DE4320803C2 - Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem, insbesondere für
hochtemperatursupraleitende und/oder kryoelektronische Bauteile, bei dem als Kühlmittel
flüssiger Stickstoff eingesetzt wird.
Die Kühlung hochtemperatursupraleitender und/oder kryoelektronischer Bauelemente auf
Temperaturen von ca. 80 K muß zuverlässig, möglichst einfach und billig erfolgen. Die einfachste
Methode ist das Eintauchen der zu kühlenden Bauelemente in flüssigen Stickstoff, welcher sich in
einem Transportbehälter oder Kryostaten befindet. Diese Kühlungsart hat den Nachteil, daß das
zu kühlende Bauelement ortsfest und der Lage nach gebunden ist. Oftmals werden an die
Temperaturkonstanz und Regelbarkeit der zu kühlenden Bauelemente hohe Ansprüche gestellt.
Wie dies gelöst werden kann, wird unter anderem in der DE 40 33 383 A1 beschrieben.
Aufbauend auf einer Reihe bekannter Lösungen, die mit einem Vorratsbehälter für die
Kryoflüssigkeit ausgerüstet sind und bei denen die Kryoflüssigkeit definiert der Kühlstelle
zugeführt wird, wurde eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente vorgeschlagen, bei der
ebenfalls ein Vorratsbehälter für die Kryoflüssigkeit vorhanden ist. Dem Vorratsbehälter ist eine
Verdampfungskammer zugeordnet, an der sich ein sogenannter Kühlfinger befindet, der die
erzeugte Verdampfungstemperatur der Kühlstelle zuführt, an der das zu kühlende Bauelement
angeordnet ist. Die Regelung der Temperatur erfolgt über eine Heizung im Bereich des
Kühlfingers und einer Rückführung des verdampften Kältemittels in den Vorratsbehälter. Auch
diese beschriebene Lösung hat den Nachteil, daß sich das zu kühlende Bauelement in einer
bestimmten Lage befinden muß und daß die Einrichtung aufgrund ihrer Größe relativ ortsfest ist.
Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise nicht um 90° oder gar 180° gedreht werden, damit das
zu kühlende Bauelement nach oben oder unten zeigen kann. Kompliziertere und deshalb teurere
Kühleinrichtungen, bei denen zur Kälteerzeugung Gaskältemaschinen eingesetzt werden, sind
unter anderen in der DE 36 39 881 C2 und DE 34 45 674 C1 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, durch die mit einer Kryoflüssigkeit,
die sich in einem Vorratsgefäß befindet, kryoelektronische und/oder hochtemperatursupraleitende
Bauelemente geregelt und mit hoher Temperaturkonstanz gekühlt werden können und bei der die
Lage der zu kühlenden Bauelemente beliebig ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch das
Zusammenwirken der erfindungsgemäß angeordneten Bauteile wird erreicht, daß das zu kühlende
kryoelektronische und/oder hochtemperatursupraleitende Bauelement, welches an der
Sensorhalterung im Meßkopf angeordnet ist, unabhängig von der Lage des Meßkopfes und damit
des Bauelementes zuverlässig gekühlt wird. Erfindungsgemäß wird das Bauelement auch noch
zuverlässig gekühlt, wenn der Meßkopf um 180° gedreht wird und sich das Bauelement oben
befindet, nur dadurch kann der Abstand zwischen Bauelement, z. B. ein supraleitender
Meßsensor, und dem Meßobjekt immer gleich gering sein.
Die Regelung der Temperatur kann in bekannter Weise durch Einbau einer Heizung an die
Probenhalterung und Regulieren des Heizstromes erfolgen.
An nachfolgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert:
Die in der Abbildung dargestellte erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus dem tragbaren
Vorratsbehälter 1 für den flüssigen Stickstoff, der Nachfülleitung 2 und dem Meßkopf 3. Nach
dem Einfüllen der Kryoflüssigkeit, z. B. flüssiger Stickstoff, in den Vorratsbehälter 1, wird in den
Einfüllstutzen ein Überdruckventil 15 eingesetzt, wodurch sich ein konstanter Druck von ca. 0,2 MPa
einstellt. Durch Öffnen des Nachfüllventiles 14 kann nun der flüssige Stickstoff über die
flexible Nachfülleitung 2 und die am Meßkopf fest angebrachte Nachfülleitung 6 in das innere
Gefäß 5 des Meßkopfes 3 umgefüllt werden. Der Umfüllvorgang ist zu beenden, wenn aus dem
Abgasstutzen 13 flüssiger Stickstoff austritt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der
Nachfülleitung 6 und der Abgasleitung 7 wird gewährleistet, daß das innere Gefäß 5 etwa bis zur
Hälfte mit flüssigen Stickstoff gefüllt ist und daß in jeder beliebigen Lage des Meßkopfes eine
ausreichende Kühlung des Sensors 9 erfolgt, ohne daß der flüssige Stickstoff in die
Nachfülleitung 6 zurückfließt oder die Abgasleitung 7 verschließt. Die Kühlung des Sensors 9,
vorzugsweise ein kryoelektronisches und/oder hochtemperatursupraleitendes Bauelement, erfolgt
durch Wärmeleitung über die Wandung des inneren Gefäßes 5 und die Sensorhalterung 8.
