DE2856356A1

DE2856356A1 - Kryostatisches temperatur-regelungssystem und kryostat dafuer

Info

Publication number: DE2856356A1
Application number: DE19782856356
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Hoxan Co Ltd
Current assignee: Hoxan Co Ltd
Priority date: 1977-12-28
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2856356C2; FR2413707B1; JPS5526387B2; FR2413707A1; GB2012403A; GB2012403B; JPS5491850A

Description

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Kryostatisches Temper itur-Regelungssystem und Kryostat dafür

Gegenstand dieser Erfindung ist ein mit Flüssiggas arbeitender Kryostat. In das Flüssiggas kann ein gewünschter Gegenstand eingesetzt und auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden. Gegenstand dieser Erfindung sind insbesondere aber ein kryostatisches Temperatur-Regelungssystem und ein dafür verwendeter Kryostat in offener Ausführung. In dieser Kryostaten wird zwischen zwei Flüssiggasen, die unterschiedliche Temperaturen haben - eines der Flüssiggase hat eine höhere Temperatur und hierin ist der zu kühlende Gegenstand eingesetzt, ein gesteuerter und geregelter Wärmeaustausch derart herbeigeführt, daß eine gewünschte Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt und dem Siedepunkt des Gases eingehalten werden kann.

In die nach dem bishergen Stand der Technik bekannten Kryostaten - diese sind so konstruiert und ausgelegt, daß ein Flüssiggasgemisch niedriger Temperatur in einen geschlossenen und wärmeisolierten Behäter geblasen wird oder bereits in einem wärmeisolierten offenen Gefäß enthalten ist - wird der zur kühlende Gegenstand nur eingesetzt.

M it den zuvor angeführten beiden Kryostat-Ausführun· gen nach dem bisher bekannten Stand der Technik jedoch war es - weil das Flüssiggasgemisch oder das Flüssiggas nur als Kühlmedium verwendet worden ist und verwendet wird - unmöglich, einen niedrigeren Temperaturbereich zu erzielen, als einen solchen,

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der nur allein durch die Verwendung des vorerwähnten Kühlmediums erzielt werden konnte. Weiterhin ist es im Falle der Kryostaten mit geschlossenem Behälter schwierig und mühselig, den Gegenstand in den Behälter einzusetzen und auch wieder aus dem Behälter herauszunehmen, der gekühlt werden soll. Darüber hinaus sind die Kryostaten durch Änderungen in der Umgebungstemperatur auch Störungen unterworfen.

Bei den Kryostaten der offenen Ausführungen, d.h. mit einem offenen Gefäß, neigt die Temperatur dazu, unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur anzusteigen, so daß ein teueres Kühlmedium als Gas in Großmengen an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird, so daß zum Ausgleich des Wärmeverlustes Kühlmittel zugesetzt werden muß, was unwirtschaftlich ist.

Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, die vorerwähnten Probleme, Schwierigkeiten und Nachteile dadurch zu beseitigen, daß sie einen Kryostaten der offenen Ausführung mit zwei Flüssiggasen vorsieht; daß die beiden Flüssiggases gegeneinander unterschiedliche Temperaturen haben; daß zwischen diesen Flüssiggasen ein Wärmeaustausch am Siedepunkt oder unter dem Siedepunkt von einem dieser beiden Flüssiggase, daß eine niedrigere Temperatur hat, derart herbeigeführt wird, daß das Gas mit der höheren Temperatur zwischen Schmelzpunkt (Erstarrungspunkt) und Siedepunkt auf

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einer gewünschten Temperatur gehalten werden kann.

Die Erfii lung löst die Aufgabe in der nachstehend angeführten Weiser-Sie sieht ein Regelungssystem vor, welches die Temperatur des Flüssiggases mit der höheren Temperatur auf einem gegenüber dem Siedepunkt dieses Gases niedrigeren Wert gehalten werden kann, wobei sich diese Temperatur über einen genügend großen Regelbereich herbeiführen läßt, und dies mit einer für die Regeltemperatur gegebenen Stabilität, die von Störungen nicht beeinträchtigt werden kann.

Darüber hinaus wird in dem Flüssiggas mit der höheren Temperatur eine gleichmäßige und gleichförmige Temperaturverteilung dadurch erzielt, daß dieses Flüssiggas der höheren Temperatur umgerührt wird.

