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Title:
THERMAL INSULATION FOR A CRYOSTAT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/111762
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to thermal insulation for a cryostat, which comprises at least one jacket, at least partially covering the cryostat, made of polyether ether ketone, and wherein the wall thickness of the jacket is at least 100 μm. In particular, the wall thickness of the jacket lies in a range from 500 μm to 20 mm.

Inventors:
VARYKHALOV ANDREI (DE)
Application Number:
PCT/DE2021/100932
Publication Date:
June 02, 2022
Filing Date:
November 24, 2021
Export Citation:
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Assignee:
HELMHOLTZ ZENTRUM BERLIN FUER MAT UND ENERGIE GMBH (DE)
International Classes:
F17C3/02
Domestic Patent References:
WO2014188365A12014-11-27
Foreign References:
US20200332783A12020-10-22
US9379587B22016-06-28
JP4500070B22010-07-14
Other References:
CIAVOLA G ET AL: "A status report of the multipurpose superconducting electron cyclotron resonance ion source (invited)", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 79, no. 2, 25 February 2008 (2008-02-25), pages 2A326 - 2A326, XP012115096, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.2812336
BAUDOUY B: "Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature", 28 January 2015 (2015-01-28), pages 329 - 352, XP055897488, Retrieved from the Internet [retrieved on 20220303], DOI: 10.5170/CERN-2014-005.329
JOHN RUTHERFOORD ET AL: "Upgrade plans for the ATLAS Forward Calorimeter at the HL-LHC", JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 404, no. 1, 21 December 2012 (2012-12-21), pages 12015, XP020235713, ISSN: 1742-6596, DOI: 10.1088/1742-6596/404/1/012015
B. BAUDOUY: "Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature", CERN YELLOW REPORT; CERN-2014-005, pages 329 - 352
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Claims:
Ansprüche

1. Thermische Isolation für einen Kryostaten mindestens umfassend eine den Kryostaten mindestens teilweise einhüllende Ummantelung aus Polyetheretherketon, mit einer Wandstärke von mindestens 100 μm.

2. Thermische Isolation für einen Kryostaten nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Ummantelung in einem Bereich von 500 μm bis 20 mm liegt.

Description:
Bezeichnung

Thermische Isolation für einen Kryostaten

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Isolation für Kryostaten, welcher der Art nach insbesondere in der Materialanalyse zur Bestimmung von Materialeigenschaften bei niedrigen Temperaturen zum Einsatz kommen.

Stand der Technik

Die Erfindung findet Anwendung in Kryostaten, insbesondere in Helium- Kryostaten, wobei sowohl Durchflusskryostaten als auch Kryostaten vom „Bad-Typ“ (engl, bath type) umfasst sind. Kryostaten sind Vorrichtungen, in denen definierte, räumlich begrenzte Bereiche bzw. Bauteile auf eine vorbestimmte, relativ (von Raumtemperatur aus) betrachtet, niedrige Temperatur abgekühlt werden, d.h. es findet ein Wärmeaustausch dieser Bereiche/Bauteile mit der Umgebung statt, der mit ausgewählten Mitteln umgesetzt wird.

Die Mittel mit denen der Wärmeaustausch in Kryostaten zur Erreichung der relativ niedrigen Temperaturen in den vorgesehenen Bereichen/Bauteilen erfolgt sind vielfältig. In dem Übersichtsartikeln von B. Baudouy (Heat Transfer and Cooling Techniques at Low Temperature, CERN Yellow Report; CERN- 2014-005, S. 329-352) sind einschlägige Mittel bzw. Methoden vorgestellt. Für die vorliegende Erfindung relevant sind insbesondere auch solche Kryostate, in denen der Wärmeaustausch zwischen einem zu kühlenden Teil, z.B. einer Probe, indirekt über ein Mittel zum Wärmeaustausch, d.h. insbesondere über einen Festkörper stattfindet. Die gekühlten Bereiche sind in vorteilhafter Weise durch thermische Isolation geschützt gegenüber der Erwärmung durch elektromagnetische Strahlung und, falls nicht im Vakuum angeordent, Konvektion, welche aus verschiedenen Quellen im Umfeld eines Kryostaten resultieren können. Durch die thermische Isolation wird somit Kühlmittel gespart bzw. Kühlleistung verringert und die kleinste, erreichbare Temperatur herabgesetzt.

