DE602005001588T2

DE602005001588T2 - Kryogenes System

Info

Publication number: DE602005001588T2
Application number: DE602005001588T
Authority: DE
Inventors: Takashi Miki
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: EP1619439B1; EP1619439A2; EP1619439A3; DE602005001588D1; ATE366891T1; JP4606059B2; US7395671B2; CN1694189A; US20060086101A1; JP2005322756A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kryogenes System zur Kühlung eines supraleitfähigen Magneten oder ähnlichem.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In herkömmlichen Vorrichtungen, die supraleitfähige Magneten beinhalten, war es nötig, die Magneten auf eine kryogene Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten, um ihre supraleitfähigen Eigenschaften zu erhalten. Beispiele einer Technik, um einen Magneten auf eine kryogene Temperatur zu halten, beinhalten eine Technik in der ein supraleitfähiger Magnet in einem Kühlmittel, wie z.B. flüssigem Helium, eingetaucht ist und eine Technik zur direkten Kühlung eines supraleitfähigen Magneten, benutzend eine kryogene Kältemaschine.
8 zeigt eine Konfiguration eines bekannten kryogenen Systems 101. Diese Figur zeigt einen Querschnitt eines MRT Systems (eines Magnet-Resonanz-Tomographen), der als medizinisches Instrument bekannt ist. Dieses System beinhaltet einen solenoidischen supraleitfähigen Magneten 103, dessen Zentralachse sich horizontal erstreckt.
Das kryogene System 101, welches von einem solchen Typ ist, daß das Heliumgas rekondensiert wird, beinhaltet einen Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter 102, in dem der supraleitfähige Magnet 103 in solch einer Weise untergebracht ist, daß der supraleitfähige Magnet 103 in einem Kühlmittel 104 (flüssiges Helium) eingetaucht ist, einen Vakuumbehälter 105, der einen den Aufbewahrungsbehälter 102 umgebenden Vakuumraum aufweist, und eine thermische Abschirmung 106, welche in diesem Raum so plaziert ist, daß sie den Aufbewahrungsbehälter 102 umgibt und welche die Funktion hat, die Menge der von dem Vakuumbehälter 105 zum Aufbewahrungsbehälter 102 transferierten Wärmestrahlung zu reduzieren.
Das kryogene System 101 beinhaltet im weiteren eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse 107, die sich durch den Vakuumbehälter 105 und die thermische Abschirmung 106 erstreckt, die einen Basisabschnitt kommunizierend verbunden in den Aufbewahrungsbehälter 102 aufweist und die eine nach außen gerichtete Öffnung aufweist. Das kryogene System 101 umfaßt auch eine in der Kältemaschinenmuffe 107 plazierte Kältemaschine 108, um aus dem Kühlmittel 104 bei kryogener Temperatur entstandenes Kühlgas wieder zu verflüssigen.
Da die Kältemaschinenmuffe 107 und der Aufbewahrungsbehälter 102 kommunizierend miteinander verbunden sind, sind eine obere Zone des Aufbewahrungsbehälters 102 und die Kältemaschinenmuffe 107 mit Kühlgas gefüllt, dessen Druck gleich dem Sättigungsdampfdruck, bei einer Temperatur, bei welcher der supraleitfähige Magnet 103 betrieben wird, ist.
Die Kältemaschine 108 ist röhrenförmig und länglich bzw. lang und hat zwei Stufen: Eine erste Kühlstufe 119 angeordnet an einem Mittelteil und eine zweite Kühlstufe 121 angeordnet in einem Endteil. Die erste Kühlstufe 119 ist thermisch verbunden mit der thermischen Abschirmung 106 und die zweite Kühlstufe 121 ist thermisch verbunden mit einem Wiederverflüssiger 130 (Rippen). Die Kältemaschine 108 hat eine ausreichende Kühlkapazität, um die zweite Kühlstufe 121 auf kryogener Temperatur (etwa 4K) zu halten. Deshalb wird die Oberflächentemperatur des Wederverflüssigers 130 geringer gehalten als die Temperatur des Kühlmittels. Folglich kann der Dampf des Kühlmittels 104 durch ein Inkontaktbringen des Dampfes mit dem Wiederverflüssiger 130 in eine Flüssigkeit kondensiert werden. Gemäß dieser Konfiguration ist es nicht nötig, das kryogene System 101 mit dem Kühlmittel 104 wiederzubefüllen, solange die Kältemaschine 108 funktionieren kann.
Um periodische Wartungsarbeiten durchzuführen, wird der Betrieb der Kältemaschine 108 in einigen Fällen gestoppt. Während der Wartungsarbeiten wird die Kältemaschine 108 aus der Kältemaschinenmuffe 107 gezogen und eine neue Kältemaschine 108 wird in die Kältemaschinenmuffe 107 eingeführt und in Betrieb genommen. Der Betrieb wird fortgesetzt bis die neue Kältemaschine 108 einen stabilen Zustand erreicht.
Während der Wartungsarbeiten kann, wie folgt beschrieben, ein ernsthaftes Problem entstehen.
Wenn die Kältemaschine 108 aus der Muffe herausgezogen wird, dringt in einigen Fallen von außerhalb Luft und/oder Feuchtigkeit in die Muffe in einer Menge, die gleich ist dem Volumen der Kältemaschine 108. Die sich ergebende Luft und/oder Feuchtigkeit wird unverzüglich in der Kältemaschinenmuffe 107 kondensiert und daran gebunden. Dies geschieht, da das Innere der Kältemaschinenmuffe 107 auf eine Temperatur kleiner als die Außenlufttemperatur gehalten wird, d.h., die Temperatur der thermischen Abschirmung 106 beträgt üblicherweise 30 bis 60 K und die Temperatur des Bodens der Kältemaschinenmuffe 107 beträgt 3 bis 5K.
Folgendes Problem tritt auf: Ein Problem dadurch, daß die Wärmeleitung zwischen der thermischen Abschirmung 106 und einer ersten Kühlstufe 119 der neuen Kältemaschine 108 aufgrund der anhaftenden Luft (Sauerstoff und Stickstoff) und/oder Feuchtigkeit verschlechtert ist, und die Kältemaschine 108 deshalb nicht mit voller Leistung betrieben werden kann.
Deshalb wird, wenn die Leitung bzw. Konduktion zwischen der ersten Kühlstufe 119 und der thermischen Abschirmung 106 klein ist, der thermische Kontaktwiderstand groß. Dies bewirkt eine Erhöhung der Temperatur der thermischen Abschirmung 106, um die zum Aufbewahrungsbehälter 102 transferierte Wärmemenge zu erhöhen. Im schlimmsten Fall übersteigt die zum Aufbewahrungsbehälter 102 transferierte Wärmemenge die Verflüssigungskapazität des Wiederverflüssigers 130. Folglich kann nicht der gesamte Dampf des Kühlmittels 104 verflüssigt werden, selbst wenn die Kältemaschine 108 betrieben wird.
Zahlreiche Versuche wurden unternommen, um eine Aufgabe zu lösen, so daß das Eindringen von Luft verhindert und der thermische Widerstand zwischen der Kältemaschine 108 und dem Kühlmittel 104 reduziert wird. In einem beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 5-223379 offenbarten Verfahren, wird eine dehnbare flexible Wartungstasche an ein proximales Ende (ein externes Teil des Systems) der Kältemaschinenmuffe 107 angebracht, durch Herauspumpen der Luft aus der Tasche, eine Saugpumpe nutzend, entleert und dann durch Einbringen eines Kühlgases in die Tasche durch eine Gasleitung aufgefüllt, so daß eine mit Kühlgas gefüllte Atmosphäre erzeugt wird. Die Kältemaschine 108 wird in dieser Atmosphäre der Wartung unterzogen.
