DE4017213C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorkühlen des Heliumtanks eines Kryostaten, insbesondere eines optischen Kryostaten mit optischen Komponenten im Heliumtank, oder eines NMR-Kryostaten, bzw. eines medizinischen NMR-Kryostaten für Kernspintomographie für die Aufnahme einer supraleitenden Magnetspule.

Es sind Kryostaten zur Aufnahme einer supraleitenden Magnetspule beispielsweise aus dem Bereich der Kernresonanzspektrometrie oder Kernspintomographie bekannt (DE-OS 29 06 060, DE-PS 37 24 562). Diesser Kryostat weist mehrere ineinandergeschachtelte Behälter oder Tanks auf, von denen der innerste eine Magnetspule enthält und im Betrieb mit flüssigem Helium mit einer Temperatur von etwa 4 K gefüllt ist. Ein äußerer Tank enthält flüssigen Stickstoff mit einer Temperatur von etwa 77 K. Beide Tanks sind gegeneinander und gegen Raumtemperatur vakuumisoliert, wobei die evakuierten Zwischenräume Strahlungsschilde auf Zwischentemperaturen enthalten, so daß sowohl der Wärmeübergang als auch die Wärmestrahlung auf ein Minimum reduziert ist. Vor der ersten Inbetriebnahme bzw. nach einer Wartung oder Reparatur an der Magnetspule oder dem Kryostaten muß dieser auf die Betriebstemperaturen abgekühlt werden. Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, wie der Kryostat auf diese Betriebstemperaturen abgekühlt werden kann. Bei einem Verfahren wird vorgeschlagen, den Stickstofftank mit flüssigem Stickstoff und den Heliumtank mit flüssigem Helium aufzufüllen und auf diese Art abzukühlen. Dazu würden jedoch große Mengen an flüssigem Helium benötigt, da die Magnetspule und der Innenraum des Kryostaten allein durch das verflüssigte Helium abgekühlt werden müßten. Das flüssige Helium kann trotz der geringen Temperatur von 4 K eine wesentlich kleinere Kapazität Wärme aufnehmen als flüssiger Stickstoff bei einer Temperatur von 77 K. Hieraus folgt neben dem großen Verbrauch an flüssigem Helium, das außerdem noch teuer ist, aufgrund des geringeren Wärmeaufnahmevermögens, ein erheblicher Aufwand an Zeit. Diese Nachteile können auch dadurch nicht gerechtfertigt werden, daß der Heliumtank zur Vermeidung von Verunreinigungen ausschließlich mit dem Kühlmedium Helium in Berührung kommt, insbesondere wenn der Tank Elemente mit großer Wärmekapazität enthält, wie z. B. eine supraleitende Magnetspule.

Bei einem anderen Verfahren wird vorgeschlagen, den evakuierten Zwischenraum zwischen dem Stickstoff- und Heliumtank mittels trockenem Stickstoffgas zu belüften, daß über Wärmeleitung der Heliumtank auf eine Temperatur von 77K abgekühlt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Stickstoff aus dem evakuierten Zwischenraum wieder entfernt werden muß. Da dies jedoch in der Regel nur unvollständig durchgeführt werden kann, frieren bei einer späteren Inbetriebnahme des Kryostaten die sich im evakuierten Zwischenraum befindenden Stickstoffreste am kälteren Heliumtank fest. Außerdem stellen mögliche Fehlbedienungen der Vakuumventile ein Sicherheitsrisiko dar, da durch entstehenden Überdruck aufgrund von verdampfendem einkondensierten Stickstoff bzw. Luft die Gefahr einer Explosion besteht. Zudem ist diese indirekte Kühlung über den zwischen dem Stickstofftank und dem Heliumtank liegenden evakuierten Zwischenraum ineffektiv, zeitaufwendig und führt im Fall eines einzigen zusammenhängenden Vakuumzwischenraums zwischen Stickstofftank und Heliumtank einerseits und der Umgebung andererseits außerdem zu einer Vereisung des Außenmantels des Kryostaten.