Weiterhin wird bei einem Kryostaten der offenen Ausführung der Wärmever1 ust dadurch verringert, daß dieses Flüssiggas dadurch in seiner Menge erhalten bleibt, daß es auf einer Temperatur unter seinem Siedepunkt gehalten wird.

Weiterhin soll die Zielsetzung im Rahmen dieser Erfindung auch noch in einer vereinfachten und wirtschaftlichen Weise erreicht werden.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit ein kryostatisches Temperatur-Regelungssystem mit zwei wärmeisolierten Behältern, die jeweils mit einem Flüssiggas gefüllt sind, welches gegenüber dem jeweils anderen eine andere Temperatur hat. Die beiden Flüssiggase sind nun derart angeordnet, daß ein gesteuerter Wärmeaustausch dadurch stattfinden kann, daß zwischen

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den beiden Flüssiggasen ein Wärmetauschermedium angeordnet ist, und zwar derart, daß das eine der Flüssiggase, welches die höhere Temperatur hat und in das der zu kühlende Ggenstand eingesetzt wird, zwischen dem bchmelzpunkt(Erstarrungspunkt) und dem Siedepunkt auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden kann.

Diese Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungesbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-

Fig. 1 Einen schematischen Schnitt durch einen bevorzugten Kryostaten dieser Erfindung.

Fig. 2 Ein Kennliniendiagramm betreffend die Temperaturbedingungen des in dem Kryostaten nach Fig. 1 verwendeten inneren Flüssiggases.

Wie nun anhand der Zeichnung, isnbesondere abtr anhand von Fig. 1, zu erkennen ist, ist ein offener oder geschlossener Außenbehälter (Wärmeisolationsbehälter) mit der allgemeinen Hinweiszahl 1 gekennzeichnet. Dieser Behälter 1 hat einen doppelwandige Behälterkörper 2 mit einem Vakuum-Zwischenraum 3. Die allgemeine Hinweiszahl 4 steht für einen Innenbehälter ähnlicher Konstruktion, in dessen Behälter-Doppelwandung 5 ein Zwischenraum 6 vorgesehen ist.

Der Innenbehälter 4 ist im Außenbehälter 1 angeordnet. Bei diesen Bedingungen enthält der Außenbehälter 1 ein äußeres Flüssiggas 7, beispielsweise verflüssigten Stickstoff, das gegenüber dem in dem Innenbehälter 4 befindlichem Flüssiggas eine niedrigere Temperatur hat. Das innere Flüssiggas kann Freon R-I₃

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oder Freon R-,* sein, und das ist relativ teuer.

In don Wandungs-Zwisch· nraum 6 des Innenbehälters 4 wird ein Wärmetauschermedium, beispielsweise Helium oder Wasserstoff derart eingegeben, daß seine Menge je nach Wunsch durch Regelung verändert werden kann. Zu diesem Zweck sind nach Fig. la vorgesehen: ein Regler (Gaszuführung) zum Zuführen des Wärmetauschermediums 9 in den vorerwähnten Wandungs-Zwischnraum 6 sowie ein anderer Regler (Gas-Saugpumpe) 11 zum Entfernen des Wärmetauschermediums aus dem Wandungs-Zwischenraum 6. Diese sind mit dem Wandkörper des Innenbehälters 4 verbunden.

Im Innenbehälter weiterhin angeordnet sind: ein Rührwerk 13, das von einem Elektromotor 12 angetrieben wird; eine elektrische Heizvorrichtung 14 in der Form eines Drahtes aus Manganin oder aus ähnlichem Material; schließlich auch noch ein Thermoelement 15. über das Arbeiten des Thermoelementes 15 wird die Heizvorrichtung 14 eingeschaltet und mit Strom versorgt.

Als äußeres Flüssiggas 7 kann beispielsweise flüssiger Stickstoff verwendet werden, der eine Temperatur von rund -196 C hat. Demgegenüber hat Freon R,., das von dem äußeren Flüssiggas gekühlt wird, als inneres Flüssiggas einen Schmelzpunkt (Erstarrungspunkt) von -181⁰C und einen Siedepunkt von -81⁰C.

Während des Betriebes wird der Zwischenwandraum 6 des Innenbehälters durch den Regler 11 bis auf Vakuum entleert, dann wird ein Wärmetauschermedium (beispielsweise Helium) 9 in dieses Zwischenwandraum 6 durch den anderen Regler 10 gegeben, liie den Wandkörper 5 thermisch leitend macht.

