DE69103055T2

DE69103055T2 - Zweistufiger Joule-Thomson-Kryostat mit Gaszufuhrsteuerungssystem und dessen Verwendungen.

Info

Publication number: DE69103055T2
Application number: DE69103055T
Authority: DE
Inventors: Joseph L Hlava; Matthew M Skertic
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2011-03-02
Also published as: EP0447861A3; JPH04222357A; KR910017159A; EP0561431A2; AU7200491A; DE69103055D1; NO910892L; IL97371A0; US5077979A; ES2057629T3; NO910892D0; EP0447861A2; EP0447861B1; CA2035922A1; EP0561431A3; AU627109B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kryostaten bzw. ein Kältebad, in dem eine Kühlung durch eine isenthalpe Expansion eines unter hohem Druck stehenden Gases durch eine Joule-Thomson-Öffnung erzielt wird, und insbesondere einen zwei-stufigen Kryostaten, der ein Gasfluß-Managementsystem aufweist, um ein schnelles Herunterkühlen zu ermöglichen.
Viele Typen von unterschiedlichen Einrichtungen, wie beispielsweise Infrarotdetektoren, werden bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben, beispielsweise bei 100 K oder weniger. In einigen Fällen ist der Betrieb bei niedrigen Temperaturen notwendig, da die interessierenden physikalischen oder chemischen Prozesse nur bei niedrigen Temperaturen auftreten oder bei niedrigen Temperaturen deutlicher auftreten, und in anderen Fällen deshalb, weil einige Typen von elektro-thermischem Rauschen bei niedrigen Temperaturen vermindert auftreten. Demnach ist ein Verfahren zum Herunterkühlen der Einrichtung auf niedrige Temperaturen notwendig.
Der einfachste und direkteste Ansatz zur Kühlung einer Einrichtung auf eine niedrige Betriebstemperatur besteht darin, die Einrichtung in thermischen Kontakt mit einem Bad aus einem flüssigen Gas zu bringen, dessen normale Siedetemperatur ungefähr bei der gewünschten Betriebstemperatur liegt. Dieses flüssige Kontaktbad stellt sicher, daß die Temperatur der Einrichtung die Siedetemperatur des verflüssigten Gases nicht überschreitet.
Während der Ansatz mit dem flüssigen Kontaktbad für Anforderungen im Laboratoriumsbereich und für sonstige stationäre Kühlanforderungen bevorzugt wird, verlangt die Kühlung von kleinen Einrichtungen in mobilen Anwendungen, oder in sonstigen Situationen, die die Verwendung eines gespeicherten flüssigen Kühlmittels schwierig machen, einen anderen Lösungsansatz. Beispielsweise wäre es nicht möglich, ein verflüssigtes Gas für eine Einrichtung bereitzustellen, die bei einem weit entfernten Ort betrieben wird, oder im Weltraum. Gleichfalls kann es unangenehm oder unmöglich sein, das verflüssigte Gas für lange Zeitperioden zu speichern, oder den Vorrat an verflüssigten Gas periodisch aufzufüllen.
Unterschiedliche Lösungsansätze sind entwickelt worden, um Einrichtungen auf niedrige Betriebstemperaturen zu kühlen, ohne daß ein gespeichertes verflüssigtes Gas als ein Kontaktbad-Kühlmittel verwendet wird. Beispielsweise expandieren Gasexpansionskühler komprimiertes Gas durch eine Joule-Thomson-Öffnung, wodurch das Gas gekühlt und partiell verflüssigt wird, was zu einer Absorption von Wärme von der zu kühlenden Einrichtung führt, nämlich der Kühllast. Unterschiedliche Typen von thermoelektrischen Einrichtungen und mechanischen Gaskühlapparaten mit geschlossenem Kreislauf können gleichfalls verwendet werden.
Die unterschiedlichen Kühlansätze, die nicht die Speicherung eines verflüssigten Gases bedingen, sind innerhalb eines Spektrums von Situationen einsetzbar und brauchbar. Indessen weisen diese Einrichtungen alle den Nachteil auf, daß die ein sehr schnelles Herunterkühlen der Kühllast nicht erreichen, was hingegen von vielen Systemen verlangt wird. Die schnellsten Herunterkühlzeiten sind mit einem Joule-Thomson-Gasexpansionskryostaten zu erzielen, von dem bekannt ist, daß er die Fähigkeit hat, sehr kleine thermische Lastmassen mit zu entfernenden Enthalpiewerten von einigen 10 Joule auf ungefähr 120 K innerhalb einigen Sekunden zu kühlen. Indessen wird, wenn die thermische Massenbelastung erheblich größer ist und wenn niedrigere kalte Temperaturen verlangt werden, der konventionelle Joule-Thomson-Kryostat ungeeignet. Beispielsweise kann ein konventioneller Joule-Thomson-Gasexpansionkryostat 30 Sekunden und typischerweise mehr als eine Minute benötigen, um eine Einrichtung von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von 80 K zu kühlen, wobei ungefähr 250 Joule in dem Kühlprozeß entfernt werden. Diese Kühlrate ist für einige mobile Anwendungen einfach zu langsam, bei denen Kühlzeiten von 5 bis 20 Sekunden verlangt werden. Daher erreichen, obgleich viele Kühleinrichtungen, die die Speicherung von verflüssigtem Gas nicht benötigen, auf niedrige Temperaturen kühlen können, verfügbare Systeme diese Kühlung eher langsam.
Darüber hinaus weisen spezielle Einrichtungen und Kühlanforderungen bestimmte Verpackungs- und Raumanforderungen auf. Beispielsweise muß ein Infrarot-Wärmesuchdetektor in der Spitze einer Rakete fest gehaltert und auf Anforderung schnell heruntergekühlt werden, wobei allerdings die Gesamtgröße und das Gewicht des Kühlsystemes erheblich durch die Gesamtsystembeschränkungen eingeschränkt sind.
Von dem vorbekannten Dokument GB-A-1 238 911 ist eine Kühlvorrichtung bekannt, die zwei Stufen enthält, wobei die zweite Stufe eine Expansionsdüse einsetzt, durch die ein zweites Kühlmittel expandiert wird, wohingegen die erste Stufe als eine Vorkühlstufe wirkt, die eine Meßdüse einsetzt, durch die ein erstes (flüssiges) Kühlmittel unter Druck in einen Raum eingeführt wird, der sich bei verminderten Druck befindet, wo das erste Kühlmittel verdampft, um das Kühlmittel der zweiten Stufe zu kühlen, bevor es durch den Wärmetauscher hindurchtritt. In Übereinstimmung mit diesem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik wird die effektive Fläche der Düsen automatisch in Übereinstimmung mit einem Parameter kontrolliert, der von dem Verhältnis zwischen angelegter Kühlung und der verlangten Kühlung bei der Stufe abhängt.
Aus dem vorbekannten Dokument US-A-3 401 533 ist ein Gasverflüssiger bekannt, der aus zwei Wärmetauschern besteht, die koaxial ineinander befestigt sind. Die zwei Wärmetauscher arbeiten gemäß dem Prinzip des Joule-Thomson-Effektes, wobei der Wärmetauscher der ersten Stufe innerhalb des warmen Endes des Wärmetauschers der zweiten Stufe befestigt ist und der Raum an dem kalten Ende des Wärmetauschers der zweiten Stufe in der Form einer Kammer vorliegt, die thermisch von dem Wärmetauscher der zweiten Stufe isoliert ist. Zwei unterschiedliche Typen von Kühlmitteln werden in den jeweiligen Wärmetauschern verwendet.