Jedoch ist es umständlich, daß in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 5-223379 offenbarte Verfahren zu benutzen, da die Wartungstasche befestigt werden muß, bevor die Kältemaschine 108 ersetzt wird und weil die Saugpumpe zum Absaugen der Luft aus der Tasche und andere Werkzeuge vorbereitet werden müssen.
Zusätzlich wird der Austausch in solch einer Art und Weise ausgeführt, daß eine Fachkraft seine oder ihre Hände in ein Paar Handschuhe, die sich in die Wartungstasche erstrecken, einführt. Folglich ist dieser Vorgang umständlich. Das Ersetzen wird in einigen Fällen unterbrochen, da die Wartungstasche gerissen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kryogenes System bereitzustellen, bei dem eine Kühlmaschine leicht in solch einer Art und Weise ersetzt werden kann, daß Luft am Eintritt in die Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse gehindert ist.
Um obige Aufgabe zu erreichen, werden in der vorliegenden Erfindung die weiter unten beschriebenen technischen Mittel benutzt.
In der vorliegenden Erfindung ist eines der technischen Mittel, um das Problem zu lösen, folgendes: Ein kryogenes System beinhaltend einen Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter in dem der zu kühlende Körper in solch einer Art und Weise untergebracht ist, daß der Körper in einem flüssigen Kühlmittel eingetaucht ist; eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse aufweisend einen Basisabschnitt kommunizierend verbunden in den Aufbewahrungsbehälter und einen Öffnungsabschnitt, der geöffnet oder geschlossen zum Außenbereich bzw. des Äußeren des kryogenen Systems sein kann; und eine Kältemaschine, die durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe eingeführt bzw. eingesteckt wird, zur Wiederverflüssigung des vom Kühlmittel erzeugten Kühlgases, wobei ein Gasflußformierungsmittel zur Formierung eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe zum Öffnungsabschnitt bereitgestellt ist.
Um periodische Wartungsarbeiten durchzuführen, wird der Betrieb der Kältemaschine des kryogenen Systems gestoppt und die Kältemaschine wird in einigen Fällen aus der Kältemaschinenmuffe herausgezogen. Während dieses Vorgangs dringt Luft und/oder Feuchtigkeit, deren bzw. dessen Volumen gleich dem der Kältemaschine ist, in die Kältemaschinenmuffe von außerhalb ein, um eine Verunreinigung in der Kältemaschinenmuffe zu bewirken. Das Eindringen davon kann in solch einer Art und Weise sicher verhindert werden, daß ein Fluß von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe zum Öffnungsabschnitt, das Flußformierungsmittel benutzend, geformt bzw. ausgebildet wird und Luft und/oder Feuchtigkeit, die in die Kältemaschinenmuffe von außerhalb eindringt, ausgeblasen wird.
Kryogene Systeme umfassen einen Systemtyp, der ein Verfahren benutzt, in der ein zu kühlender Körper in einem Kühlmittel eingetaucht ist, welches auf eine kryogene Temperatur gehalten wird, so daß der Körper auf eine Temperatur nahe zum absoluten Nullpunkt gekühlt ist und der Körper darin untergebracht ist, und einen anderen Systemtyp, der eine Methode benutzt, bei welcher der zu kühlende Körper direkt mittels einer Kühlmaschine gekühlt wird, ohne ein Kühlmittel zu benutzen.
Um periodische Wartungsarbeiten durchzuführen, wird der Betrieb der Kühlmaschine des kryogenen Systems, welches die direkte Kühlmethode benutzt, gestoppt und in einigen Fällen wird die Kältemaschine aus der Kältemaschinenmuffe herausgezogen. Folglich muß die Luft daran gehindert werden, in die Kältemaschinenmuffe einzudringen, wie oben beschrieben wurde.
Deshalb ist das andere der technischen Mittel, die benutzt werden, um das Problem zu lösen, folgendes: Ein kryogenes System beinhaltend einen Vakuumbehälter, in dem der zu kühlende Körper untergebracht ist; eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. Hülse aufweisend einen Basisabschnitt, der mit dem Körper verbunden ist, einen Öffnungsabschnitt der frei geöffnet oder geschlossen zum Außenbereich bzw. Äußeren des kryogenen Systems sein kann, und eine Seitenwand zur Trennung eines inneren Abschnitts des Vakuumbehälters vom Außenbereich bzw. Äußeren; eine Kältemaschine zum Kühlen des Körpers, wobei die Kältemaschine durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe eingeführt bzw. eingesteckt wird; wobei ein Glasflußformierungsmittel zur Formierung eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe zum Öffnungsabschnitt bereitgestellt wird.
Bei dem kryogenen System, welches kein Kühlmittel, sondern das direkte Kühlungsverfahren benutzt, und wobei von außerhalb in die Kältemaschinenmuffe eintretende Luft und/oder Feuchtigkeit durch ein Formen eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe zum Öffnungsabschnitt heraus geblasen wird, kann das Eindringen davon sicher verhindert werden.
Jedoch selbst wenn solch ein Gasfluß nach außen geschaffen wird nachdem die Kältemaschine herausgezogen ist, kann folgende Situation nicht verhindert werden: Bevor der Gasfluß stabilisiert ist, dringt Luft und/oder Feuchtigkeit in die Kältemaschinenmuffe ein und wird verfestigt und dann daran gebunden. Deshalb ist folgende Verfahrensweise bevorzugt:
Der Gasfluß wird in der Kältemaschinenmuffe 7 geschaffen bevor die Kältemaschine herausgezogen wird, der Gasfluß wird stabilisiert und die Kältemaschine wird dann herausgezogen. Deshalb beinhalten die gasflußformierenden Mittel ein Gaseinlaß rohr, welches kommunizierend mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe verbunden ist, um von außen Spülgas in die Kältemaschinenmuffe zuzuführen und es beinhaltet auch ein Kontrollventil, welches am Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bereitgestellt ist und welches nur mit dem Äußeren kommunizierend verbunden ist.
Gemäß dieser Konfiguration fließt das Spülgas, welches durch das Gaseinlaßrohr zum Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe zugeführt wird, in den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe hinein und wird dann durch das Kontrollventil nach außen freigelassen. Folglich wird der Gasfluß zum Verhindern des Eindringens von Luft vor dem Herausziehen der Kältemaschine geschaffen. Selbstverständlich wird der Gasfluß aufrechterhalten nachdem die Kältemaschine herausgezogen ist, wodurch das Eindringen von Luft sicher verhindert wird.
Andererseits wenn der Betrieb der Kältemaschine einen stabilen Zustand erreicht und die Wiederverflüssigungskammer auf eine kryogene Temperatur (nahe 4K) gekühlt ist, wird das Gaseinlaßrohr mit einem Spülgas gefüllt mit einem Temperaturgradienten reichend von Raumtemperatur bis zu solch einer kryogenen Temperatur. In einem Gaseinlaßrohr, welches mit einem solch großen Temperaturgradient aufweisenden Spülgas gefüllt ist, treten manchmal thermoakustische Vibrationen auf, die ernsthafte Vibrationen oder Pulsieren verursachen, und eine große Wärmemenge wird hin zu Niedrigtemperaturregionen übertragen, d.h. es entstehen Bedingungen die für die kryogene Temperatur unvorteilhaft sind.
Zahlreiche Untersuchungen und Erfahrungen zeigen, daß folgende Verfahrensweise zweckdienlich ist, um das Auftreten thermoakustischer Vibrationen zu verhindern: Rohre, in denen Vibrationen auftreten, werden mit großen Behältern verbunden. Deshalb wird das Gaseinlaßrohr kommunizierend mit dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe mit einem Bypass-Rohr verbunden, beinhaltend ein dort zwischengesetztes Schaltventil.