In bekannter, in der Abbildung nicht dargestellter Weise, kann durch Anbringung einer
elektrischen Heizung in Verbindung mit einem Temperaturfühler an der Sensorhalterung 8 eine
beliebige Temperatur zwischen 78 K und 120 K durch Regelung des Heizstromes konstant
eingestellt werden.
Zur Vermeidung von mechanischen Beschädigungen und der Bildung von Reifansatz ist die
Sensorhalterung 8 und der Sensor 9 mit einem am Gehäuse 4 befestigten Gehäuseteil 10 umhüllt.
Um höchstempfindliche Magnetfeldmessungen mittels HTSL-SQUID's durchführen zu können,
besteht das Gehäuseteil 10 vorzugsweise aus elektrisch nicht leitendem und unmagnetischem
Material. Bei diesen Messungen kommt es außerdem noch darauf an, daß der Sensor 9 möglichst
nahe an das Meßobjekt gebracht werden kann. Deshalb muß der Abstand zwischen Sensor 9 und
dem Gehäuseteil 10 möglichst gering gehalten werden. Um ein einfaches Auswechseln des
Sensors 9 zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, das Gehäuseteil 10 abnehmbar anzuordnen.
Wenn die Temperatur am Sensor 9 unkontrolliert ansteigt, muß vom Vorratsbehälter 1 flüssiger
Stickstoff in den Meßkopf 3 durch erneutes Öffnen des Nachfüllventiles 14 nachgefüllt werden.
Es ist aber auch möglich, eine automatische Füllstandsregelung zu installieren.
Um den Verbrauch an flüssigen Stickstoff möglichst gering zu halten und eine Vereisung der
Bauteile zu vermeiden, sind der Vorratsbehälter 1, die Nachfülleitung 2 und der Meßkopf 3 mit
einer Vakuumvielschichtisolation 11 versehen. Durch diesen Baugruppen zugeordnete
Evakuierventile 12 sind diese einzeln evakuierbar ausgerüstet.
1
Vorratsbehälter
2
Nachfülleitung
3
Meßkopf
4
Gehäuse
5
inneres Gefäß
6
Nachfülleitung
7
Abgasleitung
8
Sensorhalterung
9
Sensor
10
Gehäuseteil
11
Vakuumvielschichtisolation
12
Evakuierventil
13
Abgasstutzen
14
Nachfüllventil
15
Überdruckventil
Claims (3)
1. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem, insbesondere für hochtemperatur
supraleitende und/oder kryoelektronische Bauteile, bei dem als Kühlmittel
flüssiger Stickstoff eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kühlsystem aus einem transportablen Vorratsbehälter (1) für den flüssigen
Stickstoff, einer flexiblen Nachfülleitung (2) und einem Meßkopf (3) besteht
und daß der Meßkopf (3) aus einem Gehäuse (4) besteht, in dem ein inneres
Gefäß (5) angeordnet ist und daß in das innere Gefäß eine N2-Nachfülleitung
(6) und konzentrisch zu dieser, als äußeres Rohr eine Abgasleitung (7) mündet
und daß beide Leitungen (6 und 7) etwa bis zur Hälfte in das innere Gefäß (5)
hineinragen und daß gegenüber den Leitungen (6 und 7) die Sensorhalterung
(8) mit dem Sensor (9) wärmeleitend mit dem inneren Gefäß (5) verbunden
und mit einem am Gehäuse (4) befestigten Gehäuseteil (10) umhüllt ist.
2. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das die Sensorhalterung (8) umhüllende Gehäuseteil (10) aus
unmagnetischem und elektrisch nichtleitendem Material besteht.
3. Lageunabhängiges Sensor-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das gesamte System, bestehend aus transportablen
Vorratsbehälter (1), flexibler Nachfülleitung (2) und Meßkopf (3) mit einer
Vakuumvielschichtisolation (11) und Evakuierventilen (12) versehen ist.
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