DE3642683C2

DE3642683C2 -

Info

Publication number: DE3642683C2
Application number: DE3642683A
Authority: DE
Inventors: Uwe Georg Dipl.-Ing. Dr. 7991 Oberteuringen De Hingst
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1986-12-13
Filing date: 1986-12-13
Publication date: 1991-08-08
Also published as: GB2199399B; GB2199399A; GB8728159D0; US4819451A; DE3642683A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryostat, bei welchem der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt wird, zur Küh lung eines Detektors, insbesondere Infrarotdetek tors für zielsuchende Flugkörper, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für zielsuchende Flugkörper werden in vielen Fällen Infrarotdetektoren verwendet, welche auf die Wärme strahlung eines zu verfolgenden Zieles ansprechen. Solche Infrarotdetektoren müssen sehr stark gekühlt werden, um die Empfindlichkeit des Infrarotdetektors zu erhöhen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Für diese Zwecke sind Kryostaten bekannt, bei denen der Joule-Thomson-Effekt (Pohl "Einführung in die Mechanik, Akustik und Wärme lehre", Springer-Verlag, IX. Auflage, Seite 302) ausgenutzt wird.

Die US-PS 29 90 699 beschreibt einen Kryostaten zur Kühlung eines Infrarotdetektors. Der Infrarotdetek tor sitzt auf der Innenwandung auf dem "Boden" eines Dewar-Gefäßes. Das Dewar-Gefäß hat eine Innen- und einen Außenwandung. Die Kühlung erfolgt mittels eines Gegenstrom-Wärmetauschers mit einer Vorlaufleitung, die mit einem Einlaßende mit einer Druckgasquelle verbunden ist. Diese Vorlaufleitung ist eng gewendelt im Inneren des Dewar-Gefäßes angeordnet. An einem Auslaßende der Vorlaufleitung ist eine Entspannungsdüse vorgesehen. Bei der US-PS 29 90 699 wird diese Entspannungsdüse einfach von dem freien Ende der Vorlaufleitung gebildet. Die Vorlaufleitung ist in gut wärmeleitendem Kontakt mit einem Rücklauf. Bei der US-PS 29 90 699 ist dieser Rücklauf einfach der Innenraum des Dewar- Gefäßes. Durch diesen Innenraum strömt das ent spannte Gas zur Öffnung des Dewar-Gefäßes über die gewendelte Vorlaufleitung. Dadurch wird das Druck gas im Gegenstromverfahren vorgekühlt. Es lassen sich nach diesem Verfahren Detektoren bis auf Temperaturen von 80 K abkühlen.

Der Kryostat braucht eine Druckgasquelle. Hierfür sind Hochdruckflaschen oder auch Kompressoren vor gesehen worden.

Moderne Flugkörper werden auch im Tragflug, d. h. während sie noch an einem Flugzeug hängen, wegen der hohen Geschwindigkeit des Flugzeugs stark er wärmt. Auch enthalten die Flugkörper eine umfang reiche Elektronik. Diese Elektronik verbraucht elektrische Energie, die schließlich in Wärme umgesetzt wird. Ein Suchkopf, in welchem der Infrarotdetektor angeordnet ist, erfährt dadurch eine weitere Erwärmung.

Das ist für den Kryostaten, der den Infrarotdetek tor kühlt, in zweifacher Hinsicht nachteilig: Ein mal muß infolge der hohen Temperatur des Suchkopfes ein größeres Temperaturgefälle zwischen dem Infrarotde tektor und seiner Umgebung aufrechterhalten werden, wenn der Infrarotdetektor seine vorgeschriebene niedrige Temperatur beibehalten soll. Das ist schwierig, weil mit diesem Temperaturgefälle auch der Wärmefluß von der Umgebung zum Kryostaten und Infrarotdetektor ansteigt. Der durch Strahlung bedingte Anteil an diesem Wärmefluß steigt mit der vierten Potenz der Temperatur. Ein weiterer Nachteil ist aber, daß die für den physikalischen Prozeß des Joule-Thomson-Effektes zur Verfügung stehende Enthalpiedifferenz mit steigender Temperatur geringer wird. Bei der Druckgasversorgung aus Hochdruckflaschen ist weiterhin zu berücksichtigen, daß die Untergrenze des für den Kühlprozeß erforderlichen Druckes mit der Temperatur ansteigt. Bei gleichem Volumen der Hochdruckflasche nimmt daher die nutzbare Druckgasmenge mit steigender Temperatur ab.

