DE2449129B2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kryostaten bestehend aus einem wärmeisolierten
Gefäß zur Aufbewahrung von kryogenen Produkten, dessen Hals mit einem nichtmetallischen Stopfen
verschlossen ist, wobei zwischen dem Hals und dem Stopfen ein schraubenlinienförmiger Kanal zur Abfuhr
der Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte in die Atmosphäre gebildet ist.
Ein Kryostat der vorotehenc genannten Bauart, der
allerdings zur Kühlung von Supraleitungsspulen dient, ist aus der DE-OS 15 01 319 jekannt. Bei dieser
bekannten Ausbildung ist der schraubenlinienförmige Kanal in Form einer in den Stopfen eingeschnittenen
schraubenlinienförmigen Nut ausgebildet und außen durch die innere Oberfläche des metallischen Gefäßhalses begrenzt. In die Schraubennut sind außerdem
Stromzuführungen für die Supraleitungsspule eingelegt.
Der bekannte Kryostat ist nicht geeignet zur Aufbewahrung von Bioprodukten über längere Zeiträume in der Größenordnung von mehreren Monaten. Die
geometrischen Abmessungen und die verwendeten Werkstoffe sind so, daß dem Wärmeübergang kein sehr
großer Widerstand entgegengesetzt ist. Somit kann nicht verhindert werden, daß bedeutende Wärmeströme
aus der Umgebung in den Kryostaten gelangen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die: Schaffung eines Kryostaten, mit dem Bioprodukte über längere
Zeiträume zuverlässig aufbewahrt werden können. Es geht dabei zum Beispiel in der Landwirtschaft um die
Aufbewahrung der Samenflüssigkeit von Zuchttieren oder in der Medizin um die Aufbewahrung von lebenden
G?weben, Blut oder anderen Präparaten. Die zuverlässig mögliche Aufbewahrungsdauer soll erheblich höher
als bei bekannten Kryostaten liegen.
Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß der Gefäßhals aus einem Material einer Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,35 bis
0,4 W/m grd und einer Gasdurchlässigkeit für Luft, Stickstoff und Sauerstoff von I · I0-* bis
5 · 10 6Cm1 cm/cm2 see atm besteht, und daß der
schraubenlinienförmige Kanal durch eine schraubenförmige Nut in der Innenfläche des Halses gebildet ist,
welche an einer Stirnseite des Halses beginnt und an seiner entgegengesetzten Stirnseite endet, wobei das
Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche der schraubenförmigen Nut in mm2 und ihrer Länge in mm 1 :52
beträgt
Bei einer solchen Ausbildung, insbesondere der Ausbildung des Gefäßhalses mit minimaler Dicke und
mit den geforderten Werkstoffkenndaten wird überraschenderweise erreicht, daß nur noch etwa 0,2831
flüssiger Stickstoff pro Tag verdampft, was bei einem Kryostaten mit einem Fassungsvermögen von 341
bedeutet, daß die mögliche Aufbewahrungszeit 120 Tage erreicht
Kanals im Gefäßhals ergibt sich eine wirksamere Kühlung desselben durch die abziehenden Dämpfe,
ohne daß der hydraulische Widerstand des Kanals so groß wird, daß es zu unzulässig hohen Drücken des
verdampfenden kryogenen Produkts käme.
Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigegebenen Zeichnung weiter erläutert. Diese Zeichnung zeigt
die schnittbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten.
Der Kryostat besteht aus einem wärmeisolierten Gefäß 1 für kryogene Produkte, zum Beispiel flüssiger
Stickstoff, verflüssigte Luft, flüssiger Sauerstoff, bei dem 80 bis 900K verdampfen. Dieses Gefäß ist wie üblich,
z. B. aus einer Aluminium- oder einer anderen
Legierung ausgeführt, die ein spezifisches Gewicht von
2,63 -=- 2,7 g/cmJ und eine Festigkeit von
19 -r 32 kp/mm2 aufweist.
Der Hals 2 des Gefäßes 1 ist demgegenüber aus einem Werkstoff hergestelft, der folgenden Forderun-
niedrige Wärmeleitfähigkeit, nämlich 0.31) 0,4 W/m
grd und
niedrige Gasdurchlässigkeit. nimlich
«ο stoff und Sauerstoff.