Im Hinblick auf den verfügbaren Stand der Technik besteht ein Bedarf an einer Kühlvorrichtung, die die Speicherung von verflüssigtem Gas nicht verlangt und die eine sehr schnelle Kühlung von großen thermischen Massenlasten auf Temperaturen von 80 K oder weniger erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zum schnellen Herunterkühlen einer thermischen Massenlast gemäß dem Patentanspruch 13 gelöst.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Gewicht der jeweiligen Kühlvorrichtung, und zwar einschließlich der Hardware und jeweiligen gespeicherten Verbrauchsstoffen, die verlangt werden können, so klein wie möglich ist.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Kühlvorrichtung, die der Speicherung von verflüssigtem Gas nicht bedarf und die ein schnelles Herunterkühlen von konventionellen Einrichtungen erreicht, und zwar von einer Anfangsumgebungstemperatur auf kryogenische Temperaturen. Die Vorrichtung kann in großen oder kleinen Größen hergestellt werden. Sie verwendet gespeicherte, unter Druck stehende Gase um die Kühlung zu erreichen und sie kann mit einer auf der Temperatur basierenden Rückkopplungssteuerung betrieben werden. Die Kühlvorrichtung ist insbesondere in Raketensystemen vorteilhaft zu verwenden, in denen die Rakete einen Infrarotsensor aufweist, der ein schnelles Herunterkühlen bei Betriebsbeginn verlangt, sowie die Aufrechterhaltung des gekühlten Zustandes während des Betriebes.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt die Kühlvorrichtung einen zwei-stufigen Kryostaten, der einen Kryostaten der ersten Stufe mit einer ersten Wärmetauscherspule und einer ersten Gasexpansionsöffnung aufweist, und einen Kryostaten der zweiten Stufe mit einer zweiten Wärmetauscherspule sowie einer zweiten Gasexpansionsöffnung; und ein Gasversorgungs-Managementsystem, um den Kryostaten mit unter Druck stehenden Gas zu versorgen, wobei das Gasversorgungssystem eine erste Versorgungsquelle eines ersten unter Druck stehenden Gases enthält, eine erste Gasversorgungsleitung von der ersten Versorgungsquelle zu dem Kryostaten der ersten Stufe, ein erstes Gas-Versorgungsventil innerhalb der ersten Gasversorgungsleitung, eine zweite Versorgungsquelle eines zweiten, unter Druck stehenden Gases, eine zweite Gasversorgungsleitung von der zweiten Versorgungsquelle zu dem Kryostaten der zweiten Stufe, ein zweites Gasversorgungsventil innerhalb der zweiten Gasversorgungsleitung, und Mittel, um es dem ersten, unter Druck stehenden Gas kontrolliert zu erlauben, von der ersten Versorgungsquelle zu dem Kryostaten der zweiten Stufe zu fließen.
Der zwei-stufige Kryostat umfaßt einen Kryostaten der ersten Stufe, der eine Wärmetauscher-Röhrenspule der ersten Stufe aufweist, eine Joule-Thomson-Öffnung der ersten Stufe an einem kalten Ende der Wärmetauscher-Röhrenspule der ersten Stufe, und ein Plenum für eine flüssige Kältemischung an dem kalten Ende der Wärmetauscherspule, in dem gekühltes und verflüssigtes Gas, das durch die Öffnung expandiert wurde, aufgenommen wird; und einen Kryostaten der zweiten Stufe, der eine thermisch leitende Tragespindel der zweiten Stufe aufweist, die eine innere Abmessung aufweist, die größer ist als die äußere Abmessung der Wärmetauscher-Röhrenspule der ersten Stufe und die die Wärmetauscher-Röhrenspule der ersten Stufe überlappt, eine Wärmetauscher-Röhrenspule der zweiten Stufe, die auf die Tragespindel der zweiten Stufe aufgewickelt ist, wobei sich die Wärmetauscherröhrenspule der zweiten Stufe über das flüssige Kältemischungsplenum hinaus erstreckt und eine Mehrzahl von Zwischenkühlerwindungen aufweist, die auf das flüssige Kältemischungsplenum gewickelt und in thermischen Austausch mit ihm stehen, sowie eine Joule-Thomson-Öffnung der zweiten Stufe an einem kalten Ende der Wärmetauscher-Röhrenspule der ersten Stufe. Vorzugsweise sind die Wärmetauscherspulen der ersten Stufe und der zweiten Stufe in einer spiralförmigen Konfiguration gewickelt, nämlich mit der Spule der ersten Stufe innerhalb der Spule der zweiten Stufe.
Der zwei-stufige Kryostat und das Gasversorgungssystem sind insbesondere für die Erzielung einer schnellen Kühlung einer thermischen Kühllast geeignet, und zwar beginnend bei einer Umgebungstemperatur und kryogenische Temperaturen in Sekunden erreichend. In einem Betriebsmodus fließt das erste Gas, das eine hohe spezifische Kühlkapazität (high specific refrigerating capacity) aufweist, jedoch verbunden mit einer vergleichsweise hohen normalen Siedetemperatur (normal boiling temperature), wie Argon oder Freon-14, durch die Kryostaten der ersten Stufe und der zweiten Stufe bei Beginn des Kühlprozesses. Die Expansion dieses Gases durch die Joule-Thomson-Öffnungen der zwei Stufen und der entgegengesetzt gerichtete Strom des gekühlten Gases um die jeweiligen Wärmetauscherspulen kühlt die Vorrichtung selbst sowie die Kühllast auf eine mittlere niedrige Temperatur, die sich vorzugsweise bei oder nahe bei der Siedetemperatur des ersten Gases befindet.
Nachdem diese mittlere niedrige Temperatur errreicht ist, wird der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe unterbrochen, und zwar mit Hilfe eines Mittels aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Mitteln, wie beispielsweise eines, daß es einer festen Zeitperiode erlaubt zu verstreichen, oder eines, daß die kalte Temperatur detektiert und einen Ventilvorgang in dem Gas-Managementsystem antriggert. Gleichzeitig wird ein Fluß des zweiten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe initiiert. Das zweite Gas weist eine niedrigere spezifische Kühlkapazität auf, aber zugleich eine niedrigere normale Siedetemperatur, verglichen mit dem ersten Gas, wie Stickstoff oder eine Stickstoff-Neonmischung. Der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten der ersten Stufe wird forgesetzt.