Mit steigender Temperatur des Suchkopfes, allgemein der Umgebung des Kryostaten, steigt also die erforderliche Kühlleistung. Bei einem Kryostaten der hier vorliegenden Art bedingt das einen höheren Druckgasverbrauch. Die Hochdruckflaschen mit Druckgas müssen - im Vergleich zu bisher üblichen Kryostatanordnungen - vergrößert werden, oder die ohne Wechsel der Hochdruckflaschen mögliche Betriebszeit wird vermindert.

Durch die US-Z "Engineering" 23 (1970), 93-96 sind mehr stufige Joule-Kühler bekannt. Ein erste Stufe arbeitet mit Stickstoff. Diese erste Stufe erzeugt flüssigen Stick stoff. Der flüssige Stickstoff kühlt das Einlaßende der mit Wasserstoff arbeitenden zweiten Stufe. Damit läßt sich Wasserstoff verflüssigen.

Bei solchen zweistufigen Joule-Thomson-Kühlern geht es nicht darum, die zur Erzielung einer (auch mit einem einstufigen Joul-Thomson-Kühler erreichbaren) Temperatur erforderliche Kühlleistung zu vermindern. Es sollen viel mehr tiefere Temperaturen wie die des flüssigen Wasser stoffes erreicht werden. Dazu muß zunächst der Wasser stoff unter seine Inversionstemperatur abgekühlt werden. Zur Verminderung der Kühlleistung, so daß mit einem Mini mum an Druckgas gearbeitet werden kann, sind solche Kühler jedoch nicht geeignet. Vielmehr sind dort zwei Druckgas behälter erforderlich.

Durch die US-PS 34 15 078 ist eine Kühlvorrichtung für Infrarotdetektoren bekannt, bei welcher drei verschiedene Kühlmittel verwendet werden. Es sind in einem Gehäuse um einen Rücklaufkanal herum zwei Vorlaufrohrschlangen in Wärmeaustausch mit dem Rücklaufkanal angeordnet. Jeder der Vorlaufrohrschlangen endet in einer Entspannungsöffnung gegenüber dem zu kühlenden Infrarotdetektor. Durch ein seitliches Einlaßrohr ist weiterhin im Bereich der Rohrschlangen Kohlendioxid unter Druck einleitbar. Das expandierende und sich abkühlende Kohlendioxid bewirkt eine Vorkühlung der Anordnung, Argon, das gleichzeitig über die eine der Rohrschlangen unter hohem Druck zuge führt wird, bewirkt unter Ausnutzung des Joule-Thomson- Effektes eine schnelle Herunterkühlung des Infrarotdetek tors auf -100°C. Anschließend wird die Zufuhr von Argon unterbrochen und über die zweite Rohrschlange ein Freon gemisch zugeführt, das bei -100°C siedet. Dadurch wird die Temperatur des Infrarotdetektors stabilisiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kryostaten der eingangs genannten Art die erforderliche Kühlleistung deutlich zu vermindern, so daß mit einem Minimum an Druckgas gearbeitet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Kryostaten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
(e) das Einlaßende der Vorlaufleitung durch Peltier-Elemente gekühlt ist.

Der Druckgasmassestrom durch die Vorlaufleitung ist sehr klein. Er liegt bei praktisch verwendeten Kryostaten in der Größenordnung von 0,015 g/sec. Um die Temperatur eines solchen Druckgasmassestromes bis maximal 35°C zu erniedrigen, genügt eine Kühl leistung von 200 bis 500 mW. Eine solche Kühl leistung kann von handelsüblichen Peltier-Elementen aufgebracht werden. Durch diese Vorkühlung wird das dem Kryostaten zugeführte Druckgas von der Tempera tur der Umgebung "entkoppelt". Damit ergibt sich eine überproportional bessere Kühlleistung des Kryostaten oder eine entsprechend verminderter Druckgasdurchsatz für die Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur des Infrarotdetektors. Bei der Anwendung in einem Flugkörper bedeutet das geringere Volumina der Hochdruckflaschen für das Druckgas, damit weniger Gewicht und Volumen und damit bessere Leistungen des Flugkörpers. Der zusätzliche Leistungsbedarf für die Peltier-Ele mente sowie die dadurch erzeugte Wärme sind so gering, daß sie als Nachteil kaum ins Gewicht fallen.

