DE1501293B2 - Kuehlvorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Flüssigkeiten und/oder Gegenständen auf niedrige Temperatur mit mindestens einem doppelwandigen thermisch isolierten Behälter, der mit einem mantelförmigen, über den oberen Rand dieses Behälters hinausragenden Element versehen und innerhalb eines weiteren, eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälters angeordnet ist. Bekannte Kältesysteme dieser Art werden unter anderem dazu benutzt, z. B. elektronische Schaltungsanordnungen auf sehr niedriger Temperatur zu halten.

Um ein Milieu mit sehr niedriger Temperatur wirkungsvoll gegen die Umgebung zu isolieren, werden im allgemeinen mehrere einander umgebende Dewargefäße benutzt. Dewargefäße sind Behälter mit einer reflektierenden Doppelwand, deren Zwischenraum evakuiert ist. Dabei wird in einem ersten Behälter mit Hilfe einer verhältnismäßig billigen Flüssigkeit mit niedriger Temperatur, z. B. flüssigen Stickstoffs, eine Zwischentemperatur von z. B. 77° K erzeugt. In dieser Flüssigkeit wird ein zweiter Behälter vom gleichen Typ angeordnet, der flüssigen Wasserstoff (20° K) oder flüssiges Helium (4,2° K) enthält. In diese zweite Flüssigkeit wird das auf einer sehr niedrigen Temperatur zu haltende Gerät eingetaucht.

Bei den üblichen Ausführungsformen ist am oberen Rand des Innenbehälters ein einwandiges mantelförmiges Element angeordnet. Dieses Element wird durch die Flüssigkeit im ersten Behälter gekühlt, deren Pegel etwas oberhalb der Stelle liegt, an der das Element am doppelwandigen zweiten Behälter befestigt ist. Wenn das äußere Teil der Doppelwand des zweiten Behälters aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt oder mit einem solchen Material ausgefüttert ist, braucht die Flüssigkeit im zweiten Behälter nicht mit dem mantelförmigen Element in Berührung zu stehen. Selbstverständlich darf das Innenteil der Doppelwand des zweiten Behälters nicht wärmeleitend sein, sonst würde die Doppelwand infolge ihrer eigenen Wärmeleitfähigkeit der kostspieligeren kalten Flüssigkeit im zweiten Behälter Wärme zuführen. Beim Fehlen des mantelförmigen Elementes würde Wärme unmittelbar aus der Umgebung über dem Behälter in die kalte Flüssigkeit gelangen. Das einwandige Element sperrt diese Wärmezufuhr nicht vollständig, aber die Wärme kann nur aus einer Zone mit viel niedrigerer Temperatur herrühren, weil das Element gekühlt ist, wodurch seine Wärmeabgabe erheblich verringert ist. Um übermäßige Heliumverluste zu vermeiden, ist die Heliumoberfläche in der Praxis um mindestens 40 cm vom oberen Rand des mantelförmigen Elementes entfernt, was die nachfolgenden praktischen Nachteile bereitet: Die große Innenabmessung macht eine Anordnung des Systems am Boden erforderlich, wodurch die Beobachtung stark behindert wird, wenn in der Seitenwand des Systems ein Fenster oder ein Beobachtungsstreifen angebracht worden ist; die Beobachtung von oben her durch einen durchsichtigen Deckel ist unbequem; die Wärmekapazität der langen Montagestützen und der langen Stromleiter ist groß; es ist schwierig, beim Aufbau eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen, eine Zentrierung beizubehalten und einen Aufnehmer an eine genau bestimmte Stelle zu bringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß bei gleichen Wärmeverlusten wie bei den bekannten Vorrichtungen der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsniveau im inneren Gefäß und dem oberen Rand der Kühlvorrichtung verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mantelförmige Element an der Außenwand des inneren Behälters in einiger Entfernung von dessen oberen Rand befestigt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bekannte Kühlvorrichtung,

F i g. 2, 3 und 4 Schnitte durch erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen,

F i g. 5 zwei halbe Schnitte durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung.

In Fig. 1 ist auf dem Helium 2 enthaltenden Innenbehälter 1 ein mantelförmiges Element 3 angebracht. Der Behälter 1 ist in einem flüssigen Stickstoff 5 enthaltenden doppelwandigen Behälter 4 angeordnet.

F i g. 2 stellt eine Kühlvorrichtung dar, die hinsichtlich der Wärmeverluste der Vorrichtung nach F i g. 1 gleichwertig ist. Dabei hat das mantelförmige Element 3 eine besondere Form, und die Befcstigungsstelle dieses Elementes am Behälter 1 ist etwa 10 cm vom Rand dieses Behälters entfernt. Der Ab-

stand zwischen dem Element 3 und dem oberen Teil des Behälters 1 ist so groß, daß die Konvektion vom einen zum anderen vernachlässigbar ist. Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat das System eine viel geringere Höhe als das bekannte System.

