-
Kühlaggregat zur vorübergehenden Kühlung von Gegenständen geringer
thermischer Trägheit Die Erfindung betrifft das Problem der Kühlung und bezweckt
die Schaffung eines Kühlaggregates, das bei Betätigung einen in thermischem Kontakt
mit dem Aggregat befindlichen Gegenstand geringer thermischer Trägheit schnell zu
kühlen und während einer begrenzten Zeitdauer auf einer niedrigen Temperatur zu
halten vermag.
-
Ein derartiger Gegenstand kann beispielsweise ein Halbleiterdetektor
für Infrarotstrahlung sein. Zur Erhöhung der Anzeigeempfindlichkeit ist es erwünscht,
den Halbleiter auf Temperaturen unterhalb o° C, vorzugsweise auf eine Temperatur
unterhalb -30° C zu kühlen. Um falsche Anzeigen während dem darauffolgenden Temperaturanstieg
des Halbleiters auszuschließen, ist es auch erwünscht, die niedrige Temperatur wenigstens
für die Dauer der Messung aufrechtzuerhalten. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen
beispielsweise eine derartige Infrarotstrahlungsmessung auf einen einmaligen Zeitraum
beschränkt sein kann.
-
Die eigentliche Meßdauer, während welcher der Detektor auf der niedrigen
Temperatur gehalten werden soll, kann beispielsweise in der Größenordnung von Sekunden
liegen, und entsprechend soll
die Abkühlung von der normalen Umgebungstemperatur
auf die genannte Meßtemperatur nur verhältnismäßig geringe Zeit, beispielsweise
ebenfalls in der Größenordnung von Sekunden, benötigen, so daß eine scharfe Kühlung
innerhalb dieser Zeiträume erforderlich ist.
-
Ein Kühlaggregat gemäß der Erfindung weist zu diesem Zweck einen in
zwei Abteile geteilten geschlossenen Behälter auf, der ganz oder im wesentlichen
ganz mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist, eine Verbindungsleitung zwischen den
beiden Abteilen für das Kühlmittel, eine aus dem einen Abteil herausführende, verschlossene
Austrittsröhre, Mittel zur Öffnung der Austrittsröhre außerhalb des Behälters, sowie
eine flüssigkeitsströmungshindernde Packung, durch welche das Kühlmittel zum Austritt
durch die Austrittsröhre hindurchtritt.
-
Vorzugsweise ist die Packung in dem einen Abteil, aus welchem die
Austrittsröhre herausführt, untergebracht. Geeignete Packungen bestehen beispielsweise
aus Silika-Wolle oder Glaswolle.
-
Vorzugsweise hat die Verbindungsröhre einen erhöhten Strömungswiderstand,
verglichen mit der Austrittsröhre. Zu diesem Zweck kann die Verbindungsröhre entlang
ihrer ganzen Länge eng ausgebildet sein oder eine Verengung aufweisen. Es können
auch abwechselnd beide Arten von Strömungswiderstand vorgesehen sein.
-
Wenn die Stirnseite des einen Abteils gekühlt werden soll, so kann
die Verbindungsröhre von dieser Stirnseite oder von einer dieser benachbarten Stelle
aus führen. In diesem Fall kann das Ende der Verbindungsröhre an dieser Stirnseite
befestigt sein und seitliche Öffnungen zum Durchtritt des Kühlmittels aufweisen.
Um ein Verschütten oder Verspritzen des flüssigen Kühlmittels zu vermeiden, kann
die Verbindungsröhre zu einer Stelle in der Nähe der von der Stirnseite des einen
Abteils abgelegenen Stirnseite des anderen Abteils führen. Die Austrittsröhre kann
von einer Stelle in der Nähe der Stirnseite des ersten Abteils ausgehen.
-
Vorzugsweise kann der Behälter eine gemeinsame Trennwand aufweisen,
durch welche die Verbindungsröhre hindurchführt. Die Austrittsröhre kann ebenfalls
durch die gemeinsame Trennwand hindurchgeführt sein.
-
Die Vorrichtung zur Öffnung der Austrittsröhre kann ein zerbrechliches
Teil außerhalb des Behälters aufweisen.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung; in dieser
zeigt Fig. I im Längschnitt eine Ausführungsform eines Kühlaggregats gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einer Detektor-Zelle, Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie
II-II in Fig. I, Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung längs der Linie III-III der
Fig. 2, Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung längs der Linie IV-IV der Fig. 2 und
Fig. 5 in Querschnittsdarstellung eine zweite Ausführungsform eines Kühlaggregats
gemäß der Erfindung.