Der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten der ersten Stufe fährt damit fort, Wärme von der thermischen Kühllast zu entfernen und verflüssigtes Gas in das Kältemischungsplenum hinein zu erzeugen. Die Zwischenkühlerwindungen der spiralförmigen Spule der zweiten Stufe, die direkt auf das Plenum gewickelt sind, sorgen für eine wichtige Erhöhung der Kühlung des zweiten Gases, das durch den Kryostaten der zweiten Stufe fließt, bevor es durch die Expansionsöffnung hindurchtritt. Diese Erhöhung der Kühlung erlaubt es einem großen Bruchteil des zweiten Gases, eine ausreichend niedrige Temperatur zu erreichen, bevor es durch die Öffnung hindurchtritt, bei der die Verflüssigung stattfindet, und zwar innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach Initiierung der Gasflüsse. Die Umschaltung von dem Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe auf den Fluß des zweiten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe wird im Hinblick auf die jeweilige thermische Kühllast optimiert.
Die vorliegende Erfindung sorgt für einen wichtigen Fortschritt in dem Bereich der schnell kühlenden kryogenischen Gasexpansionskühler. In einer bestimmten Anwendung kann eine Kühllast von Umgebungstemperatur auf Temperaturen unterhalb von 80 K in weniger als 10 Sekunden gekühlt werden. Der beste, in Konkurrenz stehende Lösungsansatz braucht über 30 Sekunden und typischerweise einige Minuten, um die Kühllast auf diese Temperatur zu kühlen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich, die im Zusainmenhang mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist, die beispielhaft die Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines zwei-stufigen Kryostaten gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Gasversorgungssystems;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Gasversorgungssystemes;
Fig. 4 ein Diagramm der Temperatur als Funktion der Zeit für die Kühllast während des Betriebes des zwei- stufigen Kryostaten unter bestimmten Betriebs-bedingungen; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Raketensystemes, das den zwei-stufigen Kryostaten der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die bevorzugte Vorrichtung der Erfindung enthält einen zwei-stufigen Kryostaten und ein Gasversorgungssystem, das den Kryostaten mit zwei Gasen versorgt. Ein zwei-stufiger Kryostat 10 ist in Fig. 1 illustriert. Ein Kryostatteil 12 der ersten Stufe des zwei-stufigen Kryostaten 10 enthält eine spiralförmige Wärmetauscherspule 14 aus einer Röhre bzw. einer Rohrleitung 16. Die spiralförmige Spule 14 ist mit einer Mehrzahl von Windungen der Röhre 16 auf eine Spindel bzw. einen Dorn 18 der ersten Stufe gewickelt. Die Röhre 16 wird vorzugsweise als eine hohle Druckröhre hergestellt, die auf ihrer Außenseite mit Rippen versehen ist, um den Wärmeaustausch aus dem Inneren der Röhre 16 heraus zu verbessern.
Eine Joule-Thomson-Öffnung 20 der ersten Stufe mit einem verminderten Durchmesser wird an dem kalten Ende 22 der spiralförmigen Wärmetauscherspule 14 der ersten Stufe gebildet, entfernt von dem Ende, bei dem Gas in die spiralförmige Spule 14 der ersten Stufe durch ein externes Verbindungsstück 24 eingeführt worden ist. In dem bevorzugten Lösungsansatz ist die Öffnung 20 der ersten Stufe ein Stück bestehend aus einer Röhre, die einen äußeren Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der innere Durchmesser der Röhre 16 der spiralförmigen Spule 14 der ersten Stufe, wobei es in das Ende der Röhre 16 eingeführt und dort hartverlötet wird. Ein unter Druck stehendes Gas wird in die spiralförmige Spule 14 durch das Verbindungsstück 24 eingeführt, es fließt durch die spiralförmige Spule 14 und expandiert durch die Öffnung 20. Die Expansion des unter Druck stehenden Gases führt zu seiner Kühlung und einer partiellen Verflüssigung.
Ein Plenum 26 für eine flüssige Kältemischung ist im Inneren eines Topfes 28 zugegen, der aus einem metallischen leitenden Material an dem kalten Ende 22 des Kryostaten 12 der ersten Stufe ausgebildet ist. Jedes verflüssigte Gas, das durch die Expansion des Gases durch die Öffnung 20 der ersten Stufe erzeugt worden ist, wird in dem Plenum 26 für die flüssige Kältemischung gesammelt. Wenn das verflüssigte Gas in dem Kältemischungsplenum 26 Wärme aus der Umgebung in einer Weise absorbiert, die im folgenden noch zu beschreiben ist, verdampft es. Das verdampfte Gas fließt in Gegenstromrichtung entlang den Windungen der gerippten Röhre 16 der spiralförmigen Spule 14 der ersten Stufe, wodurch das Gas in der spiralförmigen Spule 14 vorgekühlt wird, bevor es die Öffnung 20 der ersten Stufe erreicht.
Ein Kryostat 30 der zweiten Stufe enthält eine spiralförmige Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe, die gebildet wird, indem eine Mehrzahl von Wicklungen einer Röhre 34 auf eine hohle zylindrische Tragespindel 36 der zweiten Stufe gewickelt wird. Die Spindel 36 wird aus einem dünnen, thermisch leitenden Material hergestellt, mit einem inneren Durchmesser, der eben größer ist als der äußere Durchmesser der spiralförmigen Spule 14 der ersten Stufe, so daß sie über die spiralförmige Spule 14 der ersten Stufe gleitet. Wie illustriert ist die Gesamtlänge der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe größer als die Länge der spiralförmigen Spule 14 der ersten Stufe.
Gemäß dem bevorzugten Lösungsansatz ist die Röhre 34, die die spiralförmige Spule 32 der zweiten Stufe bildet, über den Teil ihrer Länge mit Rippen versehen, der gegenüberliegend zu der Röhre 16 der spiralförmigen Spule 14 der ersten Stufe angeordnet ist. Ein Zwischenkühlerteil 38 der Länge der Röhre 34 wird über den äußeren Teil des flüssigen Kältemischungsplenum 26 gewickelt und mit ihm hartverlötet, wobei dieser Teil nicht gerippt ist, um eine dichtere Packung der Windungen des Zwischenkühlerteils 38 zu erlauben. Die dichte Packung und die Hartverlötung sorgen für einen guten thermischen Austausch zwischen dem Zwischenkühler 38 und dem flüssigen Kältemischungsplenum 26.
Vorzugsweise wird, wie illustriert, der Zwischenkühlerteil 38 in der Form von mehreren überlappenden bzw. sich überlagernden Schichten gewickelt, auch um den Wärmetransfer von dem Zwischenkühlerteil 38 und dem durch die spiralförmige Spule 32 der zweiten Stufe fließendem Gas in das verflüssigte Gas innerhalb des Plenums 26 für die flüssige Kältemischung zu erhöhen. Diese Erhöhung der Kühlung des Gases, das innerhalb der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe fließt, erhöht den Anteil des Gases weiter, der verflüssigt wird, wenn es durch die spiralförmige Spule 32 der zweiten Stufe durch eine Joule- Thomson-Öffnung 39 der zweiten Stufe expandiert, die an dem kalten Ende 40 der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe angeordnet ist.
