DE4320803C2

DE4320803C2 - Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem

Info

Publication number: DE4320803C2
Application number: DE19934320803
Authority: DE
Inventors: Armin Binneberg; Bernhardine Schumann; Andreas Tzscheutschler
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2013-06-24
Also published as: DE4320803A1

Description

Die Erfindung betrifft ein lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem, insbesondere für hochtemperatursupraleitende und/oder kryoelektronische Bauteile, bei dem als Kühlmittel flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.

Die Kühlung hochtemperatursupraleitender und/oder kryoelektronischer Bauelemente auf Temperaturen von ca. 80 K muß zuverlässig, möglichst einfach und billig erfolgen. Die einfachste Methode ist das Eintauchen der zu kühlenden Bauelemente in flüssigen Stickstoff, welcher sich in einem Transportbehälter oder Kryostaten befindet. Diese Kühlungsart hat den Nachteil, daß das zu kühlende Bauelement ortsfest und der Lage nach gebunden ist. Oftmals werden an die Temperaturkonstanz und Regelbarkeit der zu kühlenden Bauelemente hohe Ansprüche gestellt. Wie dies gelöst werden kann, wird unter anderem in der DE 40 33 383 A1 beschrieben. Aufbauend auf einer Reihe bekannter Lösungen, die mit einem Vorratsbehälter für die Kryoflüssigkeit ausgerüstet sind und bei denen die Kryoflüssigkeit definiert der Kühlstelle zugeführt wird, wurde eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente vorgeschlagen, bei der ebenfalls ein Vorratsbehälter für die Kryoflüssigkeit vorhanden ist. Dem Vorratsbehälter ist eine Verdampfungskammer zugeordnet, an der sich ein sogenannter Kühlfinger befindet, der die erzeugte Verdampfungstemperatur der Kühlstelle zuführt, an der das zu kühlende Bauelement angeordnet ist. Die Regelung der Temperatur erfolgt über eine Heizung im Bereich des Kühlfingers und einer Rückführung des verdampften Kältemittels in den Vorratsbehälter. Auch diese beschriebene Lösung hat den Nachteil, daß sich das zu kühlende Bauelement in einer bestimmten Lage befinden muß und daß die Einrichtung aufgrund ihrer Größe relativ ortsfest ist. Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise nicht um 90° oder gar 180° gedreht werden, damit das zu kühlende Bauelement nach oben oder unten zeigen kann. Kompliziertere und deshalb teurere Kühleinrichtungen, bei denen zur Kälteerzeugung Gaskältemaschinen eingesetzt werden, sind unter anderen in der DE 36 39 881 C2 und DE 34 45 674 C1 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die mit einer Kryoflüssigkeit, die sich in einem Vorratsgefäß befindet, kryoelektronische und/oder hochtemperatursupraleitende Bauelemente geregelt und mit hoher Temperaturkonstanz gekühlt werden können und bei der die Lage der zu kühlenden Bauelemente beliebig ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch das Zusammenwirken der erfindungsgemäß angeordneten Bauteile wird erreicht, daß das zu kühlende kryoelektronische und/oder hochtemperatursupraleitende Bauelement, welches an der Sensorhalterung im Meßkopf angeordnet ist, unabhängig von der Lage des Meßkopfes und damit des Bauelementes zuverlässig gekühlt wird. Erfindungsgemäß wird das Bauelement auch noch zuverlässig gekühlt, wenn der Meßkopf um 180° gedreht wird und sich das Bauelement oben befindet, nur dadurch kann der Abstand zwischen Bauelement, z. B. ein supraleitender Meßsensor, und dem Meßobjekt immer gleich gering sein.

Die Regelung der Temperatur kann in bekannter Weise durch Einbau einer Heizung an die Probenhalterung und Regulieren des Heizstromes erfolgen.

An nachfolgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert:

