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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Kühlen eines elektronischen Gerätes.
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Eine
große
Anzahl von Vorrichtungen, insbesondere elektronische Vorrichtungen,
wird bei Temperaturen betrieben, die unterhalb der Umgebungstemperatur
liegen. Diese reduzierte Temperatur wird benutzt, da entweder die
Vorrichtung bei höheren Temperaturen
nicht funktioniert oder weil ein verbesserter Betrieb durch die
niedrigere Temperatur erreicht werden kann, oder auch aus beiden
Gründen. Als
Beispiel ist hier ein supraleitender Magnetfeldsensor zu nennen,
der nur bei Temperaturen arbeitet, die unterhalb der kritischen
Temperatur für
die Supraleitung des verwendeten Materials liegen. Es ist häufig erwünscht, die
Betriebstemperatur noch weiter zu verringern, um ein verbessertes
Signal-/Rausch-Verhältnis zu
erhalten, da bei niedrigeren Temperaturen ein geringeres thermisches
Rauschen auftritt.
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Es
ist allgemeine Praxis, solche Vorrichtungen zu kühlen, indem eine Wärmesenke
benutzt wird, z. B. ein Reservoir an Tieftemperaturflüssigkeit, die
eine niedrige Siedetemperatur hat. Die Vorrichtung kann entweder
in die Tieftemperaturflüssigkeit eingetaucht
werden, oder kann mittels eines guten Wärmeleiters in thermischen Kontakt
mit der Tieftemperaturflüssigkeit
stehen. Die Wärme
in der Vorrichtung wird in das Tieftemperatur-Reservoir geleitet und
durch die Tieftemperaturflüssigkeit
absorbiert.
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Die
Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern, die eine kritische Temperatur
für die
Supraleitung von etwa der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff oder darüber haben,
verspricht eine deutliche Verbesserung in einigen Bereichen der
Techniken, bei denen supraleitende Vorrichtungen eingesetzt werden.
Für die
Erfinder ist ein technisches Gebiet von besonderem Interesse, nämlich ein
supraleitender Magnetfeldsensor oder auch SQUID genannt, der aus
einem Hochtemperatur-Supraleiter hergestellt ist und der bevorzugt
bei etwa der Siedetemperatur (77 K) von flüssigem Stickstoff oder darunter
betrieben wird, nämlich
für die
nun erhältlichen
Hochtemperatur-Supraleiter, wobei herkömmliche Niedrigtemperatur-Supraleiter
typischerweise bei der Siedetemperatur für flüssiges Helium (4,2 K) eingesetzt wurden.
Die Fähigkeit
bei solchen hohen Temperaturen zu funktionieren, erlaubt den Einsatz
des relativ kostengünstigen
Kühlmittels
flüssiger
Stickstoff, und verringert auch die erforderliche Isolation bemerkenswert.
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Ein
Magnetfeldsensor, der einen der verfügbaren Hochtemperatur-Supraleiter
einsetzt, der eine kritische supraleitende Temperatur von etwa der
oder knapp höher
als die Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff
(z. B. 77–87
K) aufweist, kann betrieben werden, indem flüssiger Stickstoff als Wärmesenke eingesetzt
wird. Auf der anderen Seite kann ein Hochtemperatur-Supraleiter,
der eine supraleitende kritische Temperatur von knapp unterhalb
der Siedetemperatur von flüssigem
Stickstoff hat, nicht einfach betrieben werden, indem flüssiger Stickstoff
als Kühlmittel
eingesetzt wird. Jedenfalls ist es wünschenswert, die Siedetemperatur
des flüssigen
Stickstoffs um einen kleinen Betrag abzusenken, nämlich etwa um
10 k oder so, um eine Verringerung des Rauschens im ersteren Fall
zu erreichen und um eine prinzipielle Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung im zweiteren
Fall zu erreichen.
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Die
Siedetemperatur des flüssigen
Stickstoffs ist eine physikalische Konstante von etwa 77 K bei Umgebungsdruck.
