FI100358B

FI100358B - Method and apparatus for stabilizing the temperature of an actuator

Info

Publication number: FI100358B
Application number: FI934035A
Authority: FI
Inventors: Heikki Sipilae; Seppo Nenonen
Original assignee: Outokumpu Instr Oy
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1997-11-14
Also published as: FI934035A; FI934035A0

Description

100358100358

MENETELMÄ JA LAITE TOIMILAITTEEN LÄMPÖTILAN STABILOIMISEKSIMETHOD AND APPARATUS FOR STABILIZING THE ACTUATOR TEMPERATURE

Esilläoleva keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen matalissa lämpötiloissa käytettävän toimilaitteen lämpötilan stabiloimiseksi ja tärinävaikutusten vähentämi-5 seksi, kun toimilaitetta käytetään eri säteilyjen, kuten gammasäteilyn, röntgensäteilyn tai infrapunasäteilyn aiheuttaman intensiteetin mittaamiseen.The present invention relates to a method and apparatus for stabilizing the temperature of an actuator used at low temperatures and reducing vibration effects when the actuator is used to measure the intensity of various radiations such as gamma radiation, X-rays or infrared radiation.

Säteilyjen, kuten gammasäteilyn, röntgensäteilyn tai infrapunasäteilyn aiheuttaman intensiteetin ilmaisemiseen käytetään yleisesti matalissa lämpötiloissa 10 toimivaa toimilaitetta, kuten puolijohdedetektoria. Jotta tällainen puolijohdedetek-tori olisi toimintakykyinen, puolijohdedetektori pitää jäähdyttää esimerkiksi nestetypen avulla alhaiseen lämpötilaan. Tällöin päästään edullisesti halutun alhaiseen lämpötilaan, edullisesti alle -100 °C. Mikäli tällaiseen jäähdytykseen käytetään mekaanista jäähdytintä, jäähdyttimen ongelmana on jäähdyttimen osien 15 liikkeiden aiheuttama tärinä jäähdytettävässä toimilaitteessa toimintajakson aikana. Tärinä edelleen aiheuttaa toimintajakson aikana saatavaan mittaussignaaliin kohinaa. Toisaalta toimilaitteen jäähdytyslämpötilan stabiilisuus vaatii sen, että jäähdytin on pidettävä koko ajan toiminnassa.An actuator operating at low temperatures, such as a semiconductor detector, is commonly used to detect the intensity of radiation such as gamma radiation, X-ray radiation, or infrared radiation. In order for such a semiconductor detector to be operational, the semiconductor detector must be cooled to a low temperature, for example by means of liquid nitrogen. In this case, the desired low temperature is preferably reached, preferably below -100 ° C. If a mechanical cooler is used for such cooling, the problem with the cooler is the vibration caused by the movements of the cooler parts 15 in the actuator to be cooled during the operating period. Vibration still causes noise in the measurement signal received during the operating cycle. On the other hand, the stability of the cooling temperature of the actuator requires that the radiator be kept running at all times.

20 Fl-patenttihakemuksesta 923237 tunnetaan jäähdytyslaite, jossa mataliin lämpötiloihin jäähdytettävän toimilaitteen jäähdytys suoritetaan ainakin yhden jäähdytys-osan avulla, johon jäähdytysosaan on liitetty jäähdytettävä toimilaite. Fl-patentti-hakemuksen 923237 mukaisessa ratkaisussa tarkoituksena on aikaansaada pitkä väliaika kahden latauksen välillä. Lataus suoritetaankin mm. johtumisen ja säteilyn 25 avulla. Lataukseen ryhdytään, kun jäähdytysosan lämpötila on kohonnut asetet-·· tuun arvoon, jota ei voi ylittää ilman toimilaitteen toimintakyvyn huonontumista.A cooling device is known from F1 patent application 923237, in which the cooling of the actuator to be cooled to low temperatures is carried out by means of at least one cooling part to which the actuator to be cooled is connected. In the solution according to F1 patent application 923237, the purpose is to provide a long interval between two charges. The download is performed e.g. by conduction and radiation 25. Charging is started when the temperature of the cooling section has risen to a set value, which cannot be exceeded without a deterioration in the performance of the actuator.