Die in der Abbildung dargestellte erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus dem tragbaren Vorratsbehälter 1 für den flüssigen Stickstoff, der Nachfülleitung 2 und dem Meßkopf 3. Nach dem Einfüllen der Kryoflüssigkeit, z. B. flüssiger Stickstoff, in den Vorratsbehälter 1, wird in den Einfüllstutzen ein Überdruckventil 15 eingesetzt, wodurch sich ein konstanter Druck von ca. 0,2 MPa einstellt. Durch Öffnen des Nachfüllventiles 14 kann nun der flüssige Stickstoff über die flexible Nachfülleitung 2 und die am Meßkopf fest angebrachte Nachfülleitung 6 in das innere Gefäß 5 des Meßkopfes 3 umgefüllt werden. Der Umfüllvorgang ist zu beenden, wenn aus dem Abgasstutzen 13 flüssiger Stickstoff austritt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Nachfülleitung 6 und der Abgasleitung 7 wird gewährleistet, daß das innere Gefäß 5 etwa bis zur Hälfte mit flüssigen Stickstoff gefüllt ist und daß in jeder beliebigen Lage des Meßkopfes eine ausreichende Kühlung des Sensors 9 erfolgt, ohne daß der flüssige Stickstoff in die Nachfülleitung 6 zurückfließt oder die Abgasleitung 7 verschließt. Die Kühlung des Sensors 9, vorzugsweise ein kryoelektronisches und/oder hochtemperatursupraleitendes Bauelement, erfolgt durch Wärmeleitung über die Wandung des inneren Gefäßes 5 und die Sensorhalterung 8.

In bekannter, in der Abbildung nicht dargestellter Weise, kann durch Anbringung einer elektrischen Heizung in Verbindung mit einem Temperaturfühler an der Sensorhalterung 8 eine beliebige Temperatur zwischen 78 K und 120 K durch Regelung des Heizstromes konstant eingestellt werden.

Zur Vermeidung von mechanischen Beschädigungen und der Bildung von Reifansatz ist die Sensorhalterung 8 und der Sensor 9 mit einem am Gehäuse 4 befestigten Gehäuseteil 10 umhüllt. Um höchstempfindliche Magnetfeldmessungen mittels HTSL-SQUID's durchführen zu können, besteht das Gehäuseteil 10 vorzugsweise aus elektrisch nicht leitendem und unmagnetischem Material. Bei diesen Messungen kommt es außerdem noch darauf an, daß der Sensor 9 möglichst nahe an das Meßobjekt gebracht werden kann. Deshalb muß der Abstand zwischen Sensor 9 und dem Gehäuseteil 10 möglichst gering gehalten werden. Um ein einfaches Auswechseln des Sensors 9 zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, das Gehäuseteil 10 abnehmbar anzuordnen.

Wenn die Temperatur am Sensor 9 unkontrolliert ansteigt, muß vom Vorratsbehälter 1 flüssiger Stickstoff in den Meßkopf 3 durch erneutes Öffnen des Nachfüllventiles 14 nachgefüllt werden. Es ist aber auch möglich, eine automatische Füllstandsregelung zu installieren.

Um den Verbrauch an flüssigen Stickstoff möglichst gering zu halten und eine Vereisung der Bauteile zu vermeiden, sind der Vorratsbehälter 1, die Nachfülleitung 2 und der Meßkopf 3 mit einer Vakuumvielschichtisolation 11 versehen. Durch diesen Baugruppen zugeordnete Evakuierventile 12 sind diese einzeln evakuierbar ausgerüstet.

Bezugszeichen

1

Vorratsbehälter

2

Nachfülleitung

3

Meßkopf

4

Gehäuse

5

inneres Gefäß

6

Nachfülleitung

7

Abgasleitung

8

Sensorhalterung

9

Sensor

10

Gehäuseteil

11

Vakuumvielschichtisolation

12

Evakuierventil

13

Abgasstutzen

14

Nachfüllventil

15

Überdruckventil

Claims

1. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem, insbesondere für hochtemperatur supraleitende und/oder kryoelektronische Bauteile, bei dem als Kühlmittel flüssiger Stickstoff eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem aus einem transportablen Vorratsbehälter (1) für den flüssigen Stickstoff, einer flexiblen Nachfülleitung (2) und einem Meßkopf (3) besteht und daß der Meßkopf (3) aus einem Gehäuse (4) besteht, in dem ein inneres Gefäß (5) angeordnet ist und daß in das innere Gefäß eine N₂-Nachfülleitung (6) und konzentrisch zu dieser, als äußeres Rohr eine Abgasleitung (7) mündet und daß beide Leitungen (6 und 7) etwa bis zur Hälfte in das innere Gefäß (5) hineinragen und daß gegenüber den Leitungen (6 und 7) die Sensorhalterung (8) mit dem Sensor (9) wärmeleitend mit dem inneren Gefäß (5) verbunden und mit einem am Gehäuse (4) befestigten Gehäuseteil (10) umhüllt ist.

2. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das die Sensorhalterung (8) umhüllende Gehäuseteil (10) aus unmagnetischem und elektrisch nichtleitendem Material besteht.

3. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das gesamte System, bestehend aus transportablen Vorratsbehälter (1), flexibler Nachfülleitung (2) und Meßkopf (3) mit einer Vakuumvielschichtisolation (11) und Evakuierventilen (12) versehen ist.