Gemäß dieser Konfiguration kann das Gaseinlaßrohr kommunizierend mit der Kältemaschinenmuffe, die ein großes Volumen aufweist, mit einem dazwischen gesetzten Bypass-Rohr verbunden sein, wenn das Gaseinlaßrohr nicht in Gebrauch ist, wodurch das Auftreten von thermoakustischen Vibrationen in diesen Rohren verhindert werden kann.
Obwohl das Eindringen von äußerer Luft durch das Einbringen von Spülgas in die Kältemaschinenmuffe, wie oben beschrieben, verhindert werden kann, dringt Spülgas in den Basisabschnitt des Gaseinlaßrohres, da der Basisabschnitt kommunizierend mit dem Aufbewahrungsbehälter verbunden ist. Das eintretende Spülgas besitzt eine signifikant höhere Temperatur als die des verflüssigten Kühlgases und deshalb fördert es die Verdampfung des Kühlmittels im Aufbewahrungsbehälter und bewirkt deshalb einen Verlust des Kühlmittels.
Deshalb muß das Spülgas, welches durch das Gaseinlaßrohr eingeführt wird, daran gehindert werden, in den Aufbewahrungsbehälter zu gelangen. Daher umfaßt die Kältemaschinenmuffe ein gassperrendes Mittel, um den Eintritt des Spülgases in den Aufbewahrungsbehälter zu verhindern.
Das gassperrende Mittel umfaßt ein Verbindungsrohr, welches zwischen dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe und dem Aufbewahrungsbehälter angeordnet ist, und das Verbindungsrohr weist eine Querschnittsfläche kleiner als die der Kältemaschinenmuffe auf, in der die Kältemaschine eingesetzt ist.
Gemäß dieser Konfiguration wird das aus dem Gaseinlaßrohr ausströmende Spülgas daran gehindert, zum Aufbewahrungsbehälter zu fließen, indem auf Grund der kleinen Querschnittsfläche Druckverlust auftritt, aber es ist ihm erlaubt, in den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe, die auf der Seite gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzt zu dem Aufbewahrungsbehälter angeordnet ist, zu fließen. Das Spülgas wird durch das Kontrollventil nach außen entlassen.
Das gassperrende Mittel kann einen Ventilkörper beinhalten, mit dem der Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe blockiert werden kann und welches von außerhalb bedient werden kann.
Da der Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe mittels des Ventilkörpers gesperrt ist, kann das Spülgas daran gehindert werden, Richtung Aufbewahrungsbehälter zu fließen.
Der Ventilkörper wird vorzugsweise mit einem Preßmittel in die Richtung zum Öffnen des Basisabschnitts der Kältemaschinenmuffe gepreßt und ist mit einem Kabel verbunden, um den Ventilkörper zum Schließen des Basisabschnitts gegen die Preßkraft zu ziehen. Vorzugsweise erstreckt sich das Kabel außenseitig durch das Gaseinlaßrohr, welches in dem Gasflußformierenden Mittel beinhaltet ist, und kann von außen gezogen werden.
Gemäß dieser Konfiguration ist der Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe durch den Ventilkörper blockiert, wenn das Kabel, wie z.B. ein Draht, gezogen wird. Im Gegensatz dazu wird der Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe entsperrt, wenn das Kabel entspannt wird, weil der Ventilkörper durch die Preßmittel von dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe weg bewegt wird.
Der Ventilkörper kann einen Teil aufweisen, der eine Lotschicht oder eine Indiumschicht am Ventilkörper aufweist, welcher mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe kontaktieren kann.
Gemäß dieser Konfiguration kann das Spülgas sicher am Eintritt in die Kältemaschinenmuffe gehindert werden, da ein Weichmetallmaterial, welches leicht verformt werden kann, zwischen der Kältemaschinenmuffe und dem Ventilkörper angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kältemaschine leicht in solch einer Art und Weise ersetzt werden, daß Luft daran gehindert ist bzw. wird, in die Kältemsachinenmuffe einzutreten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schnitt durch ein kryogenes System gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein vergrößerter Schnitt durch eine Kältemaschinenmuffe gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 ist ein Graph, der eine Situation verdeutlicht, in der thermoakustische Vibrationen auftreten.
4 ist ein vergrößerter Schnitt einer Kältemaschinenmuffe gemäß einer zweiten Ausführungsform.
5 ist ein vergrößerter Schnitt eines Ventilkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 ist ein vergrößerter Schnitt eines Ventilkörpers gemäß einer dritten Ausführungsform.
7 ist eine Darstellung, welche eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Darstellung, welche ein bekanntes Beispiel zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein schematischer Querschnitt eines MRT, welches ein Beispiel für ein kryogenes System ist.
Das kryogene System 1 beinhaltet einen Aufbewahrungsbehälter 2. Der Aufbewahrungsbehälter 2 beinhaltet einen supraleitfähigen Magneten 3, der ein zu kühlender Körper ist, wobei der Körper in ein flüssiges Kühlmittel 4, welches flüssiges Helium ist, eingetaucht ist. Der Aufbewahrungsbehälter 2 ist umgeben durch einen Vakuumbehälter 5 mit einem dazwischen befindlichen Raum, und der Raum wird unter Vakuum gehalten. Eine thermische Abschirmung 6 ist in dem Raum zwischen dem Aufbewahrungsbehälter 2 und dem Vakuumbehälter 5 in solch einer Art und Weise angeordnet, daß die thermische Abschirmung 6 den Aufbewahrungsbehälter 2 umgibt.
Eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse 7 erstreckt sich durch den Vakuumbehälter 5 und die thermische Abschirmung 6. Ein Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 ist kommunizierend in den Aufbewahrungsbehälter 2 hinein verbunden, und ein Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 ist zum Äußeren des Vakuumbehälters 5, das ist das Äußere des Systems, geöffnet.
Eine Kältemaschine 8 (kryogene Kühlungseinheit), welche eine Temperatur nahe zum absoluten Nullpunkt erreichen kann, ist entfernbar in die Kältemaschinenmuffe 7 durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 eingeführt bzw. eingesteckt.
In der Beschreibung weiter unten soll die oben nach unten oder unten nach oben Richtung in 1 als vertikale Richtung bezeichnet werden. Deshalb wird auf die Seite nahe zum Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 als untere Endseite verwiesen und die Seite nahe zum Öffnungsabschnitt wird deshalb als obere Endseite bezeichnet. Die obere Endseite kann auch als offene Seite bezeichnet werden, da die obere Endseite außen bzw. nach außen geöffnet ist.
Da das kryogene System 1 ein MRT ist, weist der Aufbewahrungsbehälters 2 eine „Doughnut"- bzw. Torus-Gestalt auf, wobei sich die Mittel- bzw. Zentralachse davon horizontal erstreckt. Eine innere Wand 10 und eine äußere Wand 11 des Aufbewahrungsbehälters 2 sind voneinander durch eine vorbestimmte Distanz beabstandet und konzentrisch angeordnet. Beide Enden des Aufbewahrungsbehälters 2 sind durch entsprechende Seitenwände 12 geschlossen und ein innerer Raum ist ausgebildet. Ein röhrenförmiger Raum ist kommunizierend verbunden mit einem äußeren Teil, der sich zwischen der inneren Wand 10 und der Zentralachse befindet, und ein zu untersuchendes Objekt oder eine zu untersuchende Person ist in diesem Raum plaziert.
Der solenoidische supraleitende Magnet 3, welcher der zu kühlende Körper ist, ist im inneren Raum des Aufbewahrungsbehälters 2 in solch einer Art und Weise angeordnet, daß der solenoidische supraleitende Magnet 3 in dem flüssigen Helium 4, welches auf ungefähr 4 K gehalten wird, eingetaucht ist. Die Menge des flüssigen Heliums 4, welche in den Aufbewahrungsbehälter 2 zugeführt ist, ist ausreichend, um den supraleitenden Magneten 3 darin einzutauchen, und der Aufbewahrungsbehälter 2 ist nicht vollständig mit flüssigen Helium 4 gefüllt. Eine obere Zone des Aufbewahrungbehälters 2 ist mit einem Kühlgas gefüllt, dessen Druck gleich dem Sättigungsdampfdruck ist, bei einer Temperatur, bei welcher der supraleitfähige Magnet 3 betrieben wird.
