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Die Erfindung betrifft eine Tieftemperatur-Kühleinrichtung
vom Typ mit einer Sonde mit einem Ende, das durch Entspannung
eines Gases gekühlt wird; sie zielt insbesondere auf
Kühleinrichtungen, die mit geschlossenem Kreislauf gemäß einem der
thermodynamischen Zyklen nach Stirling, von Gifford,
Vuilleumier, Brayton oder Joule-Thomson arbeiten.
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Diese Kühleinrichtungen sind inzwischen wohlbekannt; sie
bestehen aus zwei Teilen:
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- einer Motor-Kompressor-Einheit oder einer "heißen" Motor-
Oszillator-Einheit, die dazu dienen, Gas unter Druck
auszustoßen oder eine Druckschwingung zu erzeugen,
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- eine Sonde mit zylindrischer Form mit einem Ende, in dem
eine Entspannung von Gas bewirkt wird, wodurch Kälte erzeugt
wird, wobei dieses kalte oder gekühlte Ende in einem
Kryostaten angeordnet ist, der dazu dient, eine Isolierung desselben
sicherzustellen.
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Diese Kühleinrichtungen dienen zum Kühlen einer Probe,
insbesondere eines oder mehrerer Infrarotdetektoren, und zum
Halten derselben auf sehr tiefer Temperatur, z. B. in der
Größenordnung von 70 bis 80 K (Kelvin). Man benutzt vorzugsweise
einen Kryostaten mit evakuiertem Doppelmantel, in dem die
Probe in solcher Weise befestigt ist, daß die Probe und der
Kryostat eine Gesamtheit bilden, die in bezug auf die Sonde
unabhängig ist, die davon getrennt werden kann, ohne daß das
Vakuum bei jedem Einsetzen neu hergestellt werden muß.
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Wenn die Probe in dem Doppelmantel des Kryostaten angeordnet
ist, ist es bei dieser Art von Einrichtung erforderlich, eine
thermische Verbindung zwischen dem gekühlten Ende der Sonde
und dem inneren Mantel des Kryostaten herzustellen, an dem
die Probe befestigt ist.
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Viele Lösungen sind seit vielen Jahren bekannt und werden
verwendet, um diese thermische Verbindung sicherzustellen.
Der Innenmantel des Kryostaten ist durch eine zylindrische
Wand gebildet, die durch einen kreisförmigen Boden
verschlossen ist, unter dem die Probe befestigt ist, und alle
verwendeten Lösungen bestanden darin, eine thermische Verbindung
zwischen dem gekühlten Ende der Sonde und dem kreisförmigen
Boden des Innenmantels herzustellen. Jedoch ist keine dieser
Lösungen zufriedenstellend, da jede Mängel aufweist, die für
sie spezifisch sind und die anschließend zusammengefaßt
werden.
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Eine erste Lösung (US-Patent 4,194,119) besteht darin, eine
Metallfeder zwischen dem gekühlten Ende der Sonde und dem
Boden der Wand anzuordnen; jedoch ist die erzielte thermische
Übertragung sehr mittelmäßig aufgrund des geringen
Querschnitts der thermischen Leitung und der kleinflächigen
Kontakte zwischen der Feder und den beiden Enden, die sie
verbindet.
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Eine andere Lösung besteht darin, den Raum zwischen dem
gekühlten Ende der Sonde und dem Boden des Mantels mit
Metallplättchen, Metallschwämmen oder äquivalenten Materialien zu
füllen. Diese Lösung ist wenig praxisgerecht, und das
Anbringen des Materials ist ein schwieriger Vorgang, außerdem
müssen diese Elemente bei jeder Demontage der Sonde (bezüglich
des Kryostaten) sorgfältig gereinigt werden, wobei sich das
die thermische Verbindung gewährleistende Material jedesmal
ändert.