Eine weitere "Entkopplung" des Kryostaten und des Infrarotdetektors von der Temperatur der Umgebung kann dadurch erreicht werden, daß zwischen dem einlaßseitigen Ende des Dewar-Gefäßes und der wärmeableitenden Basis eine wärmeisolierende Schicht angeordnet ist.

Es läßt sich durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen der Druckgasverbrauch für die Kühlung bis auf die Hälfte reduzieren.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Kryostaten, der den Joule-Thomson- Effekt ausnutzt.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Joule-Thomson-Prozesses für Luft in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm.

Fig. 3 ist ein Diagramm und zeigt die bei dem Joule-Thomson-Prozeß gemäß Fig. 2 auf tretende Enthalpiedifferenz als Funk tion von Druck und Temperatur am Einlaß des Kryostaten.

Fig. 4 ist ein schematischer Längsschnitt des Kryostaten mit dem Dewar-Gefäß und dem Infrarotdetektor.

Fig. 5 veranschaulicht die normalerweise in dem Kryostaten aufretenden Wärme ströme.

Fig. 6 zeigt schematisch eine erste Anordnung zur Kühlung des Einlaßendes der Vor laufleitung bei einem Kryostaten gemäß Fig. 5.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Druckgasquelle, hier eine Quelle von Druckluft, bezeichnet. Die Druckgas quelle kann eine Hochdruckflasche 10A oder ein Kompressor 10B sein. Das Druckgas wird über eine Vorlaufleitung 12 von einem Einlaß 14 der Vorlauf leitung 12 zu einer Entspannungsdüse 16 geleitet. Das entspannte Gas wird dann über einen Rücklauf 18, der hier ebenfalls als Leitung dargestellt ist und der in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Vorlaufleitung 12 ist, zu einem Auslaß 20 geführt. Vorlaufleitung 12 und Rücklauf 18 bilden einen Gegenstrom-Wärmetauscher 22.

Druckgas strömt von dem Einlaß 14 durch die Vor laufleitung 12 zu der Entspannungsdüse 16. Dort kühlt es sich bei der Entspannung infolge des Joule-Thomson-Effektes ab. Das so abgekühlte Gas fließt durch den Rücklauf und bewirkt eine Vorküh lung des nachströmenden Druckgases. Dieses wird dann bei der Entspannung noch weiter abgekühlt, bis schließlich sehr tiefe Temperaturen erreicht wer den.

Der Joule-Thomson-Prozeß ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Fig. 2 ist ein Enthalpie/Entropie-Diagramm. Die geraden vertikalen Linien des Gitters sind Linien konstanter Entropie s in [kJ/kg°K]. Die schräg von links oben nach rechts unten verlaufenden Linien des Gitters sind Linien konstanter Enthalpie h in [kJ/kg]. In dieses Gitter sind - für das Medium Luft - Kurven eingetragen, die verschiedenen konstanten Drücken von 200 bar bis 1 bar entsprechen. Das ist die Kurvenschar, die in dem Gitter von rechts oben nach links unten verläuft. Gekreuzt zu dieser Kurven schar, also im wesentlichen von links oben nach rechts unten verläuft eine Kurvenschar, die ver schiedenen konstanten Temperaturen von 100 K bis 300 K entsprechen.

Am Einlaß 14 des Kryostaten ist die Druckluft in einem Zustand, der dem Punkt "b" in dem Diagramm von Fig. 2 entspricht, also beispielsweise auf einem Druck von 200 bar bei Raumtemperatur, d. h. etwa 300 K. Die Luft strömt dann bei im wesentlichen unveränderten Druck von 200 bar durch die Vorlauf leitung 12 zu einem Punkt 24 vor der Entspannungs drossel 16. Dabei wird die Luft jedoch durch das im Gegenstrom durch den Gegenstrom-Wärmetauscher 22 fließende, entspannte und abgekühlte Gas abgekühlt. Der Zustand des Druckgases in der Vorlaufleitung 12 bewegt sich daher auf dem Weg vom Einlaß 14 zum Punkt 24 längs der Linie 26 in dem Diagramm von Fig. 2 zu dem Punkt "c".