Sowohl der Vakuumbehälter 5 als auch der Aufbewahrungsbehälter 2 haben eine „Doughnut"- bzw. Torus-Gestalt, und der Aufbewahrungsbehälter 2 ist in einem Innenraum des Vakuumbehälters 5 koaxial damit angeordnet. Es existiert ein vorbestimmter Zwischenraum zwischen dem Aufbewahrungsbehälter 2 und den Peripherie- und Seitenwänden, die den Vakuumbehälter 5 bilden. Der Zwischenraum wird unter Vakuum gehalten. Der Vakuumzustand verhindert sicher die Verbreitung von Wärme, die durch Konduktion oder Konvektion von außen übertragen wird.
Die thermische Abschirmung 6 ist in den Zwischenraum in solch einer Art und Weise angeordnet, daß die thermische Abschirmung 6 den Aufbewahrungsbehälter 2 umgibt. Die thermische Abschirmung 6 sperrt bzw. blockiert die Wärmestrahlung (Strahlung), die von außen übertragen wird.
Wie in 1 gezeigt, sind der supraleitfähige Magnet 3, der Aufbewahrungsbehälter 2, die thermische Abschirmung 6 und der Vakuumbehälter 5 koaxial zueinander angeordnet.
Der Aufbewahrungsbehälter 2 beinhaltet Entspannungsmittel 15, um Heliumgas nach außen zu entlassen. Die Entspannungsmittel 15 beinhaltet ein Entspannungsablaßrohr bzw. -auslaßrohr 16, welches bereitgestellt ist, um den Aufbewahrungsbehälter 2 kommunizierend mit dem Äußeren zu verbinden, und welches auch ein Entspannungsventil 17 (Kontrollventil) beinhaltet, welches daran bzw. dazu vorgesehen ist. Durch die Entspannungsmittel bzw. gemäß dem Entspannungsmittel 15 kann Heliumgas sicher nach außen entlassen werden, auch wenn das in dem Aufbewahrungsbehälter 2 gespeicherte flüssige Helium 4 verdampft ist, weil die übertragene Wärmemenge aufgrund einiger Umstände, beispielsweise eine Störung im Grad des Vakuums im Vakuumbehälter 5, wodurch das System gehindert wird, aufgrund eines Druckanstieges im Aufbewahrungsbehälter 2 unterbrochen zu werden.
2 zeigt eine Konfiguration der Kältemaschinenmuffe 7 und ein Konfiguration der Kältemaschine 8 die darin eingeführt ist. Die Kältemaschinenmuffe 7 umfaßt eine obere Muffe 20, die bereitgestellt ist, um eine erste Kühlstufe 19 zu umgeben, die, wie unten beschrieben, in der Kältemaschine 8 beinhaltet ist und ebenfalls eine untere Muffe 22 beinhaltet, die eine zweite Kühlstufe 21 umgibt.
Die obere Muffe 20 ist aus thermisch isolierendem Material gefertigt und so geformt, um eine röhrenförmige Gestalt aufzuweisen. Ein oberer, sich in Durchmesserrichtung erstreckender, Flansch 23 ist am oberen Ende davon ausgebildet, d.h., an dem Öffnungsabschnitt. Ein Balgen 24, ist an einem mittleren Teil der oberen Muffe 20, sich in vertikaler Richtung erstreckend, angeordnet, um vertikale Verformungen zu absorbieren.
Ein oberer, mit der Kältemaschine 8 integrierter, Deckel 25 ist hermetisch in den Öffnungsabschnitt mittels eines dazwischen plazierten O-Rings 26 gepaßt und ist entfernbar mit dem oberen Flansch 23 verbunden. Der obere Flansch 23 hat Justierbolzen 27, um die Differenz in der Höhe zwischen dem oberen Deckel 25 und der Vakuumbehälter 5 anzupassen.
Ein unterer Flansch 28 ist an der Seite nahe zum unteren Ende der oberen Muffe 20 ausgebildet und ist in Berührung mit der ersten Kühlstufe 19 der Kältemaschine 8. Der untere Flansch 28 ist thermisch verbunden mit der thermischen Abschirmung 6 mit einem dazwischen angeordneten thermisch leitenden Glied 18, welches aus gewebten Kupferdrähten gefertigt ist.
Die untere Muffe 22 ist aus einem schlechten Wärmeleiter hergestellt. Das obere Ende der unteren Muffe 22 ist mit dem unteren Flansch 28 verbunden. Die untere Muffe 22 weist einen trichterförmigen Teil auf, der am unteren Ende davon angeordnet ist und ist kommunizierend mit einem inneren Teil des Aufbewahrungsbehälters 2 mit einem dazwischen plazierten Verbindungsrohres 29 verbunden. Das Verbindungsrohr 29 weist eine Galgengestalt auf und kann Verformungen absorbieren. Der Raum in der unteren Muffe 22 ist mit Heliumgas gefüllt, dessen Druck gleich dem Sättigungsdampfdruck ist.
Das Verbindungsrohr 29 hat eine Querschnittsfläche kleiner als die eines dazwischen liegenden Teils der Kältemaschinenmuffe 7, in welche die Kältemaschine 8 eingeführt wird.
Die Kältemaschine 8, welche wie oben beschrieben in die Kältemaschinenmuffe 7 eingeführt ist, ist dieselbe wie eine GM Kältemaschine 8 und weist eine längliche bzw. lange Stabgestalt auf. Die Kältemaschine 8 besitzt eine zweistufige Konfiguration bestehend aus der ersten Kühlstufe 19, die sich an einem Mittelteil befindet, und der zweiten Kühlstufe 21, die sich an einem Endteil befindet. Der obere Deckel 25 ist an dem proximalen Ende (einem hinteren Teil der ersten Kühlstufe 19) der Kältemaschine 8 angebracht bzw. fixiert.
Die erste Kühlstufe 19 ist thermisch verbunden mit der thermischen Abschirmung 6 und kühlt die thermische Abschirmung 6 stark, um die Temperatur des flüssigen Heliums 4 am Steigen zu hindern. Zusätzlich ist eine Öffnung (nicht gezeigt), durch die ein Sensor zur Temperaturmessung eingeführt wird, in der ersten Kühlstufe 19 ausgebildet. Folglich fließt das Spülgas, wie unten beschrieben, aufwärts durch diese Öffnung.
Die zweite Kühlstufe 21 ist in der unteren Muffe 22 angeordnet. Die zweite Kühlstufe 21 beinhaltet einen Wiederverflüssiger 30, der an einem Ende davon angeordnet ist, der aus einem guten Wärmeleiter (beispielsweise Kupfer) gefertigt ist und welcher eine Rippengestalt aufweist. Obwohl die zweite Kühlstufe 21 eine geringere Kühlkapazität aufweist als die der ersten Kühlstufe 19, kann ein Teil davon auf eine Temperatur von 4K oder weniger gekühlt werden. Die Oberflächentemperatur des Wiederverflüssigers 30 wird kleiner als die Temperatur von flüssigem Helium gehalten und Heliumgas kann wiederverflüssigt werden, wenn Heliumgas in Kontakt mit dem Wiederverflüssiger 30 ist. Gemäß dieses Mechanismusses muß der Aufbewahrungsbehälter 2 nicht mit flüssigem Helium 4 wiederbefüllt werden, solange die Kältemaschine 8 in Betrieb ist.
Um periodische Wartungsarbeiten durchzuführen, wird in einigen Fällen der Betrieb der Kältemaschine 8 gestoppt. Während der Wartung wird die Kältemaschine 8 aus der Kältemaschinenmuffe 7 herausgezogen und eine neue Kältemaschine 8 wird in die Kältemaschinenmuffe 7 eingeführt, gestartet und solange betrieben, bis die neue Kältemaschine 8 einen stabilen Zustand erreicht.
