DE2421102B2 - Vorrichtung zur erzeugung veraenderlicher temperaturen mit hilfe einer kryofluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung veränderlicher Temperaturen mit Hilfe einer Kryoflüssigkeit, mit einem Vorratsgefäß für tiefkaltes Gas, das mit einer wärmeisolierten Strecke verbunden ist, in der ein wärmeisolierender Strömungswiderstand angeordnet ist und die durch einen gasdichten Verschluß abgeschlossen ist, durch den eine Verdampfungskammer begrenzt wird, und einer Heizvorrichtung mit veränderbarer Heizleistung zwecks Erzeugung einer veränderbaren Temperatur im Abstand zum Strömungswiderstand, nach Patent 23 52 251.

Die Erfindung bezieht sich auf einen sogenannten Kryostaten, mit dessen Hilfe eine Temperatur tiefer als die Umgebungstemperatur automatisch — meist mit großer Genauigkeit — über beliebig lange Zeiten aufrechterhalten werden kann. Der tiefste einstellbare Wert der Temperatur hängt ab vom Siedepunkt der verwendeten Kryoflüssigkeit. Bei Verwendung von Flüssig-Stickstoff beträgt dieser 77 K, bei flüssigem Helium 4,2 K.

Bei einem bekannten Kryostaten wird die Kryoflüssigkeit über ein Drosselventil, z. B. in Form eines Nadelventils, einem Verdampfer zugeführt, und zwar mit Hilfe einer Pumpe und einem der Pumpe vorgeschalteten Steuerventil. Im Verdampfer wird ein Zwei-Phasen-Gemisch, Gas-Flüssigkeit, erzeugt und eine Kühlwirkung durch Verdampfung erzielt. Die Einstellung der gewünschten Temperatur erfolgt durch entsprechende Verstellung des Drosselventils und des Steuerventils oder nur durch Verstellung eines der beiden Ventile über eine geeignete Regelvorrichtung. Ein derartiger Kryostat zeichnet sich durch einen verhältnismäßig hohen Aufwand aus.

Im Hauptpatent 23 52 251 wird ein Verfahren zur

Erzeugung veränderlicher Temperaturen mit Hilfe einer Kryoflüssigkeit angegeben, das mit einfachsten Mitteln durchführbar ist und auf den Einsatz mechanischer beweglicher Teile verzichten kann. Bei diesem Verfahren wird die Kryoflüssigkeit in einer wärmeisolierten Strecke an einer schlecht wärmeleitenden Stelle gedrosselt und im Abstand von dieser Stelle durch Wärmezufuhr eine Temperatur erzeugt, die auf Werte gleich oder höher als die Siedetemperatur der Kryoflüssigkeit einstellbar ist.

Beim Verfahren gemäß dem Hauptpment wird im Bereich der wärmeisolierten Strecke hinter der Drosselstelle, die diesen Bereich gegenüber der Kryoflüssigkeit thermisch isoliert, infolge der Wärmezufuhr eine quasi-statische Dampfblase erzeugt, die zur Kühlung herangezogen wird. Die unter Überdruck stehende quasi-statische Dampfblase bewirkt eine Phasengrenze zwischen Kryoflüssigkeit und Dampfblase an der Drosselstelle.

Durch Veränderung der Wärmezufuhr in dem Bereich der quasi-statischen Dampfblase läßt sich in dieser bzw. außerhalb der wärmeisolierten Strecke mit großer Genauigkeit eine beliebige Temperatur einstellen. Die Anwendung dieses Verfahrens ist unabhängig davon, ob der Kryostat aus Metall, Glas, Kunststoff od. dgl. besteht, und umfaßt die Anwendbarkeit aller Kryoflüssigkeiten, wie Helium, Wasserstoff, Neon, Argon, Stickstoff, Sauerstoff usw.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent besteht darin, daß bei nahezu gleicher Leistungsfähigkeit wie beim bekannten Kryostaten nur ein äußerst geringer Aufwand erforderlich ist. Aufwendige und dem Verschleiß unterworfene Teile wie Regelventile, Pumpen u. dgl. entfallen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent geht aus von einer Anordnung mit einem Vorratsgefäß für tiefkaltes Gas, einer Verdampfereinrichtung, in der das tiefkalte Gas verdampft und an der die Kälteleistung abgenommen wird, und einer Regeleinrichtung zwecks Einstellung einer vorgegebenen Temperatur an der Verdampfereinrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsgefäß mit einer wärmeisolierten Strecke verbunden ist, daß in der wärmeisolierten Strecke ein wärmeisolierender Strömungswiderstand angeordnet ist, daß die wärmeisolierte Strecke durch einen gasdichten Verschluß abgeschlossen ist, durch den eine Verdampfungskammer begrenzt wird, und daß im Abstand zum Strömungswiderstand eine Heizvorrichtung mit veränderbarer Heizleistung angeordnet ist.

Bei einer Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist unter anderem vorgesehen, daß der Verschluß aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer besteht.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der vorgeschlagenen Art noch weiter zu verbessern und den Fertigungsaufwand herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Heizvorrichtung innerhalb der Verdampfungskammer oder in oder an einer der Wände der die Verdampfungskammer begrenzenden Teile angeordnet ist, vorzugsweise im unteren Bereich des Strömungswiderstands.