Diese Siedetemperatur kann etwa reduziert werden, indem der flüssige Stickstoff einem
Vakuum ausgesetzt wird, jedoch ist das Vorsehen eines Vakuumsystems
und die zugehörige
Pumpenausrüstung
schwierig zu handhaben, teuer und kann ein elektromagnetisches Rauschen
erzeugen, die den Betrieb der Vorrichtung negativ beeinflusst. Während der
Erzeugung des Vakuums um den flüssigen
Stickstoff muss mit großer
Vorsicht vorgegangen werden, um eine Verfestigung des Stickstoffs
zu vermeiden, wodurch eine Beschädigung
der zerbrechlichen elektronischen Komponenten verursacht werden
kann. Der Einsatz eines Vakuumsystems kann auch die Verfügbarkeit
bestimmter Systempackungsfunktionen beeinträchtigen. Zum Beispiel ist es
sehr schwierig oder gar unmöglich,
einen dünnwandige,
flexiblen Behälter
einzusetzen, falls es erforderlich ist, das Innere des Behälters luftleer
zu pumpen. Mechanische Tieftemperaturkühlvorrichtungen (Kältemaschinen)
können
für die
Kühlung
auch eingesetzt werden, anstatt eines Tieftemperaturflüssigkeitsreservoirs,
aber die Tieftemperaturkühlvorrichtung/Kältemaschine
ist euer und die Quelle mechanischer Geräusche und elektrischen Rauschens.
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Bei
einer aus der
EP 0
369 827 B1 bekannten Kühlvorrichtung
der eingangs genannten Art ist der Tieftemperaturflüssigkeit
(hier flüssiger
Stickstoff) ein Gas, nämlich
Fluorkohlenwasserstoff, beigemischt. Das Fluorkohlenwasserstoffgas
ist in einem zweiten Gefäß durch
eine Kühlschlange
geführt,
die in flüssigem
Stickstoff eingetaucht ist. Mit anderen Worten, das Fluorkohlenwasserstoffgas
wird gekühlt zugeführt. Obwohl
das Fluorkohlenwasserstoffgas in heruntergekühlter Weise der Tieftemperaturflüssigkeit
geperlt zugeführt
wird, steigt die Tieftemperaturflüssigkeit nach Zuführen des
Fluorkohlenwasserstoffgases an, nimmt also einen höheren Wert
als dem Temperaturwert der reinen Tieftemperaturflüssigkeit
entspricht. Diese Tieftemperaturflüssigkeit soll durch das Lösen des
Fluorkohlenwasserstoffgases eine höhere Kühlkapazität erhalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung der Kühlung der
supraleitenden Vorrichtungen, die unter Einsatz eines Tieftemperatur-Kühlmittels
betrieben werden, und zwar um einen relativ kleinen Betrag, nämlich um
wenige Grade zu erreichen, ohne dabei ein Vakuum oder eine Tieftemperaturkühlvorrichtung/Kältemaschine einzusetzen.