Eine zylindrische äußere Wandung 42 weist einen inneren Durchmesser auf, der eben größer ist als der äußere zylindrische Durchmesser der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe. Die äußere Wand 42 ist aus einem Material hergestellt, daß eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweist, was den Kryostaten 10 isoliert. Eine Endplatte 44, die aus einem Material hergestellt ist, daß eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, verschließt das kalte Ende der äußeren Wandung 42. Eine thermische Kühllast 46 wird vorzugsweise auf der Außenseite der Endplatte 44 in thermischen Kontakt mit dem Kryostaten 10 und insbesondere mit dem Kryostaten 30 der zweiten Stufte befestigt, so daß sie leitend durch die flüssige und kalte, gasförmige Kältemischung gekühlt wird, die durch die Expansion des Gases durch die Öffnung 39 der zweiten Stufe in dem Inneren des Kryostaten 10 gebildet worden ist. Die thermische Kühllast 46 kann ein beliebiger Gegenstand sein, der eine schnelle Kühlung erfordert, und in einer bevorzugten Ausführungsform ist sie ein Sensor, wie beispielsweise ein Infrarotsensor. Wenn das verflüssigte Gas, das durch die Expansion des Gases durch die Öffnung 39 der zweiten Stufe gebildet worden ist, die thermische Kühllast 46 kühlt, wird es verdampft, um ein kaltes Gas bildet sich. Die äußere Wand 42 und die Spindel 18 der ersten Stufe wirken zusammen, um einen Gasflußkanal 48 zwischen ihnen zu bilden, so daß das kalte Gas von dem kalten Ende 40 in Richtung des wärmeren Endes des Kryostaten 10 in einem Gegenstrommuster relativ zu der spiralförmigen Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe fließen muß.
Demnach wird Gas bei Umgebungstemperatur in die spiralförmige Spule 32 der zweiten Stufe bei einem Verbindungsstück 50 eingeführt, das sich von dem kalten Ende 40 entfernt befindet, und es fließt durch die Länge der spiralförmigen Spule 32. Während seines Durchganges entlang der Länge der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe wird es schnell durch drei separate Wärmeentfernungsmechanismen gekühlt. Wärme wird durch Leitung durch die leitende Spindel 36 der zweiten Stufe zu dem Kryostaten 12 der ersten Stufe entfernt, und gleichfalls durch den Gegenstrom von kaltem Gas, das in dem Gasflußkanal 48 fließt. Wärme wird weiter in dem Zwischenkühlerteil 38 zu dem verflüssigtem Gas in dem flüssigen Kältemischungsplenum 26 entfernt. Diese drei Wärmeentfernungspfade kühlen das Gas, das in der spiralförmigen Spule 32 der zweiten Stufe fließt, schnell ab, was zu einer schnellen Abkühlung der thermischen Kühllast 46 führt.
Ein weiterer Beitrag zu der schnellen Kühlungskapazität des Kryostaten 10 besteht in der Auswahl und der Folge der Gase, die in den Kryostaten 12 und 30 verwendet werden. Gemäß dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum schnellen Abkühlen einer thermischen Kühllast auf eine Betriebstemperatur die Schritte des Bereitstellens eines zwei-stufigen Kryostaten, der einen Kryostaten der ersten Stufe und einen Kryostaten der zweiten Stufe aufweist; Hindurchführen eines ersten Gases durch den Kryostaten der ersten Stufe und den Kryostaten der zweiten Stufe, um die thermische Kühllast auf eine mittlere Temperatur zu kühlen, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur aber höher als die Betriebstemperatur; Unterbrechen des Flusses des ersten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe aber Fortsetzen des Flusses des ersten Gases durch den Kryostaten der ersten Stufe; und Hindurchführen eines zweiten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe, nachdem der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten der zweiten Stufe unterbrochen worden ist, wobei das erste Gas eine spezifische Kühlkapazität aufweist, die größer ist als die des zweiten Gases, wobei das zweite Gas jedoch eine normale Siedetemperatur aufweist, die niedriger ist als die des ersten Gases.
Die spezifische Kühlkapazität (specific refrigerating capacity) eines Gases, das in einem Joule-Thomson-Kryostaten verwendet wird, entspricht dem Unterschied in der spezifischen Gasenthalpie, die in Watt pro Standard-Liter pro Minute (Watts per Standard Liter Per Minute = W/SLPM) ausgedrückt werden kann, und zwar des Kühlgases, das den Kryostaten verläßt und dem Kühlgas, das den Kryostaten betritt. Das Gas betritt den Kryostaten normalerweise unter einem hohen Druck, typischerweise einige tausend Pounds per Square Inch (psi, 1psi=70 mbar), sowie bei Umgebungstemperatur, nämlich typischerweise 295 K, und es verläßt den Kryostaten bei niedrigen Austrittsdrücken, typischerweise bei einer Atmosphäre und bei einer Temperatur, die um einige Grad kälter ist als die Umgebungstemperatur. Die spezifische Kühlung beispielsweise von Argongas ist bei 8000 Pounds per Sguare Inch (psi, 1psi=70mbar) optimal, mit einem Wert von 1,37 W/SLPM. Die spezifische Kühlung von Freon-14 ist erheblich höher, mit einem Wert von 6,2 W/SLPM bei einem Eingangsdruck von 4000 psi (1psi=70mbar). Argon und Freon-14 weisen vergleichsweise hohe normale Siedetemperaturen (normal boiling temperatures = NBT) von jeweils 87,3K und 145,2 K auf. Stickstoff mit einer niedrigeren NBT von 77,4 K weist eine ideale spezifische Kühlung von lediglich 0,78 W/SLPM bei einem Eingangsdruck von 6000 psi (1psi=70mbar) auf. Mischungen aus Stickstoff und Neongasen erzeugen niedrigere Siedetemperaturen, typischerweise 68 bis 73 K mit einer Kühlkapazität von lediglich 0,4 W/SLPM. Daher gilt für die meisten Fälle, je niedriger die normale Siedetemperatur eines Gases oder einer Gasmischung, desto niedriger ist auch die spezifische Kühlung. Noch wichtiger, je größer die spezifische Kühlung eines Gases, desto größer die Rate mit der es Wärme von seiner Umgebung absorbieren kann, und desto schneller kann es die Kühlung einer thermischen Last bewerkstelligen.
In einem schnellen Kühlkryostatsystem, wie es für die bevorzugten Anwendungen der vorliegenden Erfindung benötigt wird, ist es wünschenswert, ein Gas zu verwenden, das eine hohe spezifische Kühlkapazität aufweist, um die thermische Kühllast zu kühlen. Indessen gilt, je höher die spezifische Kühlkapazität, desto höher die normale Siedetemperatur des Gases. Daher besteht in dem Fall, in dem es notwendig ist, eine Kühllast auf eine niedrige Temperatur zu kühlen, ein Konflikt zwischen dem Wunsch der Verwendung eines Gases mit einer hohen spezifischen Kühlkapazität und eines Gases mit einer niedrigen Siedetemperatur, die benötigt wird, damit der Kryostat niedrige Temperaturen erreichen kann.