-
Die in den Fig. I bis 4 gezeigte Detektor-Zelle weist eine aus zwei
Teilen Io und II bestehende zylindrische Umhüllung aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
auf. Das Teil Io ist kappenförmig mit einem verschlossenen Ende I2 und einem radialen
Flansch I3 ausgebildet, der zur Befestigung des aus Kühlaggregat und Zelle bestehenden
Ganzen dient. Das Teil II ist ein am Ende offener Zylinder, der mit seinem einen
Ende in das Teil Io paßt und mit diesem dichtschließend verbunden ist, während sein
anderes Ende mit einem durchsichtigen Verschlußteil I4 abgeschlossen ist. Elektrische
Leitungen I5 sind mittels Dichtungsverschlüssen I6 durch das Teil Io geführt und
mit einem in der Nähe des Verschlußteils I4 angeordneten Halbleiter-Detektor verbunden.
-
Das Kühlaggregat 2o gemäß der Erfindung weist einen aus zwei zylindrischen
Teilen 21 und 22 aus Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehenden Behälter auf. Das
Teil 21 hat ein verschlossenes Ende 23 und ist länger sowie von etwas kleinerem
Durchmesser als das Teil 22. Das Teil 22 hat ein verschlossenes Ende 24; die Teile
2I und 22 sind ineinandergepaßt und dichtschließend miteinander verbunden. Der Halbleiterdetektor
ist auf der verschlossenen Stirnseite 23 nahe dem Verschlußteil I4 angeordnet. In
dem Tei1 2I ist ein Metalldiaphragma 25 querliegend angeordnet, welches den Behälter
in zwei durch eine gemeinsame Trennwand voneinander getrennte Abteile 26 und 27
unterteilt.
-
Eine metallische Verbindungsröhre 28 ist dichtschließend durch eine
Öffnung in dem Diaphragma 25 geführt und verbindet die beiden Abteile 26 und 27
miteinander. Die Röhre 28 ist an ihrem einen Ende mit dem mittleren Teil der Innenfläche
des stirnseitigen Verschlusses 23, auf dessen Außenfläche der Detektor angeordnet
ist, befestigt. An dem einen Ende der Röhre 28 ist ein diametraler Schlitz 29 (Fig.
3 und 4) vorgesehen, so daß dieses Röhrenende dort nicht verschlossen ist. Das andere
Ende der Röhre 28 ist offen und in der Nähe des stirnseitigen Endes 24 des Abteils
27 angeordnet.
-
Ferner führt auch eine Austrittsröhre 3o dichtschließend durch eine
Öffnung in dem Diaphragma 25, die ein offenes Ende in der Nähe der Stirnseite 23
des Abteils 26 hat. In dem Abteil 27 ist die Röhre 3o umgebogen und in radialer
Richtung durch ein Neusilberfutter 31 in einer Umfangsöffnung des Teils 22 und ein
gleichartiges, mit dem ersten Futter ausgerichtetes Futter 32 in einer Umfangsöffnung
des Teils io geführt. Damit ist eine Verbindung zwischen dem Abteil 26 und dem Raum
außerhalb der Detektor-Zelle hergestellt, wobei alle Verbindungen dichtschließend
ausgeführt sind. An dem außerhalb der Zelle befindlichen Ende der Röhre
30 ist eine mit Außengewinde versehene Muffe 33 aus Neusilber befestigt.
Außer den Röhren 28 und 30 enthält das Abteil 26 noch eine Pakkung 38 aus
Silika- oder Glaswolle.
Ein zweites Paar aufeinander ausgerichteter
Neusilberfutter 34 und 35 (Fig. 2 und 4) sind in Umfangsöffnungen in den Teilen
Io und 22 angeordnet. Durch diese Futter 34 und 35 ist dichtschließend eine kurze
Zuführleitung 36 geführt, die eine Verbindung zwischen dem Abteil 27 und dem Raum
außerhalb der Detektorzelle herstellt. Das außerhalb der Zelle befindliche Ende
der Röhre 36 ist mit einer mit Außengewinde versehenen Muffe 37 aus Neusilber versehen.
Das Kühlaggregat 2o ist mittels der Leitung 36 und der Röhre 30 innerhalb
der Zelle genau zentriert und befestigt.