Eine weitere und die gängigste Methode ist daher in den Heliumtank zunächst flüssigen Stickstoff einzufüllen, wodurch der Tank auf eine Temperatur von etwa 77 K abgekühlt wird. Durch diese Abkühlung wird dem Kryostaten der größte Teil der Gesamtwärme entzogen. Allerdings muß nach der Abkühlung der flüssige Stickstoff wieder vollständig aus dem Heliumtank entfernt werden. Verbleibende Stickstoffreste verschlechtern die Heliumstandzeiten, die bei NMR-Magneten in der Regel bei einem Jahr liegen, und insbesondere Stickstoffreste auf der Magnetspule verschlechtern vor allem die Betriessicherheit der Magnetspule, d. h. sie vergrößern das Risiko eines Quenchs, d. h. eines unbeabsichtigten Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand der Magnetspule. Weiterhin besteht bei optischen Kryostaten die Gefahr, daß sich optische Komponenten, wie Fenster, Spiegel oder dergleichen im Strahlengang mit festem Stickstoff überziehen. Weist der Stickstoff einen gewissen Sauerstoffanteil auf, ist er also mit Sauerstoff verunreinigt, so wird diese paramagnetische Komponente bei Inbetriebnahme der Magnetspule von dieser angezogen. Außerdem besteht durch die nötigen Umbauarbeiten beim Einfüllen bzw. Austauschen zweier verflüssigter Gase die erhöhte Gefahr, daß Atmosphärenluft und somit Feuchtigkeit einkondensieren kann, was ebenfalls zu Fehlfunktionen führen und die Standzeit des Heliums verschlechtern kann. Weiterhin besteht eine erhöhte Sicherheitsgefahr aufgrund von Bedienungsfehlern.

Es ist weiterhin bekannt, bei einem Kryostaten an der Außenseite des Heliumtanks einen zusätzlichen Stickstofftank anzubringen, der koaxial den Heliumtank umgibt. Bei dieser Anordnung kann nunmehr dieser Stickstofftank mit flüssigem Stickstoff befüllt werden, wodurch die Wand des Heliumtanks und somit das Innere des Heliumtanks allmählich abgekühlt wird. Bei diesem Verfahren treten jedoch die Nachteile auf, daß innerhalb des Heliumtanks eine nur unzureichende Konvektion des im Heliumtank sich befindenden Heliumgases erzeugt wird, was auf der symmetrischen Anordnung des den Heliumtank umgebenden Stickstofftanks beruht. Diese symmetrische Anordnung ist jedoch für eine gleichmäßige Gewichtsverteilung der Tanks im Kryostaten unerläßlich. Außerdem besteht ein großer Nachteil darin, daß das gesamte, von diesem Stickstofftank eingenommene Volumen im späteren stationären Zustand des Kryostaten keinen Beitrag zur Kühlung leistet. Auch wenn der gesamte Stickstoff nach dem Vorkühlen des Kryostaten aus diesem Tank abgelassen wird und dieser Tank schließlich mit Helium gefüllt wird, trägt das Helium nicht zur Kühlung des supraleitenden Magneten bei, da das Helium in diesem Tank eingeschlossen ist und an der Konvektion und Wärmeübertragung im eigentlichen Heliumtank des Kryostaten nicht teilnehmen kann. Insgesamt ist also festzustellen, daß bei einem derart ausgebildeten Kryostaten der Raum innerhalb des Kryostaten nicht optimal ausgenutzt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zum Vorkühlen des Heliumtanks eines Kryostaten bereitzustellen, bei dem die obengenannten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens dadurch gelöst, daß flüssiger Stickstoff aus einem Vorratsbehälter unter geringem Überdruck über eine Leitung durch einen der Zugänge zum Heliumtank des Kryostaten in einen im Heliumtank angeordneten Wärmetauscher, von diesem über einen der Zugänge aus dem Kryostaten heraus und schließlich in einen Sammelbehälter, insbesondere in einen den Heliumtank umgehenden Stickstofftank, eingeleitet wird. Die Zugänge in den Heliumtank sind im allgemeine als Turm ausgeführt. Der Einfachheit halber wird im folgenden nur noch von Türmen gesprochen.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Heliumtank des Kryostaten, der mit Heliumgas gefüllt ist und unter Atmosphärendruck steht, mit flüssigem Stickstoff, der eine Temperatur von etwa 77 K aufweist, abgekühlt. Der flüssige Stickstoff wird über Leitungen in den Heliumtank eingeführt und entnimmt dem im Heliumtank sich befindenden Heliumgas über einen Wärmetauscher Wärme und führt diese mit dem abströmenden Stickstoff aus dem Heliumtank ab. Aufgrund der großen Wärmekapazität des flüssigen Stickstoffs können auch mit geringen Stickstoffmengen große Wärmemengen aus dem Heliumtank abgeführt werden. Von Vorteil ist hierbei, daß der Wärmetauscher ein relativ geringes Volumen aufweisen kann, so daß er nahezu überall innerhalb des Heliumtanks anordbar ist. Schließlich hat dieses Verfahren den wesentlichen Vorteil, daß das Innere des Heliumtanks ausschließlich mit Helium in Berührung kommt und dieser dadurch weder durch Stickstoff noch durch andere Gase verunreinigt wird. Da sich bei diesem Verfahren ausschließlich Heliumgas im Heliumtank befindet und der Stickstoff im Heliumtank in einer geschlossenen Leitung geführt wird, muß der Heliumtank nach dem Abkühlen auf eine Temperatur im Bereich von 100 K nicht gereinigt werden, sondern kann unmittelbar mit flüssigem Helium aufgefüllt werden. Um den Heliumtank und die sich im Heliumtank befindende Magnetspule nun von der Temperatur von etwa 100 K auf eine Temperatur im Bereich von 4 K abzukühlen, bedarf es nunmehr einer wesentlich geringeren Menge an flüssigem Helium, da bereits der weitaus größte Teil der Gesamtwärme des Kryostaten durch die Abkühlung mittels des von Stickstoff durchflossenen Wärmetauschers auf die Temperatur von etwa 100 K entzogen worden ist. Mit diesem Verfahren wird der Verbrauch an Helium ebenfalls auf ein Minimum reduziert. Dieses erfindungsgemäße Verfahren bietet demnach den Vorteil einer kostengünstigen und betriebssicheren Vorkühlung des Heliumtanks eines Kryostaten. Es vereint den Vorteil der Kühlung von Zimmertemperatur auf eine Temperatur im Bereich von 100 K durch Stickstoff mit dem Vorteil, daß der Heliumtank und damit auch die im Tank sich befindende Magnetspule oder optische Komponenten nur mit Helium in Berührung kommen und nicht verunreinigt werden.