In dem gegenwärtig bevorzugten Lösungsansatz wird zunächst ein erstes Gas mit einer hohen spezifischen Kühlkapazität verwendet, wie Argon oder Freon-14, und zwar in dem Kyrostaten 12 der ersten Stufe und dem Kryostaten 30 der zweiten Stufe. Dies sorgt für eine schnelle Anfangskühlung des Kryostaten 10 von Umgebungstemperatur auf eine mittlere Temperatur, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur, jedoch höher als die tatsächliche Betriebstemperatur, auf die die thermische Last 46 zu kühlen ist.
Der Fluß des ersten Gases wird daran anschließend durch den Kryostaten 12 der ersten Stufe fortgesetzt, da das erste Gas eine schnelle Entnahme von Wärme auf die Zwischentemperatur während des forgesetzten Betriebes des Kyrostaten 10 erlaubt. Indessen wird bei der mittleren Temperatur der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten 30 der zweiten Stufe unterbrochen, da die benötigte Betriebstemperatur durch die Verwendung des ersten Gases nicht erreicht werden kann, da seine normale Siedetemperatur zu hoch ist.
Anstelle dessen wird anschließend ein zweites Gas durch den Kryostaten 30 der zweiten Stufe geleitet, um die Kühlung auf die Betriebstemperatur zu ermöglichen. Das zweite Gas ist vorzugsweise Stickstoff oder eine Mischung aus Stickstoff und Neon, um die Betriebstemperaturen unterhalb von ungefähr 80 K zu erreichen. Wenn das Gas durch den Kryostaten der zweiten Stufe von Beginn des Kühlzykluses an geleitet worden wäre, dann wäre das Herunterkühlen langsamer vonstatten gegangen als das Herunterkühlen, das durch die Verwendung von zwei Gasen in der beschrieben Weise erreicht worden ist.
Eine schematische Zeichnung eines Gasversorgungs-Managementsystem 60 ist in Fig. 2 illustriert, und zwar im Verhältnis zu dem Kryostaten 12 der ersten Stufe und dem Kryostaten 30 der zweiten Stufe eines zwei-stufigen Kryostaten 10. Die ersten und zweiten Gase sind jeweils in einer ersten Gasversorgungsquelle 62 sowie einer zweiten Gasversorgungsquelle 64 enthalten, welche jeweils vorzugsweise aus Hochdruckgasflaschen bestehen. Eine erste Gasversorgungsleitung 66 erstreckt sich von der ersten Gasversorgungsquelle 62 zu dem Verbindungsstück 24 der spiralförmigen Wärmetauscherspule 14 der ersten Stufe. Eine zweite Gasversorgungsleitung 68 erstreckt sich von der zweiten Gasversorgungsquelle 64 zu dem Verbindungsstück 50 der spiralförmigen Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe. Vorzugsweise werden Festelement-Gasfilter (solid element gas filter) 70 in einer jeden der Versorgungsleitungen 66 und 68 angeordnet, wie beispielsweise 5 um Festpartikelfilter.
Ein erstes Gasversorgungsventil 72, welches normalerweise verschlossen ist, wird in der ersten Gasversorgungsleitung 66 zwischen der Quelle 62 und dem Verbindungsstück 24 angeordnet. Das Ventil 72 ist vorzugsweise ein pyrotechnisches Einweg-Öffnungsventil, das durch die Auslösung einer explosiven Ladung innerhalb des Ventiles auf Befehl von einem Herunterkühl-Kommandoschalter 74 geöffnet wird, um die Herunterkühlsequenz von der Umgebungstemperatur zu beginnen.
Die erste Gasversorgungsleitung 66 steht mit der zweiten Gasversorgungsleitung 68 über eine Zwischenverbindungsleitung 76 in Verbindung. Ein normalerweise offenes Zwischenverbindungsventil 78 wird in der Leitung 66 angeordnet. Wenn das erste Gasversorgungsventil 72 aktiviert und von dem Herunterkühl-Befehlsschalter 74 geöffnet wird, dann fließt ein Fluß des ersten Gases von der ersten Gasversorgungsquelle 62 unmittelbar in die erste spiralförmige Wärmetauscherspule 14 der ersten Stufe und gleichfalls in die spiralförmige Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe.
Die zweite Gasversorgungsleitung 68 weist ein zweites Gasversorgungsventil 80 zwischen der zweiten Gasversorgungsquelle 64 und dem Punkt auf, bei dem die Zwischenverbindungsleitung 76 mit der zweiten Gasversorgungsleitung 68 in Verbindung tritt. Das zweite Gasversorgungsventil 80 ist normalerweise geschlossen, wodurch ein Gasfluß von der zweiten Gasversorgungsquelle 64 während der Lagerung verhindert wird, und wodurch ein Fluß des ersten Gases in die zweite Gasversorgungsquelle 64 nach dem Öffnen des ersten Gasversorgungsventils 72 verhindert wird.
Das zweite Gasversorgungsventil 80 und das Zwischenverbindungsventil 78 sind vorzugsweise als ein einzelnes, doppelwirkendes Ventil 82 ausgelegt. Wenn das Ventil 82 aktiviert wird, dann wird das normalerweise offene Zwischenverbindungsventil 78 geschlossen und simultan das normalerweise verschlossene zweite Gasversorgungsventil 80 geöffnet. Dieser Vorgang unterbricht den Fluß des ersten Gases in die spiralförmige Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe und initiiert simultan den Fluß des zweiten Gases hin zu der spiralförmigen Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe.
Der Betrieb des doppelwirkenden Ventiles 82 wird durch einen Temperaturtastschalter 84 ausgelöst, der seinerseits ein Temperatursignal von einem Sensor 86 empfängt, der auf der thermischen Kühllast 46 befestigt ist. Somit wird, wenn die thermische Kühllast 46 auf eine im voraus ausgewählte mittlere Temperatur gekühlt worden ist, das doppelwirkende Ventil 82 automatisch durch den Temperaturtastschalter 84 betätigt. Der Gasfluß wird dabei von dem ersten Gas, das durch beide Kyrostaten 12 und 30 fließt, dahingehend geändert, als daß nunmehr das erste Gas zu dem Kryostaten 12 der ersten Stufe und das zweite Gas zu dem Kryostaten 30 der zweiten Stufe fließt.
Ein Druckregler 87 in der zweiten Gasversorgungsleitung 68, der zwischen der zweiten Gasversorgungsquelle 64 und dem zweiten Gasversorgungsventil 80 angeordnet ist, begrenzt den Druck des zweiten Gases, das den Kryostaten 30 der zweiten Stufe erreicht, auf einen vorgewählten Wert.
Wahlweise kann eine Hilfsgas-Flußmöglichkeit vorgesehen werden. Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, können eine externe Gasquelle 88, die über ein Ventil 89 angeschlossen wird, ein Sicherheitsventil 90 und ein Drucksensor 92 vorgesehen werden, um die Brauchbarkeit des Gasversorgungssystemes auszudehnen.
