NL8001408A

NL8001408A - Cryostaatinrichting gebruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas en dito werkwijze.

Info

Publication number: NL8001408A
Application number: NL8001408A
Authority: NL
Original assignee: Hoxan Kk
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1980-03-10
Publication date: 1980-09-16
Also published as: US4295339A; GB2049900A; AU544052B2; GB2049900B; FR2451560A1; DE3009402A1; AU5625380A; FR2451560B1

Description

J v< -1- 21220/JF/jl

Aanvrager: Hoxan Co., Ltd., Sapporo-shi, Japan.

Korte aanduiding: Cryostaatinrichting gebruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas en dito werkwijze.

5 De uitvinding heeft betrekking op een cryostaatinrichting, ge bruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas, waarin een koelmiddel wordt gevoed door een bron van vloeibaar gemaakt gas via een hitte-uitwisselaar om uitgesproeid te worden door één of een aantal sproeispuitkoppen, aangebracht in een thermostatische kamer op een voorwerp of substantie dat 10 of die daarin is geplaatst en dito werkwijze.

In het algemeen is de uitvinding gericht op apparatuur voor het thermostatisch besturen van de temperatuur van een gewenst voorwerp of een gewenste substantie zoals een testmonster of vloeistofsubstantie, geplaatst in een thermostatische kamer naar een gewenste cryogene tempera-15 tuur, bijvoorbeeld -170°C, onder gebruikmaking van een vloeibaar gas, zoals een kooldioxydegas of een stikstofgas als een koelmiddel.

Voor de beschrijving van de stand van de techniek zal reeds nu worden verwezen naar de figuren 1 en 2 van de tekening, van welke: fig. 1 een schematische tekening is van een kenmerkende cryo-20 staatinrichting volgens de stand van de techniek; en fig. 2 een schematische tekening is van een andere kenmerkende cryostaatinrichting volgens de stand van de techniek.

In de eerste inrichting getoond in fig. 1 wordt een koelmiddel continu gevoed in een vergaste vorm door een bron van vloeibaar gas (niet 25 getoond) met een constante snelheid in de richting van de pijl A in een thermostatische kamer B, waarin de temperatuur van het gasvormige koelmiddel wordt bestuurd door de bestuurde bekrachtiging van een verhitter C in de orde van 1,5 kW, welke in de thermostatische kamer D is aangebracht. De temperatuur van de verhitter C wordt bestuurd door een tempera-30 tuurbesturingsorgaan E welk reageert op een temperatuuraftaster D aangebracht in de thermostatische kamer B. Bij dit type thermostatische kamer of cryostaat is daarin een ventilator F aangebracht, aangezien het noodzakelijk is de temperatuurverdeling in de thermostatische kamer B te uniformaliseren.

35 Ofschoon de inwendige temperatuur van de thermostatische kamer B kan worden verlaagd met een relatief grote koelsnelheid, omdat het gasvormige koelmiddel continu daarin wordt toegevoerd met een constante snelheid, is de verbetering in de koelsnelheid onvermijdelijk begrensd * ..

-2- 21220/JF/jl • doordat de gehele thermostatische kamer dient te worden gekoeld. Een factor welke de situatie nog raoeilijker maakt is dat onvermijdelijk het gasvormige koelmiddel onder de thermostatische besturing wordt verbruikt in een toenemende hoeveelheid, aangezien het gasvormige koelmiddel gevoed 5 met een constante snelheid een temperatuur heeft welke wordt bestuurd door de verhitter C.

Een verder nadeel van dit type cryoetaatinrichting is dat de gastemperatuur zoals deze is geüniformaliseerd in de thermostatische kamer niet nauwkeurig kan worden gedetecteerd en dus geen voldoende nauw-10 keurigheid van de temperatuursstabiliteit kan worden bereikt in de thermostatische kamer in afhankelijkheid van de specifieke plaats van de tem-peratuuraftaster D, aangezien in dit systeem de ventilator F dient te worden gebruikt. Bovendien kan de hitte welke door de ventilator F en de beweegbare delen, namelijk ventilator F en de daarmee geassocieerde de-15 len aangebracht in de koelruimte naar buiten dissiperen, waardoor verscheidene moeilijkheden kunnen worden veroorzaakt.