-
Die Verbindungsröhre 28 ist eng und der Schlitz 29 klein, um einen
hohen Widerstand für das durchtretende Kühlmittel zu bilden, verglichen mit dem
verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand der weit ausgeführten Austrittsröhre
3o.
-
Das Kühlaggregat wird mit flüssigem Kühlmittel gefüllt, beispielsweise
mit einem der bekannten Kühlmittel mit den Handelsnamen »Freon I3«, »Freon 22« oder
»Freon I2«, das bei dem Druck, wie er im Zeitpunkt der Kühlung herrscht, bei der
gewünscht niedrigen Temperatur siedet.
-
Die Füllung erfolgt durch die Zuführleitung 36; sobald das Abtei1
27 gefüllt ist, tritt Flüssigkeit durch die Verbindungsröhre 28 in das Abteil
26
über. Ist das Abteil 26 gefüllt, so tritt Flüssigkeit durch die Abflußröhre
3o aus. Die Austrittsröhre 3o wird sodann mit einem zerbrechlichen Verschlußteil,
beispielsweise in Form eines (nicht dargestellten) Glaskolbens verschlossen. Ebenso
wird die Zuführleitung verschlossen. Nun ist der Behälter des Kühlaggregats 2o verschlossen
und im wesentlichen mit flüssigem Kühlmittel unter einem Druck gleich dem Dampfdruck
des Kühlmittels bei der Umgebungstemperatur gefüllt. Die Detektorzelle wird so gut
wie möglich evakuiert.
-
Um die Kühlung des Halbleiterdetektors in Gang zu setzen, wird der
zerbrechliche Glaskolben zerschlagen. Infolge des Drucks in dem Kühlaggregat 2o
und da das flüssige Kühlmittel siedet, tritt sofort ein Kühlmitteldampfstrom durch
die Austrittsröhre 3o aus dem Abteil 26 aus.
-
Dies bewirkt eine starke und schnelle Kühlung des Stirnteils 23 des
Abteils 26 und des mit ihm in gutem thermischem Kontakt befindlichen Halbleiterkörpers.
Weitere Kühlmittelmengen gelangen durch die Verbindungsröhre 28 aus dem Abteil 27
in das Abteil 26 und von da in die Austrittsröhre 3o. Wenn die Siedetemperatur des
Kühlmittels bei dem herrschenden Druck erreicht ist (d. h. die gewünschte, aufrechtzuerhaltende
niedrige Temperatur), verdampft das Kühlmittel in dem Abteil 27 weiter, wobei der
Dampf durch die Verbindungsröhre und die Austrittsröhre, jedoch mit geringerer Geschwindigkeit,
austritt. Die niedrige Temperatur wird daher so lange aufrechterhalten, bis das
gesamte flüssige Kühlmittel verdampft ist. Danach steigt die Temperatur allmählich
auf die Umgebungstemperatur an.
-
Die Länge der begrenzten Zeitspanne, während welcher die Kühlung aufrechterhalten
wird, ist weitgehend dadurch bestimmt, welche Kühlmittelmenge in dem Behälter nach
der anfänglichen schnellen Kühlung, die durch den schnellen Austritt des Kühlmittels
durch die Austrittsröhre verursacht wird, verbleibt. Um möglichst viel Flüssigkeit
zurückzubehalten, sollte das Kühlmittel in Dampfform austreten, die Silika- oder
Glaswollepackung wirkt in dieser Richtung. Die Wolle wirkt als flüssigkeitsströmungshindernde
Packung und hält einen Großteil der Flüssigkeit zurück, der ohne die Wollpackung
durch die Austrittsröhre hinausgeblasen würde. Selbstverständlich können andere
Stoffe, die gegenüber dem Kühlmittel inert sind und der Strömung des flüssigen Kühlmittels,
nicht jedoch dem Dampfdurchtritt, Widerstand entgegensetzen, verwendet werden.
