fig. 5. Die Verbindungseinrichtung 4 ist wie in Fig. 3 gezeigt auf zwei Leitungszweige 1 1 , 12 verzweigt, wobei die Abschnittsenden 17, 18, 19, 20 der beiden flexiblen Leitungsabschnitte 4a, 4b wiederum„über Kreuz" miteinander mechanisch starr verbunden (und verrohrt) sind. Der vordere, kaltkopfnahe Bereich VB ist hier oben, und der hintere,
steuerventilnahe Bereich HB ist hier unten angeordnet.
Die Fig. 7 zeigt in schematischer Außenansicht ein metallisches Wellrohr 70, mit dem ein flexibler Verbindungsabschnitt gemäß der Erfindung ausgebildet werden kann. Das Wellrohr 70 besitzt in Längsrichtung LR eine Abfolge von vielen Abschnitten mit kleinerem Durchmesser 71 und größerem Durchmesser 72. Dadurch kann das Wellrohr 70 relativ leicht elastisch in Längsrichtung LR gestreckt oder gestaucht werden, insbesondere bei Druckveränderungen im Inneren des Wellrohrs 70. Das metallische Wellrohr 70 kann insbesondere durch Verschweißen von metallischen Ringen oder Innenhochdruckumformen eines geraden Rohrstücks hergestellt werden.
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Funktion eines als Drehventil 80 ausgebildeten Steuerventils für die Erfindung.
Das Drehventil 80 verfügt über einen Motor 7, mit dem ein Drehkörper 6 gedreht wird, typischerweise mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde. Der Drehkörper 6 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet, das an ein Hochdruckreservoir 81 (ca. 25 bar) eines Arbeitsgases angeschlossen ist; im Gehäuse 8 befindet sich in der gezeigten
Ausführungsform ebenfalls Arbeitsgas unter Hochdruck. Am Gehäuse 8 ist weiterhin ein Anschluss zu einem Niederdruckreservoir 82 (ca. 6 bar) des Arbeitsgases sowie ein Anschluss 83 zum Kaltkopf (bzw. zur
Verbindungseinrichtung) eingerichtet. Man beachte, dass das
Hochdruckreservoir 81 und das Niederdruckreservoir 82 typischerweise über metallische Wellschläuche angeschlossen sind.
In der in Fig. 8 gezeigten Drehstellung des Drehkörpers 6 ist ein Kanal 84 zwischen dem Anschluss 83 des Kaltkopfs und dem Inneren des Gehäuses 80, und damit zum Hochdruckreservoir 81 , eröffnet. Ein Kanal 85 (gestrichelt eingezeichnet, da tatsächlich um 90° verdreht) zum Niederdruckreservoir 82 ist hingegen verschlossen.
In der in Fig. 9 gezeigten Drehstellung des Drehkörpers 6 ist nun der Kanal 85 zwischen dem Anschluss 83 des Kaltkopfs und dem Niederdruckreservoir 82 eröffnet. Hingegen ist der Kanal 84 (gestrichelt eingezeichnet, da tatsächlich um 90° verdreht) verschlossen. Durch einen schnellen Wechsel zwischen den beiden gezeigten Drehstellungen des Drehventils 80 kann der Druck des Arbeitsgases im Kaltkopf abwechselnd erhöht und erniedrigt werden.
Die Fig. 10 zeigt eine Magnetresonanzanordnung 90, hier ein NMR- Spektrometer, an der ein erfindungsgemäßes Pulsrohrkühler-System
eingesetzt werden kann.
In einem Kryostaten 1 ist eine supraleitende Magnetspule 91 angeordnet, die mit einem Kühlmittel (typischerweise ein flüssiges Gas wie LHe oder LN2, nicht dargestellt) auf einer kryogenen Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supralteiters in der Magnetspule 91 gehalten wird. Das Kühlmittel kann dabei von einem erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-System, das mit einem Kaltkopf in den Kryostaten 1 hineinragt (nicht dargestellt in Fig. 10, vgl. dazu aber Fig. 1 und Fig. 5), gekühlt werden. In einer Raumtemperaturbohrung 92 des Kryostaten 1 sind Hochfrequenz(=HF)-Komponenten 93 (z. B. HF- Sendespulen und HF-Empfangsspulen) angeordnet, die ein Probenvolumen 94 für eine zu vermessende Probe umschließen. Der Magnet 91 erzeugt im Probenvolumen 94 ein starkes homogenes Magnetfeld B0, z. B. von 5 Tesla oder mehr, welches für die NMR-Messung benötigt wird.
