DE3215396C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikro-Tieftemperatur-Kühlvor
richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Gewisse Materialien, sogenannte Supraleiter, haben die Eigen
schaft, elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand durch
treten zu lassen. Da die Supraleitfähigkeit nur bei Temperatu
ren besteht, die dicht am absoluten Nullpunkt liegen, ist es
ein wesentliches Anliegen, verläßliche, kontinuierlich arbei
tende Kühlvorrichtungen für solche supraleitenden elektrischen
Vorrichtungen zu schaffen. Elektrisch supraleitfähige Vorrich
tungen wie superempfindliche Magnetometer, Voltmeter,
Amperemeter, Spannungs-Standards, Stromkomparatoren und dgl. benö
tigen für ihren Betrieb eine kryogene Umgebung. Herkömmlicher
weise wird diese durch ein Bad von flüssigem Helium erzeugt.
Das Helium wird dabei verflüssigt und zugeführt und
in ein Dewar-Gefäß eingeführt. Die schwierige und komplexe
Arbeitsweise, die hierdurch hervorgerufen wird, hat die Be
nutzung solcher Einrichtungen stark beschränkt. Viele der
oben angeführten supraleitfähigen Vorrichtungen geben im
Betrieb nur wenige Mikrowatt Wärmeenergie ab, während die
bisher verfügbaren kryogenen Systeme, eine Kühlkapazität in
der Größenordnung von Watt aufweisen, so daß diese Vorrich
tungen schlecht an ihre Kühleinrichtungen angepaßt sind.
Zusätzlich gibt es zahlreiche Vorrichtungen, wie optische Mikro
skopstufen, Probenhalter für Röntgenstrahldiffraktion, Elektro
nenmikroskop-Kaltstufen, Vorrichtungen für Kryochirurgie
im Gehirn, für ECG-, MCG- und EKG-Messungen und Verstärker
mit geringem Geräuschpegel, die Betriebstemperaturen erfor
dern, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegen oder
zumindest hiervon günstig beeinflußt werden.
Ferner gibt es eine Anzahl von Vorrichtungen, die mit hoher
Geschwindigkeit oder hoher Energie arbeiten, wie VLSI-Platten
(Very Large Scale Indecration) und -Transmitter, die Ab
messungen in der Größenordnung eines Quadratzentimeters auf
weisen und relativ große Verlustleistungsmengen abgeben, in
der Größenanordnung von 10 bis 50 Watt. Herkömmliche Kühlvor
richtungen wie Gebläse für Konvektionskühlung sind nicht ge
eignet, solche Wärmemengen ohne merklichen Temperaturanstieg
in der Umgebung zu verteilen.
Es sind bereits Miniatur-Kühlvorrichtungen mit geschlossenem
Kühlkreis, beispielsweise solche auf der Grundlage eines
Gifford-Mc-Mahon-Kreises, Vuilleumier-Kreises, Stirling-
Kreises usw. entwickelt worden. Diese Kühlvorrichtungen mit
Kühlkapazitäten im Bereich von 0,5 bis 10 Watt sind bequem
handhabbar und kompakt. Aufgrund ihrer beweglichen Teile
führen sie aber eine große Menge von Vibration und magne
tischem Geräusch ein, was den Betrieb der zu kühlenden
Gegenstände stört. Es sind auch Miniatur-Kühlvorrichtungen
mit Joule-Thomson-System entwickelt worden, die eine Kühl
kapazität im typischen Fall zwischen 0,5 und 10 Watt auf
weisen. Diese kompakten Systeme sind generell in Form von
schraubenförmig mit Lamellen besetzten Rohren, die um einen
Kern gewickelt sind. Das unter hohem Druck befindliche Gas
strömt im Inneren dieser Rohre und strömt unter niedrigem
Druck aus diesen Rohren aus. Solche schraubenförmig mit
Lamellen besetzte und gewickelte Wärmetauscher werden durch
schwieriges Zusammenschweißen oder Zusammenlöten der
einzelnen Teile hergestellt. Wegen dieser Schwierigkeiten
konnten Mikro-Miniatur-Kühlvorrichtungen mit
Kapazitäten im Milliwattbereich bis jetzt nicht hergestellt
werden. Es besteht daher Bedürfnis, bei vielen Vorrichtungen
eine Mikro-Tieftemperatur-Kühleinrichtung verfügbar zu
haben, die etwa 1 bis 10 cm groß ist und eine Kühlkapazität
im Milliwattbereich aufweist und die sich in einfacher Weise
und preisgünstig herstellen läßt.
Aus der GB-OS 20 45 910 ist zwar bereits eine gattungsgemäße
Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrichtung bekannt, die
diese Forderungen nur teilweise erfüllt. Bei dieser bekannten Kühlvor
richtung sind zwei Platten vorgesehen, deren eine als Kühl
platte auf ihrer einen Oberfläche die Kühlmittelkanäle
und sonstigen Einrichtungen der Kühlvorrichtung aufweist,
und zwar sowohl den Kühlmittelzuführkanal als auch den
Kühlmittelrückführkanal und einen durch die Parallelführung
des Anfangsabschnittes des Kühlmittelzuführkanals mit
dem Endabschnitt des Kühlmittelrückführkanals gebildeten
Wärmetauscher. Diese Kanäle und Kühlvorrichtungsteile sowie
Wärmetauscherteile sind durch die Flächenverbindung der
Kühlplatte mit der als Träger dienenden zweiten Platte
abgedeckt. Aufgrund dieser Anordnung ist die Zahl bzw.
Länge der möglichen Kanäle bzw. Kühlvorrichtungsteile und
Wärmetauscherteile beschränkt. Die zur Bildung eines Wärme
tauschers parallel geführten Kanalabschnitte lassen nur
einen sehr geringen Wärmetauscher-Wirkungsgrad erreichen,
zumal auch der über die Länge des für Wärmeaustausch
benutzten Teiles des Kühlmittelrückführkanals herrschen
de, für den Wirkungsgrad des Wärmetauschers wesentliche
Druckabfall im Interesse eines hohen Wirkungsgrades der
Kühlvorrichtung gering gehalten werden muß.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die bekannte Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrichtung in ihrem
funktionellen Zusammenwirken von Wärmetauscher und Kühlvor
richtung zu verbessern, wobei die Möglichkeit geschaffen
werden soll, bei im wesentlichen gleichbleibender Grundfläche
der Platten die Anzahl der Kühlvorrichtungsteile und Wärme
tauscherteile wesentlich zu vergrößern sowie den Wirkungs
grad des Wärmetauschers und den Wirkungsgrad der Kühlvorrich
tung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch
1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Kühlvorrichtung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung geht davon aus, daß bei den
gattungsgemäßen Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrichtungen
ein Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers
und der im Kühlabschnitt der Kühlvorrichtung erreichbaren
Minimumtemperatur besteht. Diese Minimumtemperatur wird
bestimmt durch den Gasdruck an dem Punkt, an welchem das
Gas aus der Kühlkammer austritt. Je niedriger der Druck
an diesem Punkt ist, desto tiefer liegt die erreichbare
Minimumtemperatur. Andererseits ist der Wärmetauscher-Wir
kungsgrad eine Funktion des Druckabfalles längs des Kühlmittel
rückführkanals.