Bevorzugt wird der Stickstoff über denselben Turm in den Heliumtank hinein- und wieder herausgeleitet. Dies hat den Vorteil, daß das Verfahren auch bei Kryostaten mit einem einzigen Turm angewendet werden kann. Bei Kryostaten mit mehreren Türmen bietet dieses Verfahren den Vorteil, daß die anderen Türme zu anderen Zwecken verwendet werden können.

Bevorzugt wird der Druck im Stickstoffvorratsbehälter zum Transport des Stickstoffs verwendet. Wird das Absperrventil des Stickstoffvorratsbehälters geöffnet, so strömt der Stickstoff aus dem Vorratsbehälter über die Zuleitung durch den Wärmetauscher und von diesem in den weiteren, den Wärmetauscher nachgeschalteten Behälter.

Der Stickstofftank wird durch das kalte Stickstoffgas, das den Wärmetauscher verläßt, vorgekühlt. Nach einiger Zeit verläßt auch flüssiger Stickstoff, in der Regel ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch, den Wärmetauscher und gelangt in den Stickstofftank. Dieser füllt sich nun. Optimal ist es, wenn der Heliumtank mit allen Komponenten dann eine Temperatur von etwa 100 K hat, wenn der Stickstofftank gerade angefüllt ist. Vorteilhaft wird die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs entsprechend gewählt. Dadurch, daß der Stickstoff in den den Heliumtank umgebenden Stickstofftank des Kryostaten eingeleitet wird, ergibt sich hieraus auch der weitere Vorteil, daß dieser Stickstofftank aufgrund seiner geringeren Wärmekapazität gegenüber der der Magnetspule im Heliumtank schneller als der Heliumtank abgekühlt wird und sich somit Verunreinigungen im Vakuumteil am Stickstofftank und nicht am Heliumtank niederschlagen.

Vorteilhaft werden nach Abschluß der Vorkühlung des Heliumtanks der Wärmetauscher und dessen Zu- und Ableitungen von Stickstoff freigespült. Dies hat den Vorteil, daß nunmehr die Zu- und Ableitungen vom Wärmetauscher entfernt und aus dem Kryostaten herausgezogen werden können, ohne daß der Innenraum des Heliumtanks durch Stickstoff verunreinigt wird. Der Wärmetauscher kann im Innern des Heliumtanks verbleiben, d. h. er muß nach dem Vorkühlen des Kryostaten nicht entfernt werden. Wird nach dem Vorkühlen flüssiges Helium in den Heliumtank eingefüllt, so wird der Wärmetauscher geflutet und er stört im Heliumtank nur unbedeutend, da das Volumen des Wärmetauschers relativ gering ist.

Bei einem anderen Verfahren wird nach dem Vorkühlen des Heliumtanks der Wärmetauscher aus dem Heliumtank herausgezogen. Dies hat den Vorteil, daß der Wärmetauscher zum Vorkühlen anderer Kryostaten weiterverwendet werden kann, d. h. daß dieser Wärmetauscher nicht verloren ist und daß der Stickstoffvorkühlkreislauf von dem Heliumtank absolut entkoppelt bleiben kann.

