DE19625748C2 - Vorrichtung zur Kühlung elektronischer Bauteile, vorzugsweise Sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung elektronischer Bauteile, vorzugsweise Senso­ ren, und von Hochtemperatur-Supraleitern, von SQUID's, Antennen, Resonatoren und Lagern, bei der als Kühlmedium flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.

Die bekannteste und einfachste Methode zur kryogenen Kühlung von Objekten ist das Eintauchen in den flüssigen Stickstoff eines Kryostaten. Für einen beträchtlichen Teil der Anwendungsfälle ist diese Methode aus verständlichen Gründen nicht anwendbar, denn das Kühlobjekt muß dabei wegen der Abnahme der Füllhöhe am Boden des mit flüssigem Stickstoff gefüllten Behälters an­ geordnet werden. Damit kann nicht unmittelbar über dem zu kühlenden Objekt, z. B. einem supra­ leitenden Sensor, ein Meßobjekt positioniert werden.

Nachstehende Veröffentlichungen betreffen Kühleinrichtungen, bei denen die Regelung der Kühlleistung mehr oder weniger aufwendig ist:

Aus der DE 40 33 383 A1 ist eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente bekannt, bei der z. B. ein Diodenlaser an einem Kühlfinger befestigt wird. Der Kühlfinger ragt in eine Verdamp­ fungskammer und taucht mit seinem unteren Ende in die Kryoflüssigkeit. Der zu kühlende Dioden­ laser befindet sich innerhalb der Vakuumisolierung. Über eine Drossel wird der Druck in der Ver­ dampfungskammer und damit die Kühlleistung reguliert.

In der DD-PS 205 979 wird ein Verdampfungskryostat beschrieben, der in einem Vakuumbehälter einen Kühlmittelbehälter und eine temperierbare Probenaufnahme enthält, wobei die Probenauf­ nahme über einen Verdampfer sowohl mit einer verschließbaren Abgasleitung als auch mit einem wärmeisolierenden Hohlkörper verbunden ist. Der Hohlkörper ist durch eine Kühlmittelleitung kommunizierend mit dem Kühlmittelbehälter verbunden.

Aus der JP 58-21388 A. (In: Pat. Abstr. of JP, E-172) ist ein Kühler mit Doppelstruktur bekannt, in dessen inneren Behälter sich flüssiger Stickstoff befindet. An einem im unteren Bereich angeord­ netes Kühlglied ist das zu kühlende Infrarot-Laserelement so befestigt, daß es sich im Inneren der Doppelstruktur befindet.

Weitere bekannte Lösungen sehen einen Kryostaten-Vorratsbehälter mit flüssigem Stickstoff vor, der über eine isolierte Leitung mit einem thermisch isolierten Verdampfer verbunden ist, an dem bzw. in dem das zu kühlende Objekt kontaktiert ist. Zur Versorgung des Verdampfers mit flüssi­ gem Stickstoff muß entweder der Vorratsbehälter zur Ausnutzung des Gravitationsgefälles ober­ halb des Verdampfers angeordnet sein, oder im Vorratsbehälter muß durch Schließen der Ab­ gasöffnung und durch Zuführung thermischer Energie Überdruck erzeugt werden. Insbesondere wenn die Stickstoffdosierung durch Erzeugung von Überdruck im Vorratsbehälter erfolgt, ist der bauliche Aufwand relativ hoch. Es muß die durch Isolationsverluste bedingte natürliche Abgasrate des Vorratsbehälters und die Verdampfungsrate durch Zuführung thermischer Energie mit der zu fördernden Menge flüssigen Stickstoffs in Übereinstimmung gebracht werden. Die Steuerung der Fördermenge muß über ein Überdruckventil und ein Stellventil für flüssigen Stickstoff sowie eine Zusatzheizung bei hohen Fördermengen erfolgen. Bei sehr gut isolierten Vorratsbehältern und relativ hohen Fördermengen kann das Stellventil entfallen und die Fördermenge wird allein durch die Zusatzheizung eingestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen zu schaffen, bei der die Fördermenge einfach einstellbar ist, die Abgasöffnung für die natürliche Ab­ gasmenge nicht verschlossen werden muß, und bei der das zu kühlende Objekt oberhalb des Behälters mit flüssigem Stickstoff angeordnet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst. Anspruch 2 enthält eine vorteilhafte Ausgestaltung des 1. Patentanspruchs. Es wurde gefunden, daß über die Drehzahleinstellung der Vakuumpumpe eine gute Dosierung der Stickstoffmenge im Verdamp­ fer und damit eine sehr genaue Einstellung der Kühlleistung und damit der Temperatur am Sensor erreicht werden kann. Die Fördermenge ist weitgehend unabhängig von der natürlichen Verdamp­ fungsrate des Kryostaten, und es wird auch bei größeren Fördermengen keine Zusatzheizung benötigt. Außerdem läßt sich durch eine Anordnung des Verdampfers im oberen Teil des Kryostaten eine kompakte Anordnung realisieren. Durch Installation einer Heizung im Verdampfer ist es möglich, eine zusätzliche Feinabstimmung der Temperatur zu realisieren, wobei die Grund­ kühlleistung durch die Vakuumpumpe gewährleistet ist.

An nachfolgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt schematisch eine erfindungsgemäß gestaltete Vorrichtung.

Der erfindungsgemäße Kryostat besteht aus dem Vorratsgefäß 3, das mit einer Vakuumisolation 4 versehen ist. Im oberen Bereich befindet sich die Füllöffnung 7 für den flüssigen Stickstoff. Inner­ halb der Vakuumisolation 4 ist im oberen Bereich des Kryostaten der Verdampfer 6 mit einem Sensor 2 angeordnet. Dabei kann der Sensor 2 im oder auf dem Verdampfer 6 angebracht wer­ den. Vom Verdampfer 6 führt ein Saugröhrchen 8 in den unteren Bereich des Vorratsbehälters 3. Am Verdampfer 6 ist außerdem das Anschlußröhrchen 5 für die Vakuumpumpe angeordnet. Über dem Sensor 2 kann das Meßobjekt 1 angebracht werden.

In Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur am Sensor 2 wird die Drehzahl der Vakuum­ pumpe auf einfache Weise durch Einstellen der elektrischen Spannung eingestellt und damit die Fördermenge an flüssigem Stickstoff geregelt. Der von der Vakuumpumpe abgesaugte verdampf­ te Stickstoff wird in die Umgebung abgeleitet. Um zu vermeiden, daß die Betriebsweise der Vaku­ umpumpe durch Stickstoffdampf niedriger Temperatur negativ beeinträchtigt wird, ist es vorteil­ haft, die Verbindungsleitung zwischen Verdampfer 6 und Vakuumpumpe so lang zu wählen, daß das austretende kalte Stickstoffgas durch die Umgebungstemperatur erwärmt wird.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Kühlung elektronischer Bauteile mit Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb eines Vorratsbehälters (3) für flüssigen Stickstoff, innerhalb der Vakuumisolation (4) ein Verdampfer (6) mit einem Sensor (2) angeordnet ist und daß vom Verdampfer (6) ein Saugröhrchen (8) in den unteren Bereich des Vorratsbehälters (3) mündet und der Verdampfer (6) mit einer über Spannungsregelung drehzahlgesteuerten Vakuumpumpe verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (6) eine Zusatzhei­ zung zur Feinabstimmung der Temperatur angebracht ist.