In der Entspannungsdüse 16 wird das Druckgas ent spannt, wobei die Enthalpie konstant bleibt. Auf dem räumlichen Weg von dem Punkt 24 vor der Entspannungsdüse 16 zu einem Punkt 28 hinter der Entspannungsdüse 16 bewegt sich der Zustand des Gases im Diagramm von Fig. 2 längs der Linie 30 von dem Punkt "c" zu dem Punkt "d". Die Linie 30 ver läuft längs einer Linie konstanter Enthalpie. Der Punkt "c" liegt auf der 200 bar-Kurve. Der Punkt "d" liegt im wesentlichen auf der 1 bar-Kurve. Die Entspannung erfolgt bis fast auf Atmosphärendruck. Dabei erfolgt eine starke Abkühlung. Man sieht, daß auf der 1 bar-Kurve der Punkt "d" deutlich unter dem Punkt liegt, der einer Temperatur von 100 K entspricht.

Das Gas nimmt dann Wärme von dem zu kühlenden Objekt, d. h. dem Infrarotdetektor, auf und erwärmt sich bis auf eine Temperatur von etwa 100 K am Eingang 32 des Rücklaufs 18. Dies geschieht bei konstantem Druck von im wesentlichen 1 bar. Der Zustand des Gases bewegt sich auf den räumlichen Weg von Punkt 28 zu Punkt 32 längs der Linie 34 vom Punkt "d" zu Punkt "d′". Die Linie 34 verläuft geringfügig oberhalb der 1 bar-Kurve, da der Druck etwas höher als Atmosphärendruck ist.

Das Gas strömt dann durch den Rücklauf 18 des Gegenstrom-Wärmetauschers 22 zu dem Auslaß 20. Dabei nimmt es Wärme von dem in der Vorlaufleitung zuströmenden Druckgas auf und erwärmt sich dabei von einer Temperatur von etwa 100 K auf die Umgebungs temperatur von 300 K. Der Zustand des Gases bewegt sich dabei in dem Diagramm von Fig. 2 von dem Punkt "d′" längs der Linie 36 zu dem Punkt "a" im Schnittpunkt der 300 K-Kurve und der 1 bar-Kurve.

Der Punkt "a" in dem Diagramm von Fig. 2 entspricht einer Enthalpie pro Masseeinheit von h_a. Geht man von dem Punkt "b" längs der punktierten Linie 38, die einer Linie konstanter Enthalpie folgt, zu der Linie 36, also praktisch der 1 bar-Kurve, so trifft man auf den Punkt "e", dem die Enthalpie pro Masse einheit h_e zugeordnet ist (die gleich der Enthal pie des Punktes "b" ist). Die Kühlleistung des Kryostaten, d. h. die Wärmemenge, die dem Infrarot detektor maximal entzogen werden kann, ist

m · (h_a-h_e),

wenn m die Masse des durchflossenen Druckgases ist.

Wenn also die Differenz Δh=h_a-h_e kleiner wird, muß der Druckluftmassestrom erhöht werden, wenn die gleiche Kühlleistung, also Wärmeabfuhr pro Zeiteinheit, erreicht werden soll.

Es ist aus Fig. 2 erkennbar, daß Δh mit zunehmendem Druck (bis maximal 400 bar bei Luft) im Zustand "b" zunimmt. Es ist aber auch erkennbar, daß Δh mit steigender Temperatur im Zustand "b" abnimmt.

Das ist in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Ent halpiedifferenz pro Masseeinheit Δh [kJ/kg] in Abhängigkeit von der Temperatur in [K] und vom Einlaßdruck in [bar], die am Einlaß 14 herrschen, also von der Lage des Zustandspunktes "b" von Fig. 2. Man erkennt, daß eine Erhöhung der Einlaß temperatur (T_b) eine erhebliche Verminderung der Enthalpiedifferenz und damit der Kühlleistung mit sich bringt.

Es gilt somit die Einlaßtemperatur T_b zu senken, um die Kühlleistung pro Masseeinheit des Druckgases zu erhöhen. Außerdem wird angestrebt, die Wärmezu fuhr von der Umgebung zu dem Infrarotdetektor und zu dem Kryostaten, also die zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur erforderliche Kühl leistung, zu reduzieren. Dadurch soll der erforder liche Druckluftmassestrom vermindert werden.