Wenn die Kältemaschine 8 aus der Kältemaschinenmuffe 7 herausgezogen wird, dringt in einigen Fällen von außerhalb Luft und/oder Feuchtigkeit in die Kältemaschinenmuffe 7 in einer Menge, die gleich ist dem Volumen der Kältemaschine 8. Die eindringende Luft und/oder Feuchtigkeit wird unverzüglich in der Abdeckungsschicht 7 kondensiert und daran gebunden.
Deshalb, um Luft von außen am Eindringen in die Kältemaschinenmuffe 7 zu hindern, umfaßt die Kältemaschinenmuffe 7 ein gasflußformierendes Mittel 31, um einen Fluß von Spülgas vom unteren Ende (der Seite nah zum Aufbewahrungsbehälter 2) zum oberen Ende (dem offenen Ende) zu formieren. Der Spülgasfluß enthält Helium, das von außerhalb zugeführt wird.
Das gasflußformierende Mittel 31 beinhaltet ein Gaseinlaßrohr 32, welches kommunizierend mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden ist, um von außen Heliumgas in die Kältemaschinenmuffe 7 hinein zu liefern und es beinhaltet auch ein Kontrollventil 33. Das Kontrollventil 33 ist in dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 angeordnet und ist nur mit dem Äußeren kommunizierend verbunden.
Insbesondere ist das Gaseinlaßrohr 32 eine aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigte hohle Röhre und weist einen Endabschnitt auf, der kommunizierend mit einem Abschnitt einer Seitenwand der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden ist, wobei dieser Abschnitt unterhalb des Wiederverflüssigers 30 angeordnet ist. Das Gaseinlaßrohr 32 erstreckt sich durch die thermische Abschirmung 6 und den Vakuumbehälter 5 und erstreckt sich weiter nach außen. Das proximale Ende des Gaseinlaßrohres 32 ist verbunden mit einem Heliumgaszylinder (nicht gezeigt) mit einem dazwischen angeordneten Schaltventil 34 oder ähnlichem.
Andererseits ist ein kommunizierend mit einem inneren Teil der Kältemaschinenmuffe 7 verbundenes Auslaßrohr 35 mit dem oberen Deckel 25 verbunden. Das Kontrollventil 33 ist an das Auslaßrohr 35 gepaßt, wobei der Druck in der Kältemaschinenmuffe 7 konstant gehalten wird, durch freigegeben von in der Kältemaschinenmuffe 7 verbliebenem bzw. verbleibendem Heliumgas, wenn der Druck in der Kältemaschinenmuffe 7 auf einen vorbestimmten Wert über dem Atmosphärendruck angestiegen ist.
Das Gaseinlaßrohr 32 ist kommunizierend mit dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden mit einem By-Pass-Rohr 38, einschließlich eines dazwischen angeordneten Schaltventils 37.
Das heißt, daß Bypassrohr 38 zweigt vom Gaseinlaßrohr 32 ab, und zwar an einem Abschnitt, der sich außerhalb erstreckt, und es ist verbunden mit einem Abschnitt einer Seitenwand der oberen Muffe 20, welche sich aus dem Vakuumbehälter 5 erstreckt.
Das proximale Ende des Gaseinlaßrohrs 32 ist kommunizierend verbunden mit dem proximalen Ende der Kältemaschinenmuffe 7 durch Öffnen des Schaltventils 37. In den Aufbewahrungsbehälter 2 eingeführtes Heliumgas wird durch Schließen des Schaltventils 37 nur zu einem unteren Teil der Kältemaschinenmuffe 7 zugeführt.
Um periodische Wartungsarbeiten durchzuführen, kann der Betrieb der Kältemaschine 8 in einigen Fällen gestoppt werden. Während der Wartungsarbeiten wird die Kältemaschine 8 aus der Kältemaschinenmuffe 7 gezogen und eine neue Kältemaschine 8 wird in die Kältemaschinenmuffe 7 eingeführt.
Wenn die Kältemaschine 8 herausgezogen wird, ist es dem Heliumgas (Spülgas) erlaubt, durch das Gaseinlaßrohr 32 in einer im wesentlichen adiabatischen Weise in einen unteren Teil der Kältemaschinenmuffe 7 hineinzufließen. Das eingeführte Heliumgas fließt von einem unteren Teil des Wiederverflüssigers 30 durch die untere Muffe 22 und dann durch die obere Muffe 20, während das Heliumgas die gesamte Kältemaschine 8 aufwärmt. Das eingeführte Heliumgas fließt dann durch das Kontrollventil 33 in die Luft.
Zu einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur, beispielsweise einer Peripherie des Wiederverflüssigers 30, auf einen Wert höher oder gleich dem Siedepunkt von Sauerstoff erhöht ist, werden die Kältemaschine 8 und der obere Deckel 25 der Kältemachinenmuffe 7 zusammen in solch einer Art und Weise heraufgezogen, daß das Einbringen des Gases fortgesetzt wird. Nachdem die Kältemaschine 8 vollständig aus der Kältemaschinenmuffe 7 herausgezogen ist, wird die neue Kältemaschine 8 in solch einer Weise in die Kältemaschinenmuffe 7 eingepaßt, daß es dem Heliumgas erlaubt ist, kontinuierlich von dem unteren Ende zum oberen Ende zu fließen.
Dies erlaubt dem Spülgas kontinuierlich von dem unteren Ende der Kältemaschinenmuffe 7 aufwärts zu fließen und dabei sicher zu verhindern, daß Luft (Sauerstoff, Stickstoff, Feuchtigkeit, und/oder ähnliches) in die Kältemaschinenmuffe 7 eindringt.
Die Injektion des Heliumgases wird zu dem Zeitpunkt durch Schließen des Schaltventils 34 gestoppt, an dem der Einschub der Kältemaschine 8 beendet ist. Die kryogene Kältemaschine 8 wird dann in solch einer Art und Weise wieder in Betrieb genommen, daß das Bypass-Rohr 38 entsperrt wird.
Es ist besonders bevorzugt, einen Fluß von Heliumgas in die Kältemaschinenmuffe 7 zu schaffen, bevor die Kältemaschine 8 herausgezogen wird. Dies ist so, weil Luft und/oder Feuchtigkeit, die sich an der Kältemaschinenmuffe 7 verfestigt und anhaftet, nur sehr schwer gehindert werden kann, in die Kältemaschinenmuffe 7 einzudringen, bevor der Heliumgasfluß stabilisiert ist, falls der Heliumgasfluß geschaffen wird, nachdem die Kältemaschine 8 herausgezogen ist.
Da es dem Spülgas erlaubt ist, in die Kältemaschinenmuffe 7 in der Reihenfolge "das untere Ende der Kältemaschinenmuffe 7, eine Öffnung der ersten Kühlstufe 19, das Kontrollventil 33 und das Äußere" zu fließen, bevor die Kältemaschine 8 herausgezogen wird, kann die Kältemaschine 8 unter solch einem Zustand bzw. bei solch einer Bedingung, daß der Fluß stabil ist, herausgezogen werden; folglich kann das Eindringen von Luft sicher verhindert werden.