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Eine andere Lösung besteht darin, zwischen dem gekühlten Ende
der Sonde und dem Boden des Mantels ein Plättchen aus weichem
Material anzuordnen, das zwischen diesen beiden Elementen
eingequetscht wird; jedoch ist diese Art von Einrichtung
nicht dazu in der Lage, Längenänderungen insbesondere der
Sonde zuzulassen, und sie kann nur in einem engen
Temperaturbereich funktionieren; darüber hinaus müssen die die Sonde
und den Innenmantel des Kryostaten bildenden Teile mit sehr
kleinen Toleranzen hergestellt sein, damit die Montage
korrekt stattfinden kann. Darüber hinaus werden
Längsschwingungen der Sonde direkt auf den Mantel des Kryostaten und damit
Ouf die Probe übertragen, was einen sehr schweren Mangel
bildet, falls die Probe durch Infrarotdetektoren gebildet wird.
Im übrigen führt das eingequetschte Plättchen aus weichem
Metall auch zum Ausbilden von Ablagerungen an der Sonde und
dem Mantel, und es ist schwierig, die Reinigung dieser
Elemente bei jeder Demontage zu bewerkstelligen, bei der das
Plättchen aus weichem Material normalerweise ausgewechselt
werden muß.
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Eine andere Lösung besteht darin, die Sonde durch
Zwischenfügen einer elastischen Einrichtung zu fixieren, die das Ende
der Sonde direkt gegen den Boden der inneren Wand gedrückt
hält (unter Umständen unter Anwesenheit von Fett oder Lack).
Diese Lösung führt zur Unbequemlichkeit, daß sie eine größere
mechanische Komplexität zur Folge hat; darüber hinaus
unterdrückt sie nicht den Mangel der vorigen Lösung in bezug auf
das Übertragen von Längsschwingungen von der Sonde auf die
Probe.
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Das US-Patent 3,306,075 beschreibt ein System für elastische
thermische Verbindung, das zwischen die zylindrische
Seitenwand der Sonde und die zylindrische Seitenwand des
Innenmantels des Kryostaten eingefügt ist. Dieses bekannte System
stellt eine komplexe und voluminöse Konstruktion dar; darüber
hinaus ist es bei solchen Kryostaten nicht verwendbar, bei
denen die Sonde mit einem relativ kleinen Umfangsspiel im
Kryostaten eingestellt ist.
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Das US-patent 3,807,188 beschreibt ein thermisches
Verbindungssystem mit einer Kammer, deren äußere Wand in
Querrichtung nachgiebig ist und die mit einer Flüssigkeit, wie
Quecksilber, gefüllt ist. Dieses bekannte System ist sehr komplex
und erfordert es, einen Innenmantel des Kryostaten
vorzusehen, der einen Boden besonderer Form aufweist.
Das für die Anmelderin erteilte europäische Patent 0 059 272
beschreibt eine Tieftemperatur-Kühleinrichtung, bei der ein
thermisches Verbindungsstück mit im wesentlichen
rotationssymmetrischer Form um die Längsachse der Sonde vorgesehen ist
und das mehrere über seinen Außenumfang verteilte
Längsschlitze aufweist, um ihm radiale Elastizität zu verleihen.
Die durch die Schlitze gebildeten Zungen weisen eine
Oberfläche teilzylindrischer Form auf, die sich gegen die
zylindrische Wand des Innenmantels des Kryostaten abstützt. Der
Nachteil dieser Realisierungsform ist, daß die Kraft, die von
jeder Zunge gegen die zylindrische Wand des Innenmantels des
Kryostaten ausgeübt wird, sich nicht nur in radialer
Richtung, sondern auch in Längsrichtung auswirkt. Aus diesem
Grund wirkt sich der Kontakt mit der zylindrischen Wand nicht
auf die gesamte Außenfläche der Zungen auf, sondern nur auf
einen verringerten Teil derselben.