Die gegenseitige Ab
stimmung dieser Parameter läßt sich durch die erfindungsge
mäßen Maßnahmen wesentlich verbessern und erleichtern.
Ferner werden durch die Erfindung Aufbau und Funktionsweise
des Wärmetauschers wesentlich verbessert. Der Wärmeaustausch
zwischen den Wärmetauscherabschnitten des Hochdruck-Gaskanals
und des Niederdruck-Rückströmungskanals findet gemäß der
Erfindung durch die jeweilige Platte hindurch statt, wodurch
eine genaue relative Anordnung möglich ist. Der Wärmeaustausch
wird somit bestimmt durch die geringe, gleichförmige Platten
dicke, wobei andererseits die jeweilige Platte die zwischen
den Wärmetauscherabschnitten des Hochdruckgaskanals und
des Niederdruck-Rückströmungskanals herrschende sehr hohe
Druckdifferenz auch bei den an der Platte erzeugten sehr
tiefen Temperaturen sicher aufzunehmen vermag.
Einer der durch die Erfindung erzielten besonderen Vorteile
von laminarer Strömung in der Niederdruck-Rückströ
mung des Kühlmittels in einer getrennten Schicht besteht darin,
daß die Kühlvorrichtung bei einer niedrigeren Temperatur arbei
ten kann als solche Kühlvorrichtungen, die für turbulente Strö
mung in dem Rückführungskanal ausgelegt sind. Dies ergibt sich,
weil die laminare Strömung in den Kanälen niedrigere Gegendrücke
und dadurch niedrigere Betriebstemperaturen erzeugt. Die Erfah
rung hat ferner gezeigt, daß erfindungsgemäß mehrlagig ausge
bildete Kühlvorrichtungen der oben erläuterten Art mit bis zu
einem Drittel weniger Materialvolumen hergestellt werden können
als einlagige Kühlvorrichtungen (wobei einlagig bedeutet, daß
die Einlaßkanäle und die Rückführungskanäle in nur einer Zwischen
fläche gebildet sind), wobei gleiche Kühlkapazität vorausgesetzt
ist. Die Führung des Kühlmittels in zwei Lagen, d. h. zwei von
einander getrennten Berührungszwischenflächen der die Kühlvor
richtung bildenden Platten führt somit zu höherer Wirksamkeit
d. h. höherem Kühlwirkungsgrad in der Kühlvorrichtung.
Der Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherabschnitten des
Hochdruckgaskanals und des Niederdruckrückströmungskanals
findet durch die jeweiligen Platten hindurch statt, wodurch
eine genaue relative Anordnung möglich ist. Der Wärmeaustausch
wird bestimmt durch die geringe, gleichförmige Plattendicke,
wobei andererseits die jeweilige Platte die zwischen den Wärme
tauscherkanälen herrschende sehr hohe Druckdifferenz auch bei
den erzeugten, sehr tiefen Temperaturen und großen Temperatur
gradienten sicher aufzunehmen vermag.
Die Platten bestehen aus Natronkalk
glas, Borosilikatglas oder Material mit ähnlich niedriger
Wärmeleitfähigkeit. Sie müssen eben und geeignet
sein, bearbeitet zu werden, um die Oberflächeneinschnitte
für die oben genannten Durchlässe und die Kühlkammern zu
bilden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Draufsicht, die den Strö
mungskreis der Kühlvorrichtung und des Wärme
tauschers einer erfindungsgemäßen Mikro-
Tieftemperatur-Kühlvorrichtung wiedergibt;
Fig. 2 einen Querschnitt
durch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mikro-Tieftemperatur-
Kühlvorrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend der Darstellung
wie Fig. 2 durch eine andere Ausführungsform
einer aus einer Mehrzahl von Moduleinheiten
aufgebauten erfindungsgemäßen Mikro-Tieftem
peratur-Kühlvorrichtung;
Fig. 4 eine Draufsicht, die eine Anwendung und
die Umgebung einer erfindungsgemäßen Mikro-
Tieftemperatur-Kühlvorrichtung wiedergibt;
Fig. 5 einen Schnitt, der den Laminataufbau der Kühl
vorrichtung und die Mehrlagen-Strömungswege
für das Kühlmittel zeigt;
Fig. 6 eine teilweise abgebrochene Draufsicht eines
Halters für eine Kühlvorrichtung als Detail
zu der Vorrichtung nach Fig. 5;
Fig. 7 einen Schnitt im wesentlichen nach der Linie
7-7 der Fig. 5;
Fig. 8, 9 und 10 Draufsichten auf drei (oberes, mittle
res und unteres) Elemente, die den Laminat
aufbau einer Mikro-Tief
temperatur-Kühlvorrichtung in einer bevor
zugten Ausführungsform der Erfindung wieder
geben, in der verschiedene Strömungswege und
Kammern für das Kühlmittel vorgesehen sind;
Fig. 11 und 12 Schnitte im wesentlichen längs der
Linien 11-11 bzw. 12-12 in Fig. 8;
Fig. 13 einen Schnitt im wesentlichen längs der Linie
13-13 der Fig. 9;
Fig. 14 und 15 Schnitte im wesentlichen längs der
Linien 14-14 bzw. 15-15 in Fig. 10;
Fig. 16 eine auseinandergezogene Wiedergabe einer
Ausführungsform in welcher die Strömungskanäle
unterschiedlich gelegen sind;
Fig. 17 eine auseinandergezogene Darstellung einer
Ausführungsform, in der zwei Niederdruck-
Strömungswege vorgesehen sind;
Fig. 18 einen Teilschnitt, der einen Strömungsweg er
höhter thermischer Leitfähigkeit am kalten
Ende der Kühlvorrichtung wiedergibt;
Fig. 19 eine auseinandergezogene Darstellung einer
mehrlagigen Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrich
tung in einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 20 eine Draufsicht der in Fig. 19 vorgesehenen
Platte mit Niederdruck-Gasdurchlaß;
Fig. 21 eine Draufsicht der in Fig. 19 vorgesehenen
Platte mit Hochdruckdurchlässen;
Fig. 22 eine Wiedergabe für den Laminataufbau zweier
zu einer Einheit kombinierter mehrlagiger
Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrichtungen für
Kaskaden-Kühlung;
Fig. 23 einen Schnitt nach der Linie 23-23 der Fig. 22;
Fig. 24 eine auseinandergezogene Darstellung einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung;
und
Fig. 25 eine Draufsicht auf eine Komponente einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In der in Fig. 1 wiedergegebenen schematischen Draufsicht
darstellung einer Mikro-Tieftemperatur-
Kühlvorrichtung ist ein plattenförmiger Kühlkörper 12 vorge
sehen, der an seiner Oberseite und seiner Unterseite in
abgedichteter Flächenberührung mit je einem nicht dargestell
ten Träger ist. Der Kühlkörper 12 kann aus kristallinem
Material (beispielsweise Silizium) oder amorphem Material
(beispielsweise Glas)
bestehen. Die Träger bestehen
aus solchem Material, das hinsichtlich seines Temperatur-
Ausdehnungskoeffizienten mit dem Material des Kühlkörpers
12 verträglich ist.