F i g. 3 zeigt eine Kühlvorrichtung mit den gleichen vertikalen Abmessungen wie die nach F i g. 2. Bei dieser Ausführungsform hat der Behälter 1 infolge seiner geschulterten Gestalt ein größeres Fassungsvermögen als der Behälter 1 nach Fig. 2. Die Stelle der Verbindung des Behälters 1 mit dem mantelförmigen Element 3, das ebenfalls eine Schulter aufweist, um die Konvektion zwischen dem Element 3 und dem oberen Teil des Behälters 1 vernachlässigbar gering zu machen, liegt praktisch im gleichen Abstand vom oberen Rand des Gefäßes 1 wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2.

Diese Figur zeigt außerdem die Möglichkeit der Anbringung gegebenenfalls doppelwandiger Abstrahlungsschirme 11 zwischen dem oberen Rand des Behälters 1 und dem Element 3.

F i g. 4 zeigt eine einfache Ausführungsform einer Kühlvorrichtung; in diesem Falle besteht das Element 3 aus Polystyrolschaum, einem sehr leicht spritzbaren Material.

F i g. 5 zeigt beispielsweise den Aufbau einer Kühlvorrichtung, in der eine supraleitende Spule 6 angebracht ist. Dieses Beispiel zeigt einen zusätzlichen Vorteil der Kühlvorrichtung nach der Erfindung: Die besondere Form des inneren Behälters 1 ermöglicht es, an dessen oberem Rand die Träger 7 zu befestigen, die gegebenenfalls als Stromleiter für die supraleitende Spule 6 dienen können. Diese Träger 7 können mittels einer Schulter, wie sie im linken Teil der Figur dargestellt ist, oder, wenn der Behälter 1 aus Metall besteht, mit Hilfe von Schraubenbolzen am metallenen unteren Teil 12 befestigt werden, das mit dem Behälter 1 zu einem einheitlichen Ganzen verlötet ist, wie dies im rechten Teil der Figur dargestellt ist. Diese Montageart erübrigt die Verwendung eines Joches 8, das auf dem Rand des Behälters 4 ruht und meistens hinderlich ist, und ermöglicht es, durch eine teilweise Demontage eine supraleitende Spule oder ein anderes auf niedriger Temperatur zu haltendes Gerät an Ort und Stelle zu bringen. Weil der obere Rand des Behälters 1 nur wenig vom oberen Rand 8 entfernt ist, sind die Zuleitungen leicht zugänglich.

Die Zuleitungen werden aus dem Behälter mit Helium entweder durch eine Durchführung 10, die sich so nahe bei der Verbindugsstelle des Elements 3 und des Behälters 1 befinden kann, daß die Leiter auf einer bestimmten Länge im flüssigen Stickstoff 5 untergetaucht sind, wie dies im linken Teil der Zeichnung dargestellt ist, oder am Behälter 1 und am Element 3 entlang, wie das rechte Teil der Figur zeigt, ausgeführt werden.

Weil im ersten Falle das Teil der Stromzuleitungen, das sich im flüssigen Stickstoff befindet, eine Temperatur von 77° K hat, strömt weniger Wärme durch diese Leitungen zum Helium als bei den bekannten Systemen, bei denen die Zuleitungen an einem Ende eine Temperatur von 300° K aufweisen.

Es kann von Nutzen sein, insbesondere wenn nur ein doppelwandiger Behälter benutzt wird, die Verbindung des mantelförmigen Elementes mit dem Behälter an einer Stelle in der Nähe des Behälterbodens zu legen. Dabei muß dafür gesorgt werden, daß die Wärmeisolierung zwischen dem oberen Rand des Behälters und dem Element derartig ist, daß die Konvektion vernachlässigbar ist.

Zufriedenstellende Ergebnisse wurden mit einem erfindungsgemäßen Kältesystem erreicht, bei dem im Gegensatz zur üblichen Praxis der Heliumpegel höher als der Pegel des flüssigen Stickstoffes war.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung zum Kühlen von Flüssigkeiten und/oder Gegenständen auf niedrige Temperatur mit einem doppelwandigen thermisch isolierten Behälter, der mit einem mantelförmigen, über den oberen Rand dieses Behälters hinausragenden Element versehen und innerhalb eines • weiteren, eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Behälters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mantelförmige Element (3) an der Außenwand des inneren Behälters (1) in einiger Entfernung von dessen oberen Rand befestigt ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im inneren Behälter (1) anzuordnenden Gegenstände auf dem oberen Rand dieses Behälters (1) abgestützt sind.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ao dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder mehreren Stellen Stromleiter (9) durch das mantelförmige Element (3) hindurchgeführt sind.

4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (9) in der Nähe der Stelle, an der das mantelförmige Element (3) an der Seitenwand des inneren Behälters (1) befestigt ist, durch das Element (3) hindurchgeführt sind.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (9), bevor sie durch das mantelförmige Element (3) hindurchgehen, mit der im äußeren Behälter (4) befindlichen kalten Flüssigkeit (5) in Berührung stehen.