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Die vorliegende Erfindung ist daher bestrebt, eine Lösung für
das Problem der thermischen Verbindung zwischen der Sonde und
der zu kühlenden Probe in einer
Tieftemperatur-Kühleinrichtung anzugeben, die von den Mängeln der vorstehend kurzgefaßt
beschriebenen Lösungen frei ist.
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Genauer gesagt ist es ein Ziel der Erfindung, eine
Tieftemperatur-Kühleinrichtung anzugeben, die eine thermische
Verbindung guter Qualität zwischen dem gekühlten Ende der Sonde und
dem Mantel des Kryostaten, an der die zu kühlende Probe
befestigt ist, herzustellen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine
Tieftemperatur-Kühleinrichtung vom Typ mit einer Sonde in
einem durch Entspannung von Gas gekühltem, durch einen Boden
verschlossenen Ende, einem Kryostaten mit evakuiertem
Doppelmantel, dessen Innenmantel, der eine durch einen Boden
verschlossene zylindrische Wand aufweist, so ausgebildet ist,
daß er das gekühlte Sondenende aufnehmen kann, einer zu
kühlenden Probe, insbesondere einem oder mehreren
Infrarotdetektoren, die in dem Doppelmantel des Kryostaten am Boden des
Innenmantels befestigt sind, und einem rotationssymmetrischen
einstückigen Verbindungsstück guter Wärmeleitfähigkeit, das
im freien Raum zwischen dem Boden der Sonde und dem Boden des
Innenmantels des Kryostaten angeordnet ist, welche
Tieftemperatur-Kühleinrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
das thermische Verbindungsstück an seiner seitlichen
zylindrischen Wand eine Nut aufweist, in der ein Ring
untergebracht ist, der in Berührung mit der zylindrischen Wand des
Innenmantels des Kryostaten steht, wobei dieser Ring einen
Schlitz auf-weist, der ihm Elastizität in radialer Richtung
verleiht und seine Montage ermöglicht.
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Um den thermischen Widerstand des thermischen
Verbindungsstücks zu verringern, ist eine Aussparung in die Fläche vor
dem genannten Stück eingeformt, und der Boden dieser
Aussparung kann eine ringförmige Rille bilden. Darüber hinaus
bildet das thermische Verbindungsstück eine axiale Öffnung, die
mit einem mittleren stabförmigen Teil des Bodens der Sonde
zusammenwirkt, welches Zusammenwirken über Gewinde erfolgt,
die die beiden Elemente tragen, um das eine am anderen zu
befestigen.
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Andere Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen
Tieftemperatur-Kühleinrichtung gehen aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels hervor, das auf die beigefügte
Zeichnung Bezug nimmt, in der:
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- Fig. 1 eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen
Tieftemperatur-Kühleinrichtung ist;
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- Fig. 2 eine Schnittansicht einer bevorzugten
Realisierungsform des Endes der Sonde und des thermischen
Verbindungsstücks ist;
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- Fig. 3 eine detaillierte Schnittansicht des
erfindungsgemäßen thermischen Verbindungsstücks ist, und
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- Fig. 4 eine teilgeschnittene Seitenansicht des Ringes in
Fig. 3 ist.
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Die als Beispiel schematisch dargestellte
Tieftemperatur-Kühleinrichtung von Fig. 1 verfügt über zwei voneinander
getrennte Baugruppen 1 und 2, die durch ein Verbindungsrohr 3
miteinander verbunden sind. Die Baugruppe 1 kann eine Motor-
Kompressor-Baugruppe oder eine Motor-Oszillator-Baugruppe
sein, die so ausgebildet ist, daß sie Gas unter Druck
ausstößt oder eine Druckschwingung im Rohr 3 erzeugt.
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Die Baugruppe 2 verfügt über eine scheinatisch dargestellte
Sonde 4 (für sich wohlbekannt), die ein gekühltes Ende 5
aufweist, in dem sich das die Kälte erzeugende Gas entspannt.