Das unter der Kältemaschinenmuffe 7 bereitgestellte Verbindungsrohr 29 hat eine Querschnittsfläche kleiner als die Querschnittsfläche (d.h. ein Wert, der durch Subtraktion der Querschnittsfläche der Kältemaschine 8 von der Querschnittsfläche der Kältemaschinenmuffe 7 erhalten wird) eines an einer mittleren Position der Kältemaschinenmuffe 7 befindlichen Raumes, in dem die Kältemaschine 8 eingeführt wird. Folglich fließt in die Kältemaschinenmuffe 7 eingeführtes Heliumgas kaum in Richtung des Aufbewahrungsbehälters 2, da aufgrund der kleinen Querschnittsfläche ein Druckverlust geschaffen wird, sondern es fließt in Richtung des oberen Endes der Kältemaschinenmuffe 7, um durch das Kontrollventil 33 zu entweichen. Das heißt, das Verbindungsrohr 29 fungiert als ein gassperrendes Mittel 39, um das durch das Gaseinlaßrohr 32 gelieferte Heliumgas am Eindringen in den Aufbewahrungsbehälter 2 zu hindern.
Andererseits fungiert das Bypass-Rohr 38 wie im Folgenden beschrieben. Wenn die Kältemaschine 8 wieder in Betrieb genommen wird und dann einen stabilen Zustand erreicht und die Temperatur der Wiederverflüssigerkammer ungefähr 4K erreicht, wird das Gaseinlaßrohr 32 mit Heliumgas, mit einem von Raumtemperatur zu einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt reichenden Temperaturgradienten, gefüllt. In Rohren, welche mit einem solch einen großen Temperaturgradienten aufweisenden Gas gefüllt sind, treten in dem Gas thermoakustische Vibrationen auf und eine große Wärmemenge wird übertragen. Folglich wird eine große Wärmemenge zu solch einer Wiederverflüssigerkammer transferiert (siehe z.B. Handbook of Superconducting and Cryogenic Engineering edited by Cryogenic Association of Japan).
Da jedoch das Bypass-Rohr 38 benutzt wird und das Gaseinlaßrohr mit der ein großes Volumen aufweisenden Kältemaschinenmuffe 7 verbunden ist, kann das Auftreten solcher thermoakustischen Vibrationen verhindert werden.
3 zeigt eine Situation, in der ein Effekt des Bypass-Rohrs 38, welches in dem kryogenen System 1 dieser Ausführungsform beinhaltet ist, deutlich auftritt. In der Figur stellt die rechte vertikale Achse die Amplitude und Frequenz der in dem Gaseinlaßrohr 32 auftretenden Druckvibrationen dar, wobei die Amplitude und die Frequenz an der Position des Schaltventils 34, welches in dem Gaseinlaßrohr 32 angeordnet ist, gemessen wird. Die linke vertikale Achse stellt die Temperatur der zweiten Kühlstufe 21 dar. Die horizontale Achse stellt die Zeit dar.
Wenn die Kältemaschine 8 in einem stabilen Zustand ist, ist der Druck im Aufbewahrungsbehälter 2 kleiner oder gleich dem Atmosphärendruck und die Temperatur des flüssigen Heliums 4 ist ungefähr 4 K. In dieser Situation, wenn das Bypass-Rohr 38 durch Schließen des Schaltventils 37 gesperrt ist, wird die Amplitude und Frequenz der Druckfluktuation jäh erhöht und die Temperatur des Wiederverflüssigers 30 wird auch stark erhöht. Dies ist so, da die in dem Gaseinlaßrohr 32 auftretenden thermoakustischen Vibrationen bewirken, daß eine große Wärmemenge durch das Gaseinlaßrohr 32 zur Peripherie des Wiederverflüssigers 30 transferiert wird. Im Gegensatz dazu ist es verständlich, daß, wenn das Bypass-Rohr 38 in dieser Situation entsperrt wird, die Temperatur des Wiederverflüssigers 30 auf den ursprünglichen Wert zurückkehrt.
Ein kryogenes System gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Wie in 4 und 5 gezeigt, ist in der zweiten Ausführungsform ein gasblockierendes Mittel 39 signifikant verschieden von dem der ersten Ausführungsform. Jedoch sind andere Komponenten im wesentlichen gleich denen der ersten Ausführungsform.
D.h. das gasblockierende Mittel 39 beinhaltet einen Ventilkörper 40 mit dem ein Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 gesperrt werden kann und der frei von außerhalb bedient werden kann.
D.h. der Ventilkörper 40 ist eine Kupferscheibe, die in einer mit einem Aufbewahrungsbehälter 2 verbundenen Verbindungskammer 36 bereitgestellt und die unterhalb eines Verbindungsrohrs 29 angeordnet ist. Der Ventilkörper 40 beinhaltet einen horizontal angeordneten Scheibenabschnitt 42, um einen Öffnungsabschnitt 41 zu blockieren, der zwischen dem Verbindungsrohr 29 und der Verbindungskammer 36 angeordnet ist. Ein Peripherieabschnitt 43 wird so bereitgestellt, daß er sich senkrecht vom Rand bzw. von der Kante des Scheibenabschnitts 42 nach unten erstreckt; und ein Flanschabschnitt 44, der sich vom unteren Ende des Peripherieabschnitts 43 in Durchmesserrichtung nach außen erstreckt. Der Flanschabschnitt 44 weist eine Mehrzahl von sich vertikal erstreckenden Perforationen 45 auf.
Trägerstäbe 46 sind locker in die entsprechenden Perforationen 45 eingeführt. Die oberen Enden der Trägerstäbe 46 sind an einem oberen Teil der Verbindungskammer 36 des Aufbewahrungsbehälters 2 befestigt und die unteren Enden davon weisen Stopper 47 auf, zum verhindern, daß sich der Ventilkörper 40 loslöst. Federn 48, um den Ventilkörper 40 hinunter zu pressen, um einen offenen Zustand aufrecht zu erhalten, sind zwischen dem oberen Teil der Verbindungskammer 36 und dem Flanschabschnitt 44 des Ventilkörpers 40 in solch einer Weise angeordnet, daß die Federn 48 jeweils um den entsprechenden Trägerstab 46 (Preßmittel) herum gewunden sind.
Die obere Fläche bzw. Seite des Scheibenabschnitts 42 des Ventilkörpers 40 weist eine Region auf, die in Kontakt mit dem Öffnungsabschnitt 41 ist. Ein Rillen- bzw. Nutabschnitt 49, der von oben gesehen eine Ringgestalt aufweist, ist in dieser Region ausgebildet und eine Plattierungsschicht 50 beinhaltend zwei Unterschichten sind auf bzw. an dieser Region ausgebildet. Die untere ist eine Lotplattierungsunterschicht 51 und die obere ist eine Indiumplattierungsunterschicht 52. Materialien mit einer hohen Benetzbarkeit werden kombiniert, um die Plattierungsschicht 50 zu bilden. Der Grund warum eine äußere Region der Plattierungsschicht 50 Indium enthält ist, um der Plattierungsschicht 50 zu erlauben, eine relativ hohe Weichheit bei niedrigen Temperaturen aufzuweisen, bei denen dieses Niedrigtemperatursperrventil betrieben wird.
Der Ventilkörper 40 ist mit einem Kabel 54 (Draht) verbunden, um den Ventilkörper 40 entgegen der Preßkraft zu ziehen, so daß der Öffnungsabschnitt 41 gesperrt ist. Das Kabel 54 erstreckt sich durch das Gaseinlaßrohr 32 nach außen und kann daher von außerhalb gezogen werden.
Insbesondere ist ein Ende des aus Metall gefertigten Drahtes 54 im wesentlichen am Mittelpunkt des Scheibenabschnitts 42 befestigt. Der Draht 54 erstreckt sich durch eine eine röhrenförmige Gestalt aufweisende Führungsröhre 55 in das Gaseinlaßrohr 32 hinein und erstreckt sich im weiteren nach außen. Die Führungsröhre 55 weist eine nach unten gerichtete Öffnung auf und eine weitere Öffnung, die im wesentlichen horizontal in Richtung zum Gaseinlaßrohr 32 zeigt. Die Führungsröhre 55 wird durch eine Mehrzahl von Trägerbeinen 56 gestützt, die in einem Trichterabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 angeordnet sind. Die Trägerbeine 56 haben eine stabförmige Gestalt, so daß sie nicht den Aufbewahrungsbehälter 2 von der Kältemaschinenmuffe 7 trennen.