Der Kühlkörper 12 und die Träger müssen ausreichend dick
und/oder fest genug sein, um dem Druck des als Kühlmittel
benutzten, eintretenden Gases zu widerstehen, im typischen
Fall in der Größe zwischen 10 bar und 200 bar. Beispielsweise
kann ein Silizium-Kühlkörper annähernd 300 µm dick sein,
ein Glas-Kühlkörper kann annähernd 250 µm bis 510 µm dick
sein und ein Träger aus Glas etwa 250 mm bis 510 mm. An
den beiden Oberflächen des Kühlkörpers 12, die mit den
Trägern in Oberflächenberührung gehalten sind, befinden
sich parallele "serpentinenartige" Kanäle 14 und 16, die
beispielsweise eingeätzt und durch die verbliebene Wand
stärke des Kühlkörpers 12 voneinander getrennt sind. Die
Kanäle 14 und 16 verbinden einen Auslaß 18 (Niederdruck-
Rücklauf) bzw. einen Einlaß 20 (Hochdruck-Einlaß) mit einer
Kühlkammer 24. Die Abmessungen der Kühlkammer 24 sind be
stimmt durch die gewünschte Reservekapazität, die für
schwankende Anforderungen benötigt wird.
Die Kanäle 14 und 16 bilden jeweils Niederdruck-Kühllei
tungen und Hochdruck-Kühlleitungen, die über einen Bereich
ihrer Länge in Nachbarschaft an der einen und der anderen
Seite der Kühlplatte 12 verlaufen und dadurch einen Wärme
tauscherabschnitt bei 22 bilden. Zwischen dem Einlaß und
dem Wärmetauscherabschnitt ist ein feiner Kanalfilterabschnitt
21 vorgesehen. Hinter dem Wärmetauscherabschnitt 22 wird
der Einlaßkanal 16 unabhängig schlängelnd und enger bei
26, so daß das Kühlmittel expan
diert.
Die in Fig. 1 schematisch wiedergegebene Mikro-Tieftempe
ratur-Kühlvorrichtung ist ein Joule-Thomson-Kühlsystem
mit offenem Kreis. Das hochkomprimierte Gas tritt in den
Einlaß unter einem Druck von 10 bar bis 200 bar
und in einer Strömungsmenge von 5 bis 50 ml/sec
durch den Einlaß 20 und strömt durch den Wärmetauscher
22, wo dieses Gas durch unter niedrigem Druck stehendes, stark
gekühltes Gas gekühlt wird, das die Vorrichtung über den
Kanal 14 und den Auslaß 18 verläßt. Das unter hohem Druck
stehende Gas verläßt den Wärmetauscher und tritt durch
die Expansionskapillare 26, wo der Temperatur
abfall des Gases erfolgt, das als unterkühlte oder kryogene
Flüssigkeit in die Kühlkammer 24 eintritt. Die Tieftemperatur-
Kühlkammer 24 wiederum kühlt den an sie angesetzten Gegen
stand, beispielsweise superempfindliche Magnetometer, Radio
meter, Bolometer u. dgl. Die absorbierte Wärme veranlaßt
die Flüssigkeit zum Verdampfen und sie strömt durch den
Kanal 14 zum Auslaß 18.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform
für mehrlagigen Aufbau der Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrich
tung, bei welchem der plattenförmige Kühlkörper 75 zwischen
zwei plattenförmigen Trägern oder Deckplatten 76 und 77
angebracht ist. Bei diesem Aufbau sind in dem voll ausgezogen
dargestellten Beispiel die Eingangskanäle 73 und Ausgangs
kanäle 74 an den beiden einander gegenüberliegenden Seiten
des Kühlkörpers 75 aus Glas gebildet, und der Kühlkörper
75 ist an seinen beiden einander gegenüberliegenden Seiten
mit je einem Träger aus Glas bzw. je einer Deckplatte 76
und 77 flächendicht abgedeckt. Das unter hohem Druck stehende
Kühlmittel fließt längs der Kanäle 73 und läuft durch die
Kanäle 74 zurück. Die Kanäle 73 und 74 können geätzt oder
in anderer Weise in den Oberflächen des Kühlkörpers 75
gebildet sein. Wie durch die gestrichelte Darstellung ange
deutet, könnten auch die Kanäle 73′ anstatt der Kanäle
73 oder zusätzlich zu diesen in der dem Kühlkörper 75 zuge
wandten Oberfläche der Deckplatte 76 und/oder die Kanäle
74′ anstatt der Kanäle 74 oder zusätzlich zu diesen in
der dem Kühlkörper 75 zugewandten Oberfläche der Deckplatte
77 angebracht sein.
In jedem Fall bestehen
die Einlaßkanäle 73 aus Einlaßabschnitten, Wärmetauscher
abschnitten und Kapillarabschnitten bis hin zur Kühlkammer.
Die Ausgangskanäle 74 bestehen aus Wärmetauscherabschnitten
und Auslaßabschnitten.
Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform
einer Mikro-Tieftemperatur-
Kühlvorrichtung. Die Kanäle 80, 81, 82 und 83 sind in den
Oberflächen von dünnen Kühlkörpern 85, 86 und 87
aus Glas durch Ätzen oder Sandstrahlen
gebildet. Zum Beispiel kann bei einer
solchen Ausführungsform Stickstoff unter hohem Druck in
den Kanal 80 eingeführt werden und über den Niederdruck
kanal 81 zurückströmen, während Wasserstoff unter hohem
Druck in den Kanal 82 eingeführt und durch Stickstoff im
Kanal 81 gekühlt wird. Der Wasserstoff tritt unter geringem
Druck aus dem Kanal 83 aus. Die Einlässe, Wärmetauscherab
schnitte, Expansionskanäle und Kühlkammern sind in analoger
Weise in die jeweiligen Kanäle einbezogen, wie dies oben
erläutert ist.