Das Gasversorgungssystem 60 weist den wichtigen Vorteil auf, daß es lediglich einer Initiierung des Betriebes durch den Herunterkühl-Befehlsschalter 74 bedarf und das nachfolgend die Flußfolge der Gase vollständig automatisiert ist. Wenn die Kühllast 46 ihre vorgewählte Zwischentemperatur erreicht, dann findet die Umschaltung des zweiten Gasflusses zu dem Kryostaten 30 der zweiten Stufe vollständig automatisch statt. Dieser automatisierte Ablaufbetrieb ist dort wünschenswert, wo das Herunterkühlsystem für eine bestimmte Zeitperiode vor der Verwendung gelagert werden muß.
Die Fig. 3 illustriert ein alternatives Gasversorgungs-System 60'. Die meisten Komponenten sind mit denen des Systemes 60 aus der Fig. 2 identisch und sie sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausnahme besteht darin, daß das doppeltwirkende Ventil 82 durch ein Rückschlagventil 94 ersetzt wird. Wenn das zweite Gasversorgungsventil 80 durch den Befehl des Temperaturtastschalters 84 geöffnet wird, dann ist der Gasdruck des zweiten Gases in der zweiten Gasversorgungsleitung 68 ausreichend groß, so daß das erste Gas nicht mehr durch die Zwischenverbindungsleitung 76 fließen kann, und das Rückschlagventil 94 wird geschlossen, um den Fluß des zweiten Gases durch die Zwischenverbindungsleitung 76 in die erste Gasversorgungsleitung 66 hinein zu verhindern. Diese Struktur hat den Vorteil der erhöhten Einfachheit, verglichen mit dem Gasversorgungssystem aus Fig. 2.
Ein Herunterkühlsystem ist konstruiert worden, um die Funktionsweise der Erfindung zu demonstrieren. Die spiralförmige Wärmetauscherspule 14 der ersten Stufe ist durch achtzehn Windungen einer Kupfer-Nickellegierungsröhre gebildet worden, mit einem inneren Durchmesser von 0,3 mm (0,012 Inch), und einem äußeren Durchmesser von 0,5 mm (0,020 Inch), mit angelöteten Kupferrippen, wodurch sie einen zylindrischen äußeren Durchmesser von 1,02 mm (0,040 Inch) aufweist. Die Öffnung 20 der ersten Stufe besteht aus einem Röhrenstück mit einem äußeren Durchmesser von 0,254 mm (0,010 Inch) und einem inneren Durchmesser von 0,127 mm (0,005 Inch), das in das Ende der Kupfer-Nickellegierungsröhre eingelötet wird. Die spiralförmige Wärmetauscherspule 32 der zweiten Stufe besteht aus zweiundzwanzig Windungen einer Kupfer-Nickellegierungsröhre, die die gleiche Form und die gleichen Abmessungen hat wie die Röhre, die für die spiralförmige Wärmetauscherspule der ersten Stufe verwendet worden ist, mit der Ausnahme, daß der Zwischenkühlerteil 38 nicht Rippen versehen und durch drei Schichten gebildet wird, die auf das Plenum 26 für das flüssige Kühlmittel aufgewickelt und verlötet werden. Die Gesamtlänge des Kryostaten, einschließlich der Endanschlußstücke beträgt ungefähr 28,70 mm (1,13 Inch) und der äußere Durchmesser beträgt ungefähr 9,4 mm (0,37 Inch). Die an dem Ende des Kryostaten 10 befestigte thermische Kühllast 46 ist im Hinblick auf ihre Masse so ausgelegt, daß ungefähr 120 Joule an Wärmeenergie von der thermischen Kühllast entfernt werden muß, um sie von Umgebungstemperatur auf weniger als ungefähr 80 K zu kühlen.
Die Fig. 4 ist ein Diagramm, in dem die gemessene Temperatur der thermischen Kühllast als eine Funktion der Zeit nach Initiierung des Flusses des ersten Gases durch Betätigung des Herunterkühl-Befehlsschalters 74 dargestellt ist. In dem illustrierten Test ist das erste Gas Argon unter einem Anfangsdruck von 8000 Pounds per Square Inch (psi, 1psi = 70 mbar), das zweite Gas ist eine Mischung aus 15 Volumenprozent Neon und 85 Volumenprozent Stickstoff unter einem Anfangsdruck von 4500 psi (1psi = 70 mbar), und das Volumen einer jeden der Gasflaschen, die die Quellen 62 und 64 bilden, beträgt 122900 mm³ (7,5 Kubik-Inch).
Wie man der Fig. 4 entnehmen kann, erreichte die Kühl last eine Temperatur von ungefähr 90 K nach ungefähr 3 bis 4 Sekunden, wobei sich allerdings die Temperatur daran anschließend nicht weiter vermindert. Indessen wird bei diesem Punkt der Temperaturtastschalter 84 aktiviert (nämlich beim Punkt 96), da die vorgewählte mittlere Temperatur erreicht worden ist. Die Temperatur der Kühllast beginnt erneut innerhalb ungefähr 1 Sekunde abzunehmen und eine Temperatur von weniger als ungefähr 80 K wird nach einer Gesamtkühlzeit von ungefähr 6 Sekunden erreicht. Die Kühlzeit könnte noch weiter vermindert werden, indem man die mittlere Temperatur bei einem geringfügig höheren Wert ansetzt, um das Temperaturplateau bei ungefähr 90 K zu verkürzen. In dem in Fig. 4 illustrierten Test ist das Plateau in der verlängerten Form belassen worden, um die unterschiedlichen Stufen der Funktionsweise des Herunterkühlsystemes zu illustrieren.
Zum Vergleich benötigen bestehende konventionelle, nicht eingetauchte Herunterkühlsysteme mehr als 30 Sekunden, bis hin zu 150 Sekunden, um eine ähnliche Kühlung der Kühllast zu erreichen.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist in Fig. 5 illustriert. Eine Rakete 100 weist einen Rumpf 102 auf, der mit einem transparenten Fenster 104 an seiner Nase ausgestattet ist. Hinter dem Fenster 104 befestigt befindet sich ein zwei-stufiger Kryostat 10 mit seiner Kühllast 46, die in diesem Fall aus einem Infrarotsensor 106 besteht, der von einem nach vorne zeigenden Ende des Kryostaten 10 in einer Art und Weise getragen wird, die detaillierter in Fig. 1 illustriert ist. Das elektrische Ausgangssignal des Sensors 106 wird zu einem Kontrollsystem 108 der Rakete 100 geleitet. Das Kontrollsystem 108 sorgt für Führungssteuersignale für die Steueroberflächen der Rakete 100, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Das Gasversorgungssystem 60, das vorzugsweise des Types ist, der in den Figuren 2 oder 3 illustriert ist, empfängt unter Druck stehendes Gas von den Versorgungsquellen 62 und 64 und sorgt für einen kontrollierten Gasfluß zu dem zwei-stufigen Kryostaten 10.
Während der Abschußsequenz der Rakete 100 wird das Gasversorgungssystem 60 in der Art und Weise betrieben, die zuvor beschrieben worden ist, um den Kryostaten 10 und den Infrarotsensor 106 auf die geeignete Betriebstemperatur des Sensor zu kühlen. Der Sensor sucht dann nach der Wärme, die von einem Ziel der Rakete erzeugt worden ist und stellt für das Kontrollsystem 108 die Zielsignale bereit, so daß die Rakete zu dem Ziel geführt wird.