Das proximale Ende des Drahtes 54, welcher sich nach außen streckt, ist mit einem Ziehgriff bzw. -henkel bzw. -schenkel 57 verbunden. Der Ziehgriff 57 ist mit dem Gaseinlaßrohr 32 durch einen dazwischen angeordneten Balgenkörper 58 verbunden, wobei ein innerer Abschnitt des Gaseinlaßrohrs 32 sicher vom Äußeren isoliert ist. Der Ventilkörper 40 kann durch Bedienen des Ziehgriffs 57 gegen die Preßkraft der Federn 48 in eine Öffnungsposition bewegt werden.
Wenn Heliumgas in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform in die Kältemaschinenmuffe 7 hinein durch das Gaseinlaßrohr 32 eingeführt wird, wird der Öffnungsabschnitt 41 des Verbindungsrohrs 29 mittels des Ventilkörpers 40 durch Bedienen des Ziehgriffs 57 abgedichtet. Dies hindert Heliumgas mit einer hohen Temperatur am Eindringen in den Aufbewahrungsbehälter 2, womit verhindert ist, daß flüssiges Helium 4 im Aufbewahrungsbehälter 2 verdampft wird.
Ein kryogenes System gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben.
Wie in 6 gezeigt ist ein gassperrendes Mittel 39 in der dritten Ausführungsform signifikant verschieden von dem der zweiten Ausführungsform. Jedoch sind andere Komponenten im wesentlichen dieselben wie die der zweiten Ausführungsform.
Ein Ventilkörper 40 weist nicht eine Scheibengestalt, sondern eine Konusgestalt, auf und ein Öffnungsabschnitt 41 weist eine Trichtergestalt auf (solch eine Gestalt wie ein gewöhnlicher Trichter der auf dem Kopf steht), so daß ein Konusabschnitt 60 des Ventilkörpers 40 in den Öffnungsabschnitt 41 gepaßt ist. Der Konusabschnitt 60 hat eine Oberfläche bzw. Fläche bzw. Seite, die in Kontakt mit dem Öffnungsabschnitt 41 steht, und eine Plattierungsschicht 50, beinhaltend zwei Unterschichten, ähnlich zu denen der zweiten Ausführungsform, die auf dieser Fläche ausgebildet sind.
Da der Ventilkörper 40 eine Konusform wie oben beschrieben aufweist, besitzt der Ventilkörper 40 eine große Fläche, die in Kontakt mit dem Öffnungsabschnitt 41 steht. Folglich kann der Öffnungsabschnitt 41 sicher mit dem Ventilkörper 40 versiegelt bzw. abgedichtet werden.
7 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Kryogene Systeme beinhalten einen Systemtyp, der ein Verfahren zur Kühlung eines supraleitfähigen Magneten durch Eintauchen des Magneten in ein kryogenes Kühlmittel wie flüssiges Helium benutzt und einen anderen Systemtypen, der ein Verfahren zur direkten Kühlung des supraleitfähigen Magneten mittels einer Kältemaschine anstelle eines solchen Kühlmittels benutzt.
Ein kryogenes System 1, wie in 7 gezeigt, benutzt ein direktes Kühlverfahren und beinhaltet einen Vakuumbehälter 5, eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse 7 und eine Kältemaschine 8. Ein zu kühlender Körper 3 ist in dem Vakuumbehälter 5 untergebracht. Die röhrenförmige Kältemaschinenmuffe 7 weist einen Basisabschnitt auf, der mit dem zu kühlenden Körper 3 verbunden ist, weist einen Öffnungsabschnitt auf, der geöffnet oder geschlossen zum Außenbereich bzw. Äußeren sein bzw. werden kann und weist eine Seitenwand zur Trennung des Vakuumbehälters 5 vom Außenbereich bzw. Äußeren auf. Die Kältemaschine 8 ist durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 eingeführt und kühlt den zu kühlenden Körper 3.
Das kryogene System 1 beinhaltet ein gasflußformierendes Mittel 31 zur Formierung eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 zum Öffnungsabschnitt hiervon.
Insbesondere beinhaltet das kryogene System 1 den Vakuumbehälter 5, dessen innerer Raum unter Vakuum gehalten wird und einen supraleitfähigen Magneten, welcher der zu kühlende Körper 3 ist, der im Vakuumbehälter 5 in solch einer Weise untergebracht ist, daß der supraleitfähige Magnet mittels eines Drahtes oder ähnlichem aufgehängt ist. Eine thermische Abschirmung 6 ist zwischen dem supraleitfähigen Magneten 3 und dem Vakuumbehälter 5 in solch einer Weise angeordnet, daß die thermische Abschirmung 6 den supraleitfähigen Magneten 3 umgibt. Wie in 7 gezeigt, sind der supraleitfähige Magnet 3, die thermische Abschirmung 6 und der Vakuumbehälter koaxial zueinander angeordnet. In dieser Figur ist die sich vertikal erstreckende Zentralachse gezeigt.
Die Kältemaschinenmuffe 7 beinhaltet eine obere Muffe 20, die bereitgestellt ist, um eine erste Kühlstufe 19 der Kältemaschine 8 zu umgeben, und beinhaltet ferner eine untere Muffe 22, die eine zweite Kühlstufe 21 umgibt.
Das untere Ende der oberen Muffe 20 ist mit dem oberen Ende der unteren Muffe 22 verbunden, ist in Kontakt mit der ersten Kühlstufe 19 der Kältemaschine 8 und ist thermisch verbunden mit der thermischen Abschirmung 6. Das untere Ende der unteren Muffe 22 ist mit einem Seitenteil des supraleitfähigen Magneten 3 verbunden.
Da, wie oben beschrieben, das untere Ende der unteren Muffe 22 sicher mit dem supraleitfähigen Magneten 3 verbunden ist und die röhrenförmigen Seitenwände der oberen Muffe 20 und die untere Muffe 22 eine Funktion des Isolierens eines inneren Abschnitts des Vakuumbehälters 5 von einem äußeren Abschnitt des Systems 1 haben, ist ein innerer Abschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 von dem inneren Abschnitt des Vakuumbehälters 5 abgetrennt. Deshalb kann der Vakuumbehälter 5 unter Vakuum gehalten werden, wenn die Kältemaschine 8 während der Wartung der Kältemaschine herausgezogen wird.
Wenn die Kältemaschine 8 während der Wartung aus der Kältemaschinenmuffe 7 herausgezogen wird, dringt in einigen Fällen in diesem Kryogene System 1 Luft und/oder Feuchtigkeit von außerhalb in die Kältemaschinenmuffe 7 ein, in einer Menge, die gleich ist dem Volumen der Kältemaschine 8. Die eintretende Luft und/oder Feuchtigkeit wird unverzüglich in der Deckschicht 7 kondensiert und daran gebunden.
Um Luft in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform daran zu hindern, vom Äußeren in die Kältemaschinenmuffe 7 einzudringen, umfaßt die Kältemaschinenmuffe 7 deshalb ein gasflußformierendes Mittel 31, um einen Fluß von Spülgas vom unteren Ende (die Seite nahe zum supraleitfähigen Magneten 3) zum oberen Ende (die offene Seite) auszubilden. Der Spülgasfluß beinhaltet Helium, welches von außen zugeführt wird.
Das gasflußformierende Mittel 31 beinhaltet ein Gaseinlaßrohr 32 und ein Kontrollventil 33. Das Gaseinlaßrohr 32 ist kommunizierend mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden, um Heliumgas zur Kältemaschinenmuffe 7 zuzuführen. Das Kontrollventil 33 ist im Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 angeordnet und ist nur mit dem Äußeren kommunizierend verbunden.