Der Kryostat gemäß Fig. 4 enthält eine Vorlauflei tung 40 in Form einer Wendel. Die Vorlaufleitung 40 weist ein Einlaßende auf, das in noch zu beschrei bender Weise in einem Einlaßteil 42 angeordnet und mit einer Druckgasquelle verbunden ist. Als Druck gas wird üblicherweise Luft verwendet. Die Vorlauf leitung 40 endet in einer Entspannungsdüse 44. Die Vorlaufleitung 40 ist von einem Dewar-Gefäß 46 um geben.

Das Dewar-Gefäß 46 weist eine topfförmige Innenwan dung 48 und eine ebenfalls topfförmige, zu der Innenwandung 48 koaxiale und die Innenwandung 48 im Abstand umschließende Außenwandung 50 auf. An den offenen Enden sind Innenwandung 48 und Außenwandung 50 durch einen Kopfteil 52 verbunden. Dadurch ent steht zwischen Innenwandung und Außenwandung 48 bzw. 50 ein geschlossener Hohlraum 54. Der Hohlraum 54 ist evakuiert. Die zylindrischen Mantelflächen der Innen- und Außenwandung 48 bzw. 50 sind mit Verspiegelungen 56 bzw. 58 versehen. Die Stirn fläche 60 der Außenwandung ist nicht verspiegelt und für die von dem Infrarotdetektor zu erfassende infrarote Strahlung durchlässig.

Der Infrarotdetektor 62 sitzt auf der Stirnfläche 64 auf der Außenseite der Innenwandung 48, also in dem Hohlraum 54. Der Infrarotdetektor 62 ist durch die Stirnfläche 60 der Außenwandung 50 hindurch von infraroter Strahlung beaufschlagbar. Der Infrarot detektor 62 wird durch das aus der Entspannungsdüse 44 austretende, entspannte und abgekühlte Gas ge kühlt.

Das entspannte und abgekühlte Gas fließt durch den Innenraum 66 des Dewar-Gefäßes 46 zu dessen offenem Ende hin ab. Dieser Innenraum 66 erfüllt die Funk tion des Rücklaufs bei dem Gegenstrom-Wärmetauscher 68: Das Gas strömt über die gewendelte Vorlauflei tung 40 und bewirkt eine Vorkühlung des zuströmen den Druckgases.

Das Dewar-Gefäß 46 mit dem Gegenstrom-Wärmetauscher 68, der Entspannungsdüse 44 und dem Detektor 62 ist an seinem offenen Ende an einer Basis 70 gehalten, zwischen der Basis 70 und dem Dewar-Gefäß 46 ist eine wärmeisolierende Schicht 72 angeordnet. Damit werden die Wärmeströme zu dem Kryostaten und zu dem Infrarotdetektor vermindert.

Der Einfluß dieser Wärmeströme (ohne die isolieren de Schicht) ist aus Fig. 5 ersichtlich. Diese zeigt die Wärmeströme in [mW] in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, also praktisch der Temperatur der Basis 70. Kurve 74 zeigt den Wärmestrom, der über das Dewar-Gefäß 46 auf den Infrarotdetektor 62 übertragen wird, der auf eine geregelte Temperatur von 80 K abgekühlt ist. Kurve 76 zeigt den Wärme strom, der über den eigentlichen Kryostaten, also im wesentlichen die Vorlaufleitung 40 zur Ent spannungsdüse fließt. Die Wärmeströme werden dabei nicht nur durch Wärmeleitung sondern, wie in Fig. 4 angedeutet, auch durch Wärmestrahlung von den Wan dungen 48 und 50 des Dewar-Gefäßes 46 auf die Vor laufleitung 40 und den Infrarotdetektor übertragen. Kurve 78 zeigt den gesamten Wärmestrom, der durch die Kühlleistung des Kryostaten wieder abgeführt werden muß.

Es ist aus Fig. 5 ersichtlich, daß die Wärmeströme mit zunehmender Umgebungstemperatur stark anstei gen. Der größere Anteil des gesamten Wärmestromes wird dabei über das Dewar-Gefäß 46 übertragen.