Tällöin siis jäähdytysosan lämpötila muuttuu latausten välisenä aikana.In this case, the temperature of the cooling section changes between charges.

DE-hakemusjulkaisu 3707320 kohdistuu laitteeseen ainakin yhden anturin, kuten 30 infrapunadetektorin, jäähdyttämiseen ja vakiolämpötilaan asettamiseen, jossa laitteessa anturi on sijoitettu lämmönsiirtolevylle ja on termisesti johtuen yhdistetty 100358 2 jäähdytyselimeen. DE-hakemusjulkaisun 3707320 mukaisessa laitteessa läm-mönsiirtolevyn ja jäähdytyselimen väliin on asennettu työskentelyväliaineella täytetty termostaattisäiliö, jossa työskentelyväiiaine läpikäy toimintalämpötilassa faasimuutoksen. DE-hakemusjulkaisussa 3707320 ei kuitenkaan ole mitään 5 mainintaa jäähdytysmekanismin pysäyttämisestä anturin toiminnan ajaksi, vaan kylmäsormen avulla jäähdytys pidetään päällä koko ajan.DE-A-3707320 relates to a device for cooling and setting to a constant temperature at least one sensor, such as an infrared detector, in which device the sensor is placed on a heat transfer plate and is thermally connected to a cooling element 100358 2. In the device according to DE-A-3707320, a thermostatic tank filled with working medium is mounted between the heat transfer plate and the cooling element, in which the working medium undergoes a phase change at the operating temperature. However, DE-A-3707320 makes no mention of stopping the cooling mechanism during the operation of the sensor, but keeps the cooling on at all times by means of a cold finger.

Esilläolevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tekniikan tason mukaisia haittapuolia ja aikaansaada entistä parempi menetelmä ja laite matalissa lämpötiloissa 10 käytettävän toimilaitteen lämpötilan stabiloimiseksi ja jäähdyttimen osien liikkeiden aiheuttaman tärinän vähentämiseksi toimilaitteen toimintajakson aikana. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisista patenttivaatimuksista.It is an object of the present invention to obviate the disadvantages of the prior art and to provide an improved method and apparatus for stabilizing the temperature of an actuator used at low temperatures and reducing vibration caused by movements of radiator parts during the operating period of the actuator. The essential features of the invention will become apparent from the appended claims.

Keksinnön mukaisesti mataliin lämpötiloihin jäähdytettävän toimilaitteeseen 15 liitetään jäähdytysosa, joka sisältää ainakin yhtä orgaanista tai epäorgaanista ainetta tai näiden yhdisteitä, joilla tapahtuu faasimuutos esimerkiksi kiinteästä nesteeseen tai nesteestä kaasuksi lämpötilavälillä -273 °C - +10 C, edullisesti välillä -200 °C - -100 °C. Jäähdytysosa on mekaanisesti yhdistetty jäähdyttimeen, jolla aikaansaadaan jäähdytysosassa olevan jäähdytysnesteen lämpötilan muutos 20 faasimuutoslämpötilaan. Kun jäähdytysaine on jäähdytetty faasimuutoslämpöti-laan niin, että olennaisesti koko jäähdytysainemäärä on läpikäynyt halutun faasimuutoksen, pysäytetään jäähdytysmekanismin toiminta ja kytketään toimilaite toimintaan. Toimilaitteen toimintajakson aikaisessa faasimuutoksessa, joka on vastakkainen jäähdytyskäsittelyyn nähden, jäähdytysosan lämpötila pysyy faasi-25 muutokseen liittyvän ominaislämmön ansiosta olennaisesti vakiona, jolloin myös jäähdytettävän toimilaitteen lämpötila pysyy olennaisen stabiilina. Faasimuutoksen jälkeen toimilaitteen toiminta pysäytetään ja jäähdytysmekanismi kytketään toimintaan. Näin faasimuutokseen liittyvää ominaislämpöä hyväksi käyttäen voidaan parantaa mataliin lämpötiloihin käytettävän toimilaitteen toimintavarmuut-30 ta.According to the invention, a cooling part containing at least one organic or inorganic substance or compounds thereof is connected to the low temperature cooling actuator 15, which undergoes a phase change, for example from solid to liquid or from gas to gas, at a temperature between -273 ° C and + 10 ° C, preferably between -200 ° C and -100 ° C. ° C. The cooling section is mechanically connected to the condenser, which causes the temperature of the coolant in the cooling section to change to a phase change temperature. Once the coolant has been cooled to the phase change temperature so that substantially all of the coolant has undergone the desired phase change, the operation of the cooling mechanism is stopped and the actuator is turned on. In the phase change during the operating period of the actuator, which is opposite to the cooling treatment, the temperature of the cooling part remains substantially constant due to the specific heat associated with the phase change, whereby the temperature of the actuator to be cooled also remains substantially stable. After the phase change, the operation of the actuator is stopped and the cooling mechanism is switched on. In this way, by utilizing the specific heat associated with the phase change, the reliability of the actuator used at low temperatures can be improved.