Diese Sonde ist mit herkömmlichen (nicht dargestellten)
Befestigungsmitteln an einem Kryostaten 6 befestigt, der durch
einen äußeren Mantel 7 und einen inneren Mantel 8 gebildet
ist, zwischen denen Vakuum besteht.
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Der Innenmantel 8 wird durch eine zylindrische Wand 9 und
einen Boden 10 gebildet, wobei das gekühlte Ende 5 der Sonde
in dem Mantel 8 nahe beim Boden 10 angebracht ist. Eine zu
kühlende Probe, z. B. einer oder mehrere Infrarotdetektoren
11, ist am Boden 10 zwischen den beiden Mänteln des
Kryostaten befestigt.
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Die verschiedenen insoweit beschriebenen Teile sind bekannt
und werden nicht genauer beschrieben.
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Gemäß der Erfindung ist die thermische Verbindung zwischen
dem gekühlten Ende der Sonde 4 und dem Innenmantel 8 des
Kryostaten 6 zum Kühlen der am Boden 10 befestigten zu
kühlenden Probe 11 durch das genannte thermische
Verbindungsstück 12 bewerkstelligt. Dieses Stück 12 steht einerseits mit
dem gekühlten Ende 5 und andererseits mit der zylindrischen
Wand 9 des Innenmantels 8 beim Boden 10 in Verbindung. Das
thermische Verbindungsstück 12 weist im wesentlichen
rotationssymmetrische Form auf und verfügt über eine Basis oder
einen Absatz 13, eine zylindrische Seitenwand 14 und eine
Frontfläche 15. Die Seitenwand 14 bildet eine Nut 16, in der
ein Ring 17 liegt. Die Basis 13 steht über einen ebenen
kreisförmigen Boden 18, der die Sonde an ihrem Ende
verschließt, mit dem gekühlten Ende 5 in Verbindung. Der ebene
Boden 18 ist üblicherweise an den Boden des zylindrischen
Rohrs der Sonde 4 gelötet, während die Basis 13 an den ebenen
Boden 18 geklebt oder aufgeschraubt ist oder mit einem
beliebigen anderen bekannten Mittel befestigt ist.
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Die ringförmige Nut 16 erstreckt sich über einen wesentlichen
Teil der Wand 14 und nimmt den Ring 17 auf, der eine
Innenfläche 19 und Ränder 20 und 21 aufweist, die in so engem
Kontakt wie möglich mit der Nut 16 (Fig. 4) stehen. Der Ring
17 verfügt über eine Außenfläche 22, und seine Dicke ist
größer als die Tiefe der Nut 16, damit nur diese Außenfläche 22
in ebenfalls möglichst engem Kontakt mit der Wand 9 des
Innenmantels 8 steht. Um diesen Kontakt mit der Wand 9 zu
verbessern, ist der Ring 17 mit einer gewissen Elastizität
versehen, die durch einen Schlitz 32 am Ring selbst realisiert
wird. Dieser Schlitz erlaubt auch die Montage des Ringes in
der Nut 16. Es ist festzustellen, daß zum Erhalten eines
möglichst engen Kontaktes zwischen der Nut 16 und dem Ring 17
sowie dem letzteren und der Wand 9 die Nut 16 und der Ring 17
mit sehr großer Präzision hergestellt sein müssen, wobei das
Spiel zwischen dem Ring und der Nut vernachlässigbar ist.
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Das unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene thermische
Verbindungsstück 12 weist zufriedenstellende Eigenschaften für
zahlreiche Anwendungen auf. Diese Eigenschaften können
verbessert
werden, wenn es eine Form aufweist, wie sie nun unter
Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben wird.
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Die mit der Form des Stückes 12 verbundenen Änderungen haben
es zum Hauptziel, das Volumen des genannten Stückes zu
verringern, damit sein thermischer Widerstand so gering wie
möglich wird und daß der Wärmetransport so wirkungsvoll wie
möglich zwischen dem Boden der Sonde 4 und dem Ring 17
abläuft.