Claims

1. Eine Kühlvorrichtung mit:

a) einem zweistufigen Kryostaten (10), der einen Kryostaten (12) der ersten Stufe aufweist, mit einer ersten Wärmetauscherspule (14) und einer ersten Gasexpansionsöffnung (20), und einem zweiten Kryostaten (30) der zweiten Stufe, mit einer zweiten Wärmetauscherspule (32) und einer Gasexpansionsöffnung (39); und

b) einem Gasversorgungs-Managementsystem (60, 60') zum Versorgen des Kryostaten (10) mit unter Druck stehendem Gas, wobei das Gasversorgungssystem enthält:

b1) eine erste Versorgungsquelle (62) eines ersten, unter Druck stehenden Gases,

b2) eine erste Gasversorgungsleitung (66) von der ersten Versorgungsquelle (62) zu dem Kryostaten (12) der ersten Stufe,

b3) ein erstes Gasversorgungsventil (72) in der ersten Gasversorgungsleitung (66),

b4) eine zweite Gasversorgungsguelle (64) eines zweiten, unter Druck stehenden Gases,

b5) eine zweite Gasversorgungsleitung (68) von der zweiten Versorgungsquelle (64) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe,

b6) ein zweites Gasversorgungsventil (80) in der zweiten Gasversorgungsleitung (68), und

b7) Mittel (82, 84, 86; 94), um es dem ersten unter Druck stehenden Gas kontrolliert zu erlauben, von der ersten Versorgungsquelle (62) zu dem Kryostaten der zweiten Stufe zu fließen, so daß der Kryostat (30) der zweiten Stufe entweder das erste, unter Druck stehende Gas oder das zweite, unter Druck stehende Gas empfängt.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben enthalten:

eine Gas-Zwischenverbindungsleitung (76) von der ersten Gasversorgungsleitung (66) zu der zweiten Gasversorgungsleitung (68); und

ein Gas-Zwischenverbindungsventil (78) in der Gas-Zwischenverbindungsleitung (76).