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Damit kann zwischen den beiden Flüssiggasen 7 und 8 durch den Wandkörper 5 hindurch, in dem das Wärmetauschermedium 9 enthalten ist, ein Wärmeaustausch stattfinden, wobei das äuße.e Flüssiggas 7,das gegenüber dem inneren Flüssiggas 8 eine niedrigere Temperatur hat und kühler ist, das innere Flüssiggas 7 abzukühlen beginnt, und zwar bis hin zur kryostatischen Temperatur.

Wie in Fig. 2 dargestellt, beträgt in diesem Fall die im inneren Flüssigkeitsgas 8 zu erreichende konstante Temperatur annahmegemäß -17O⁰C. Weil die Wärmedurchgangsmenge/Wärmedurchgangsgeschwindigkeit vom inneren Flüssiggas 8 zum äußeren Flüssiggas 7 proportional der Menge des in dem Wandkörper 5 enthaltenen Wärmetauschermediums 9 ist, wird die Menge dieses Wärmetauschermediums 9 unter Verwendung des Reglers 10 vergrößert, damit die Abkühlgeschwindigkeit des inneren Flüssiggases 8 erhöht wird, bis daß das innere Flüssiggas fast die gewünschte kryostat!sehe Temperatur (-170 C) angenommen hat, d.h. bis zum Erreichen des in Fig. 2 angeführten Zeitpunktes T₁. Während der zwischen T, und Tp liegenden Periode, während dein die Temperatur des inneren Flüssiggases 8 sehr nahe an die genwünschte konstante Temperatur herankommt, wird der andere Regler eingesetzt, d.h. der Regler 11, um eine entsprechende Menge des Wärmetauschermediums 9 aus dem Wandkörper 5 abzuziehen, damit die Geschwin !keit der Temperaturverringerung genau eingestellt wird, um das innere Flüssiggas 8 genau auf die gewünschte Temperatur von (-17O⁰C) zu bringen.

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Die thermische Leitfähigkeit und die Wärmedurchlässigkeit des Wandkörpers 5wird bestimmt durch die Vermehrung und die Verringerung der im Wandkörper 5 enthaltenen Menge des Wärmetauschermediums 9. Dabei wird dann auch die Wärmedurchgangsmenge oder Wärmedurchgangsgesc hwindigkcit vom inneren Flüssiggas S zum äußeren Flüssiggas 7 gesteuert und geregelt. Man kann also sagen, daß die Vermehrung des Wärmetauschermediums 9 im Wandkörper einen stärkeren Wärmeaustausch zwischen den beiden Flüssiggasen bewirkt, während um gekehrt eine Verringerung des Wärmetauschermediums eine stärkere Abkühlungsgeschwindigkeit beim inneren Flüssiggas 8 verursacht, oder auch in umgekehrter Weise.

Nachdem einmal das innere Flüssiggas 8 auf die gewünschte konstante Temperatur gebracht worden ist, und zwar in der zuvor beschriebenen Weise, wird die Menge des in dem Wandkörper 5 enthaltenen Wärmetauschermediums 9 derart vermehrt oder verringert, wie dies dazu erforderlich ist, um das innere Flüssiggas auf der gewünschten Temperatur von (-170 C) zu halten. Damit aber kann das innere Flüssiggas 8 dadurch auf der gewünschten konstanten Temperatur gehalten werden, daß die Menge, d.h. die thermische Leitfähigkeit, des vorerwähnten Wärmetauschermediums 9 gesteuert und geregelt wird.

Im Regelungsverlauf, kann zur Erzielung und Einhaltung der gewünschten Temperatur des inneren Flüssiggases 8 die bereits angeführte Heizvorrichtung 14 in Betrieb genommen werden, und dies entweder für

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sich allein oder in Kombination mit der Temperatur-Regelungsvorrichtung.

Bei dem bereits angeführten Temperatur-Regelungssystem wird die Temperatur des inneren Flüssiggases 8 von einem Thermoelement 15 erfaßt und gemessen. Dieses Thermoelement 15 schaltet entsprechend der jeweils gemessenen Temperatur die Heizvorrichtung 14 ein und aus. Wenn also die Temperatur des inneren Flüssiggases 8 unter der gewünschten Solltemperatur liegt, dann hat dies zur Folge, daß vom Thermoelement 15 die Heizvorrichtung 14 eingeschaltet und solange im Einschaltzustand gehalten wird, bis daß das innere Flüssiggas wieder genau die gewünschte Solltemperatur angenommen hat.