3 100358 Käyttämällä keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta aikaansaadaan mataliin lämpötiloihin käytetyn toimilaitteen toimintajakson aikana toiminnalle ja mittaustarkkuudelle edulliset olosuhteet, koska pysäytetty jäähdytysmekanismi ei aiheuta tärinää ja faasimuutokseen liittyvän ominaislämmön ansiosta jäähdytysosan 5 lämpötila pysyy olennaisesti stabiilina.Using the method and apparatus according to the invention, favorable conditions for operation and measurement accuracy are provided during the operating period of the low temperature actuator, since the stopped cooling mechanism does not cause vibration and the temperature of the cooling section 5 remains substantially stable due to the specific heat associated with the phase change.

Keksinnön mukaisesti käytetty jäähdytysmekanismin jäähdytysosa mitoitetaan ja eristetään edullisesti siten, että jäähdytysosassa olevan aineen faasimuutokseen kuluva aika on toimilaitteen toiminnan kannalta riittävä, edullisesti esimerkiksi 30 10 min. Jäähdytysosan faasimuutokseen kuluvaa aikaa voidaan haluttaessa kasvattaa liittämällä jäähdytysosan kanssa yhteyteen esimerkiksi lämpökytkimen välityksellä jäähdytysosaa olennaisesti suurempi jäähdyttävää ainetta sisältävä lisäjäähdytysaineyksikkö. Tässä lisäjäähdytysaineyksikössä oleva jäähdyttävä aine on edullisesti samaa ainetta kuin varsinaisessa jäähdytysosassa, mutta 15 näiden kahden jäähdytysosan sisältämät aineet voivat olla myös eri aineita, edullisesti kuitenkin niin, että molemmilla aineilla tapahtuu haluttu faasimuutos toimilaitteen toiminnan kannalta edullisella lämpötilavälillä.The cooling part of the cooling mechanism used according to the invention is preferably dimensioned and insulated so that the time required for the phase change of the substance in the cooling part is sufficient for the operation of the actuator, preferably for example 30 10 min. If necessary, the time required for the phase change of the cooling part can be increased by connecting to the cooling part, for example by means of a thermal switch, an additional coolant unit containing a coolant substantially larger than the cooling part. The coolant in this additional coolant unit is preferably the same as in the actual cooling section, but the materials contained in the two cooling sections may also be different, preferably with both agents undergoing the desired phase change at a temperature favorable for actuator operation.

Keksinnön mukaisesti käytettävä ja jäähdytysosan sisältämä aine voi olla edulli-20 sesti esimerkiksi etanolia tai propanolia. Myös muita vastaavia aineita, joilla faasimuutos kiinteästä nesteeseen sisältää edullisesti suuren ominaislämmön, voidaan käyttää. Tällaisia ovat esimerkiksi pentaani, isopentaani tai 2-metylpen-taani. Voidaan myös käyttää aineita, kuten nestetyppeä, joiden faasimuutos nesteestä kaasuksi on edullinen keksinnö mukaisen menetelmän ja laitteen 25 käyttämiselle.The substance used according to the invention and contained in the cooling part may preferably be, for example, ethanol or propanol. Other similar substances with which the phase change from solid to liquid preferably contains a high specific heat can also be used. Examples are pentane, isopentane or 2-methylpentane. It is also possible to use substances, such as liquid nitrogen, the phase change of which from liquid to gas is advantageous for the use of the method and apparatus 25 according to the invention.