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben ein Mittel (82; 94) enthalten, um es dem ersten, unter Druck stehendem Gas zu erlauben, von der ersten Versorgungsquelle (62) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe zu fließen, wenn kein zweites Gas von der zweiten Gasversorgungsquelle (64) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe fließt, um es dem ersten Gas jedoch nicht zu erlauben, von der ersten Versorgungsquelle (62) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe zu fließen, wenn das zweite Gas von der zweiten Gasversorgungsquelle (64) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe fließt.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben ein normalerweise offenes Gas-Zwischenverbindungsventil (78) zwischen der ersten Gasquelle (62) und dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe enthalten, welches sich verschließt, wenn das zweite Gas-Versorgungsventil (80) geöffnet wird.

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben ein Rückschlagventil (94) enthalten, das es dem Gas erlaubt, von der ersten Gasquelle (62) zu dem Kryostaten (30) der zweiten Stufe zu fließen, jedoch nicht in der entgegengesetzten Richtung.

6. Die Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben einen Temperatursensor (96) enthalten, der die Temperatur einer Kühllast (46; 106) ertastet.

7. Die Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin die Mittel (82, 84, 86; 94) zum kontrollierten Erlauben eine Regeleinrichtung (84) enthalten.

8. Die Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin das erste Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Argon und Freon-14 besteht.

9. Die Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin das zweite Gas aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Stickstoff und einer Mischung aus Stickstoff und Neon besteht.

10. Die Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, worin:

a) die erste Wärmetauscherspule (14) eine spiralförmige Röhrenspule (16) ist,

b) die erste Gasexpansionsöffnung (20) bei einem kalten Ende (22) der ersten Wärmetauscherspule (14) positioniert ist, und

c) der Kryostat (30) der zweiten Stufe eine thermisch leitende, zylindrische Tragespindel (36) enthält, die einen inneren Durchmesser hat, der größer ist als der äußere Durchmesser der spiralförmigen Wärmetauscherspule (14) aus der Röhre (16) der ersten Stufe und die die spiralförmige Wärmetauscherspule (14) aus der Röhre (16) überlappt, eine spiralförmige Wärmetauscherspule (32) aus einer Röhre (34) der zweiten Stufe, die auf die zylindrische Tragespindel (36) der zweiten Stufe gewickelt ist, wobei die spiralförmige Spule (32) aus der Röhre (34) der zweiten Stufe sich über ein Plenum (26) für ein flüssiges Kühlmittel hinaus erstreckt, das bei dem kalten Ende (22) der spiralförmigen Spule (14) der ersten Stufe positioniert ist, von dem gekühltes und verflüssigtes Gas, das durch die Öffnung (20) expandiert wurde, empfangen wird, wobei die spiralförmige Spule (32) der zweiten Stufe des weiteren eine Mehrzahl von Zwischenkühlerwicklungen (38) enthält, die auf das Plenum (26) für das flüssige Kühlmittel gewickelt und mit ihm hartverlötet sind, und

einer zweiten Gasexpansionsöffnung (39) bei einem kalten Ende (40) der spiralförmigen Wärmetauscherspule (32) aus der Röhre (34) der zweiten Stufe.

11. Ein Detektorsystem mit:

a) einer Kühlvorrichtung, wie sie in einem der vorigen Ansprüche 1 bis 10 beansprucht worden ist, und

b) einem Sensorelement (46; 106), das mit dem zweistufigen Kryostaten (10) in thermischem Kontakt steht.

12. Eine Rakete (100) mit:

10 b) einem Infrarotsensor (46; 106), der mit dem zweistufigen Kryostaten (10) in thermischem Kontakt steht, wobei der Infrarotsensor (46; 106) ein elektrisches Signal für ein Kontrollsystem (108) der Rakete (100) bereitstellt.

13. Ein Verfahren zum schnellen Kühlen einer thermischen Kühllast (46; 106) auf eine Betriebstemperatur unter Verwendung eines zwei-stufigen Kryostaten (10), der einen Kryostaten (12) der ersten Stufe und einen Kryostaten (30) der zweiten Stufe verwendet, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

a) Führen eines ersten Gases durch den Kryostaten (12) der ersten Stufe und den Kryostaten (30) der zweiten Stufe, um die thermische Kühllast (46; 106) auf eine Zwischentemperatur zu kühlen, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur aber höher als die Betriebstemperatur;

b) Unterbrechen des Flusses des ersten Gases durch den Kryostaten (30) der zweiten Stufe, aber Fortsetzen des Flusses des ersten Gases durch den Kryostaten (10) der ersten Stufe;

c) Führen eines zweiten Gases durch den Kryostaten (30) der zweiten Stufe, nachdem der Fluß des ersten Gases durch den Kryostaten (30) der zweiten Stufe unterbrochen worden ist, so daß zunächst das erste Gas und dann das zweite Gas durch den Kryostaten (30) der zweiten Stufe fließt; worin

d) das erste Gas eine spezifische Kühlkapazität aufweist, die größer ist als die des zweiten Gases, das zweite Gas jedoch eine normale Siedetemperatur aufweist, die niedriger ist als die des ersten Gases.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, worin das erste Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Argon und Freon-14 besteht.

15. Das Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, worin das zweite Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stickstoff und einer Mischung aus Stickstoff und Neon besteht.

16. Das Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 13 bis 15, worin der Schritt des Unterbrechens durchgeführt wird, wenn die thermische Kühllast (46; 106) auf eine im voraus ausgewählte Temperatur gekühlt worden ist.