Eine solche Funktionsfähigkeit
könnte weiten
Einsatz finden, sowohl bei supraleitenden Vorrichtungen als auch
bei vielen anderen Anwendungen, auch zum Beispiel bei Strahlungssensoren und
Computerschaltkreisen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind bei einer Kühlvorrichtung
der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
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Die
Erfindung setzt dazu ein Reservoir an Tieftemperaturflüssigkeit
als Wärmesenke
ein, und reduziert die Siedetemperatur der Tieftemperaturflüssigkeit
auf weniger als deren natürliche
Siedetemperatur. Es wird keine Vakuumpumpe und keine mechanische
Kältemaschine
eingesetzt, obwohl die vorliegende Erfindung wahlweise in Verbindung
mit einer Vakuumpumpe oder einem mechanisch gekühlten Tieftemperaturreservoir
benutzt werden kann. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bequem
auf eine Temperatur im Größenbereich
von etwa 10 K oder mehr unterhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs
herunterzukühlen,
wobei flüssiger
Stickstoff die Tieftemperaturflüssigkeit
ist, die am häufigsten
eingesetzt wird. In einem bevorzugten Fall wird die Siedetemperatur
von flüssigem
Stickstoff bei Umgebungsdruck und damit dessen effektive Temperatur
als Tieftemperatur-Kältemittel,
einfach von 77 K auf etwa 68 bis 71 K reduziert, wobei hierzu nur
wenig zusätzliches
Geld oder zusätzliche
Betriebskosten erforderlich sind. Diese relativ kleine Reduktion
in der Temperatur kann das Rauschen in einem SQUID um ein beträchtliches
Ausmaß reduzieren,
der aus einem Material besteht, welches eine supraleitende kritische
Temperatur von etwa 77 K hat. Bei einem SQUID, der aus einem Hochtemperatur-Supraleiter gefertigt
ist, der eine kritische supraleitende Temperatur von wenigen Grad
oberhalb von 77 K hat, kann die Reduktion des Rauschens den Faktor
100 oder mehr betragen. Die vorliegende Erfindung schafft daher
eine kostengünstige,
einfach ausführbare
Technik zur Reduzierung der Temperatur eines Tieftemperaturreservoirs.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen eines oder mehrerer
der Ansprüche
2 bis 12.
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Das
Gas weist eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung auf, verglichen
mit der Tieftemperaturflüssigkeit
und ist in der Tieftemperaturflüssigkeit
löslich.
Die Berührung
bzw. der Kontakt des Gases mit der Tieftemperaturflüssigkeit
verringert die Temperatur der Tieftemperaturflüssigkeit, so dass die Temperatur
einer Vorrichtung, die in thermischen Kontakt mit der Tieftemperaturflüssigkeit
steht, wobei die Tieftemperaturflüssigkeit als eine Wärmesenke
eingesetzt wird, ebenfalls verringert wird. In einem bevorzugten
Fall wird als Tieftemperaturflüssigkeit
flüssiger
Stickstoff eingesetzt, und das Gas ist Helium, jedoch ist die vorliegende
Erfindung nicht hierauf beschränkt.
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Das
Gas wird mit der Tieftemperaturflüssigkeit in Kontakt gebracht,
und zwar grundsätzlich
auf beliebige Art und Weise, wobei es jedoch zwei bevorzugte Vorgehensweisen
gibt. Die eine Vorgehensweise ist es, das Gas in Bläschen durch
die Tieftemperaturflüssigkeit
zu blasen. Die Gaseinleitungseinrichtung umfasst eine Röhre, die
sich unterhalb der Oberfläche
der Tieftemperaturflüssigkeit
befindet und eine Druckquelle für
das Gas. Die Andere Vorgehensweise sieht vor, das Gas mit der Oberfläche der Tieftemperaturflüssigkeit
in Kontakt zu bringen, typischerweise durch Vorsehen eine Abdeckung
an dem Behälter
und Ausfüllen
des Zwischenraums zwischen der Oberfläche der Tieftemperaturflüssigkeit und
der Abdeckung mit Gas.
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Die
Tieftemperaturflüssigkeit
mit reduzierter Temperatur kann auf unterschiedliche Art und Weise eingesetzt
werden. Bei einer besonderen Anwendung wird ein Gerät in thermischen
Kontakt mit der Tieftemperaturflüssigkeit
gebracht, entweder durch Eintauchen oder durch einen Wärmeleiter.
Das Gerät kann
ein solches sein, welches unterhalb der Umgebungstemperatur arbeitet.
Die Erfinder sind besonders interessiert an der Kühlung von
Magnetsensoren und der Kühlung
von SQUIDs, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese
Anwendungen beschränkt.
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Versuche
haben gezeigt, dass der Kontakt des Heliums mit dem flüssigen Stickstoff
die Siedetemperatur des flüssigen
Stickstoffs bei Umgebungsdruck sehr schnell von 77 K auf etwa 68
bis 71 K reduziert. Die Betriebstemperatur der Geräte, die
in thermischen Kontakt mit dem flüssigen Stickstoff stehen, wird
gleichfalls reduziert. Diese reduzierte Temperatur wird für einen
verlängerten
Zeitraum aufrecht erhalten. Diese relativ kleine Verringerung der
Temperatur reduziert das Signal-/Rauschverhältnis des Sensors um eine Faktor
von etwa 2 bis 100, wobei die Betriebskosten nur unwesentlich erhöht werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum kühlen eines
elektronischen Gerätes nach
den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Weitere
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden,
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich,
die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen
zu sehen ist, die rein beispielhaft das Prinzip nach der vorliegenden
Erfindung darstellen.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform nach der vorliegenden
Erfindung;
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5 ein
Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Ausgestaltung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Funktion der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs über
der Zeit, wenn Heliumgas in den flüssigen Stickstoff einströmt;
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7 eine
Funktion der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs, wenn Heliumgas in den Zwischenraum über dem flüssigen Stickstoff eingeleitet
wird und anschließend
damit aufgehört
wird;
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8 eine
Funktion der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs über
der Zeit, wenn Neongas in den flüssigen
Stickstoff einströmt;
und
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9 eine
Funktion der Temperatur des flüssigen
Stickstoffs, wenn das Neongas nicht mehr einströmt.
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In
der 1 ist eine Vorrichtung 20 dargestellt,
die nach der vorliegenden Erfindung arbeitet. Diese Vorrichtung
umfaßt
einen Behälter 22 und
eine Menge an Tieftemperaturflüssigkeit 24 in
dem Behälter 22.
Der Behälter 22 ist
vorzugsweise isoliert, um den Wärmeverlust
der Tieftemperaturflüssigkeit 24 zu
minimieren, und ist beispielsweise in Form eines Dewar-Kessels ausgeführt. Die
Tieftemperaturflüssigkeit
dient als thermisches Reservoir, um die Wärme zu absorbieren.
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Die
Vorrichtung 20 umfaßt
darüber
hinaus eine Gasquelle 26, die unterhalb der Oberfläche 28 der
Tieftemperaturflüssigkeit 24 angeordnet
ist. In diesem Fall ist die Gasquelle 26 das untere Ende 30 eines
Rohres 32, welches sich nach unten, bis unterhalb der Oberfläche 28 erstreckt.
Ein oberes Ende 34 des Rohres 32 erhält das Gas
von einer Gasquelle 36 mit komprimierten Gas, und zwar über eine
einstellbare Druck-/Strömungsregeleinrichtung 38.
Wahlweise kann die Tieftemperaturflüssigkeit gerührt werden,
um den Kontakt und die Dispersion des eingeleiteten Gases in die
Tieftemperaturflüssigkeit
zu verbessern. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise befindet
sich eine Einrichtung 40 in thermischem Kontakt mit der
Tieftemperaturflüssigkeit 24. Die
Einrichtung 40 ist in der 1 gezeigt
und ist in der Tieftemperaturflüssigkeit 24 eingetaucht
und durch eine elektrische Leitung 42 mit der externen Elektronik 44 verbunden.
Für die
in den 6 bis 9 diskutierten Messungen der
Temperatur ist die Einrichtung 40 als ein Silikondiodenthermometer ausgeführt. Bei
anderen Anwendungen kann die Einrichtung 40 von jedem beliebigen
Typ sein, der eine Kühlung
benötigt,
wie etwa ein Magnet feldsensor, eine supraleitende Quanteninterferenzeinrichtung, ein
Energiesensor, ein Strahlungssensor, ein elektronischer Schaltkreis,
usw.
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Die
Tieftemperaturflüssigkeit 24 ist
ein verflüssigtes
Gas, vorzugsweise flüssiger
Stickstoff (als LN2 bezeichnet). Andere
Tieftemperaturflüssigkeiten, wie
etwa flüssiger
Sauerstoff, flüssiges
Neon, flüssiger
Wasserstoff, flüssiges
Helium, flüssiges
CH4, flüssiges
C2H6, oder flüssiges C3H8 können auch
benutzt werden. Das Gas, welches von der Quelle 26 eingeleitet
wird, ist ein reines Gas oder eine Mischung aus Gasen. Dieses Gas
weist eine chemische Zusammensetzung auf, die sich von der chemischen
Zusammensetzung der Tieftemperaturflüssigkeit unterscheidet, und
das Gas ist in der Tieftemperaturflüssigkeit löslich. Vorzugsweise löst sich
das Gas in der Tieftemperaturflüssigkeit
endothermisch auf. Solche gasförmigen
Komponenten können
zum Beispiel sein: Helium, Wasserstoff, Neon, Stickstoff, Sauerstoff,
Krypton, Tetrafluormethan, Methan, C2H6, oder C3H8.
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Jede
Tieftemperaturflüssigkeit
hat eine kennzeichnende Siedetemperatur bei einem bestimmten Überdruck
und die spezifische Tieftemperaturflüssigkeit wird in Verbindung
mit den Anforderungen der Anwendung ausgewählt, wie etwa der erforderlichen Temperatur
und den Kosten für
die Tieftemperaturflüssigkeit.
Flüssiger
Stickstoff wird insbesondere bevorzugt, da er eine Siedetemperatur
bei Umgebungsdruck von 77 K hat, und was ausreichend niedrig ist für viele
Anwendungen, da er eine hohe Verdampfungswärme aufweist, da er nicht teuer
ist, und da er nicht sehr reaktiv ist (z. B. entzündlich)
im Hinblick auf viele Anwendungen. Im bevorzugten Fall des flüssigen Stickstoffs
als Tieftemperaturflüssigkeit
ist das bevorzugte Gas, welches mit dem flüssigen Stickstoff in Kontakt
tritt, Helium.
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In
der 2 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 20 dargestellt.
Viele Bauteile, die in der 1 auch dargestellt
sind und bereits erläutert sind,
sind auch in der 2 vorhanden. Solche gemeinsamen
Bauteile haben die gleichen Bezugszeichen und auf deren Beschreibung
wird hier Bezug genommen. Bei dieser Ausführungsform weist der Behälter 22 einen
Deckel 50 auf. Die Quelle 26 für das Gas ist das untere Ende 30 einer
Röhre 32,
jedoch im vorliegenden Fall erstreckt sich die Röhre 32 nicht bis unterhalb
die Oberfläche 28 der
Tieftemperaturflüssigkeit 24.
Statt dessen liegt das untere Ende 30 der Röhre 32 über der
Oberfläche 28 und
ein Gasraum 52 ist zwischen der Abdeckung 50 und
der Oberfläche 28 vorhanden.
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Die
Ausführungsform
nach der 2 zeigt auch die Vorrichtung 40,
die nicht unbedingt in der Tieftemperaturflüssigkeit 24 eingetaucht
sein muß.
In diesem Fall erstreckt sich ein thermischer Leiter 54 zwischen
dem Inneren des Behälters 22 und
dem Äußeren des
Behälters 22 und
steht mit der Tieftemperaturflüssigkeit 24 in
Berührung.
Die Vorrichtung 40 ist in einem Vakuum untergebracht, an
einem Abschnitt des thermischen Leiters 54, der sich außerhalb
des Behälters 22 befindet.
Ein isoliertes Vakuumgehäuse 56 umgibt
die Vorrichtung 40 vorzugsweise und auch den Abschnitt
des thermischen Leiters 54, der sich nach außerhalb
des Behälters 22 erstreckt.
Die Ausführungsform
nach der 2 leitet die Wärme von
der Vorrichtung 40 in das Tieftemperaturflüssigkeitsreservoir
ab, während
die Ausführungsform
nach der 1 die Wärme durch den Tauchkontakt
ableitet. Der thermische Leiter nach der 2 kann zusammen
mit der Gasbläschenanordnung
nach der 1 eingesetzt werden, oder die Tauchanordnung
nach der 1 kann gemeinsam mit der Gasraumanordnung
nach der 2 benutzt werden, falls erwünscht.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsformen,
die noch weitere wahlweise Merkmale umfassen. Die Ausführungsformen
nach den 3 und 4 sind den
Ausführungsformen
nach der 1 ähnlich, nämlich insoweit als die Quelle 26 das
untere Ende 30 der Röhre 32 ist,
die bis unterhalb der Oberfläche
der Tieftemperaturflüssigkeit 24 eingetaucht ist.
Die gleichen Merkmale bzw. Bauteile in der 3 und 4 haben
die gleichen Bezugszeichen wie in der 1, und insoweit
wird auf die Beschreibung der 1 bezug
genommen.
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Bei
der Ausführungsform
nach der 3 ist eine zweite Gasquelle 60 vorgesehen.
Bevorzugt ist dieses zweite Gas das gleiche Gas, welches produziert
wird, wenn die Tieftemperaturflüssigkeit
siedet. D. h., wenn die Tieftemperaturflüssigkeit vorzugsweise flüssiger Stickstoff
ist, so ist das zweite Gas auch gasförmiger Stickstoff. Die zweite
Quelle 60 ist ein Ende 62 einer zweiten Röhre 64,
dessen anderes Ende 66 das zweite Gas von einer Gasdruckquelle 68 erhält, nämlich durch
eine zweite einstellbare Druck-/Strömungsregeleinrichtung 70.
Das Ende 62 ist bis unter die Oberfläche 28 der Tieftemperaturflüssigkeit 24 eingetaucht.
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Das
zweite Gas wird der Einfachheit halber in die Tieftemperaturflüssigkeit 24 durch
Zirkulieren der Tieftemperaturflüssigkeit
durch eine Regenerationsschleife 72 unter Einsatz einer
Pumpe 74 eingeleitet. Die zweite Quelle 60 ist
in der Regenerationsschleife 72 angeordnet, so daß das zweite
Gas eingeleitet wird, wenn die Tieftemperaturflüssigkeit hinter der zweiten
Quelle 60 zirkuliert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
die in der 4 gezeigt ist, unterteilt eine
Abtrennung 76 den Behälter 22 in
zwei Abteilungen. Die Quelle 26 für das erste Gas ist eine erste
Seite 78 des Behälters 22,
und die Quelle 60 für
das zweite Gas ist eine zweite Seite 80 des Behälters 22.
Die Pumpe 74 saugt die Tieftemperaturflüssigkeit von der ersten Seite 78 ab,
und leitet sie durch eine erste Öffnung 82 in
der Abtrennung 76 auf die zweite Seite 80. Nach der
Regeneration strömt
die Tieftemperaturflüssigkeit von
der zweiten Seite 80 zurück zu der ersten Seite 78,
nämlich
durch den hydraulischen Druck und durch eine zweite Öffnung 84 in
der Abtrennung 76.
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Die
Wirkung der Berührung
des zweiten Gases mit der Tieftemperaturflüssigkeit ist es, die Siedepunktreduktionswirkungen
des ersten Gases umzukehren. Das erste Gas bewirkt, daß der Siedepunkt der
Tieftemperaturflüssigkeit
reduziert wird. Das zweite Gas dreht diese Wirkung um, indem es
das erste Gas aus der Lösung
treibt, und bewirkt, daß der Siedepunkt
der Tieftemperaturflüssigkeit
auf den Wert zurückkehrt
bzw. ansteigt, der in Richtung der Wertes für den Umgebungsdruck liegt.
Bei einer typischen Anwendung der Vorrichtung 20 wird die
erste Quelle 26 durch Öffnen
der Regeleinrichtung 38 betätigt, um es dem Gas zu ermöglichen,
aus der Gasquelle 36 unter Druck auszuströmen. Das
erste Gas bewirkt danach eine Reduktion der Temperatur der Tieftemperaturflüssigkeit
in dem Behälter 22.
Zu dieser Zeit werden die Pumpe 74 und die zweite Gasquelle 60 nicht
betrieben. Später,
falls es erwünscht ist,
die Temperatur der Tieftemperaturflüssigkeit anzuheben, wird die
Regeleinrichtung 38 geschlossen, wodurch die Quelle 26 verschlossen
wird. Die Pumpe 74 wird in Betrieb genommen, wodurch eine
Zirkulation der Tieftemperaturflüssigkeit
hinter der zweiten Quelle 60 erfolgt. Die Regeleinrichtung 70 wird
geöffnet,
wodurch es erlaubt wird, daß das
zweite Gas von der zweiten Gasquelle 68 in die Tieftemperaturflüssigkeit
strömt.
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Das
zweite Gas kann eingeleitet werden, um letztendlich die Temperatur
der Tieftemperaturflüssigkeit
anzuheben. Für
diesen Fall braucht man keine Regenerationsschleife 72 oder
Abtrennung 76. Das zweite Gas kann auch eingeleitet werden,
um eine lang anhaltende Aufrechterhaltung der Siedepunktreduktionswirkungen
des ersten Gases zu ermöglichen.
Es ist beobachtet worden, daß,
wenn das erste Gas in die Tieftemperaturflüssigkeit eingeleitet wird, die
Temperatur der Tief temperaturflüssigkeit
reduziert wird, und zwar für
einen längeren
Zeitraum. Jedoch nach einer langen Zeit kann die Temperatur wieder
ansteigen, sogar wenn das erste Gas immer noch eingeleitet wird.
Der Kontakt des zweiten Gases mit der Tieftemperaturflüssigkeit
treibt das erste Gas aus der Lösung,
hebt die Temperatur der Tieftemperaturflüssigkeit etwa an, und re generiert
die Tieftemperaturflüssigkeit,
so daß der
folgende Kontakt mit dem ersten Gas die Tieftemperaturflüssigkeit
wieder auf die reduzierte Temperatur zurück bringt.
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Die
unterschiedlichen Merkmale der Vorrichtungen nach den 1 bis 4 können in
jeder betriebsfähigen
Kombination eingesetzt werden.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Ausführen der
vorliegenden Erfindung ist in der 5 illustriert. Die
frühere
Beschreibung der Tieftemperaturflüssigkeiten, der Gase und anderer
Merkmale der vorliegenden Erfindung sind umfaßt. Die Tieftemperaturflüssigkeit
hat das Bezugszeichen 90. Das Gas, welches zu der Tieftemperaturflüssigkeit
eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweist und welches
in der Tieftemperaturflüssigkeit
löslich ist,
wird mit der Tieftemperaturflüssigkeit
in Kontakt gebracht, und weist das Bezugszeichen 92 auf. Wahlweise
kann eine Einrichtung vorgesehen werden, die in thermischen Kontakt
mit der Tieftemperaturflüssigkeit
steht und die von dieser gekühlt
wird und das Bezugszeichen 94 hat.
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Die
Siedepunktsreduktionswirkungen der vorliegenden Ausführungsform
werden durch den Einsatz einer Vorrichtung erreicht, wie sie in
den 1 und 2 dargestellt ist, wobei flüssiger Stickstoff
die Tieftemperaturflüssigkeit
ist, Helium das Kontaktgas ist, und ein Silikondiodenthermometer die
gekühlte
Einrichtung ist. Die Bläschenvorrichtung nach
der 1 wurde eingesetzt, um die Temperatur-Zeit-Datenreihe
nach der 6 zu erhalten. Helium wird mit
einem Druck von 5 psi (Pfund pro Quadratinch) durch den flüssigen Stickstoff
geblasen, und die Temperatur ist als eine Funktion der Zeit in der 6 dargestellt.