Die in Fig. 1, bei 14 und 16 angedeuteten, in Fig. 2 bei 73,
73′, 74 und 74′ sowie in Fig. 3 bei 80, 81, 82 und 83 gezeigten
Kanäle weisen Abmessungen im Mikrometer-Bereich auf, beispiels
weise können diese Kanäle in dem in Fig. 1 angedeuteten
Abschnitt 22 etwa 250 µm breit und 50 µm tief sein, während
sie im Bereich 26 mit etwa 125 µm Breite und 10 µm Tiefe vor
gesehen sein können. Die in Fig. 1 bei 24 gezeigte Kühlkammer
kann eine Tiefe zwischen etwa 20 µm und 50 µm aufweisen. Be
vorzugt können die Einströmkanäle eine Breite von etwa 250 µm
und eine Tiefe von etwa 10 µm aufweisen, während die Kanäle
im Kapillarabschnitt eine Breite von etwa 200 µm und eine Tiefe
von etwa 10 µm aufweisen und die Rückströmkanäle eine Breite
von etwa 15 000 µm und eine Tiefe von etwa 25 µm.
Außer Kühlkörpern 75, 84, 85, 86, 87, 88 aus Glas, kommen auch
solche aus anderen kristallinen oder amorphen Werkstoffen in
Betracht, beispielsweise Silizium.
Fig. 4 gibt einen typischen Aufbau wieder, bei dem die
Kühlvorrichtung 211 an ihrem einen Ende in einem Halter
212 angebracht ist, innerhalb dessen sie derart befestigt
ist, daß die Kühlvorrichtung und der Halter üblicherweise
eine einheitliche Anordnung bilden, wie sie bei 213 ange
deutet ist.
In der erläuterten Anordnung enthält die Kühlvorrichtung
Strömungskanäle, die durch den Halter hindurch an die
Einlaß- und Auslaßeinrichtungen für das Kühlmittel ange
schlossen sind.
Fig. 4 zeigt, wie die Kühlanordnung im inneren Raum 214
eines Gehäuses 215 angebracht ist,
das mit einem bei 216 angedeuteten luftdichten Deckel ver
schlossen ist. In dem Gehäuse ist der Halter 212 in geeig
neter Weise am Boden des Innenraumes befestigt, und die
Kühlvorrichtung erstreckt sich freitragend durch den Innen
raum. Vorzugsweise wird der Innenraum über eine zu einer
Vakuumquelle 218 führende Leitung 217 auf Unterdruck gehalten.
Der fortgesetzt zu kühlende Gegenstand 219, der beispielsweise
ein kleiner supraleitfähiger Chip oder dergleichen sein
kann, ist in geeigneter Weise im Innenraum 214 angebracht,
vorzugsweise in Berührung mit dem kältesten Bereich der
Kühlvorrichtung, wie dies gestrichelt in der Zeichnung ange
deutet ist, wobei (nicht gezeigte) Leitungen durch abge
dichtete Durchlässe im Gehäuse treten. In der dargestellten
Ausführungsform ist der zu kühlende Gegenstand vorzugsweise
in direkter Berührung mit der Glasoberfläche der Deck
platte für die Kühlkammer 224 (Fig. 5) der Kühlvorrichtung angebracht.
Wie aus den Fig. 5 bis 7 ersichtlich, weist die Kühlvor
richtung 211 ein aus drei Elementen aufgebautes
Laminat auf, das im wesentlichen aus drei an den
Oberflächen miteinander verbundenen ebenen
Platten 232, 233 und 234 aus Glas oder anderem Material
mit ähnlich niedriger thermischer Leitfähigkeit aufgebaut
ist, wobei diese Platten annähernd gleiche Länge und
Breite und eine Dicke vorzugsweise in der Größenordnung
von 0,5 mm aufweisen. Die mittlere Platte kann dünner als
die anderen beiden Platten sein, um den Wärmeaustausch
zwischen den Einströmungskanälen und den Ausströmungs
kanälen zu steigern. Die Kühlvorrichtung 211 kann beispielsweise
1,3 cm breit, 5,7 cm lang und 0,15 cm dick
(Gesamtdicke) sein. Mit diesen Abmessungen stellt die
Kühlvorrichtung 211 eine betriebsfähige Ausführungsform
da, die erfolgreich geprüft worden ist. Eine andere ar
beitsfähige Ausführungsform sieht als Abmessungen vor:
5 mm Breite, 25 mm Länge und 1,5 mm Gesamtdicke.
Die Fig. 8 bis 15 veranschaulichen im einzelnen eine
Ausführungsform nach den Fig. 5 bis 7. Die dünnen flachen Glasplatten 232,
233 und 234 sind von gleichen Abmessungen. Die mittlere
Glasplatte 233 ist glatt mit sich gegenüberliegenden ebenen,
glatten koplanaren Oberflächen 235 und 236 (Fig. 13).
Die obere Platte 232 ist transparent.
Wie im Beispiel der Fig. 8 hat die Platte 232 eingeschnit
tene Bereiche oder Kanäle in ihrer unteren Fläche 237, die
die Einlaßöffnung 221, den Wärmetauscher-Kanalabschnitt 222,
den Kapillarkanalabschnitt 223 und die Kühlkammer 224 bil
den, die in Reihenanordnung in dem kontinuierlichen Strö
mungsweg von der Einlaßöffnung 221 zur Kammer 224 liegen.
Die Einlaßöffnung 221 ist in Art eines geschlossenen Boden
schachtes ausgebildet.
Die Zwischenplatte 233 verschließt die eine Seite der
Kanäle in der Platte 232 und hat an ihrem einen Ende eine
durchgehende Bohrung 238, die mit der Einlaßöffnung 221
der Platte 232 in der Anordnung ausgerichtet ist. Am anderen
Ende hat die Platte 233 einen Durchlaß 239, der mit der
Kühlkammer 224 ausgerichtet ist.