Die Fig. 11 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulsrohrkühler-Systems 100, ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt, wobei die Verbindungseinrichtung 1 10 geschnitten dargestellt ist. Es werden vor allem die Unterschiede zur
Ausführungsform von Fig. 2 erläutert. Die gasdurchströmten Volumina der Verbindungseinrichtung 1 10 sind in Fig. 1 1 schraffiert dargestellt.
Die hier bezüglich einer Zentralachse ZA im Wesentlichen
rotationssymmetrische Verbindungseinrichtung 1 10 umfasst einen gerade verlaufenden, ersten Leitungszweig 101 , der in der gezeigten Ausführungsform durch ein erstes starres Rohrstück 105, einen flexiblen Leitungsabschnitt 103, hier ausgebildet durch einen metallischen Wellschlauch, und ein zweites starres Rohrstück 06 ausgebildet ist. Der erste Leitungszweig 01 ist für Arbeitsgas direkt durchströmbar, das vom Steuerventil 3 zum Kaltkopf 2 und zurück fließt.
Die Verbindungseinrichtung 110 umfasst weiterhin einen verlaufenden, zweiten Leitungszweig 102, der in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen ausgebildet wird durch einen inneren Ringraum 111 und einen äußeren
Ringraum 113; die Ringräume 111 , 113 sind ineinander geschachtelt und koaxial (konzentrisch) bezüglich der Zentralachse ZA angeordnet.
Der innere Ringraum 111 wird radial innenseitig im Wesentlichen durch die starren Rohrstücke 105, 106 und den flexiblen Leitungsabschnitt 103, und außenseitig durch einen inneren, starren Rohrabschnitt 112 begrenzt. Der äußere Ringraum 113 wird radial innenseitig durch einen flexiblen, rohrförmigen Abschnitt 104, hier ausgebildet durch einen metallischen Wellschlauch, und außenseitig durch einen äußeren, starren Rohrabschnitt 114 begrenzt.
An hier zwei Durchlasslöchern 107 ist der innere Ringraum 111 mit dem ersten Leitungszweig 101 verbunden („Verzweigungspunkte" für das Arbeitsgas). Der äußere Ringraum 113 ist weiterhin durch einen ringförmigen Durchlass 108 für das Arbeitsgas mit dem inneren Ringraum 111 verbunden. Der zweite
Leitungszweig 102 ist hier nicht für das Arbeitsgas durch ström bar, sondern endet nahe dem hinteren Abschnittsende 120 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 als„Sackgasse".
Der flexible Leitungsabschnitt 103 und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt 104 sind ineinander geschachtelt und koaxial (konzentrisch) bezüglich der Zentralachse ZA angeordnet, und erstrecken sich im Wesentlichen entlang der zur Zentralachse ZA parallelen Längsrichtung LR von einem hinteren Bereich HB bis zu einem vorderen Bereich VB der Verbindungseinrichtung 1 10. Der vordere Endabschnitt 1 17 des flexiblen Leitungsabschnitts 103 ist hier über den Kaltkopf 2 und den äußeren starren Rohrabschnitt 1 14 starr mit dem hinteren Endabschnitt 120 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 verbunden. Weiterhin ist das vordere Abschnittsende 1 18 des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 hier über den inneren, starren Rohrabschnitt 1 12, das Steuerventil 3 und das starre Rohrstück 105 starr mit dem hinteren
Abschnittsende 1 19 des flexiblen Leitungsabschnitt 103 verbunden.