Die oben genannte Aufgabe wird mittels der Vorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch einen im Heliumtank des Kryostaten angeordneten Wärmetauscher, der ein flüssigen Stickstoff führendes Rohr und mehrere Kühlrippen aufweist. Da der Stickstoff im Wärmetauscher in einem Rohr geführt wird und dieses Rohr von einer Vielzahl von Kühlrippen umgeben ist, wird der Vorteil erzielt, daß in Bezug auf die beim Vorkühlen im Heliumbehälter sich befindende Stickstoffmenge die Kühlfläche des Wärmetauschers äußerst groß ist. Hierdurch kann der Wärmetauscher dem Heliumgas große Mengen an Wärme entziehen und an den Stickstoff weiterleiten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher mit dem einen Ende mit dem Stickstoffvorratsbehälter und mit seinem anderen Ende mit einem Auffangbehälter verbunden. Dabei dient in bevorzugter Weise der den Heliumtank umgebende Stickstofftank des Kryostaten als Auffangbehälter. Dies hat den Vorteil, daß beim Vorkühlen des Heliumtanks gleichzeitig der Stickstoffbehälter aufgefüllt oder umgekehrt beim erstmaligen Auffüllen des Stickstoffbehälters gleichzeitig der Heliumtank vorgekühlt wird.

Bevorzugt sind die Zu- und Ableitungen für den Wärmetauscher als Doppelrohr, als koaxiales oder durch eine Längswand geteiltes Rohr ausgebildet. In diesem Doppelrohr wird nunmehr über einen einzigen Turm der Stickstoff in dem im Heliumtank sich befindenden Wärmetauscher eingeleitet und wieder abgeführt. Von Vorteil ist, daß das Doppelrohr einfach von außen auf den Wärmetauscher aufsetzbar und mit diesem dicht verbindbar und wieder abkoppelbar ist. Außerdem kann der effektive freie Querschnitt des Turms nahezu vollständig für die Zu- und Ableitung des Stickstoffs genutzt werden.

Eine starke Konvektion des Heliumgases innerhalb des Heliumtanks wird dadurch erreicht, daß der Wärmetauscher oberhalb des Magneten angeordnet und insbesondere teilkreisförmig ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung und Ausgestaltung des Wärmetauschers wird erreicht, daß das abgekühlte Heliumgas am Wärmetauscher nach unten und somit entlang des Magneten fällt. Dadurch entzieht das abgekühlte Heliumgas dem Magneten effektiv Wärme, streicht an der anderen Seite des Magneten nach oben, und gelangt nunmehr wieder in aufgewärmtem Zustand an den Wärmetauscher. Dadurch, daß der Wärmetauscher nur an der einen Seite des Magneten vorgesehen ist, wird ein Heliumgaskreislauf innerhalb des Kryostaten erzwungen, der an der Seite des Wärmetauschers nach unten und auf der gegenüberliegenden Seite nach oben um den Magneten herum gerichtet ist.

Bevorzugt ist der Wärmetauscher allseitig von der im Heliumtank sich befindenden Heliumatmosphäre konvektiv umströmt. Dies hat den Vorteil, daß der Wärmetauscher allseitig mit Kühlrippen ausgestattet sein kann, die nunmehr allesamt von Heliumgas umströmt werden und diesem Wärme entziehen. Hierdurch wird eine relativ große Wärmetauscherfläche geschaffen, ohne die Menge an Stickstoff, die den Wärmetauscher durchströmt, zu erhöhen.

Vorteilhaft weist der Wärmetauscher einen Abstand zur Wand des Heliumtanks auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird sichergestellt, daß die Wand des Heliumtanks die Konvektion nicht ungünstig beeinflußt.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Wärmetauscher als nachrüstbares Element ausgebildet ist. Hierdurch können bereits bestehende Kryostaten mit einem Wärmetauscher versehen werden, so daß diese beim nächsten Einsatz mittels des erfindungsgemäßen Vorkühlverfahrens abgekühlt werden können.

Um die Turbulenz des im Rohr des Wärmetauschers strömenden Stickstoffs zu erhöhen und dadurch den Wärmeübergang von der Rohrinnenwandung an den Stickstoff zu vergrößern, ist vorteilhaft vorgesehen, daß das den Stickstoff führende Rohr des Wärmetauschers einen gut wärmeleitenden Geflechteinsatz, z. B. aus Kupfer, Turbulenzeinsätze oder dergleichen aufweist. Dieser Geflechteinsatz verhindert, daß an der Rohrwandung sich bildender Stickstoffdampf den Wärmeübergang von der Rohrwandung verschlechtert.

Vorteilhaft ist der Wärmetauscher, insbesondere die Kupplungen zwischen den Zu- bzw. Ableitungen und dem Wärmetauscher beheizbar. Hierdurch können sich im Wärmetauscher bildende Vereisungen oder dergleichen wieder aufgelöst werden. Insbesondere kann bei flexiblen Wärmetauschern die Flexibilität wieder hergestellt werden.

Eine besondere Ausgestaltung sieht vor, daß der Wärmetauscher so ausgebildet ist, daß er aus dem Heliumtank entfernbar ist, insbesondere ohne daß die Zu- und Ableitungen abgekoppelt werden müssen. Dies hat den Vorteil, daß er zum mehrmaligen Vorkühlen von Kryostaten eingesetzt werden kann und im Kryostat selbst kein toter Raum entsteht. Dies erlaubt eine vollständige Trennung des Vorkühlkreislaufs vom Heliumtank.