Die erfindungsgemäUe Vorrichtung gestattet zwar nur die Messung von Proben innerhalb der Verdampfungskammer. Dafür gestaltet sich die Herstellung weitaus einfacher und ermöglicht eine erhebliche Herabsetzung des Ferigungsaufwandes. Es ist z. B. wie

bei der Vorrichtung nach dem Hauptpatent nicht notwendig, zur Herstellung des dort gut wärmeleitenden Abschlusses der Verdampfungskammer eine schwierige Glas-Metallverschmelzung anzufertigen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die ~> Heizvorrichtung, die vorzugsweise eine oder mehrere elektrische Heizwendeln aufweist, an einem gewünschten Ort innerhalb der Verdampfungskammer oder am Ende eines Einsatzkörpers angeordnet, der den Strömungswiderstand in der wärmeisolierten Strecke κι bildet.

Der gasdichte Abschluß der wärmeisolierten Strecke besteht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls aus wärmeisolierendem Material, vorzugsweise aus dem Material des Einsatzkörpers, z. B. Polystyrol, ι "> Polyurethan usw.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben werden.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kryostaten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kryostaten ist ein Vorratsgefäß 17 mit einer Kryoflüssigkeit 18 vorgesehen. An das Vorratsgefäß 17 schließt sich eine rohrartige Strecke 19 an, deren Wandung aus schlecht wärmeleitendem Material wie schlecht wärmeleitendem Glas, Edelstahl oder Kunststoff gebildet ist. Das freie Ende der Strecke 19 wird durch eine Platte 20 aus isolierendem Material gasdicht abgeschlossen. Im oberen Bereich der Strecke 19 ist ein Einsatzkörper 22 in Form eines Doppelkonus eingesetzt. Die Kante 23 ist passend zum Innenumfang der Wandung der Strecke 19 ausgebildet, so daß an dieser Stelle eine Dichtwirkung erzeugt wird. Der Einsatzkörper 22 besteht aus schlecht wärmeleitendem Material, vorzugsweise aus Polystyrol, 1 j Polyurethan od. dgl. Einsatzkörper 22, Platte 20 und Strecke 19 begrenzen eine Verdampfungskammer 24. Eine Vakuumkammer ist durch eine gestrichelte Linie 25 angedeutet.

Mit Hilfe einer Heizwendel 26 in der Verdampfungskammer 24 wird in dieser eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur der Kryoflüssigkeit 18, die in geringer Menge über die Kante 23 einleckt, erzeugt. Als Folge davon baut sich in der Verdampfungskammer 24 eine quasi-statische Dampfblase unter Überdruck auf, die die Kryoflüssigkeit 18 im Vorratsgefäß 17 trägt. Die Grenze zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase entsteht im Bereich der Kante 23. In Abhängigkeit von der der Heizwendel 26 von der Stromquelle 27 zugeführten Energie kann eine beliebige Temperatur zwischen dem Siedepunkt der Kryoflüssigkeit 18 und Temperaturen weit oberhalb der Raumtemperatur eingestellt werden. Der erreichbare Höchstwert für die Temperatur wird durch die Materialeigenschaften der verwendeten Werkstoffe für den Kryostaten bestimmt. Die Proben werden in die Verdampfungskammer 24 eingebracht. Hierfür ist eine nicht gezeigte Zugangsöffnung erforderlich. Des weiteren kann ein Fenster in der Strecke 19 vorgesehen werden, um eine optische Kontrolle und Beobachtungen sowie optische Messungen zu ermöglichen.

Im Strompfad der Heizwendel 26 ist eine nicht näher beschriebene Regelvorrichtung 28 geschaltet, um die Stromzufuhr zur Heizwendel 26 auf beliebige gewünschte Werte einzustellen.

Durch ein Verschieben des Einsatzkörpers 22 nach oben kann der Dichtspalt an der Kante 23 vergrößert werden, um Kryoflüssigkeit direkt in die Verdampfungskammer 24 zu geben, damit diese rasch abgekühlt wird.

Anstelle die Heizwendel innerhalb der Verdampfungskammer 24 anzuordnen, kann sie auch am unteren Ende des Einsatzkörpers 22 vorgesehen werden, wie durch das Bezugszeichen 29 bezeichnet. Die Heizv/endel 29 kann in gleicher Weise wie die Heizwendel 26 mit Strom versorgt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung veränderlicher Temperaturen mit Hilfe einer Kryoflüssigkeit, mit einem Vorratsgefäß für tiefkaltes Gas, das mit einer wärmeisolierten Strecke verbunden ist, in der ein wärmeisolierender Strömungswiderstand angeordnet ist und die durch einen gasdichten Verschluß abgeschlossen ist, durch den eine Verdampfungskammer begrenzt wird, und einer Heizvorrichtung mit veränderbarer Heizleistung zwecks Erzeugung einer veränderbaren Temperatur im Abstand zum Strömungswiderstand, nach Patent 23 52 251, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung innerhalb der Verdampfungskammer (24) oder in oder an einer der Wände der die Verdampfungskammer (24) begrenzenden Teile angeordnet ist, vorzugsweise im unteren Bereich des Strömungswiderstands (22).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine oder mehrere elektrische Heizelemente aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gasdichte Verschluß der wärmeisolierten Strecke (19) seinerseits aus wärmeisolierendem Material besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende Material das gleiche ist wie das Material des den Strömungswiderstand bildenden Einsatzkörpers (22).