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Zu diesem Zweck weist die Vorderseite 15 eine Aussparung 23
mit kreisförmigem Rand 24 auf, der ausreichend dick zum
Aufnehmen der Nut 16 ist, sowie eine Tiefe, die die mechanische
Festigkeit des Stückes 10 bei tiefen Temperatur nicht
verschlechtert. Darüber hinaus ist das Stück 12 von einer
axialen Öffnung 25 durchdrungen, die eine ringförmige Basis oder
einen ringförmigen Absatz 26 definiert. Dieser Absatz 26 und
diese Öffnung 25 stehen in engem Kontakt mit dem Boden 18 der
Sonde 4, die demgemäß eine angepaßte Form aufweist.
Schließlich kann das Volumen des Stückes 12 noch durch eine
ringförmige Rille verringert werden, die in den Boden der Aussparung
23 um die Öffnung 25 herum eingebracht ist. Auch hier ist die
Auswirkung einer solchen Rille auf die mechanische Festigkeit
des Stückes 12 zu beachten.
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Um den ringförmigen Absatz 26 aufnehmen zu können, weist der
Boden 18 eine ringförmige Aussparung mit einem Außenrand 27
auf, der in Kontakt mit einem Randbereich des ringförmigen
Absatzes 26 steht, welcher Randbereich eine Schulter 29
aufweist. Der mittlere Teil des Bodens 18 weist die Form eines
Stabes 28 auf, der sich in die axiale Öffnung 25 erstreckt.
Vorzugsweise ist dieser Stab 28 an seinem Ende mit einem
Gewinde versehen und wirkt mit einem von der axialen Öffnung 25
getragenen Gewinde zusammen, um das Stück 12 am Boden 18 zu
befestigen. Um ein Aufund Abschrauben des thermischen
Verbindungsstücks 12 auf dem Stab 28 zu erlauben, können
verschiedene Mittel vorhanden sein. So kann dann, wenn eine
kreisförmige Rille im Boden der Aussparung 23 vorhanden ist, der
Innenrand dieses Rings die Form einer Schraubenmutter
aufweisen, um einen passenden Schlüssel aufzunehmen. Beim
Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3, die keine solche Rille
aufweisen, sind zwei einander diametral gegenüberliegende Löcher
30 vorgesehen, die in den Boden der Aussparung 23 eingebracht
sind und die mit einem Schlüssel zusammenwirken, der zwei
Stifte trägt.
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Die teilgeschnittene Ansicht des Ringes 17 gemäß Fig. 4
zeigt, daß die Außenränder 31 des Ringes angefast sind, um
ein besseres Gleiten auf der Wandung 9 der Wand 8 zu
ermöglichen. Der mittlere Teil von Fig. 4, bei dem es sich um eine
Seitenansicht handelt, zeigt den Schlitz 32, der dem Ring 17
Elastizität verleiht.
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Materialien, die verwendet werden können, um verschiedene
vorstehend beschriebene Elemente zu realisieren, insbesondere
die Wand der Sonde, den Boden 18, das thermische
Verbindungsstück 12 und den Ring 17 sind solche, die gute Wärmeleiter
bei tiefen Temperaturen sind und die gute mechanische
Festigkeit bei diesen Temperaturen aufweisen. Es handelt sich also
um Kupfer, Messing, Aluminium, rostfreien Stahl usw. ...
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Versuche mit einer solche Tieftemperatur-Kühleinrichtung
haben gezeigt, daß das mit dem Ring 17 ausgestattete thermische
Verbindungsstück 17 eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen
dem gekühlten Ende 5 der Sonde 4 und der Wand 9 zuläßt. Dabei
wurde festgestellt, daß der Wärmetransport zwischen dem Stück
12 und dem Ring 17 sich im wesentichen auf Höhe des Randes 20
des Ringes 17 abspielt, was sie Bedeutung einer hochgenauen
Herstellung der Nut 16 und des Ringes 17 zeigt.