Dieser Wärmetauscher kann vorteilhaft derart ausgebildet sein, daß er fächer- oder schirmartig ausklappbare bzw. verschwenkbare Kühlrippen aufweist. Das Aufklappen bzw. Verschwenken der Kühlrippen erfolgt nachdem der Wärmetauscher an die vorgesehene Stelle in den Kryostaten eingeführt ist. Nach dem Abkühlen werden die Kühlrippen vor dem Entfernen des Wärmetauschers wieder zusammengeklappt, so daß der Wärmetauscher wieder durch den Turm herausziehbar ist.

Bei einem Wärmetauscher mit schirmartig ausklappbaren Kühlrippen bildet die Schirmspitze das obere Ende und die ausklappbaren Enden der Kühlrippen das untere Ende des Wärmetauschers, der dann in dieser Lage, bei eingeklappten Kühlrippen, durch einen der Türme des Wärmetauschers in den Heliumtank eingeführt und zwischen der Wand des Heliumtanks und der äußeren Umfangswand des Magneten im Bereich oberhalb des Magneten oder oberhalb dessen Mittelpunkt aufgespannt wird. Vorteilhaft kann dieser schirmartig ausgebildete Wärmetauscher an seinem unteren Ende einen Auslösemechanismus aufweisen, der betätigt wird, wenn der eingeschobene Wärmetauscher am Boden des Heliumtanks anstößt, wobei der Auslösemechanismus Arretiervorrichtungen entriegelt, so daß sich zum Beispiel der Schirm unter Federkraft öffnet. Ein Entfernen eines derart ausgebildeten Wärmetauschers ist auf einfache Weise dadurch möglich, daß sich beim Herausziehen des Wärmetauschers aus dem Kryostaten der Schirm aufgrund des engen Öffnungsquerschnitts im Turm selbsttätig wieder zusammenfaltet bzw. zusammenlegt. Neben der vergrößerten Oberfläche weisen derartige Wärmetauscher den Vorteil auf, daß sie mehrfach verwendbar sind und daß kein Totvolumen im Heliumtank verbleibt.

Vorteilhaft sind die Kühlrippen federnd ausspreizend ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung bedarf es keiner besonderen Maßnahme für das Ausklappen der Kühlrippen nach dem Einführen des Wärmetauschers in das Innere des Heliumbehälters. Beim Herausziehen des Wärmetauschers werden die Kühlrippen entgegen deren Federkraft zusammengelegt bzw. zusammengefaltet, so daß der Wärmetauscher wieder durch die relativ schmale Öffnung des Turms herausgezogen werden kann.

Eine Erhöhung des Wärmeübergangs vom Heliumgas auf die Kühlrippen wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß die Kühlrippen in einem Winkel zur konvektierenden Heliumgasströmung, insbesondere teilweise verschränkt, angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, daß das Heliumgas beim Durchströmen des Wärmetauschers von den Kühlrippen umgelenkt wird und dadurch mit den Kühlrippen in innigen Kontakt kommt und abgekühlt wird.

Vorteilhaft weist der Wärmetauscher ein Verhältnis von Kühlfläche zu aufgenommenem Stickstoffvolumen von 0,5 bis 5 m²/l, insbesondere 2 m²/l, auf. Bei dieser Ausgestaltung wird besonders deutlich, daß bei einem verlorenen Wärmetauscher, d. h. bei einem Wärmetauscher, der nach der Vorkühlung des Heliumtanks im Kryostaten verbleibt, das Totvolumen relativ gering ist, obwohl die Wärme übertragende Fläche des Wärmetauschers groß ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Kühlfläche 0,2 m² und das Volumen des im Wärmetauscher sich befindenden Stickstoffs 0,1 l.

Nach dem Vorkühlvorgang etwa im Wärmetauscher noch vorhandener flüssiger Stickstoff wird durch das Spülen mit Heliumgas weitaus zuverlässiger vollständig entfernt als etwa bei dem im Stand der Technik verwendeten separaten großvolumigen Tank.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist, und daß die genannten Merkmale in Alleinstellung und in beliebiger Kombination verwendet werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze des vorzukühlenden Kryostaten,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschers und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Prinzipskizze sind über eine Rohrleitung 1, die wärmeisoliert ist, ein mit 2 bezeichneter Kryostat und ein Stickstoffvorratsbehälter 3 miteinander verbunden. Unmittelbar im Anschluß an den Stickstoffbehälter 3, der zum Beispiel als Drucktank ausgebildet ist, befindet sich ein mit 4 bezeichnetes Absperrelement mit Druckminderer, mit dem die aus dem Stickstoffvorratsbehälter 3 ausströmende Menge an flüssigem Stickstoff exakt regulierbar ist. Der Kryostat 2 weist innerhalb eines äußeren Mantels 5 von außen nach innen gesehen einen Stickstofftank 6, einen Strahlungsschild 7, einen Heliumtank 8 und einen sich im Heliumtank 8 befindenden Spulenkörper 9, der insbesondere eine supraleitende Magnetspule ist, auf. An der Oberseite 10 ist der Kryostat 2 mit Zugängen 11 versehen, in denen die einzelnen Tanks 6 und 8 sowie Schilde, wie das Strahlungsschild 7, aufgehängt sind. Außerdem befindet sich an der Oberseite 10 ein Füllstutzen 12, über den der Stickstofftank 6 befüllt werden kann. Der als Turm 11a ausgebildete eine Zugang 11 weist ein Durchgang 13 auf, der den äußeren Mantel 5, einen Stickstoff-Strahlungsschild 14 und den Strahlungsschild 7 durchgreift und im Heliumtank 8 mündet.