Der Wellschlauch des flexiblen Leitungsabschnitts 103 und der Wellschlauch des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 weisen aneinander
angeglichene Federraten auf, so dass die (in beiden Leitungszweigen 101 , 102 im Wesentlichen überall gleiche) auftretende Druckbeaufschlagung mit
Arbeitsgas an beiden Wellschläuchen in Längsrichtung LR zu betragsgleicher Kraft und Gegenkraft an der Verbindungseinrichtung 1 10 bzw. zwischen dem Steuerventil 3 und dem Kaltkopf 2 führt. Dadurch kompensieren sich insgesamt die Expansions- und Kompressionskräfte des flexiblen Leitungsabschnitts 103 einerseits und des flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitts 104 andererseits, wenn das Arbeitsgas im ersten und zweiten Leitungszweig 101 , 102
synchronen Druckschwankungen ausgesetzt ist. In der gezeigten
Ausführungsform weisen der flexible Leitungsabschnitt 103 und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt 104 in Längsrichtung LR dieselbe Länge auf; zur Anpassung der Federraten ist hier die Wandstärke des Wellschlauchs beim flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt 104 dünner gewählt als beim flexiblen Leitungsabschnitt 103 (nicht näher dargestellt). Man beachte, dass die
Federraten (Federhärten) über verschiedene Faktoren eingestellt werden können, neben der Wandstärke in radialer Richtung beispielsweise auch über das Schlauchmaterial oder die Balggeometrie am jeweiligen Wellschlauch.
Durch die koaxiale (konzentrische) Anordnung der flexiblen Teile von erstem und zweitem Leitungszweig 101 , 102 entfällt das kleine Restdrehmoment, das in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform durch den Querversatz der Leitungen 4a und 4b hervorgerufen wird, zur Gänze.

Claims

Patentansprüche
1. Pulsrohrkühler-System (10), umfassend einen Kaltkopf (2), ein
Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (4),
wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81 ) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die
Verbindungseinrichtung (4) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist,
und wobei die Verbindungseinrichtung (4) in einen ersten Leitungszweig ( 1 ) und einen zweiten Leitungszweig (12) verzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (1 1 ) einen ersten flexiblen
Leitungsabschnitt (4a) und der zweite Leitungszweig (12) einen zweiten flexiblen Leitungsabschnitt (4b) aufweist,
dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) parallel zueinander angeordnet und quer zu einer Längsrichtung (LR) der flexiblen
Leitungsabschnitte (4a, 4b) gegeneinander versetzt sind,
dass die Verbindungseinrichtung (4) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) jeweils ein vorderes Abschnittsende (17, 18) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (19, 20) im hinteren Bereich (HB) aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen
Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen
Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr miteinander verbunden sind, und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt.
2. Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Abschnittsende (17) des ersten flexiblen
Leitungsabschnitts (4a) und das hintere Abschnittsende (20) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr mit dem Kaltkopf (2) verbunden sind,
und/oder dass das hintere Abschnittsende (19) des ersten flexiblen Leitungsabschnitts (4a) und das vordere Abschnittsende (18) des zweiten flexiblen Leitungsabschnitts (4b) starr mit dem Steuerventil (3) verbunden sind.
3. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (3) als ein Drehventil (80) ausgebildet ist.
4. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starren Verbindungen der
Abschnittsenden (17-20) teilweise oder vollständig durch starre
Leitungsabschnitte (21-24) eingerichtet sind, durch die das Arbeitsgas strömen kann.
5. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leitungszweige (1 1 , 12) von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet sind.
6. Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungszweige (1 1 , 12) so ausgebildet sind, dass sie den gleichen Strömungswiderstand für das Arbeitsgas aufweisen.
7. Pulsrohr-Kühlersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur einer der beiden Leitungszweige (1 1 , 2) von Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist.
8. Pulsrohrkühler-System (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Leitungszweige (1 1 , 12) an einem der Abschnittsenden (17-20) von dessen flexiblem Leitungsabschnitt (4a, 4b) blockiert ist.
9. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) als metallische Wellschläuche (70) ausgebildet sind.
10. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) baugleich ausgebildet sind.
1 1 . Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) so angeordnet ist, dass die Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) horizontal verläuft.
12. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (4) so angeordnet ist, dass die Längsrichtung (LR) der flexiblen Leitungsabschnitte (4a, 4b) vertikal verläuft.
