DE3215396C2 - - Google Patents

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.