DE1242898B

DE1242898B - Kryostat

Info

Publication number: DE1242898B
Application number: DEK54188A
Authority: DE
Inventors: Viktor Efimowitsch Kejlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-10-07
Filing date: 1964-10-07
Publication date: 1967-06-22

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. Cl.:

GOIk

G05d
Deutsche KL: 42 i -12/01

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

1 242 898
K54188IXb/42i
7. Oktober 1964
22.Juni 1967
14. Dezember 1967

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kryostaten mit thermischer Vakuumisolierung für die Arbeit mit flüssigen Kühlmitteln, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, der einen Aufnahmebehälter für das Kühlmittel, einen Außenmantel und eine thermische Abschirmung aus zwei koaxial angeordneten, einen vakuumdichten Behälter bildenden Trennwänden zwischen dem Aufnahmebehälter und dem Außenmantel aufweist, wobei der Außenmantel in seinem oberen Teil mit einem Deckel versehen ist, der die Öffnungen zur Einfüllung des Kühlmittels, Abführung der Kühlmitteldämpfe und für andere Zwecke hat. ·

Solche Kryostaten mit thermischer Vakuumisolierung sind bereits bekannt. Wegen der Abkühlung der Abschirmungen durch das verdampfende Kühlmittel werden diese an einem Aufnahmebehälterhals verhältnismäßig kleinen Durchmessers befestigt, wodurch ein genügend guter Wärmeaustausch zwischen dem verdampfenden Kühlmittel einerseits und den Halswänden und Abschirmungen andererseits erreicht wird.

Der Nachteil derartiger Kryostaten liegt darin, daß ihre Konstruktion eine Vergrößerung des Halsdurchmessers des Aufnahmebehälters bei der Arbeit mit groß dimensionierten Proben nicht ermöglicht, weil eine solche Vergrößerung des Halsdurchmessers mit einer entsprechenden Zunahme der Verdampfungsgeschwindigkeit des Kühlmittels verbunden wäre. In diesem Falle, selbst bei der Anwendung einer zusätzlichen, durch flüssigen Stickstoff gekühlten Abschirmung, bedingt der große Halsquerschnitt ein schnelles Verdampfen des Kühlmittels (und dies besonders bei flüssigem Helium).

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen.

Die Aufgabe bestand darin, eine Art der thermischen Abschirmung zu finden, die eine Herabsetzung der Verdampfungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bei Aufnahmebehältern mit weitem Halsdurchmesser ermöglicht ohne Anwendung von durch flüssigen Stickstoff gekühlten Abschirmungen, die ein bequemes Handhaben des Kryostaten erschweren. ,

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Kryostaten der eingangs genannten Art jeweils eine vakuumdichte Verbindung zwischen den oberen Rändern des Aufnahmebehälters und der inneren Trennwand sowie denen des Außenmantels und der äußeren Trennwand vorgesehen ist, daß die beiden nur an ihren unteren Rändern vakuumdicht miteinander verbundenen Trennwände ein zum Kryostat

Patentiert für:

Viktor Efimowitsch Kejlin, Moskau

Vertreter:

Dipl.-Chem. L. Zellentin, Patentanwalt,

Ludwigshafen/Rhein, Rubensstr. 30

Als Erfinder benannt:

Viktor Efimowitsch Kejlin, Moskau

Dampfraum des Aufnahmebehälters offenes Mantelgefäß bilden, in dem ein am Deckel befestigter schlecht wärmeleitender Einsatz koaxial angeordnet ist, und daß die Austrittsöffnung für die Kühlmitteldämpfe in dem Deckel zwischen dem Einsatz und der äußeren Trennwand vorgesehen ist.

Es ist leicht einzusehen, daß die dem Kühlmittel durch den Hals von außen zugeleitete Wärmemenge mit der Zunahme der die Abschirmung bildenden Trennwände kleiner wird.

Da die mittlere Temperatur der Abschirmungstrennwände nach dem Aufnahmebehälter hin abnimmt, wird die durch die Strahlung an das Kühlmittel übertragene Wärmemenge auch verringert.