Weil es wünschenswert ist, daß das innere Flüssiggas 8, das auf einer konstanten Temperatur gehalten werden soll, innerhalb des Innenbehälters 4 eine gleichmäßige und gleichförmige Temperaturverteilung aufweist, ist ein Rührwerk 13 vorgesehen, laß dauernd und in regelmäßigen Abständen eingeschaltet wird und dann eine Normalisierung der Temperaturverteilung im inneren Flüssiggas 8 herbeizuführen hat. In dem offenen Innenbehälter, ist der Oberflächenspiegel des inneren Flüssiggases 8, das in diesem Behälter enthalten ist, zur Umgebung hin offen und neigt somit zum Verdampfen. Das Umrühren mit dem Rührwerk 13 wirkt sich jedoch dahingehend aus, daß die Gesamtheit auf der gewünschten Solltemperatur unterhalb des Gas-Siedepunktes über einen langen Zeitraum hinweg gehalten wird. Das aber bedeutet, daß ein Verdampfen des

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inneren Flüssiggases 8 in die umgebende Atmosphäre verhindert wird.

Weiterhin kann - ebenfalls im Rahmen dieser Erfindung · eine Heizvorrichtung im Wandungszwischenraum 6 des Wandkörpers 5 installiert werden,und zwar zwecks Steuerung und Regelung der Temperatur des inneren Flüssiggases 8.

Darüber hinaus kann der Betrieb der beiden Regler 10 und Π über ein Thermoelement oder p-.ien ähnlichen Meßfühler, der in der für die Heizvorrichtung 14 zutreffenden Weise im Innenbehälter vorgesehen wird, durch Einschalten und Ausschalten gesteuert und geregelt werden.

Weil der Kyrostat dieser Erfindung mit einem oben offenen Innenbehälter 4 arbeitet, wird das Einsetzen eines Gegenstandes , der in dem inneren Flüssiggas 8 gekühlt werden soll, oder dessen Herausnehmen in vorteilhafter Weise erleichtert. Weil zudem das innere Flüssiggas 8 von dem äußeren Flüssiggas 7 kontinuierlich gekühlt wird, wobei das äußere Flüssiggas eine niedrigere Temperatur hat, wird das innere Flüssiggas auf einer Temperatur gehalten, die unter dem Siedepunkt dieses inneren Flüssiggases 8 liegt. Deshalb kann trotz des offenen Innenbehälters 4 ein Verdampfen des inneren Flüssiggases 8 in die umgebende Atmosphäre unterdrückt werden, was wiederum bewirkt, daß auch der Verbrauch an diesem inneren Flüssiggas, das oft teuer sein kann, spürbar und beachtlich verringert werden kann. Weil weiterhin das innere Flüssiggas 8 noch von dem Rührwerk 13 umgerührt wird,

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kann dieses Flüssiggas nicht nur eine gleichmäßige und gleichförmige Temperaturverteilung haben und einen darin eingesetzten Gegenstand auf die gewünschte Temperatur abkühlen,es wird vielmehr auch eine Verschwendung des inneren Flüssiggases 8, die auf den Kontakt des Oberflächenspiegels mit der Umgebungsatmosphäre zurückzuführen ist, durch Erwärmung dieser Oberfläche bis über den Siedepunkt hinaus, vermieden werden. Damit läßt sich ein Kryostat dieser Erfindung viel vielseitiger Einsätzen, weil es möglich ist, den Kryostaten auf eine gewünschte Kühl temperatur einzustellen, und zwar innerha·) eines größeren Bereiches der Flüssiggas-Temperaturen, und zwar über den Temperaturbereich hinaus, der mit dem äußeren Flüssigkeitsgas, das gegenüber dem inneren Flüssiggas eine niedrigere Temperatur hat, erreicht werden kann.

Wie bereits erwähnt, kann die Temperatur des inneren Flüssiggases 8 ganz allein durch die Steuerung und Regelung der Wärmetauschermenge zwischen den beiden Flüssiggasen 7 und 8 gesteuert und geregelt werden, oder aber in Kombination mit der bereits genannten Heizvorrichtung, die wiederum für sich alleine oder in Kombination mit dem Wärmetauschermedium 9 gesteuert und geregelt werden kann.