Die Unterplatte 234 ist an ihrer Oberseite bzw. in ihrer
oberen Fläche 240 mit dem Niederdruck-Rücklaufweg für das
Kühlmittel ausgebildet, nämlich mit einem generell recht
eckigen breitflächigen Oberflächeneinschnitt 241. Eine
Reihe von in Abstand angeordneten Rippen 242 und ver
schiedene Reihen von Vorsprüngen 243 sind auf dem Boden
dieses Einschnittes vorgesehen, um tragende Berührung mit
der unteren Fläche 236 der mittleren Platte im Zusammenbau
zu halten, ohne jedoch die Strömung des Kühlmittels
nennenswert zu behindern. Die Platte 234 ist mit einer
durchgehenden Bohrung 243′ versehen, die im zusammengebauten
Zustand der Fig. 5 mit den Bohrungen 238 und 221 ausge
richtet ist. Eine zweite Bohrung 244 in der Platte 234
mündet in den Einschnitt 241. Das aus der Kühlkammer 224
austretende Kühlmittel tritt durch den Durchlaß 239 in
den Einschnitt 241 und tritt dann durch die Auslaßöffnung
244 aus der Anordnung aus.
In zusammengebautem Zustand nach den Fig. 5 bis 7 sind die Glasplatten 232,
233 und 234 an ihren Zwischenflächen zu einem Stapel
druckfest und druckdicht miteinander verbunden. Dieses Lami
nat ist in den Halter 212 gelegt, wo das eine Ende mittels
Klebstofflagen 250 und 251 mit dem Metallhalter verbunden
ist und die Öffnungen 243 und 244 mit den Bohrungen 227
bzw. 228 ausgerichtet sind. Hierdurch werden außer einem
Träger für die Kühlvorrichtung auch abgedichtete leck
sichere Einlaß- und Auslaßverbindungen für die Strömungs
kanäle der Kühlvorrichtung geschaffen. Die Abmessungen
der Kanäle werden entsprechend den gewünschten Kühlkapa
zitäten gewählt.
Die Durchlässe 222, 223 und 225 haben Abmessungen in
Mikrometer-Größe, wobei die Durchlässe 222 und insbesondere
223 Abmessungen in der
Größenordnung zwischen 5 µm und 500 µm haben. In einer typischen
Kühlvorrichtung können diese Durchlässe flach, d. h. mit
einer Tiefe von 5 µm bis 10 µm und schmal, d. h. einer
Breite zwischen 150 µm bis 200 µm ausgebildet sein. Im
Durchlaß 222 herrscht laminare Strömung,
wodurch Vibration, Geräusch und andere durch turbulente
Strömung hervorgerufene Probleme vermindert werden. Der
Einschnitt 241 ist im typischen Fall etwa 20 µm bis 240 µm
tief.
In einer Abwandlung gegenüber dem obigen Beispiel können
der Einlaßkanal und der Auslaßkanal als Nuten oder in
anderer Weise in den gegenüberliegenden Oberflächen der
mittleren Platte 233 ausgebildet sein. Es ist auch möglich,
den einen Kanal in der Platte 233 und den anderen in einer
der beiden äußeren Platten anzubringen.
Im Betrieb einer Kühlvorrichtung gemäß Fig. 4 bis 15
wird komprimiertes Gas, beispielsweise Stickstoff oder
Ammoniak, bei Umgebungstemperatur (15°C bis 32°C) durch die
Leitung 229 und die Einlaßöffnung 221 eingeführt. Die
dabei benutzten Gasdrücke liegen zwischen 10 bar
bis 210 bar.
Das Gas strömt durch den Wärmetauscherabschnitt 222 der
Kanäle und dann durch den
kleineren Querschnitt des Kapillarabschnittes 223, wo
sich das Gas entspannt und seine Temperatur herabsetzt
und tritt in die Kühlkammer 224 ein. Das Kühlmittel in der
Kühlkammer 224 kann unterkühltes Gas, Flüssigkeit oder ein
Gemisch beider sein. In jedem Fall ist dies der kälteste
Teil der Kühlvorrichtung.
Das Kühlmittel verläßt die Kühlkammer 224 durch den Durch
laß 239, strömt mit vermindertem Druck durch den Rückführ
kanal 225 in Wärmeaustausch mit dem Einlaßkanal 222 und
dann durch die Auslaßöffnung 226 und die Leitung 231. Es
ist zu beachten, daß dieser Wärmeaustausch im wesentlichen
direkt durch die geringe gleichförmige Dicke der mittleren
Glasplatte 233 erfolgt und wirksam und genau definiert von
statten geht, wobei das kalte, unter geringem Druck aus
strömende Gas das einströmende hochkomprimierte Gas vor
kühlt.
Fig. 16 gibt eine Ausführungsform wieder, in der drei
ähnliche Platten 251, 252 und 253 mit etwa 0,5 mm Dicke
die Durchlaßkanäle bilden. Die
Platten sind zu einem Stapel miteinander verbunden, aber in
der Zeichnung auseinandergezogen dargestellt, um die
Einzelheiten der Kühlvorrichtungsteile besser zu zeigen.
Das unter hohem Druck stehende Gas wird in die Einström
öffnung 254 der Platte 251 eingeführt, die eine flache
Glasplatte mit ebenen Oberflächen ist, und strömt durch
die Bohrung 255 in der Platte 252 zu einer trogartigen Ver
tiefung 256 mit geschlossenem Boden in der oberen Fläche
der unteren Platte 253, die gleich wie die Platte 232
gemäß Fig. 4 bis 15 sein kann. Der Strömungskreis für
höheren Druck setzt sich in der Platte 253 als ein Wärme
tauscherabschnitt 257 und ein kapillarer Expansionsabschnitt
258 fort, der in die Kühlkammerausnehmung 259 mündet.
Die Zwischenplatte 252, die gleich der Platte 234 der
Fig. 4 bis 5 sein kann, ist flach und eben an ihrer
unteren Oberfläche, um die Kanäle in der Platte 253 zu
vervollständigen. Die obere Oberfläche der Platte 252 ist
bei 261 vertieft ausgebildet, um den Niederdruckrückström
kanal zu bilden. Eine durchgehende Bohrung 262 im Boden
der Ausnehmung 251 verbindet den Niederdruckkanal 261
mit der Kühlkammer 259 und eine Bohrung 263 in der Platte
251 verbindet den Niederdruckkanal 261 mit einem äußeren
Kühlmittelkreis.
Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen
gemäß Fig. 16, jedoch mit zwei Niederdruckrückströmkanälen.