Durch die Anordnung der Öffnungen zur Abführung der Kühlmitteldämpfe zwischen der sich an den äußeren Mantel anschließenden Trennwand der thermischen Abschirmung und dem mit ihr benachbarten Einsatz werden die Wärmeübergängsverhältnisse zwischen den Kühlmitteldämpfen und den Abschirmungstrennwänden weiterhin verbessert, was die Herabsetzung der Kälteverluste ebenfalls günstig beeinflußt. Es sind auch andere Varianten der Ausnutzung des verdampften Kühlmittels zur Abkühlung der thermischen Abschirmung möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung ist eine der Varianten der konstruktiven Ausführung des erfindungsgemäßen Kryostaten dargestellt.

Der. Kryostat weist den Aufnahmebehälter 1 für das Kühlmittel auf, der durch den äußeren Mantel 2

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umschlossen wird. Im oberen Teil des letzteren ist der Deckel 3 mit den Öffnungen 4 und 5 entsprechend zur Einfüllung des flüssigen Kühlmittels und Abführung seiner Dämpfe vorhanden.

Der Außenmantel 2 ist mit dem Aufnahmebehälter 1 vakuum dicht durch eine Abschirmung verbunden, die gleichzeitig als Hals des Aufnahmebehälters dient. Die Abschirmung besteht aus zwei zylindrischen Trennwänden 6 und 7, die koaxial ineinandergreifen. Die dem Aufnahmebehälter nächstliegende innere Trennwand 6 ist mit der Aufnahmebehälterwand vakuumdicht verbunden. Ferner ist das untere Ende der Innentrennwand 6 mit dem unteren Ende der Außentrennwand 7 verbunden. Das obere Ende der Außentrennwand 7 ist mit dem Außenmantel 2 durch zwei Flansche 8 verbunden, die ein schnelles und bequemes Zusammenbauen und die Prüfung der Schweißnähte auf Vakuumdichtheit ermöglichen.

Die Trennwände sind aus einem Werkstoff mit ao niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, ausgeführt. Ihre Stärke wird durch die erforderliche Festigkeit und Steifheit bestimmt. Alle Hauptverbindungen sind in der Regel durch Edelgasschweißung, beispielsweise Argon-Lichtbogenschweißung, hergestellt. Der untere Teil des Aufnahmebehälters 1 ist mit der thermischen Abschirmung 9 umgeben, die aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Strahlungszahl, beispielsweise aus Kupfer, besteht. Die Abschirmung 9 steht in gutem thermischem Kontakt mit den Trennwänden 6 und 7.

Der Abstand von dem oberen Teil des Außenmantels zu dem oberen Teil des Aufnahmebehälters beträgt praktisch 100 bis 200 mm. Es besteht die Möglichkeit, die thermischen Abschirmungen oder ein Gefäß mit flüssigem Stickstoff in diesem Raum zwischen dem Deckel und dem Kühlmittelspiegel unterzubringen. Der Abstand zwischen dem unteren Teil der Trennwände 6 und 7 und dem Aufnahmebehälterboden beträgt in Abhängigkeit von der Größe des Kryostaten praktisch 100 bis 400 mm.

Die thermische Vakuumisolierung wird durch die Evakuierung des Raums 10 durch das Ventil 11 bis auf den Druck von etwa 1 · 10~~³ mm Hg gewährleistet. Zur Verbesserung des Vakuums in Betriebsbedingungen wird am Boden des Aufnahmebehälters 1 an der Vakuumseite ein Adsorbens 12 angeordnet. Der Kryostat kann auch mit thermischen Abschirmungen versehen werden, die zusätzlich im Raum zwischen dem Aufnahmebehälter 1 und der Trennwand 6 aufgestellt werden. Außerdem kann die Trennwand 7 mit einer mehrschichtigen Wärmeisolation (Superisolation) überzogen werden.

Zwischen den Trennwänden 6 und 7 der Abschirmung befindet sich der Einsatz 13, der mit seinem oberen Ende im Deckel des Kryostaten vakuumdicht, beispielsweise mit Hilfe einer Abdichtung, befestigt ist. Dabei ist die Öffnung 5 zur Abführung der Kühlmitteldämpfe im Deckel 3 zwischen dem Einsatz 13 und der Trennwand 7 angeordnet. Hierbei strömen die aus dem Aufnahmebehälter 1 ankommenden Kühlmitteldämpfe in den Spalt zwischen den Trennwänden 6 und 7 der Halsabschirmung und dem Einsatz 13 ein, bevor sie durch die öffnung 5 ins Freie entweichen. Das verdampfte Kühlmittel umströmt die Abschirmungstrennwände und kühlt sie ab. Dadurch wird der Wärmezufluß in den Kryostaten verringert.