-
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist der Detektor ähnlich
dem in den Fig. I bis 4 gezeigten; diejenigen Teile des Kühlaggregats, die den in
Fig. I bis 4 gezeigten gleichen, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
-
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch eine Austrittsröhre 4o dichtschließend
durch eine Öffnung in dem Diaphragma 25 geführt und mit ihrem einen Ende im mittleren
Teil der Innenfläche der Stirnseite 23, auf deren Außenfläche der Detektor angeordnet
ist, befestigt. Eine seitliche Öffnung 41 ist in diesem einen Ende der Röhre 40
vorgesehen, so daß dieses nicht verschlossen ist. In dem Abteil 27 verläuft die
Röhre 4o gebogen und ist in radialer Richtung durch ein Neusilberfutter 3I in einer
Umfangsöffnung des Teils 22 und ein entsprechendes, mit dem ersten ausgerichtetes
Futter 32 in einer Umfangsöffnung des Teils Io geführt. Damit ist eine Verbindung
zwischen dem Abteil 26 und dem Raum außerhalb der Kühlvorrichtung hergestellt, wobei
alle Verbindungen dichtschließend ausgeführt sind.
-
Eine metallische Verbindungsröhre 42 ist dichtschließend durch eine
andere- Öffnung in dem Diaphragma 25 geführt und stellt eine Verbindung zwischen
den Abteilen 26 und 27 her; sie ist mit ihrem einen Ende im mittleren Bereich der
Innenfläche der Stirnseite 23, auf deren Außenseite der Detektor angeordnet ist,
befestigt. An dem einen Ende der Röhre 42 ist eine seitliche Öffnung 43 vorgesehen,
so daß dieses Ende nicht verschlossen ist. Das andere Ende der Röhre 42 ist um die
Austrittsröhre 4o in dem Abteil 27 gebogen, so daß ihr von der Stirnseite 23 des
Abteils 26 abliegendes offenes Ende in der Mitte des Kühlaggregats liegt.
-
Die Austrittsröhre 40 und die Verbindungsröhre 42 sind, um einen Wärmeaustausch
zu ermöglichen, entlang ihrer Länge miteinander verlötet.
-
Neben den Röhren 40 und 42 enthalten die Abteile 26 und 27 auch Packungen
44 und 45 aus Silika- oder Glaswolle.
-
Die Verbindungsröhre 42 ist eng, um einen Strömungswiderstand für
die Kühlmittelströmung zu bilden, verglichen mit der Austrittsröhre 4o, die vergleichsweise
weit ist. Das Kühlaggregat wird mit den schon oben angeführten handelsüblichen flüssigen
Kühlmitteln gefüllt, die bei einem Umgebungsdruck, welcher dem während der Kühlperiode
vermutlich
herrschenden entspricht, bei der gewünschten tiefen Temperatur sieden.
-
Die Füllung erfolgt in der gleichen Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
die Austrittsröhre 4o wird sodann mit einem zerbrechlichen Verschluß, beispielsweise
in Form eines (nicht dargestellten) Glaskolbens, verschlossen. Der Behälter des
Aggregats ist nun verschlossen und im wesentlichen mit flüssigem Kühlmittel unter
einem Druck gefüllt, der gleich dem Dampfdruck des Kühlmittels bei der höchsten
zu erwartenden Umgebungstemperatur ist, um Ausdehnungsprobleme auszuschließen. Die
den Halbleiterdetektor enthaltende Kühlvorrichtung wird so, sorgfältig wie möglich
evakuiert.
-
Man erkennt, daß die Anordnung der Verbindungsröhre in der Mitte den
Durchtritt von Kühlmittel selbst unter hohen Rotationsbeschleunigungen erleichtert.
Die seitlichen Öffnungen 4I und 43 sind in verschiedenen Richtungen angeordnet,
um den Kühlmittelfluß längs der zu kühlenden Stirnfläche zu verbessern. Die Strömung
kalten Dampfes durch die Austrittsröhre wirkt in Richtung einer Kühlung des durch
die Verbindungsröhre tretenden Kühlmittels.
-
Die Evakuierung der das Kühlaggregat umgebenden Zelle ist vorteilhaft,
weil dadurch das Aggregat von der Umgebung bis auf die Eintritts-und Austrittsröhren
thermisch isoliert wird.
-
Die Kombination der beiden Abteile, der Verbindungsröhre und der Austrittsröhre
ermöglicht den Betrieb des Kühlaggregates in jeder räumlichen Lage und unter beträchtlichen
Beschleunigungskräften. Nach Verschluß ist das Kühlaggregat über eine lange Zeitdauer
lagerfähig und steht für darauffolgende Verwendung zur Verfügung.
-
Selbstverständlich kann eine Packung in beiden Abteilen der ersten
Ausführungsform bzw. in nur einem Abteil der zweiten Ausführungsform enthalten sein.