Die letztgenannte Kennziffer bedeutet, daß bei einer Wandstärke von 1 cm nur maxim:ii 5 · IO-6 cm' Dampf
pro cm2 Durchtrittsfläche, Sekunde und Atmosphäre Druckdifferenz durchtreten können.
Ferner soll der Halswerkstoff eine Zugfestigkeit von 10 bis 20 kp/mm2 aufweisen und besteht zum Beispiel
aus glasfaserverstärktem Kunststoff wie etwa Glasfasern, durchtränkt mit Phenol-Formaldehyd-Harz oder
Glasgewebe, durchtränkt mit einem Gemisch von
w Epoxid- und Phenol-Formaldehyd-Harzen mit Zusätzen
von Furfurol.
Das Gefäß 1 wird mit einem Stopfen 3 verschlossen, der in den Hals 2 eingesteckt wird. Der Stopfen besteht
vorzugsweise ebenfalls aus Werkstoffen niedriger
einer Festigkeit von 5 4-15 kp/mm2, beispielsweise aus
Schaumstoffen auf der Grundlage von Polyesterzyanat, Polystyrol und Phenol-Formaldehyd-Harz.
nienförmige Nut ausgearbeitet, die zusammen mit der
Oberfläche des Stopfens 3 einen schraubenlinienförmigen Kanal 4 ausbildet, durch den die Dämpfe der
verdampfenden kryogenen Produkte aus dem Gefäß 1 in die Atmosphäre abgeführt werden.
Bekanntlich ist es zur Verlängerung der Lagerungsdauer von Bioprodukten in Kryostaten vor allem
wesentlich, die Wärmezufuhr aus der Umgebung zu den kryogenen Produkten über den Gefäßhals zu verrin-
gern, da bei Verwendung einer hocheffektiven mehrschichtigen Vakuumwärmeisolation die Wärmeströme
über andere Bauelemente nur unwesentlich sind. Bei der vorliegenden Bauart des GefäBhalses ergibt sich eine
minimale Wärmezufuhr, und zwar erstens durch die Ausführung des Halses und des Stopfens aus Werkstoffen
mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und zweitens durch eine vollständige Nutzung der Kälte der Dämpfe
der verdampfenden kryogenen Produkte zur Abkühlung dieser Bauelemente. Dabei werden die Verhältnisse
so gewählt, daß die Dämpfe des verdampfenden kryogenen Produktes infolge des Wärmeaustausch^ mit
den Oberflächen des Halses und des Stopfens am Austritt aus dem Hals in die Atmosphäre die
Temperatur derselben e/reichen.
Die geometrischen Abmessungen des Kanals 4 sind so gewählt, daß die infolge der Verdampfung des
kryogenen Produktes entstehenden Dämpfe im Gefäß I keinen Oberdruck bilden, daß heißt, daß der hydraulische
Widerstand des Kanals 4 (abhängig von der Fläche >o
des Querschnittes des Kanals und seiner Länge) mit dem Voliimendurchsatz der Dämpfe des verdampfenden
kryogenen Produktes, der von der Wärmezufuhr zum Produkt abhängt, mit seiner Verdampfungswärme und
der Dichte des kryogenen Produktes übereinstimmen :><;
soll; zweitens soll die Länge des Kanals 4 so sein, daß die
Dämpfe des verdampfenden kryogenen Produktes während ihres Durchströmens durch den Kanal 4 ihre
Kälte vollständig an den Hals 2 und den Stopfen 3 abgeben und demzufolge die Wärmezufuhr zu diesen
Elementen bis auf ein Minimum reduziert ist.
Es besteht die Möglichkeit der Ausführung von zwei oder mehreren schraubenlinienförmigen Kanälen, wenn
es nicht möglich ist, die obengenannten widersprechenden Bedingungen zu erfüllen, da es zur Verringerung des »
hydraulischen Widerstandes des Kanals 4 erforderlich ist, die Fläche seines Querschnittes zu vergrößern und
die Kanallänge zu vermindern, während zur Gewährleistung einer effektiven Abkühlung des Halses und des
Stopfens die Räche des Querschnittes des Kanals verringert -nd seine Länge vergrößert werden müßte.