Um den Wärmeaustausch zwischen dem nach oben strömenden und dem absinkenden Gas durch die Einsatzwand 13 herabzusetzen, kann der Einsatz 13 doppelwandig aus einem schlechten Wärmeleiter, beispielsweise aus dem nichtrostenden Stahl, ausgeführt werden, wobei der Raum zwischen den Wänden evakuiert wird.

Vor dem Gebrauch des Kryostaten wird das Prüfmuster in den Aufnahmebehälter 1 eingesetzt, der mit einem Kühlmittel, beispielsweise mit dem verflüssigten Helium, durch die Öffnung 4 im Deckel 3 gefüllt wird.

Vor dem Ausfüllen des Kryostaten mit dem verflüssigten Helium wird der Aufnahmebehälter und das Prüfmuster mit dem verflüssigten Stickstoff vorgekühlt.

Die vorliegende Konstruktion des Kryostaten gestattet es, auch die großdimensionierten Prüfmuster zu untersuchen. Trotz des großen Halsdurchmessers des Aufnahmebehälters und der Abwesenheit der durch den flüssigen Stickstoff gekühlten Abschirmungen ist die Verdampfungsgeschwindigkeit des verflüssigten Gases beim erfindungsgemäßen Kryostaten mit der bei Kryostaten üblicher Konstruktion mit kleinen Halsdurchmessern vergleichbar. So zeigten z. B. die Versuche an den nach der Erfindung gebauten Kryostaten mit einem Aufnahmebehälterinhalt von 2 bis 30 1 und einem Halsdurchmesser von 80 bis 200 mm, daß bei einer Abschirmung mit zwei Trennwänden die Verdampfungsgeschwindigkeit des flüssigen Heliums von 100 bis 600 cm³/h betrug. Bei Kryostaten mit dem evakuierten Einsatz 13 ging sie um 10 bis 15% zurück. Die Versuche und Berechnungen zeigten, daß eine Vergrößerung der Trennwändezahl von zwei auf vier die Verdampfungsgeschwindigkeit beträchtlich weiter herabsetzt.

Die Kryostaten des erfindungsgemäßen Typs können selbstverständlich im Rahmen der Erfindung in Übereinstimmung mit dem jeweiligen konkreten Verwendungszweck verschieden gestaltet werden. Es können z. B. Kryostaten mit verengtem Unterteil (zur Unterbringung zwischen den Polen eines Elektromagnetes), Kryostaten mit Schaufenstern für optische Untersuchungen u. a. gebaut werden.

Claims

Patentanspruch:

Kryostat mit thermischer Vakuumisolierung für die Arbeit mit flüssigen Kühlmitteln, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, der einen Aufnahmebehälter für das Kühlmittel, einen Außenmantel und eine thermische Abschirmung aus zwei koaxial angeordneten, einen vakuumdichten Behälter bildenden Trennwänden zwischen dem Aufnahmebehälter und dem Außenmantel aufweist, wobei der Außenmantel in seinem oberen Teil mit einem Deckel versehen ist, der die öffnungen zur Einfüllung des Kühlmittels, Abführung der Kühlmitteldämpfe und für andere Zwecke hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine vakuumdichte Verbindung zwischen den oberen Rändern des Aufnahmebehälters (1) und der inneren Trennwand (6) sowie denen des Außenmantels (2) und der äußeren Trennwand (7) vorgesehen ist, daß die beiden nur an ihren unteren Rändern vakuumdicht miteinander verbundenen Trennwände (6, 7) ein zum

Dampfraum des Aufnahmebehälters (1) offenes Mantelgefäß bilden, in dem ein am Deckel (3) befestigter schlecht wärmeleitender Einsatz (13) koaxial angeordnet ist, und daß die Austrittsöffnung (5) für die Kühlmitteldämpfe in dem Deckel

(3) zwischen dem Einsatz (13) und der äußeren Trennwand (7) vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Journal Sei. Instruments, 1962, S. 69, 70.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen