DE2012843C3 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung einstellbarer tiefer Temperature n durch Verdampfung tiefsiedender Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuier&chen Aufrechlerhaltung einstellbarer tiefer Temperaturen durch Verdampfung von ttefstedenden Flüssigkeiten, insbesondere von ftfesigem Helium, mit einem Verdampfer, in den das flüssige Kältemedium aus eimern Vorratsgefäß durch Unterdruck förderbar ist, wobei der Verdampfer über ein temperaturabhängig gesteuertes Drosselventil mit einer Evakuierungsvorrichtung verbunden ist.

Durch die deutsche Patentschrift 1 161 570 ist bereits ekle Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufrechterhattunig ei«s.te!ß)arer tiefer Temperaturen durch Verdampfung *<Mf itüssigewi Helium bekannt geworden, bei der sehr konstante Temperanirwerte dadurch erzielt wer den. daß das tiefstedende Käitemedium aus einem Vorratsgefäß durch Unterdruck in den Verdampfer gefördert wird, wobei sich in der Verbindungsleitung zwischen Verdampfer und Vakuumpumpe ein temperaturabhängig steuerbares Drosselventil befindet, dessen Meßstetfe am Verdampfer bzw. an der zu kühlenden Probe Hegt. Bei einem solchen Verdampferkryostaten ist es zwar bekannt das Abgas des Verdampfers zur Kübbirtg eines den Verdampfer umgebenden Strahhstgssehutzes zu verwenden. Es gelingt jedoch nicht, an mehreren Teilen der Apparatur unabhängig voneinanrer Bettiefisznsea» ma fea^ender Temperatmabstubäs aaefaSdet FSr viele Aawendungszwecke ist es iedocfa erwäascat. Aaparsteteäe mit gegeoeinander ■ - · ' — -τ» vorzusehen, wobei

der Verdampfer über ent temperaturabhängig gesteuertes Drossetveaul mt einer EvaicuJenrags^orriaättng verbunden ist. dadurch gekennzeichaet, daß der Verdampfer aus mmdestens zwei thermisch getreusten Verdampfereleraenten ffe. 8) besteig, derea Kilteinittebufübnwgsleitungen (2* 26J rail eöteiB gemeffisameB Voxratsbebalter (3) verbunden siwd, and daß die Abgaslehctngen (tO. 14) beider Yerdampfereleinente (6, 8) über temperaturabtiäogig steoeibare Drosselventile (11, !S> oat zugeordneten VakiMimpumpen (IZ 16) verbunden sind

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kättemmelzufuhrungsleitungen {2a. 2&) der Verdampleretemente {6, 8) von einer gemeinsamen, in den Vorratsbehälter mündenden Kältcmtttetzuführungsieitung (2) verzweigt sind, wobei die Verzweigungsstefte unmittelbar vor den Eintrittsstellen der Verdampferelemente (6,8) hegt

3. Vorrichtung nach Anspruch t und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verdampferelemente (24. 26) innerhalb eines kühlbaren Strahlungsschutzes (25) in Abstand übereinanderliegend angeordnet sind, daß die Abgasleitung des oberen Verdampferteils (24) mit dem Gaseinlaß des kühlbaren Strahlungsschutzes (25) verbunden ist, und daß ferner die Abgasleitung (27) des Strahlungsschutzes (25) und die Abgasleitung (29) des unteren Verdantpferelements (26) an die zugeordreten Vakuumpumpen angeschlossen sind

perat

trotzdem ein mögfefast wkdicber KüteaBttelverbraacs irad eä» eWacae and faeiriebssichere Gesamtkonstriiktioa angestrebt werden mfesea
,β Der Erfindung Begt die Aufgabe zugrunde, einen Verdarapferkryostaien za scfaaffeB, der bei wirtscfaaftlicfeera K^teBimdverbraach and ekrfacter Gesamtkonstroktk» Apparateieiie nät tstabhängig eiBSteÖbaren tiefes Temperature» ermögfeht. die nach mrer FesüeguBgHHt bober Geaan^keii eiegehaken werden.

Diese Aulgabe wird erfindBngsgejnäß dadurch gefest da» der Verdampfer aas mindestens zwei ther-Vfeiptpfpjffiwn*"» hesteht, den-n

KäbemätetzBfBhiwgsieitangen nut emem gemetnsa-

To men Vorratsbehaher verbunden sind und daß die Ab gasküungen beider Verdampfereiemente über tempe raturabhangtg steuerbare Drosserventile mit zugeord neten Vakuu«npumpen verbunden sind

Es kann ferner zweckmäßig sein, daß die Kähemit

teizuführungslettungen der Verdampfereiemente von einer gemetnsamen, in den Vorratsbehälter mündenden Kälteinitttteifnhningsieitang verzweigt sind wobei die VerzweigungssteBe unmrtteftwr vor den Eintrittsstellen der Verdampferefemente liegt. Bei einer weiteren vor

to teiihaften Ausführungsform der Erfindung können die beiden Verdampferetemetite innerhalb eines kühlbaren Stahbngsscbutzes m Abstand übereinanderliegend angeordnet sein, so daß die Abgasleitung des oberen Ver dampfertetls mit dem Gaseinlaß des kühlbaren Strah

bingsschutzes verbunden ist und daß ferner die Abgasleitung des Strahfetngsschutzes und die Abgasleitung des unteren Verdampferelements an die zugeordneten Vakuumpumpen angeschlossen sind.

Die Erfindung hat hinsieht hch Kältemittelverbrauch.

Betriebssicherheit Möglichkeit des Dauerbetriebs, Herstellung usw. alle Vorteile der bekannten einfachen Verdampferkryostaten Mit der Erfindung wird erreicht daß verschiedene Teile innerhalb einer Apparatur anabhängig voneinander auf beliebig tiefe Tempe-

raturen abgekühlt und im Dauerbetrieb konstant auf dem vorgewahhen Temperaturwert gehalten werden können. Die Temperaturen der verschiedenen Teile können sowohl gleich als auch unterschiedlich sein, und sie können während des Betriebs unabhängig voneinander in einfachster Weise variiert werden. Als Kältemittel kommen sowoW flüssiges Helium als auch flüssiger Wasserstoff und flüssiger Stickstoff in Betracht. Bei der Verwendung von flüssigem Helium machen sich jedocli die Vorzuge der Erfindung wegen des hohen Preises für das Kältemittel und der größeren Schwierigkeiten bei der Handhabung besonders vorteilhaft bemerkbar.

In den Zeichnungen sind Ausf&hrungsberepiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F ϊ g. t einen zur Kühlung von Proben bei physikalischen Messungen unter gleichzeitiger Vakuumerzeugung durch Kryopumpen geeigneten Verdampferkryostaten in schematischer Darstellung,

F i g. 2 einen für Molekularstrahlexperimente geetg-

neten Verdampferkryostaten in schematiseher Darstellung.

Wegen der besonderen Bedeutung der Erfindung zur Erzeugung von Temperaturen im Bereich des flüssigen

Hefiums beziehen sieb <fie Ausführungsbeisptele auf die Anwendung »on fBssigem He&tro. Der in F i g. 1 ge-Zv->gte Verdarapferkryosiat 1 ist in bekannter Weise aber eine vakatirasoaerte KähenBtteIzuführuQgs!t4-

i Vorraisbehälter 3 mit flüssigem Helium «ngescMossen. Der Verdampferkryosuat weist einen Grundflanscb 4 and ein evakiaerbares Gehäuse 5 auf. Die berköennScHen Hahenmg&elemente, EvakuierongsaiEsriilBsse a. dgl sind der Übersichtlichkeit havöer nicht eragezekfaaet.

Der Verdampfer besteht aas einem inneren Verdampfereleineiit 6, as dem eine Probe 7 gehaltert ist. aas einem äaßeren Verdarapferelement 8. sowie aus einem beide Verdampferelemente 6, 8 umgebenden Strabaragsscbutz 9. Die Kähemittehuführungsieitung 2 ist unmittelbar «or dem Eintritt in den Verdampfer verzweigt (2a. 26). Das Verdampferelement 6 ist an die Kähenuttebnfefaning^eitung la angeschlossen, das Verdampfereie&tent 8 dagegen an die Kä&emittebairabnmgskfittng 2b, so daß den beiden Verdampferelementen 6.8 das flüssige KäJtemittel getrennt zugeführt wird. Des Verdampferelement 6. das zur Kühlung der Probe 7 dient, besteht hier aus einem Metallblock mit einem System von Strömungskanälen, innerhalb derei das flüssige Helium verdampft. Das Abgas wird über die Abgasleitung te. in der ein in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdampferelementes 6 oder der Probe 7 steuerbares Drosselventil 11 (hier als Beipaßregelvetttä gezeichnet, wobei die Steuerleitung gestrichelt eingezeichnet ist) mit Hilfe einer Vakuumpumpe ti in das über den Flansch 13 angeschlossene, hier nicht gezeichnete Hefamrückgew Innungssystem gefördert.

Das zweite Verdampferelement 8 dient als Kryopumpe, mittels derer im Probenraum ständig ein gutes Vakuum aufrechterhalten wird. Hier werden also die einzustefienden Temperaturen für die Probe 7 beispielsweise bei 4,5 K oder höher und für das als Kryopumpe dienende Verdampferelement 8 jeweils unter der Sotttemperatur der Probe liegen. In Fäden, in denen die Probe 7 während des Betriebes nicht freiliegen muß (beispielsweise zur Bestrahlung), können sowohl das Verdampferetemerat 8 ah auch der Strahlungsschutz 9 diι Probe 7 oben umschließen, beispielsweise in Form von auf das Verdampf er element und den Strahlungsschutz aulgesetzten Kappen atts gut wärmeleitendem Material (z. R Kupfer)·

Das Verdampferelement 8 ist hier ein aus einer Rohrwicklung bestehender Zylinder, an dessen AbgasauslaB —üböcherweise über ein Zwischenstuck aus schlecht wärmeleitendem Material — der Eintritt des Strahhüngsschnrtzes 9» der ebenfalls eine zylh.derförmige Rohrwicklung ist angeschlossen ist. Das schließlich aus dem Strahlungsschutz austretende Abgas wird über die Abgasleitung 14, das in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdairapferelementes 8 steuerbare weitere Drosselventil fS und die Vakuumpumpe 16 ebenfalls in das über Flansch 17 angeschlossene Rückgewinnungssystem gefördert

F i g. 2 zeigt einen Verdampferkryostaten für MoIe-

kuiarstrahlexperimente in vereinfachter schematischer Darstellung. Ein zylindrisches Gehäuse VS, das mit Anschlüssen 19.20 für Meßinstrumente, Evakuierung usw. versehen ist. kann über einen Flansch 2t an einen Mo-

s iekuhrstrahlofen nut zugehörigem Blendensystem angeschlossen werden. Diese Teüe, die zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich und außerdim bekannt sind(Lk.: i.A. Morrison. J. T ο ζ ζ i J. Cheat Phys. 41 [1965] 109), sind der ÜfoersichtBchkeit halber wegge-

lassen worden. Das Gehäuse 18 ist am oberen Ende durch einen Deckel 22 vakuumdicht verschlossen, welcher gleichzeitig das in dem Gehäuse 18 angeordnete Verdampfersystein trägt Durch den Deckel 22 ist die Kältemmelzufühnmgsleiffing 23 aindorcfigefübrt, die sich wieder vor Eintritt in den Verdampfer verzweigt <23* ZSb). Mit der Zuleitung 23a ist era oberes Verdampfereiement 24 verbunden, weiches hier als aus einer Rohrwicklung bestehender Zyfeder ausgebildet ist in den gegebenenfalls noch durch WänaeteitBDg gekühlte Blenden oder Baffleteile eingesetzt sem können. Der Abgasaustritt des Verdampferelements 24 ist an den Eintritt eines Strahlungsschutzes 25 angeschlossen, der aus einem metallischen Zylinder 25a und einer auf diesen Zylinder 2Sa aufgelöteten Rohrschlange besteht und sowohl das obere Verdampferekment 24 als auch ein unteres Verdampferetement 26 umsciraeßt Die Abgasleitung 27 vom Strahlungsschutz 25 ist über den Flansch 28, ein nicht gezeichnetes Drosselventil und eine ebenfalls nicht gezeichnete Vakuumpumpe in der üblichen Weise an das Hehumrückgewinnungssystem angeschlossen. Die von einer Kälterorttelzuführungsleitung 23 abgezweigte Kähemittelzuf&hnmgsleitung 23£> ist an das untere Verdampferelemeat 2k bier ebenfalls eine zvtmderförmige Rohrschlange, in die gegebenen·

3S falh durch Wärmeleitung gekühlte Blenden eingesetzt sein können, angeschlossen. Die Abgasleitung 29 vom Verdampferelement 26 ist über den Flansch 30 mit dem Drosselventil, der Vakuumpumpe und dem Rückgewinnungssystem verbunden. Es ist noch zu erwähnen, daß

bei dieser Vorrichtung die Kättemittetzuführung über einen U-förmigen Vakuummantelheber erfolgt der in die Kältemittelzuführungsleitung 23 der Vorrichtung eingekuppelt und mittels des Flansches 31 gasdicht angeschlossen wird.

Auch bei dieser Vorrichtung können wieder die beiden Verdampferelemente 24 und 26 unabhängig voneinander auf gleiche oder verschiedene tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Der die Blende des Motekularstrahtofei» vertassemde, durch einen gestrichelten Pfeil angedeutete Molekularstrahl trh* von unten in die Vorrichtung ein. Er durchläuft das untere Verdampferelement 26 in axialer Richtung. Das erotere Verdämpferdement dient als Kryopumpe für denjenigen Anteil des Gases, der nicht als Strahl durch die Blende hh> durchtritt sondern an der Blende gestreut wird und um die Blende herum noch oben diffundiert (ca. 99%). Das obere Verdampfereteniient dient zum Auffangen des Molekularstrahles selbst

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. der beSebig wähfcare TeroperaturemsteUungen vorzti

   Patents

   röche:

   X. VorricbtoiBg zur .kfeea AafrecoieriMHa öeler ifttnpCTamr

   Verdampfung «en tieJstedeadea Flassigkeiteiv sQsbesoadere m Qossgem HeSum, mit einem Verdampfer. ia dien das flüssige Käiteroediea! aus einem i dnn± Lhiterdrock forderbar ist wobei