Ferner ist in Fig. 1 eine weitere Rohrleitung 15 erkennbar, die aus dem Turm 11a mündet und mit dem Füllstutzen 12 verbunden ist. Die beiden Rohrleitungen 1 und 15 durchgreifen den Turm 11a über den Durchgang 13 und ragen in den Heliumtank 8, wo sie an einen im Heliumtank 8 angeordneten Wärmetauscher 16 angeschlossen sind. In der schematischen Wiedergabe der Fig. 1 ist der Wärmetauscher 16 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, sondern in einem übertriebenen Maßstab dargestellt, so daß das Prinzip der Erfindung deutlicher zum Ausdruck kommt. Dieser Wärmetauscher 16 ist in zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen in den Fig. 2 und 3 wiedergegeben und wird nachfolgend näher erläutert. Die beiden Rohrleitungen 1 und 15 weisen in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschers 16 eine Kupplung 17 auf, über die sie an den Wärmetauscher 16 ankoppelbar ist. Dabei bildet die Rohrleitung 1 die Zuleitung für den Wärmetauscher 16 und die Rohrleitung 15 die Ableitung, wobei die beiden Leitungen 1 und 15 nicht unbedingt durch denselben Turm 11a ins Innere des Heliumtanks 8 geführt sein müssen. Der Turm 11b ist über eine Leitung und ein Sicherheitsventil mit einem Heliumvorratsgefäß 22 verbunden. Der Heliumtank 8 befindet sich immer auf leichtem Überdruck, insbesondere in den Phasen, wo er kurzzeitig nach außen offen ist. Während der Vorkühlphase strömt vom Vorratsgefäß 22 Heliumgas ungehindert in den Heliumtank 8 nach.

Das in der Fig. 2 wiedergegebene Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 16 ist als Plattenwärmetauscher ausgestaltet und weist eine Kühlrohrschlange 18 auf, die strahlenförmig oder radial angeordnete Kühlrippen bzw. Kühlplatten 19 durchgreift. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Zulauf und der Ablauf zum Wärmetauscher 16 am einen Ende des Wärmetauschers 16 vorgesehen, wobei bei anderen Ausführungsarten das eine Ende den Zulauf und das andere Ende den Ablauf aufweisen kann. Bei dieser Ausführungsform werden die Platten 19 von der Kühlrohrschlange 18 nur einmal durchgriffen. Die Anzahl der Kühlrippen 19 kann bevorzugt derart gewählt werden, daß der Wärmetauscher 16 die erforderliche Wärmetauscherfläche aufweist. Der in der Fig. 2 wiedergegebene Wärmetauscher 16 weist im wesentlichen eine halbkreisförmige Gestalt auf und ist demgemäß oberhalb des Spulenkörpers 9 an einer Seite dieses Spulenkörpers angeordnet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die vom Wärmetauscher 16 abgekühlte Heliumatmosphäre im Bereich des Wärmetauschers entlang der äußeren Umfangsfläche des Spulenkörpers nach unten fällt und dadurch dem Spulenkörper 9 Wärme entziehen kann. Dementsprechend steigt die an der entgegengesetzten Seite des Spulenkörpers 9 sich befindende warme Heliumatmosphäre nach oben und gelangt in den Bereich des Wärmetauschers 16, der die vom Spulenkörper 9 aufgenommene Wärme dem Helium wieder entziehen kann. Die dadurch angeregte Konvektion bewirkt eine gleichmäßige Abkühlung des Spulenkörpers 9, der aufgrund dieser schonenden Behandlung keine aufgrund hoher Temperaturgradienten erzeugten Spannungen unterworfen ist, wie sie beim direkten Vorkühlen des Heliumtanks 8 durch flüssigen Stickstoff unweigerlich auftreten.