Dieser Anteil wird durch die wärmeisolierende Schicht erheblich reduziert. Die Temperatur fällt von der Temperatur der Basis 70 über die isolie rende Schicht 72 hinweg und längs des Dewar-Gefäßes bis zu der Temperatur des Infrarotdetektors 62 von 80 K ab. Durch den hohen Wärmewiderstand der wärmeisolierenden Schicht erfolgt ein großer Teil dieses Temperaturabfalles an dieser Schicht. Dementsprechend wird die Temperatur des Dewar- Gefäßes 46 insgesamt vermindert. Von dem Dewar- Gefäß 46 wird dadurch weniger Wärme durch Strahlung auf den Infrarotdetektor 62 und den Kryostaten 68 übertragen. Für die Wärmeleitung wirkt die wärme isolierende Schicht - im elektrotechnischen Ana logon - wie ein "Vorwiderstand", der bei vorge gebener "Spannung" den "Strom" vermindert.

Durch die wärmeisolierende Schicht 72 wird somit vor allem der durch Kurve 74 in Fig. 5 dargestellt Anteil des zufließendes Wärmestromes vermindert.

In Fig. 6 ist mit 40 die Vorlaufleitung bezeichnet, deren Einlaßende 80 mit der Druckluftquelle verbun den ist. Das Einlaßende 80 der Vorlaufleitung 40 ist auf einem Träger 82 aus gut wärmeleitendem Material montiert und in gutem wärmeleitendem Kontakt mit diesem Träger 82. Bei der Ausführung nach Fig. 6 weist der Träger 82 eine Grundplatte 84 und einen von der Grundplatte 84 vorspringenden Zapfen 86 auf. Das Einlaßende 80 der Vorlaufleitung 40 ist als Wendel 88 um den Zapfen 86 herumge wickelt. Der Träger 82 ist über Peltier-Elemente 90 an der wärmeleitenden Basis 70 oder Montageplatte gehaltert. Dabei sind die kalten Seiten der Peltier-Elemente 90 in Kontakt mit dem Träger 82. Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist die Grundplatte 84 über die Peltier-Elemente 90 auf der Basis 70 abgestützt. Die Peltier-Elemente 90 sind als "Thermo-Chips" handelsüblich erhältliche Bauteile mit den Abmessungen 10 mm × 10 mm × 5 mm.

Durch die Peltier-Elemente 90 bzw. 98 wird das Einlaßende 80 der Vorlaufleitung 40 vorgekühlt. Dadurch wird zweierlei erreicht: Einmal wird die Temperatur der Vorlaufleitung 40 am Einlaßende 80 verringert. Das verringert das Wärmegefälle zwischen dem Einlaßende 80 und der Entspannungs düse, so daß der über die Vorlaufleitung 40 oder, allgemeiner gesagt, den Kryostaten, zufließende Wärmestrom (entsprechend Kurve 76 von Fig. 5) vermindert wird. Insoweit wirkt die Vorkühlung durch die Peltier-Elemente 90 bzw. 98 im gleichen Sinne wie die wärmeisolierende Schicht 72, nämlich im Sinne einer Verminderung der zufließenden Wärme.

Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert ist, hängt die für einen vorgegebenen Druckluftmasse strom maximal zur Verfügung stehende Kühlleistung von der Enthalpiedifferenz Δh=h_a-h_e (Fig. 2) ab. Diese Enthalpiedifferenz Δh wird stark vergrößert, wenn die Einlaßtemperatur T_b des Druckgases ver mindert wird. Das ist auch aus Fig. 3 ersichtlich. Die Kühlung des Einlaßendes 80 der Vorlaufleitung 40 wirkt sich also auch und vor allem in einer Erhöhung der durch den Joule-Thomson-Effekt für einen vorgegebenen Druckluftmassestrom erzielbaren Kühlleistung aus. Es reicht daher ein geringerer Druckluftmassestrom aus, um die zu dem Kryostaten und dem Infrarotdetektor zugeflossene Wärme abzu führen und z. B. eine Temperatur des Infrarotdetek tors von 80 K aufrechtzuerhalten. Wenn die Umgebung aus den eingangs geschilderten Gründen bei modernen Flugkörpern eine höhere Temperatur annimmt, als dies bei früheren Flugkörpern der Fall war, so wirkt die Kühlung des Einlaßendes 80 der Vorlaufleitung 40 jedenfalls einer Vergrößerung des erforderlichen Druckluftmassestromes entgegen.