Keksintöä kuvataan lähemmin seuraavassa viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää erästä keksinnön edullista sovellutusmuotoa sivultapäin otettuna 30 leikkauskuviona, 4 100358 kuvio 2 esitää erästä toista keksinnön edullista sovelutusmuotoa sivultapäin otettuna leikkauskuviona.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention in a side sectional view, Fig. 100358 Figure 2 shows another preferred embodiment of the invention in a side sectional view.

Kuvion 1 mukaisesti säteilymittaukseen käytettävän puolijohdedetektorin 1 5 ympärille on asennettu kylmäainesäiliö 2, joka sisältää etanolia. Säiliö 2 on termisesti eristetty monikerroseristeen 7 ja tyhjön avulla. Säiliöön 2 on liitetty yhde 3, jota myöten säiliötä 2 jäähdytetään jäähdytysmekanismin 4 avulla. Kun säiliössä 2 oleva etanoli on jäähdytetty kiinteän ja nestemäisen olomuodon välillä tapahtuvaan faasimuutoslämpötilaan, -114,5 °C, niin, että olennaisesti koko 10 etanolimäärä tilavuudeltaan noin 6 cm3 on jähmettynyt, jäähdytysmekanismi 4 kytketään pois ja puolijohdedetektori 1 saatetaan toimintaan. Etanolisäiliön 2 koko on mitoitettu siten, että säiliöön 2 mahtuu niin paljon etanolia, että etanolin sulaminen kestää noin 30 min. Tällöin jähmettyneen etanolin sulamislämmön ansiosta lämpötila säiliössä 2 säilyy olennaisesti stabiilina ja mittausolosuhteet koko 15 puolijohdedetektorin 1 toimintajakson ajan säilyvät näin olennaisesti samanlaisina. Toimintajakson jälkeen jäähdytysmekanismi 4 kytketään uudelleen päälle, jolloin aloitetaan haluttaessa etanolin jäähdytys etanolin jähmettämiseksi uutta toiminta-jaksoa varten.According to Fig. 1, a refrigerant tank 2 containing ethanol is mounted around the semiconductor detector 1 5 used for radiation measurement. The container 2 is thermally insulated by means of a multilayer insulator 7 and a vacuum. A connection 3 is connected to the tank 2, along which the tank 2 is cooled by means of a cooling mechanism 4. After the ethanol in the tank 2 has been cooled to a phase change temperature between solid and liquid, -114.5 ° C, so that substantially all of the ethanol with a volume of about 6 cm 3 has solidified, the cooling mechanism 4 is switched off and the semiconductor detector 1 is actuated. The size of the ethanol tank 2 is dimensioned so that the tank 2 can hold so much ethanol that it takes about 30 minutes for the ethanol to melt. In this case, due to the heat of fusion of the solidified ethanol, the temperature in the tank 2 remains substantially stable and the measurement conditions throughout the operating period of the semiconductor detector 1 thus remain substantially the same. After the operating cycle, the cooling mechanism 4 is switched on again, whereby, if desired, the cooling of the ethanol is started in order to solidify the ethanol for a new operating cycle.

20 Kuviossa 2 kylmäainesäiliöön 2 on liitetty lämpökytkimen 5 välityksellä toinen kylmäaineyksikkö 6, joka on säiliötä 2 edullisesti suurempi. Kylmäaineyksikköä 6, joka on termisesti eritetty monikerroseristeellä 8 ja joka on tyhjössä, käytetään kuvion 1 mukaisen sovellutusmuodon toimintajakson pidentämiseen joko väliaikaisesti esimerkiksi toimilaitteen kalibroinnin vuoksi tai jatkuvana muusta syystä, 25 kun toimilaitteen toimintajaksoa halutaan pidentää. Kuvion 2 sovellutusmuodossa jäähdytysmekanismi 4 kuviota 1 vastaavasti kytketään pois päältä, kun säiliön 2 kylmäaine on olennaisesti kokonaan läpikäynyt jähmettymisen. Edelleen tämän jälkeen puolijohdedetektori kytketään toimintaan. Kylmäaineyksikön 6 avulla säiliön 2 ulkopuolista lämpötilaa jäähdytetään lämpökytkimen 5 avulla tulevalla 30 jäähdytysvirralla. Tällöin säiliön 2 kylmäaineen sulamista voidaan olennaisesti hidastaa, jolloin myös puolijohdedetektorin 1 toimintajaksoa saadaan pidennettyä.In Fig. 2, a second refrigerant unit 6 is connected to the refrigerant tank 2 via a thermal switch 5, which is preferably larger than the tank 2. The refrigerant unit 6, which is thermally separated by a multilayer insulator 8 and which is in a vacuum, is used to extend the operating period of the embodiment according to Fig. 1, either temporarily, for example due to actuator calibration, or continuously for other reasons. In the embodiment of Figure 2, the cooling mechanism 4 according to Figure 1 is switched off when the refrigerant in the tank 2 has substantially completely solidified. Further, the semiconductor detector is then turned on. By means of the refrigerant unit 6, the temperature outside the tank 2 is cooled by the cooling stream 5 coming from the thermal switch 5. In this case, the melting of the refrigerant in the tank 2 can be substantially slowed down, whereby the operating period of the semiconductor detector 1 can also be extended.