Bei dem in der Fig. 3 wiedergegebenen Wärmetauscher 16 handelt es sich um einen mobilen Wärmetauscher, der über die Öffnung 13 des Turms 11a oder des Turms 11b in den Heliumtank 8 einführbar und nach dem Vorkühlvorgang wieder aus dem Kryostaten 2 entfernbar ist. Demnach weist dieser Wärmetauscher 16 einen maximalen Durchmesser auf, der so bemessen ist, daß er noch durch den Durchgang 13 des Turms 11a bzw. 11b eingeschoben werden kann. Dabei bilden die Zuleitung 20 und die Ableitung 21 den Kern des Wärmetauschers 16, wobei die Ableitung 21 innerhalb der Zuleitung 20 angeordnet ist, bzw. umgekehrt, d. h. der Kern als Doppelrohr ausgebildet ist. An die Außenwand der Zuleitung 20 schließen sich strahlenförmig oder radial angeordnete Kühlrippen 19 an, wobei über die Anzahl der Kühlrippen 19 die gesamte Wärmetauscherfläche bestimmt wird. Ein derart ausgebildeter Wärmetauscher weist den Vorteil auf, daß er mehrfach einsetzbar ist und daß z. B. auch mehr als ein Wärmetauscher 16 zum Vorkühlen des Kryostaten 2 eingesetzt werden kann. Dieser Wärmetauscher 16 hat den wesentlichen Vorteil, daß der Stickstoffkreislauf absolut dicht abgeschlossen ist, da keine Kupplungen zum Verbinden von Zu- und Ableitungen benötigt werden.

Nachfolgend wird der Vorkühlvorgang des Kryostaten erläutert. Nach dem Anschluß des Stickstoffbehälters 3 über die Rohrleitung 1 an den Wärmetauscher 16 und nach der Verbindung des Wärmetauschers 16 über die Rohrleitung 15 mit dem Füllstutzen 12 für den Stickstofftank 6 wird das Absperrelement geöffnet und der Druckminderer 4 derart eingestellt, daß der Stickstoff aus dem Vorratsbehälter 3 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit über die Rohrleitung 1 in den Wärmetauscher 16 einströmt. Dabei werden über die Kühlrohrschlange 18 die Kühlrippen 19 des Wärmetauschers 16 abgekühlt, die wiederum, wie oben bereits beschrieben, die im Heliumtank 8 sich befindende Heliumatmosphäre abkühlt. Der erwärmte Stickstoff strömt nunmehr über die Rohrleitung 15 in den Stickstoffbehälter 6 des Kryostaten 2 ein und durchströmt diesen. Dabei kühlt vorteilhaft der Stickstofftank 6 schneller ab als der Heliumtank 8, da die im Heliumtank 8 sich befindende Masse des Spulenkörpers 9 wesentlich langsamer abkühlt als die Masse des Stickstofftanks 6.

Wie bereits oben beschrieben, wird ein Konvektionsstrom der Heliumatmosphäre im Heliumtank 8 erzeugt, über den der Spulenkörper 9 gleichmäßig und schonend abgekühlt wird. Zu Beginn des Vorkühlvorganges strömt flüssiger Stickstoff in den Heliumtank 8 ein und kühlt diesen ab. Dabei verdampft der Stickstoff, der in gasförmigem Zustand den Heliumtank über die Ableitung des Wärmetauschers 16 verläßt. Das Stickstoffgas strömt nun in den Stickstofftank 6 ein und kühlt diesen ab. Durch die allmähliche Abkühlung des Heliumtanks 8 verdampft der Stickstoff nicht mehr vollständig, so daß nun ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus dem Wärmetauscher 16 austritt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs ist dabei so gewählt, daß bei vollem Stickstofftank 6 der Heliumtank 8 auf eine Temperatur von etwa 100 K vorgekühlt ist.

Ist der Vorkühlvorgang beendet, so werden die beiden Rohrleitungen 1 und 15 vom Stickstoffvorratsbehälter 3 und vom Füllstutzen 12 getrennt und es wird der in den Rohrleitungen 1 und 15 und im Wärmetauscher 16 sich befindende Stickstoff über einen Spülvorgang herausgespült. Anschließend wird in die Rohrleitungen 1 und 15 und in den Wärmetauscher 16 Heliumgas eingeleitet. Sodann werden die Zu- und Ableitungen, die den Turm 11a bzw. 11b durch den Durchgang 13 durchgreifen, vom Wärmetauscher 16 an der Kupplung 17 abgetrennt und aus dem Kryostat 2 herausgezogen. Dabei ist darauf zu achten, daß der Heliumtank 8 unter leichtem Überdruck steht, also nicht die Gefahr besteht, daß Atmosphärenluft eindringt. Nunmehr ist der Kryostat 2 bereit, daß der Heliumtank 8 mit flüssigem Helium aufgefüllt werden kann. Dabei füllt sich der Wärmetauscher 16 ebenfalls mit Helium, was jedoch nicht von Nachteil ist, da aufgrund des geringen Volumens der Kühlrohrschlange 18 und der Kühlrippen 19 das vom Wärmetauscher 16 gebildete Totvolumen innerhalb des Heliumtanks 8 vernachlässigbar gering ist.