Quantitativ läßt sich aus den Diagrammen Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 5 folgendes ableiten:

Ein Temperaturanstieg von 30°C auf 70°C, also von etwa 300 K auf 340 K, was den Punkten 106 bzw. 108 in der Kurve 78 von Fig. 5 entspricht, würde ohne die beschriebenen Maßnahmen eine um den Faktor 1,4 höhere Wärmebelastung im Kryostaten durch zu fließende Wärme mit sich bringen. Gleichzeitig verringert sich bei einem Einlaßdruck von 200 bar die Enthalpiedifferenz Δh, welche, wie erläutert die Kühlleistung bestimmt, ebenfalls um einen Faktor 1,4.

Die erhöhte Wärmezufuhr und die verminderte Kühl leistung pro Einheit des Druckluftmassestroms führt dazu, daß ein um den Faktor 2 erhöhter Druckluft massestrom erforderlich ist, um die gewünschte Temperatur von 80 K an dem Infrarotdetektor auf rechtzuerhalten.

Durch Isolation des Dewar-Gefäßes mittels der wärmeisolierenden Schicht kann die Wärmebelastung des Kryostaten bei 70°C sicherlich wieder um einen Faktor 1,4 reduziert werden. Durch die Peltier- Elemente 90 bzw. 98 kann, wie oben schon erwähnt wurde, mit einer Leistung von 200 mW bis 500 mW eine Temperaturerniedrigung um etwa 35°C am Ein laßende 80 der Vorlaufleitung erreicht werden. Das bringt eine weitere Reduzierung der Wärmebelastung und eine Erhöhung der Kühlleistung. Es kann daher mit einem Druckluftmengenstrom gearbeitet werden, der gegenüber einem Kryostaten ohne die beschriebe nen Maßnahmen bei gleicher Umgebungstemperatur um etwa einen Faktor 2 vermindert ist. Die Temperatur erhöhung um 40°C wird also aufgefangen und führt nicht zu erhöhtem Druckluftverbrauch.

Claims

1. Kryostat, bei welchem der Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt wird, zur Kühlung eines Detektors, insbesondere für zielsuchende Flugkörper, ent haltend

(a) eine Druckgasquelle,
(b) einen Gegenstrom-Wärmetauscher (68) mit einer Vorlaufleitung (40), die mit einem Einlaßende (80) mit der Druckgasquelle verbunden ist, und einem damit in wärme leitendem Kontakt stehenden Rücklauf,
(c) eine Entspannungsdüse (44), die an einem Auslaßende der Vorlaufleitung (40) vorge sehen ist, wobei das entspannte Druckgas über den Rücklauf abströmt,
(d) ein Dewar-Gefäß (46) mit einer Innen- und einer Außenwandung (48, 50), das den Wärme tauscher (68) und die Entspannungsdüse (44) , umgibt und auf seiner Innenwandung (48) im Bereich der Entspannungsdüse (44) den zu kühlenden Detektor (62) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß
(e) das Einlaßende (80) der Vorlaufleitung (40) durch Peltier-Elemente (90, 98) gekühlt ist.

2. Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Einlaßende (80) der Vorlaufleitung (40) auf einem Träger (82, 92) aus gut wärmeleitendem Material in gutem, wärmeleitendem Kontakt mit diesem montiert und
(b) der Träger (82, 92) über Peltier-Elemente (90, 98) an einer wärmeabführenden Basis gehaltert ist, wobei die kalten Seiten der Peltier-Elemente (90, 98) in Kontakt mit dem Träger (82, 92) sind.

3. Kryostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Träger (82) eine auf den Peltier-Elementen (90) abgestützte Grundplatte (84) und einen von der Grundplatte (84) vorspringenden Zapfen (86) aufweist und
(b) das Einlaßende (80) der Vorlaufleitung (40) als Wendel (88) um den Zapfen (86) herumgewickelt ist.

4. Kryostat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Träger (92) eine Hülse (94) ist, die an einem Ende einen Flansch (96) aufweist,
(b) das Einlaßende (80) der Vorlaufleitung (40) in der Hülse (94) in Kontakt mit deren Innenwandung angeordnet ist und
(c) der Flansch (96) über die Peltier-Elemente (98) mit der wärmeableitenden Basis (70) verbunden ist.

5. Kryostat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einlaßseitigen Ende des Dewar-Gefäßes (46) und der wärmeableitenden Basis (70) eine wärmeisolierende Schicht (72) angeordnet ist.