Insbesondere ist das Gaseinlaßrohr 32 eine aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit hergestellte hohle Röhre und weist einen Endteil auf, der mit einem unteren Teil einer Seitenwand der Kältemaschinenmuffe 7 kommunizierend verbunden ist. Das Gaseinlaßrohr 32 erstreckt sich durch die thermische Abschirmung 6 und den Vakuumbehälter 5 und erstreckt sich weiter nach außen. Das proximale Ende des Gaseinlaßrohrs 32 ist mit einem Heliumgaszylinder (nicht gezeigt) mittels eines dazwischen angeordneten Schaltventils 34 ahnlichem verbunden.
Andererseits ist ein Auslaßrohr 35, welches kommunizierend mit einem inneren Teil der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden ist, mit dem oberen Deckel 25 verbunden. Das Kontrollventil 33 ist an das Auslaßrohr 35 gepaßt, wobei der Druck in der Kältemaschinenmuffe 7 durch Ablassen von Heliumgas konstant gehalten wird, welches in der Kältemaschinenmuffe 7 verbleibt, wenn der Druck in der Kältemaschinenmuffe 7 auf einen vorbestimmten Wert höher als Atmosphärendruck erhöht wird.
Das Gaseinlaßrohr 32 ist kommunikativ mit dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden mit einem Bypass-Rohr 38, beinhaltend ein Schaltventil 37, welches dazwischen angeordnet ist.
D.h. das Bypass-Rohr 38 zweigt von dem Gaseinlaßrohr 32 an einem sich außerhalb erstreckenden Teil ab, und ist mit einem Abschnitt einer Seitenwand der oberen Muffe 20 verbunden, wobei sich der Abschnitt auswärts von dem Vakuumbehälter 5 erstreckt.
Das proximale Ende des Gaseinlaßrohrs 32 ist durch Öffnen des Schaltventils 37 kommunizierend mit dem proximalen Ende der Kältemaschinenmuffe 7 verbunden. Das in den Aufbewahrungsbehälter 2 eingeleitete Heliumgas wird nur in einem unteren Teil der Kältemaschinenmuffe 7 durch Schließen des Schaltventils 37 zugeführt.
Da die Bedienung und Wirkung des gasflußformierenden Mittels 31 und des Bypass-Rohrs 38 im wesentlichen die gleiche wie die aus der ersten Ausführungsform ist, wird die Beschreibung hiervon ausgelassen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
Das heißt, gasflußformierende Mittel 31 gemäß der vorliegenden Erfindung können für hermetisch abgeschlossene kryogene Systeme genutzt werden, die einen Basisabschnitt einer Kältemaschinenmuffe 7 und einen Aufbewahrungsbehälter 2 beinhaltet, welcher abgeschirmt ist.
Eine auf bzw. an einem Ventilkörper 40 bereitgestellte Plattierungsschicht 50 kann entweder nur eine Lotplattierungsunterschicht 51 oder eine Indiumplattierungsunterschicht 52 beinhalten.
Ein Ventilkörper 40 kann ohne Benutzen eines Preßmittels, wie z.B. einer Feder 48, in eine Öffnungsposition bewegt werden, in solch einer Weise, daß der Ventilkörper 40 aufgrund seines eigenen Gewichts nach unten bewegt wird.
Die vorliegende Erfindung kann in der MRT Systeme produzierenden Medizingeräteindustrie oder ähnlichen und der NMR Systeme produzierenden Präzisionsinstrumenteindustrie genutzt werden.

Claims

Kryogenes System (1) umfassend: einen zu kühlenden Körper (3); einen Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter (2) in dem der zu kühlende Körper (3) in solch einer Weise untergebracht ist, daß der Körper in einem flüssigen Kühlmittel (4) eingetaucht ist; eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) aufweisend einen Basisabschnitt kommunizierend verbunden in den Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter und einen Öffnungsabschnitt, der geöffnet oder geschlossen zum Außenbereich bzw. Äußeren des Kryogenen Systems sein kann; eine Kältemaschine (8) zur Wiederverflüssigung des vom Kühlmittel erzeugten Kühlgases, wobei die Kältemaschine (8) durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) eingeführt bzw. eingesteckt wird; dadurch gekennzeichnet, durch ein Gasflußformierungsmittel (31) zur Formierung eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) zum Öffnungsabschnitt.
Kryogenes System (1) umfassend: einen zu kühlenden Körper (3); einen Vakuumbehälter (5) in dem der zu kühlende Körper (3) untergebracht ist; eine röhrenförmige Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) aufweisend einen Basisabschnitt, der mit dem Körper verbunden ist, einen Öffnungsabschnitt, der frei geöffnet oder geschlossen zum Außenbereich bzw. Äußeren des kryogenen Systems sein kann, und eine Seitenwand zur Trennung eines inneren Abschnitts des Vakuumbehälters vom Außenbereich bzw. Äußeren; eine Kältemaschine (8) zum Kühlen des Körpers, wobei die Kältemaschine (8) durch den Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) eingeführt bzw. eingesteckt wird; und ein Gasflußformierungsmittel (31) zur Formierung eines Flusses von Spülgas vom Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) zum Öffnungsabschnitt.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 1, wobei das Gasflußformierungsmittel (31) ein Gaseinlaßrohr (32) umfaßt, das kommunizierend mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) verbunden ist, um Spülgas von außen in die Kältemaschinenmuffe zu speisen, und ein Kontrollventil (33) umfaßt, das am Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) bereitgestellt ist und das nur mit dem Außenbereich bzw. Äußeren kommunizierend verbunden ist.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 3, wobei das Gaseinlaßrohr (32) kommunizierend mit dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse durch ein By-Pass-Rohr (38) verbunden ist, einschließlich eines dort zwischen gesetzten Schaltventils (37).
Kryogenes System (1) nach Anspruch 1, wobei die Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) ein gassperrendes Mittel (39) umfaßt, um den Eintritt des Spülgases in den Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter (2) zu verhindern.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 5, wobei das gassperrende Mittel (39) ein Verbindungsrohr (29) umfaßt, das zwischen dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) und dem Aufbewahrungs- bzw. Containment-Behälter (2) angeordnet ist und wobei das Verbindungsrohr (29) eine geringere Querschnittsfläche als die Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) aufweist, in welche die Kältemaschine eingeführt bzw. eingesteckt ist.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 5, wobei das gassperrende Mittel (39) einen Ventilkörper (40) umfaßt, mit dem der Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) gesperrt werden kann und welcher von außen bedient werden kann.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 7, wobei der Ventilkörper (40) mit einem Pressmittel in die Richtung zum Öffnen des Basisabschnitts der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) gepresst wird und mit einem Kabel (54) verbunden ist, um den Ventilkörper (40) zum Schliessen des Basisabschnitts gegen die Presskraft zu ziehen, und wobei das Kabel sich außenseitig durch das Gaseinlaßrohr, welches in dem Gasflußformierungsmittel inbegriffen ist, erstreckt und das von außen gezogen werden kann.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 7, wobei der Ventilkörper (40) einen Teil hat, der eine Lot-Schicht (51) oder eine Indium-Schicht (52) aufweist, an welchem der Ventilkörper (40) mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) kontaktieren kann.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 2, wobei das Gasflußformierungsmittel (31) ein Gaseinlaßrohr (32) umfaßt, das kommunizierend mit dem Basisabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) verbunden ist, um Spülgas von außen in die Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse zu speisen, und ein Kontrollventil (33) umfaßt, das am Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe bzw. -hülse (7) bereitgestellt ist und das nur mit dem Außenbereich bzw. Äußeren kommunizierend verbunden ist.
Kryogenes System (1) nach Anspruch 10, wobei das Gaseinlaßrohr (32) kommunizierend mit dem Öffnungsabschnitt der Kältemaschinenmuffe durch ein By-Pass-Rohr (38) verbunden ist, einschließlich eines dort zwischen gesetzten Schaltventils (37).