Das Gefäß 1 des Kryostaten ist mit einem vakuumdichten Mantel 5 geschützt, der aus Aluminium
oder ··:-, anderen geeigneten Legierungen ausgeführt ist, die ein spezifisches Gewicht von 2,63 -7· 2.7 g/cm1
und eine Festigkeit von 19 -=- 32 kp/mm2 aufweisen. Die
Befestigung des Gefäßes 1 im vakuumdichten Mantel 5 erfolgt am Hals 2. Der Raum zwischen dem Gefäß 1 und
dem vakuumdichten Mantel 5 ist mit einer mehrschichtigen Vakuumisolation 6 ausgefüllt, beispielsweise einer
geriffelten, beiderseitig aluminisierten Polyäthylenterephtalatiolie,
die beiderseitig mit Glasgewebe beschichtet ist
Im Gefäß 1 ist eine Beschickungsvorrichtung eingebaut, die einige Behälter 7 einschließt, die mit
Ampullen mit Bioprodukten gefüllt sind. Zur räumlichen Festlegung der Beschickungsvorrichtung sind Nuten 8
im oberen Teil des Halses 2 des Gefäßes 1 vorgesehen.
Die Benutzung des beschriebenen Kryostaten geschieht wir folgt:
Ein kryogenes Produkt, beispielsweise flüssiger Stickstoff, wird durch den Hals 2 in das Gefäß 1
eingegossen. Mit dem Beginn der Füllung des Kryostaten mit einem kryogenen Produkt beginnt die
Adsorptionspumpe 9 wirksam zu werden, die an der Außenfläche des Gefäßes 1 angebracht ist und zur
Wiederherstellung des Vakuums bis zu einer Größe von mindestens ] · 10—· Torr im Raum zwischen dem Gefäß
I und dem vakuumdichten Mantel 5 dient Die Adsorptionsnumpe 9 unterhält ein Vakuum der
genannten Größenordnung während oer ganzen Verweilzeit des jeweiligen kryogenen Produktes im Gefäß 1
und sichert die Wirksamkeit der mehrschichtigen Vakuumisolation 6.
In uas mit flüssigem Stickstoff gefüllte Gefäß 1
werden durch den Hals 2 mittels Stangen 10 die Behälter 7 der Beschickungsvorrichtung eingebracht.
Die Lage der Behälter 7 im Gefäß 1 wird unter Zuhilfenahme der Stangen 10 und der Nuten 8 fixiert.
Nach der Befestigung der Behälter 7 wird in den Hals 2 spielfrei der Stopfen 3 eingesteckt. Dadurch wird aus
der in der Halsinnenfläche eingeschnittenen Nut der Kanal 4 mit den Abmessungen 5 χ 5 χ 1300 mm
gebildet.
Die Dämpfe des flüssigen Stickstoffes, die das Gefäß 1 durch den Kanal 4 verlassen, kühlen den Hals 2 und den
Stopfen 3 ab und werden dabei durch die Wärmezufuhr aus der Umgebung aufgewärmt, die durch den Hais und
den Stopfen geleitet wird. Dabei bewirkt die Länge des sc'iraubenlinienförmigen Kanals 4 von 1300 mm eine
vollständige Nutzung der Kälte der Dämpfe des verdampfenden flüssigen Stickstoffs.
Das Vakuumieren des Raumes zwischen dom Gefäß 1
und dem vakuumdichten Mantel 5 er'olgt über einen Anschluß 11.
Claims (1)
- Patentanspruch:Kryostat, bestehend aus einem wärmeisolierien Gefäß zur Aufbewahrung von kryogenen Produkten, dessen Hals mit einem nichtmetallischen Stopfen verschlossen ist, wobei zwischen dem Hals und dem Stopfen ein schraubenlinienförmiger Kanal zur Abfuhr der Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte in die Atmosphäre gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßhals (2) aus einem Material einer Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,35 bis 0,4 W/m grd und einer Gasdurchlässigkeit für Luft, Stickstoff und Sauerstoff von 1 - 10~8 bis 5 · 10~6 cm3 cm/cm2 sec atm besteht, und daß der schraubenlinienförmige Kanal durch eine schraubenförmige Nut in der Innenfläche des Halses (2) gebildet ist, welche an einer Stirnseite des Halses (2) beginnt und an seiner entgegengesetzten Stirnseite endet, wobei das Verhältnis zwischen dei Querschnittsfläche der schraubenförmigen Nut in mm2 uai ihrer Länge in mm 1 :52 beträgt.
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