Die Temperatur reduziert sich von 77 K bis zu einer Sättigungstemperatur
von etwa 69 K in ca. einer Stunde und verringert sich danach nicht
mehr. Nach etwa 2½ Stunden
wird der Druck des Gases auf 10 psi erhöht, um die Strömungsrate des
Heliumgases zu erhöhen,
so daß die
Tem peratur des flüssigen
Stickstoffes weiter auf einen Sättigungswert
von etwa 68 K reduziert wird. Der Behälter, in dem diese Versuche
durchgeführt
werden, war offen, so daß die Änderung
im Druck eine Änderung der
Flußrate
wiedergibt, jedoch keine Änderung
im angelegten Überdruck
an der Tieftemperaturflüssigkeit.
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Bei
einem anderen Versuch wurde flüssiger Stickstoff
auf etwa 70 K gekühlt,
indem gasförmiges Helium
durchgeblasen wurde. Die Durchströmung mit dem gasförmigen Helium
wurde unterbrochen und es wurde die Durchströmung mit gasförmigen Stickstoff
begonnen. Die Temperatur des flüssigen Stickstoffs
erhöhte
sich auf etwa 77 K.
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In
einem anderen Versuch wurde die Gasraumanordnung nach der 2 verwendet.
Ein Heliumgas wurde mit 5 psi Druck eingeleitet und in dem Gasraum
aufrecht erhalten, oberhalb des flüssigen Stickstoffs. Die Temperatur
verringerte sich dann als eine Funktion der Zeit auf eine Art und
Weise, die in der 7 dargestellt ist. Nach etwa
30 Minuten wurde der Druck des Heliumgases aufgehoben und die Temperatur
des flüssigen
Stickstoffs stieg gleichmäßig auf
etwa 77 K an.
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Ähnliche
Ergebnisse wurde erzielt, indem Neongas als das Gas eingesetzt worden
ist, bei einer Anordnung nach der 1. In der 8 ist
der Rückgang
der Temperatur als eine Funktion der Zeit dargestellt, nachdem das
Durchströmen
bzw. Durchblasen der Neongases durch den flüssigen Stickstoff begonnen
wurde. Nach dem Anhalten des Neongases stieg die Temperatur des
flüssigen
Stickstoffs langsam wieder an, zurück auf den Wert bei Umgebungsdruck,
wie es in der 9 gezeigt ist.
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Die
genauen thermodynamischen Prinzipien, die der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegen, sind letztendlich nicht bekannt. Es wird jedoch
angenommen, daß die
Lösung
des Gases in der Tieftemperaturflüssigkeit endothermisch ist
und sich dar aus die Abkühlung
der Tieftemperaturflüssigkeit
ergibt. Die Anwendbarkeit und Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung
ist jedoch nicht auf solche Erklärungen
angewiesen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit eine Anordnung zur Kontrolle
der Temperatur einer Tieftemperaturflüssigkeit, um deren Siedetemperatur
zu verringern, und zwar um etwa 10 K für den Fall eines flüssigen Stickstoffs.
Diese Reduzierung der Siedetemperatur wird sehr kostengünstig erreicht,
ohne eine nachteilige Beeinflussung der Leistung der Vorrichtung,
die in thermischem Kontakt mit der Tieftemperaturflüssigkeit
steht. Obwohl eine besondere Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung im Detail beschrieben worden ist, und zwar zu rein illustrativen
Zwecken, können
unterschiedliche Modifikationen und Verbesserungen ausgeführt werden,
ohne sich vom Kern der vorliegenden Erfindung weg zu bewegen. Dementsprechend
ist die vorliegende Erfindung hierdurch nicht beschränkt, und
wird durch die zugehörigen
Patentansprüche
definiert.