Die thermische Isolation für die angesprochenen Kryostaten ist dabei zumeist als aktive thermische Isolation ausgeführt. Eine aktive thermische Isolation ist wie der Kryostat durch einen Kühlmittelkontakt, direkt oder indirekt, oder Kühlmittelfluss gekühlt. Die Komplexität des Aufbaus und der Raumbedarf einer solchen aktiven thermischen Isolation ist entsprechend hoch. Auch die üblicherweise für eine passive thermische Isolation eingesetzten Materialien, Mehrfachlagensysteme aus Verbundstoffen von Aluminium und Kunststoff, sind aufwendig und kostspielig.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe der Erfindung ist es von daher, eine thermische Isolation für einen Kryostaten anzugeben, die eine passive Isolation bewirkt und einfach und raumsparend im Aufbau ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins gelöst.

Die erfindungsgemäße thermische Isolation für einen Kryostaten umfasst mindestens eine Ummantelung aus Polyetheretherketon, welche den Kryostaten mindestens teilweise einhüllt. Die Ummantelung umfasst dabei aber immer den ganzen Umfang, das heißt, die Ummantelung bildet dabei immer mindestens teilweise einen röhrenförmigen oder prismatischen Körper. Die Ummantelung sollte dabei insbesondere den Kühlkörper des Kryostaten und eventuell einen etwaigen thermischen Anker einhüllen. Die erfindungsgemäße thermische Isolation macht im Idealfall die Verwendung eines thermischen Ankers überflüssig. Ein Anker kann aber dennoch zusätzlich, in Gebrauch oder nicht, vorliegen. Die Ummantelung aus Polyetheretherketon ist mit einer Wandstärke von mindestens 100 μm, in vorteilhafter Weise mit einer Wandstärke in einem Bereich von 500 μm bis 20 mm auszuführen, wie es auch einer Ausführungsform entspricht. Die Wandstärke kann den Anforderungen an die Isolation, d.h. insbesondere an die Art der elektromagnetischen Strahlung und hier insbesondere der IR- Strahlung, der der Kryostat ausgesetzt ist, angepasst werden. In vorteilhafter Weise ist der Abstand zwischen der Isolation und den von ihr zu umhüllenden Teilen eines Kryostaten minimiert, ohne dass es zu einem direkten mechanischen Kontakt zwischen der thermischen Isolation und den zu umhüllenden Teilen eines Kryostaten kommt.

Polyetheretherketon hat als Material für den Tieftemperaturbereich vielfache günstige Eigenschaften, wie eine geringe Ausgasung, was es auch UHV tauglich macht, eine geringe Wärmeleitung und gute Temperaturstabilität. Es ist zudem überwiegend chemisch inert und leicht formbar sowie bearbeitbar und unter anderem auch druckbar (3D).

Die Ummantelung aus Polyetheretherketon ist individuell an die Form des zu isolierenden Kryostaten raumsparend anzupassen, bietet einen passiven Schutz und ist kostengünstig in der Herstellung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von einer Figur näher erläutert werden.

Fig. 1: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen thermischen Isolation für einen Kryostaten mit Teilen eines Kryostaten. In der Fig. 1 ist eine Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen thermischen Isolation 1 aus Polyetheretherketon für einen Kryostaten mit Bauteilen eines Kryostaten gezeigt. Die gezeigten Bauteile des Kryostaten des Ausführungsbeispiels sind eine thermische Verbindung 2 von dem Kühlkörper 3 des Kryostaten zu einem zu kühlenden Probenhalter 4 sowie ein thermischer Anker 5, welcher für den Betrieb einer eventuell benötigten zusätzlichen aktiven Isolation dient sowie ein Rohr 8. Die thermische Isolation 1 ist aus Polyetheretherketon gebildet mit einer Wandstärke von 8 mm und hüllt sowohl den Bereich des Kühlkörpers 3 als auch den des thermischen Ankers 5 mit einem Abstand von 2,5 mm zum Kühlkörper ein. Außerdem gezeigt ist die Zu- und Abfuhr 6, 7 des Kühlmittels, im Ausführungsbeispiel Helium. Die thermische Isolation 1 im Ausführungsbeispiel ist aus einem Stück Polyetherkaton gefräst und bildet ein Rohr mit 30 mm Innendurchmesser, 42 mm Außendurchmesser und einer Höhe von 90 mm.