Claims

100358

A method for stabilizing the temperature of a low temperature actuator and reducing vibration caused by the cooling mechanism of the actuator, wherein the working medium undergoes a phase change at operating temperature when the actuator is used to measure radiation such as radiation, X-rays ) the cooling mechanism (4) is switched off for the operating period of the actuator (1) after the coolant contained in the cooling section (2) connected to the actuator (1) has reached the phase change temperature and substantially the entire amount of coolant undergoes the phase change, and that the phase change time the length of the cycle is adjusted by connecting an additional coolant unit (6) to the cooling mechanism (4). 15

2. A method according to claim 1, which is defined as an embodiment (1) of the functional period according to the invention (1) with the specificity of the specific color of the refrigerated bath (2). 25

Method according to Claim 1, characterized in that during the operating cycle of the actuator (1), the cooling of the actuator (1) is carried out by means of the specific heat associated with the phase change of the coolant contained in the cooling part (2). 20

3. A method according to claim 1 or 2, which comprises a combination of refrigerated baths (2) having a temperature in the range of -273 ° C to + 1 ° C, in the range of -200 ° C to -100 ° C. 30 4. Förfarande enligt segot av föregäende patentkrav, kännetecknat av att under drivanordningens (1) functioperiod utförs nedkylningen av drivanordningen (1) med hjälp av smälttemperaturen hos refrigermedlet i spaartiet (2).

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the phase change of the coolant contained in the cooling section (2) takes place in a temperature range of -273 ° C to + 1 ° C, preferably in the range of -200 ° C to -100 ° C.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the operating cycle of the actuator (1), the cooling of the actuator (1) is carried out by means of the heat of fusion of the coolant contained in the cooling section (2).

5. An arrangement for the purposes of claim 1, which comprises 35 specific genomic functions and functions, which are intended to be used in the form of (1) solutions and baths (2) are intended for use in the manufacture of , 6) 100358 and a copy of the function under the function period for the drive order (1) in the lower order.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, wherein in 30 the working medium undergoes a phase change at the operating temperature, characterized in that a cooling part (2) containing a coolant is connected to the actuator (1) mechanically connected to at least one cooling member (4, 6) and which cooling part (2) can be switched off during the operating period of the actuator (1) to be cooled. 35 100358

6. An arrangement according to claim 5, which can be used as a bath (2).

Device according to Claim 5, characterized in that the cooling part (2) containing the coolant is connected to a larger coolant unit (6).

Device according to Claim 6, characterized in that a thermal switch (5) is installed between the cooling part (2) and the coolant unit (6). 10 1. For the purpose of stabilizing the temperature at the temperature of the feed or the temperature at which the temperature of the refrigeration system is subjected to external vibrations, the operation of the genome and the function of the temperature to be controlled hos straining, t.ex. gamma training, X-ray and infrared printing 15 straining, turning on the drilling rig (1) cooling mechanism (4) frosting under the drilling control function period on the cold side of the side batches (2) and on the drilling rig (1) refrigerated genomics according to the rules, and with respect to the circulating and similar drivings (1) the function periods of the Regulation (20) apply to the cold mechanism (4) and to the extra refrigerants (6).

7. An arrangement according to claim 6, which is mounted on a bath (2) and refrigerated (6) is mounted on a color (5).