Darüber hinaus läßt sich das kryostatische Temperatur-Regelungssystem dieser Erfindung bei einem Kryostaten leicht dadurch verwenden, daß man nur zwei Behälter (den Außenbehälter 1 und den Innenbehälter 4) miteinander kombiniert, daß man die beiden Regler

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und 11 sowie ein Rührwerk 13 vorsieht und einbaut. Mit solche einer einfachen Konstruktion und bei Verwendung von unterschiedlichen Flüssiggasen und eines Wärmetauschermediums kann mit dem Kryostaten die gewünschte kryostatische Temperatur erzielt und eingehalten werden, ohne daß man dazu Großgeräte zu verwenden braucht.

- Ende -

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Claims

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Kryostat!sch es Temperatur-Regelunjssystern und Kryostat dafür

Patentansprüche:-

Kryostatisches Temperatur-Regelungssystem für Kryostaten. Dieses System

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihm gehören:- ein innerer Behälter offener Ausführung mit darin befindlichem Flüssiggas, in das ein zu kühlender Gegenstand eingesetzt wird; ein äußerer Behälter mit einem darin befindlichen äußeren Flüssiggas, das eine gegenüber dem vorerwähnten inneren Flüssiggas niedrigere Temperatur hat; ein Wärmetauschermedium in einem Zwischenraum, der in dee Wandung des vorerwähnten inneren Behälters geformt ist und eine Trennwand zwischen dem vorerwähnten inneren Flüssiggas und dem vorerwähnten äußeren Flüssiggas bildet, wobei das äußere Flüssiggas zum Kühlen des vorerwähnten inneren Flüssiggases verwendet wird, und zwar auf eine Temperatur, die untere dessen Siedepunkt liegt; eine Temperaturregelungsvorrichtung, die derart funktioniert, daß sie das innere Flüssiggas auf der gewünschten Temperatur hält; ein Rührwerk zum Umrühren des inneren Flüssiggases, damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung in diesem Gas gewährleistet ist.
2. Kryostatisches Temperatur-Regelungssystem für Kryostaten nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

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daß das genannte Temperatur-Regelungssystem
derart angelegt ist, daß es in dem Wandungszwischenraum des vorerwähnten inneren Behälters die Menge des Wärmetauschermediums dadurch vergrößert oder verringert, daß das Wärmetauscherniedium zugeführt oder abgeführt wird, so daß sich schließlich eine Temperaturregelung ergibt.

Kryostatisches Temperatur-Regelungssystem für
Kryostate nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturregelungsvorrichtung besteht aus einer in den Wandungszwischenraum eingesetzten Heizvorrichtung - im Wandungszwischenraum
des inneren Behäl ters - und aus einem wärmeeiipfindlichen Element, das die Temperatur des inneren Flüssiggases erfaßt und mißt und dadurch den Heizvorgang der Heizvorrichtung entsprechend der gemessenen Temperatur steuert und regelt.

Kryostatisc hes Temperatur-Regelungssystem für Kryostate nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,
daß der innere Behälter mit einer weiteren Heizvorrichtung ausgerüstet ist, die das innere
Flüssiggas erwärmt, daß von dem Wärmemeßfühler die Temperatur des inneren Flüssiggases gemessen und erfaßt wird, daß schließlich die Heiz-Leistung der vorerwähnten anderen Heizvorrichtung entsprechend der so gemessenen Temperatur gesteuert und geregelt wird.

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Kryostat!sehe Temperatur-Regelungsvorrichtung für Kryostate. Diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr ghören:- ein offener Innenbehälter mit einem in ihm befindlichen inneren Flüssiggas - dieser Innenbehälter mit einem Wandungskörper 5 in Doppelwandkonstruktion, in dem ein Wärmetauschermedium enthalten ist; ein in wärmeisolierter Konstruktion ausgeführter Außenbehälter mit einem darin befindlichen äußeren Flüssiggas; eine Temperatur-Regelungsvorrichtung,die die Temperatur des inneren Flüssiggases auf einen bestimmten Wert zu halten hat; ein in dem Wandungszwischenraum untergebrachter Regler, der die Menge des Wärmetauschermediums in diesem i.andungszwischenraum zu steuern und zu regeln hat und/oder eine Heizvorrichtung, die in dem Wandungszwischenraum des Innenbehälters angeordnet und unergebracht ist; ein Rührwerk, das in den Innenbehälter eignesetzt ist, und das in diesem Behälter befindliche Flüssiggas umzurühren hat.

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