Vier Platten mit ähnlichen Abmessungen sind zu einem
Stapel verbunden und in Fig. 17 zur Übersicht
lichkeit auseinandergezogen dargestellt. Die Platten 251,
252 und 253 sind die gleichen wie im Beispiel der Fig. 16,
und eine vierte Platte 264 ist zur Bildung eines zweiten
Niederdruck-Rückströmkanals hinzugefügt. Die Platte 264
kann ein Zweitstück der Platte 252 sein mit dem Unterschied,
daß die Ausnehmung für den Niederdruckrückführungskanal
in der oberen Oberfläche gebildet ist. Jedoch verbindet
eine durchgehende Bohrung 265 in der Platte 263 im Boden
der Kühlkammer diese Kühlkammer mit dem Niederdruckkanal
266 in der oberen Oberfläche der Platte 264. Ferner ist
keine Bohrung entsprechend der Bohrung 262 in der Ver
tiefung 266 vorgesehen, sondern das unter Niederdruck
stehende Gas strömt von der Vertiefung durch eine
durchgehende Bohrung 267 in der Platte 253 und eine durch
gehende Bohrung 268 in der Platte 252, um sich mit dem
ausströmenden Gas zu vereinigen und
durch die Auslaßöffnung 263 zu strömen. Auf diese Weise
sind in dieser Ausführungsform zwei Wärmetauscherwege vor
gesehen, die ein schnelleres und tieferes Vorkühlen des
unter hohem Druck stehenden eintretenden Gases bewirken.
In der Ausführungsform nach Fig. 18 ist das kalte Ende
der Kühlvorrichtung 211 in einem Maß abgeändert, daß die
Kühlkammer anstelle einer Vertiefung, wie bei 224 in
Fig. 5, jetzt eine durchgehende Öffnung 270 in der
abdeckenden Glasplatte 232 ist und daß über diese Öffnung
ein dünnes, flaches Kissen 271 eines Materials mit sehr
hoher Wärmeleitfähigkeit druckdicht aufgesetzt
ist. Der zu kühlende Gegenstand 219 wird direkt auf diesem
Kissen 271 angebracht. Auf diese Weise berührt das Kühl
mittel bei seiner tiefsten Temperatur die untere Fläche
dieses Kissens 271.
Bevorzugte Materialien für das Kissen 271 sind Silizium,
Beryllium und Saphir. Alle haben sehr hohe und bei sehr
niederen Temperaturen stark ansteigende Wärmeleitfähigkeit
und können an ein geeignetes Plattenmaterial mit etwa
gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten angepaßt werden.
Das bevorzugte Material ist Berylliumoxid. Dieses Material
verbindet hohe Härte mit einem näher an dem bevorzugten
Glasplattenmaterial liegenden Temperaturausdehnungskoeffi
zienten.
Die Fig. 19 bis 21 zeigen eine andere Form einer Mehr
lagen-Kühlvorrichtung, die nach dem gleichen Prinzip ar
beitet. Wie in Fig. 19 gezeigt, weist das Kühlvorrichtungs-
Laminat drei ähnliche dünne ebene Platten 280, 281 und
282 aus einem Material auf, das geätzt werden kann. Bevor
zugt sind die Platten 280 und 281 Glasplatten. Die Platte
282 kann für andere
Zwecke aus einem glasähnlichen Material mit
höherer Wärmeleitfähigkeit bestehen, beispielsweise
kristallinem Aluminiumoxid (Saphir), Beryllium oder
Silizium.
Auf der oberen Fläche 283 der Platte 280 ist der Hoch
druck-Gaseinlaßkanal geätzt oder in äquivalenter Weise
geformt, der hier im wesentlichen aus einer Kapillarnut
284 besteht, die von der Einlaß
öffnung 285 in ein Labyrinth zur zentralen eingeschnittenen
Kühlkammer 286 verläuft.
Die Platte 281 hat eine kontinuierliche ebene untere Ober
fläche 287, die druckdicht mit der Platte 280 verbunden ist,
um den Einlaßkanal und die Kühlkammer zu vervollständigen.
In die obere Fläche 288 der Platte 281 ist eine breite
Nut 289 als Niederdruck-Gasrückführung von einem Durch
laß 290 aus angebracht. Eine Reihe von vorstehenden radialen
Rippen 291 in der Vertiefung bzw. Nut 289 berühren ent
sprechend die Platten 280, um die mechanische Festigkeit
der Anordnung zu verbessern. Das mit
vermindertem Druck ausströmende Gas strömt in der Nut 289 zu einer Aus
laßöffnung 292, die sich durch eine der Platten 280 oder
282 nach außen fortsetzt, wie bei den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
Wie in Fig. 19 angedeutet, ist die Platte 282 druckdicht
mit der Platte 281 verbunden, um den
Rückführungskanal 289 abzudecken bzw. zu ver
vollständigen.
Auf der Oberseite 293 der Platte 282 ist unmittelbar der
zu kühlende Chip 294 befestigt, und ein gedruckter oder
ähnlicher Stromkreis 295 für diesen Chip erstreckt sich
über die Platte 282 zu geeigneten äußeren elektrischen
Anschlüssen. Der Chip ist auf diese Weise dem gekühlten
Kühlmittel an dem im wesentlichen kältesten Bereich der
Kühlvorrichtung ausgesetzt. Diese Anbringungsart für den
zu kühlenden Gegenstand kann bei allen Ausführungsformen
benutzt werden.
In dieser Ausführungsform erfüllt der Kapillarkanal eine
Wärmeaustauschfunktion mit dem Auslaßkanal 289 für das
Kühlmittel. Diese Anordnung kann vorzugsweise für höhere
Temperaturkühlung herangezogen werden, d. h. dort wo ein
Kühlen bis zu kryogenen Temperaturen nicht notwendig ist.
Beispielsweise kann Ammoniak als Kühlmittel benutzt werden,
um Temperaturen von -30°C und Kühlkapazitäten bis zu
50 Watt zu erreichen.
Für kryogenes Kühlen
ist eine Wärmetauscherregion zum Vorkühlen vor dem Kapillar
abschnitt vorzusehen. Zum Beispiel kann das Kühlmittel
Freon sein, das unter hohem Druck eingeführt wird,
expandiert und den Kapillarabschnitt
284 kühlt, während er in Wärmeaustausch mit dem zurück
strömenden Gas in der Nut 289 für weiteres Kühlen steht.
Wenn das Gas für kryogenes Kühlen Stickstoff ist, wie im
Beispiel der Fig. 4 bis 15, ist eine längere Wärme
tauscherregion zum Vorkühlen vorzusehen.
Die oben beschriebene Kühlvorrichtung kann von besonderem
Wert sein beim Kühlen größerer Computer-Chips, wie sie
beispielsweise als VLSI-Chips (very large scale indecration)
bekannt sind und heute mit größerer Stromkreisdichte und
erhöhter Energiekapazität ausgelegt werden sollen und da
durch große Wärmemengen, d. h. 10 bis 50 Watt (Verlustleistung)
erzeugen. Das Kühlen ermöglicht es, solche Chips bei
niedriger Temperatur zu betreiben, was ihren Betriebs
wirkungsgrad, ihre Geschwindigkeit und ihre Verläßlichkeit
verbessert und ihre Lebensdauer erhöht.