13. Pulsrohrkühler-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kaltkopf (2) ein Gegengewicht (5) angeordnet ist, mit dem ein durch das Gewicht der
Verbindungseinrichtung (4) bewirktes Drehmoment auf den Kaltkopf (2) kompensiert ist.
14. Pulsrohrkühler-System (100), umfassend einen Kaltkopf (2), ein
Steuerventil (3) und eine Verbindungseinrichtung (1 10),
wobei mit dem Steuerventil (3) abwechselnd ein Hochdruckreservoir (81 ) und ein Niederdruckreservoir (82) eines Arbeitsgases über die
Verbindungseinrichtung (1 10) auf den Kaltkopf (2) schaltbar ist, und wobei die Verbindungseinrichtung (1 10) in einen ersten
Leitungszweig (101 ) und einen zweiten Leitungszweig (102) verzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungszweig (101 ) einen flexiblen Leitungsabschnitt (103) und der zweite Leitungszweig (102) einen flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt (104) aufweist,
wobei der flexible Leitungsabschnitt (103) entlang einer Längsrichtung (LR) verläuft und koaxial im flexiblen, rohrförmigen Wandabschnitt (104) angeordnet ist,
dass die Verbindungseinrichtung (1 10) bezüglich der Längsrichtung (LR) einen vorderen Bereich (VB) und einen hinteren Bereich (HB) aufweist, wobei der flexible Leitungsabschnitt (103) und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt (104) jeweils ein vorderes Abschnittsende (1 17, 1 18) im vorderen Bereich (VB) und ein hinteres Abschnittsende (119, 120) im hinteren Bereich (HB) aufweisen,
dass das vordere Abschnittsende (1 17) des flexiblen Leitungsabschnitts
(103) und das hintere Abschnittsende (120) des flexiblen, rohrförmigen
Wandabschnitts (104) starr miteinander verbunden sind,
dass das hintere Abschnittsende (1 19) des flexiblen Leitungsabschnitts
(103) und das vordere Abschnittsende (1 18) des flexiblen, rohrförmigen
Wandabschnitts (104) starr miteinander verbunden sind,
und dass es keine durchgehende starre Verbindung zwischen dem Steuerventil (3) und dem Kaltkopf (2) gibt.
15. Pulsrohrkühler-System (100) nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das vordere Abschnittsende (1 17) des flexiblen Leitungsabschnitts (103) und das hintere Abschnittsende (120) des flexiblen, rohrformigen Wandabschnitts (104) starr mit dem Kaltkopf (2) verbunden sind,
und/oder dass das hintere Abschnittsende (1 19) des flexiblen Leitungsabschnitts ( 03) und das vordere Abschnittsende ( 18) des flexiblen, rohrformigen Wandabschnitts (104) starr mit dem Steuerventil (3) verbunden sind.
16. Pulsrohrkühler-System (100) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch
gekennzeichnet, dass der flexible Leitungsabschnitt (103) und der flexible, rohrförmige Wandabschnitt (104) jeweils mit einem metallischen Wellschlauch ausgebildet sind, und dass die Federraten der beiden Wellschläuche so ausgebildet sind, dass bei gleicher
Druckbeaufschlagung mit Arbeitsgas im ersten und zweiten
Leitungszweig (101 , 102) die beiden Wellschläuche betragsgleiche Kräfte in Längsrichtung (LR) erzeugen.
17. Pulsrohrkühler-System (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der erste Leitungszweig (101 ) vom Arbeitsgas durchströmbar ausgebildet ist.
18. Pulsrohrkühler-System (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitungszweig (102) einen inneren Ringraum (1 1 1 ) zwischen der Außenseite des flexiblen
Leitungsabschnitts (103) und einem inneren, starren Rohrabschnitt (1 12) und einen äußeren Ringraum (1 13) zwischen dem flexiblen, rohrformigen Wandabschnitt (104) und einem äußeren, starren Rohrabschnitt (1 14)
Br umfasst.
19. Magnetresonanzanordnung (90), insbesondere NMR-Spektrometer- Anordnung oder NMR-Tomographie-Anordnung, umfassend ein Pulsrohrkühler-System (10, 100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
Br
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