Bei einem aus dem Heliumtank 8 entfernbaren Wärmetauscher 16 wird dieser nach dem Vorkühlvorgang aus dem Kryostaten 2 herausgezogen und der Tank 8 kann sofort mit flüssigem Helium befüllt werden. Eventuell müssen vor dem Herausziehen des Wärmetauschers 16 die schirm- oder fächerartig ausgefalteten Kühlrippen wieder eingefaltet werden.

Claims (27)

1. Verfahren zum Vorkühlen eines Heliumtanks eines Kryostaten, insbesondere eines optischen Kryostaten mit optischen Komponenten im Heliumtank, oder eines NMR-Kryostaten, bzw. eines medizinischen NMR-Kryostaten für Kernspintomographie, für die Aufnahme einer supraleitenden Magnetspule, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff aus einem Vorratsbehälter unter geringem Überdruck über eine Leitung durch einen der Zugänge zum Heliumtank des Kryostaten in einen im Heliumtank angeordneten Wärmetauscher, von diesem über einen der Zugänge aus dem Kryostaten heraus und schließlich in einen Sammelbehälter, insbesondere in einen den Heliumtank umgebenden Stickstofftank eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff über denselben Zugang in den Heliumtank hinein- und wieder herausgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Stickstoffvorratsbehälter zum Transport des Stickstoffs verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffs so gewählt wird, daß der Heliumtank eine Vorkühltemperatur von etwa 100 K dann aufweist, wenn der flüssige Stickstoff, der aus dem Wärmetauscher ausgetreten und in den Sammelbehälter gelangt ist, diesen gerade gefüllt hat.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß der Vorkühlung des Heliumtanks der Wärmetauscher und dessen Zu- und Ableitungen von Stickstoff freigespült werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschluß der Vorkühlung des Heliumtanks die durch die Oberseite des Kryostaten führenden Zu- und Ableitungen für den Stickstoff vom Wärmetauscher abgekoppelt und aus dem Kryostaten entfernt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vorkühlen des Heliumtanks der Wärmetauscher aus dem Heliumtank herausgezogen wird.

8. Vorrichtung zum Vorkühlen des Heliumtanks eines Kryostaten, insbesondere eines optischen Kryostaten mit optischen Komponenten im Heliumtank, oder eines NMR-Kryostaten, bzw. eines medizinischen NMR-Kryostaten für Kernspintomographie, für die Aufnahme einer supraleitenden Magnetspule, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Heliumtank (8) des Kryostaten (2) angeordneten Wärmetauscher (16), der ein Stickstoff führendes Rohr (18) und mehrere Kühlrippen (19) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) mit dem einen Ende mit einem Stickstoffvorratsbehälter (3) und mit seinem anderen Ende mit einem Auffangbehälter verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffangbehälter der den Heliumtank (8) umgebende Stickstofftank (6) des Kryostaten (2) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungen (20 und 21) für den Wärmetauscher (16) als koaxiales Doppelrohr ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungen (20 und 21) für den Wärmetauscher (16) als ein Rohr mit einer längs verlaufenden Zwischenwand ausgebildet sind, wobei die Längswand die beiden Leitungen (20 und 21) voneinander trennt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) oberhalb des Magneten (9) angeordnet und insbesondere teilkreisförmig ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) allseitig von der im Heliumtank (8) sich befindenden Heliumatmosphäre konvektiv umströmt ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) einen Abstand zur Wand des Heliumtanks (8) aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) als nachrüstbares Element ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungen vom Wärmetauscher (16) abkoppelbar (Kupplung 7) und aus dem Zugang (11) zum Kryostaten (2) entfernbar sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das den Stickstoff führende Rohr (18) des Wärmetauschers (16) einen Geflechteinsatz oder dergleichen aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) beheizbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) im Heliumtank (8) des Kryostaten (2) fest montiert ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) mobil ausgestaltet und aus dem Heliumtank (8) entfernbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) fächer- oder schirmartig ausklappbare bzw. verschwenkbare Kühlrippen (19) aufweist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (19) federnd ausspreizend ausgebildet sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) flexibel ausgebildet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (19) in einem Winkel zur konvektierenden Heliumgasströmung, insbesondere teilweise verschränkt, angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (16) ein Verhältnis von Kühlfläche zu aufgenommenem Stickstoffvolumen von 0,5 bis 5 m²/l, insbesondere 2 m²/l aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche der Kühlrippen (19) 0,2 m² und das Stickstoffvolumen im Rohr (18) 0,1 l beträgt.