Die Fig. 22 und 23 illustrieren eine Kühlvorrichtungs
einheit, die aus zwei mehrlagigen Kühlvorrichtungen zwischen
fünf laminierten Platten aufgebaut ist. Dieser Aufbau ge
stattet Kaskadenkühlung, d. h. das Vorkühlen eines Kühl
mittels durch ein anderes, um entweder schnelleres Kühlen
oder tiefere Temperaturen zu erreichen. Zum Beispiel kann
Ammoniak in der ersten Stufe als Kühlmittel in der ersten
Kaskadenstufe mit den Lagen 294 benutzt werden, um Stickstoff
in der zweiten Kaskadenstufe mit den Lagen 295 vorzukühlen.
Hierdurch wird das Abkühlen des Stickstoffs um einen Faktor
"3" oder mehr vergrößert. Als anderes Beispiel könnte
Stickstoff in der kürzeren Stufe mit den Lagen 294 be
nutzt werden, um Wasserstoff vorzukühlen, der dann bis
20 K kühlt. Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt, bei
spielsweise Wasserstoff und Helium, kühlen nicht im Joule-
Thomson-Kreis, wenn sie nicht auf solche Weise auf geeig
nete Temperatur vorgekühlt werden. Kühlvorrichtungen mit
drei oder mehr Stufen können in ähnlicher Weise aufge
baut werden.
Die Ausführungsform nach Fig. 24 enthält einen Stapel von
vier Platten 300, 302, 304 und 306, die aus gleichen Ma
terialien bestehen können und in gleicher Weise mitein
ander verbunden sind, wie bei den vorher beschriebenen Aus
führungsformen. In dieser Ausführungsform sind zwei Kapillar
abschnitte 308 und 310 in Reihenanordnung vorgesehen.
Zwischen den beiden Kapillarabschnitten ist ein kleiner
Durchlaß 312 vorgesehen, der in das oberstromseitige
Ende des für den Wärmetauscher in der Platte 300 gebildeten
Ausströmungskanals 314 führt. Das unterstromseitige Ende
des zweiten Kapillarabschnittes 310 ist mit der Kühlkammer
316 verbunden, die wiederum über einen Durchlaß 318 mit
einem zweiten Ausströmungskanal 320 verbunden ist, welcher
an der mit Vertiefung versehenen Oberfläche der Platte
304 gebildet ist. In der Vertiefung der Platte 304 sind Rippen 322 vor
gesehen, um der Einheit die erforderliche Steifigkeit zu
geben und gleichförmigen Abstand zwischen den Platten 304
und 306 sicherzustellen.
Im Betrieb strömt Gas unter hohem Druck durch den Einströ
mungsabschnitt 324 des Wärmetauschers und expandiert,
während es durch den ersten Kapillar
abschnitt 308 zum Durchlaß 312 strömt. An diesem Punkt wird
die Gasströmung geteilt, so daß ein beträchtlicher Teil
des Gases durch den Durchlaß 312 direkt in den Ausström-
und Wärmetauscherkanal 314 fließt.
Der Durchlaß 312 und der Ausströmkanal 314 sind so dimen
sioniert, daß an dem Durchlaß 312 relativ hoher Druck auf
recht erhalten wird, im typischen Fall 10 bis 30 bar.
Dementsprechend erfolgt ein großer Druckabfall im Aus
strömabschnitt 314 des Wärmetauschers und erzeugt einen
hohen Wirkungsgrad der Wärmetauscherfunktion.
Der Rest des Gases strömt durch den zweiten Kapillarab
schnitt 310 in die Kühlkammer 316. Hier übernimmt das Gas
Wärme von dem zu kühlenden Gegenstand und fließt dann durch
den Durchlaß 318 und durch den zweiten Ausströmkanal 320
mit relativ niedrigem Druck, im typischen Fall 2 bis 3 bar
nach außen ab. Dieser Niederdruck stellt sicher, daß die
gewünschte niedrige Temperatur in der Kühlkammer erreicht wird.
Es wurde gefunden, daß beides, nämlich hoher Wirkungsgrad
des Wärmetauschers und gewünschte Kühlung erreicht werden,
wenn man gestattet, daß zwischen 50% bis zu 95% des Gases
durch den Durchlaß 312 und den Ausströmkanal 314 des
Wärmetauschers abströmen.
Fig. 25 illustriert eine Platte, die anstelle der
Platte 302 in der Ausführungsform nach Fig. 24 einge
setzt werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
In dieser Ausführungsform sind die beiden Kapillarabschnitte
326 und 328 im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.
24 nicht in Reihe angeordnet. Das einströmende
Gas tritt durch den Einströmabschnitt 324 des Wärmetauschers,
durch den ersten Kapillarabschnitt 326 und durch den
Durchlaß 312, um zu dem ersten Ausströmkanal 314 des
Wärmetauschers zu gelangen. Der Rest des Gases tritt durch
den zweiten Kapillarabschnitt 328 in die Kühlkammer 316
und von dort in den zweiten Ausströmkanal 320. Wie bei der
ersten Möglichkeit werden auch hier gute Ergebnisse er
zielt, wenn man zwischen 50% und 95% des ankommenden
Gases durch den Durchlaß 312 strömen läßt.
Claims (7)
1. Mikro-Tieftemperatur-Kühlvorrichtung zum Kühlen kleiner
Gegenstände, beispielsweise supraleitender Elemente,
mit mindestens einem Kühlsystem, die
ein Laminat aus dünnen Platten aufweist,
die aus Glas oder Material mit ähnlich niedriger Wärmeleitfähigkeit und mit im wesentlichen gleichen thermi
schen Ausdehnungskoeffizienten bestehen und die an ebenen
Berührungsflächen druckdicht miteinander verbunden sind,
wobei das Kühlsystem aus Vertiefungen im Platten-Oberflächen
bereich gebildet ist und angrenzend an eine Berührungs
fläche, ein
ununterbrochener, von einem Einlaß, der an einer Quelle
für unter hohem Druck stehendes Kühlmittelgas angeschlossen
ist, zu einer Kühlkammer führender Kühlmittelzuführkanal
mit einem in die Kühlkammer mündenden Kapillarabschnitt
angeordnet ist, wobei ferner ein an die Kühlkammer ange
schlossener, zu einem Auslaß führender Kühlmittelrück
führkanal vorgesehen ist, der im Bereich stromoberseitig
des Kapillarabschnittes mit dem Kühlmittelzuführkanal
in Art eines Wärmetauschers im Gegenstrom angeordnet ist
und
wobei die Kanäle zur Ausbildung einer laminaren
Kühlmittelströmung Querschnittsabmessungen im Mikrometer-
Bereich aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Laminat aus mindestens drei dünnen Platten
gebil
det ist, und daß der von der Kühlkammer zum Auslaß führende
Kühlmittelrückführkanal an eine andere Berührungsfläche
angrenzt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, mit zwei getrennten Kühl
systemen, die in Art einer Kaskade, das
heißt mit Vorkühlung eines Kühlmittels durch ein anderes,
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat
aus fünf Platten gebildet ist und die Kühlsysteme an je
weils zwei benachbarten Berührungsflächen angrenzen.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem zweistufigen
Kühlsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat aus vier
Platten gebildet ist und daß nach einem Teil (308) des Kapillar
abschnittes (308, 310) oder nach einem vor dem Kapillarabschnitt
(328) abzweigenden weiteren Kapillarabschnitt (326) für einen
Teil des Kühlmittels ein Durchlaß (312) gebildet ist, der zu ei
nem mit einem weiteren Auslaß verbundenen weiteren Kühlmittel
rückführkanal (314) führt, der mit dem Kühlmittelzuführkanal
(324) in Art eines Wärmetauschers an die weitere Berührungs
fläche angrenzt.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß auf
mindestens eine der Platten im Bereich
der Kühlkammer ein Wandelement hoher Wärmeleitfähigkeit
dicht aufgebracht ist.
5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Platten
Glasplatten mit gleichförmiger Dicke sind.
6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuführkanäle eine Breite von
etwa 250 µm und eine Tiefe von etwa 10 µm aufweisen,
während die Kanäle im Kapillarabschnitt eine Breite von
etwa 200 µm und eine Tiefe von etwa 10 µm aufweisen,
und daß die Kühlmittelrückführkanäle eine Breite von etwa 15 000 µm
und eine Tiefe von etwa 25 µm aufweisen.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlkammer als durchgehende Öff
nung (270) in einer der Platten (232) ausgebildet
ist und ein kissenartiges Element (271) über dieser durchgehenden
Öffnung (270) druckdicht angeordnet ist, wobei dieses kissenar
tige Element (271), mit dem der zu kühlende Gegenstand (219) in Be
rührung zu bringen ist, aus Material mit höherer Wärme
leitfähigkeit als dasjenige plattenartige Element (232) be
steht, in welchem die die Kühlkammer bildende Öffnung (270)
angebracht ist.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US25968781A | 1981-05-01 | 1981-05-01 | |
US06/259,688 US4392362A (en) | 1979-03-23 | 1981-05-01 | Micro miniature refrigerators |
US06/354,616 US4386505A (en) | 1981-05-01 | 1982-03-04 | Refrigerators |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3215396A1 DE3215396A1 (de) | 1983-01-27 |
DE3215396C2 true DE3215396C2 (de) | 1988-08-25 |
Family
ID=27401251
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19823215396 Granted DE3215396A1 (de) | 1981-05-01 | 1982-04-24 | Nikro-miniatur-kuehlvorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
CA (1) | CA1170851A (de) |
DE (1) | DE3215396A1 (de) |
FR (1) | FR2505036B1 (de) |
GB (1) | GB2099565B (de) |
IL (1) | IL65635A (de) |
NL (1) | NL8201786A (de) |
SE (1) | SE446122B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010060346A1 (de) | 2010-11-04 | 2012-05-10 | Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH | Verfahren zur Erzeugung von Kälte und nach dem Verfahren arbeitender Kühler |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1984002177A1 (en) * | 1982-12-01 | 1984-06-07 | William A Little | Fast cooldown miniature refrigerators |
DE3613596A1 (de) * | 1986-04-22 | 1987-11-12 | Christian Dipl Ing Schneider | Waermeaustauscher und verfahren zu seiner herstellung |
DE3613802A1 (de) * | 1986-04-24 | 1987-10-29 | Dornier System Gmbh | Integrierter kapillarverdampfer als waermeaufnehmendes element eines thermalkreislaufs |
DE3825907A1 (de) * | 1988-07-29 | 1990-02-01 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Auf mikromechanischem wege hergestellte kuehlvorrichtung, insbesondere plattenkuehler |
DE10239048B4 (de) * | 2001-08-30 | 2006-11-16 | Siemens Ag | Integrierter Schaltkreis |
DE202009019071U1 (de) * | 2009-02-17 | 2016-03-17 | Gudrun Stemke | Verdampfer und Kühleinrichtung unter Verwendung derartiger Verdampfer |
US20120023969A1 (en) * | 2010-07-28 | 2012-02-02 | General Electric Company | Cooling system of an electromagnet assembly |
EP2444769A1 (de) * | 2010-10-18 | 2012-04-25 | Kryoz Technologies B.V. | Mikrokühlvorrichtung |
DE102013226813A1 (de) * | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Kühlvorrichtung |
CN106705701A (zh) * | 2015-08-18 | 2017-05-24 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 散热器及其制造方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2909908A (en) * | 1956-11-06 | 1959-10-27 | Little Inc A | Miniature refrigeration device |
DE2117138A1 (de) * | 1971-04-08 | 1972-10-19 | Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg | Wärmetauscher, insbesondere für tiefsiedende Flüssigkeiten |
NL7203268A (de) * | 1972-03-11 | 1973-09-13 | ||
FR2184536A1 (en) * | 1972-05-19 | 1973-12-28 | Anvar | Very low temperature heat exchangers - partic suitable for helium 3 and helium 4 |
US3926763A (en) * | 1972-11-30 | 1975-12-16 | Ibm | Method for fabricating a gas discharge panel structure |
DE2708270A1 (de) * | 1977-02-25 | 1978-08-31 | Siemens Ag | Waermetransportsystem |
GB2045910A (en) * | 1979-03-23 | 1980-11-05 | Univ Leland Stanford Junior | Miniature cryogenic refrigerator and device and method of making same |
-
1982
- 1982-04-24 DE DE19823215396 patent/DE3215396A1/de active Granted
- 1982-04-27 IL IL65635A patent/IL65635A/xx not_active IP Right Cessation
- 1982-04-27 GB GB8212220A patent/GB2099565B/en not_active Expired
- 1982-04-27 SE SE8202630A patent/SE446122B/sv not_active IP Right Cessation
- 1982-04-29 NL NL8201786A patent/NL8201786A/nl not_active Application Discontinuation
- 1982-04-30 CA CA000402043A patent/CA1170851A/en not_active Expired
- 1982-04-30 FR FR8207576A patent/FR2505036B1/fr not_active Expired
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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