Hoewel in de tweede cryostaat of thermostatische kamerinrich-ting zoals getoond in fig. 2 de verhitter C zoals gebruikt in de eerste inrichting getoond in fig. 1 niet wordt gebruikt, maar een temperatuur-20 bestuurorgaan E' welk reageert op de temperatuuraftaster D' aangebracht in de thermostatische kamer B' voor het openen en sluiten van een soleno-ideklep G voor het besturen van de invoerstroorasnelheid van het gasvormige koelmiddel waardoor de inwendige temperatuur van de thermostatische kamer Bf thermostatisch wordt bestuurd.

25 De tweede inrichting van fig. 2 is eveneens niet vrij van de nadelen dat de inwendige koelsnelheid van de thermostatische kamer A' laag is en dat de ventilator F’ niet kan worden gemist. Ofschoon een zekere verbetering kan worden bereikt met betrekking tot het verbruik van het vloeibaar gemaakte gas is de temperatuurresponsie op de besturings-30 werking slecht, omdat de temperatuur wordt bestuurd door het reguleren van de invoerstroomsnelheid van het gasvormige koelmiddel of het aan en uitschakelen van de invoerstroom van het gasvormige koelmiddel. De nauwkeurigheid van de temperatuursstabiliteit in de thermostatische kamer is derhalve eveneens laag.

35 Een doel van de uitvinding is het radicaal oplossen van de hiervoor beschreven problemen van de cryostaat of thermostatische kamer-inrichting volgens de stand van de techniek.

Hiertoe voorziet de uitvinding in een cryostaatinrichting van 80 0 1 4 08

. I

ft Λ -3- 21220/JF/jl een in de aanhef genoemde soort, welke is gekenmerkt, doordat deze omvat: het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp of de substantie voor het koelen ervan naar een bedoeld oryogeen of semi-cryogeen niveau en het bekrach-5 tigen van de hitte-uitwisselaar op een geschikte tijd voor het vergassen van het vloeibare koelmiddel en het sturen van de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koelmiddel voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp of de substantie tot het bedoelde cryogene niveau, alsmede in een dito werkwijze.

10 Een voordelige uitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting vol gens de stand van de techniek voorziet in een cryostaatinrichting van een in de aanhef genoemde soort, welke is gekenmerkt, doordat deze omvat: het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp op de substantie voor het koelen er-15 van naar een bedoeld cryogeen of semi-cryogeen niveau, het detecteren van de temperatuur van het voorwerp of de substantie welk het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau of de nabijheid ervan bereikt en het ervoor zorgen dat een temperatuursstuurorgaan reageert op de detectie voor het sturen van de temperatuur van een hittebron van de hitte-uitwisselaar,om 20 daardoor het vloeibare koelmiddel te vergassen en de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koelmiddel te sturen voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp of de substantie tot het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau, alsmede in een dito werkwijze.

Een andere voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding voor-'25 ' ziet in een cryostaatinrichting van een in de aanhef genoemde soort, welke is gekenmerkt doordat deze omvat: het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp op de substantie voor het koelen ervan naar een bedoeld cryogeen of semi-cryogeen niveau, het detecteren van de temperatuur van het voorwerp 30 of de substantie welke het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau of de nabijheid ervan bereikt en het ervoor zorgen dat een temperatuurstuur-orgaan reageert op de detectie voor het sturen van de temperatuur van de hittebron van de hitte-uitwisselaar, om daardoor het vloeibare koelmiddel te vergassen en de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koel-35 middel te sturen voor het brengen van de temperatuur van het voorwerp 0f de substantie tot een dichtere nabijheid van het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau en het daarna detecteren van de temperatuur van het vergaste koelmiddel in plaats van het detecteren van de temperatuur van 80 0 1 4 08 -4- 21220/JF/jl het voorwerp of de substantie het sturen van de temperatuur van de hitte-bron van de hitte-uitwisselaar voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp of de substantie naar het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau, alsmede in een dito werkwijze.

5 De uitvinding zal nu gedetailleerd worden beschreven aan de hand van meerdere uitvoeringsvormen en onder verwijzing naar de figuren 3 tot en met 17 van de tekening, waarbij: fig. 3 een schematische tekening is van een voorkeursuitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding zoals gezien van 10 de zijkant daarvan; fig. 4 een schematische langsdoorsnede is van een hitte-uitwisselaar gebruikt in de cryostaatinrichting van fig. 3; fig. 5 een grafiek is welke de bestuurde temperatuur tegen de thermostatisch bestuurde tijd weergeeft, verkregen door gebruikmaking 15 van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding; fig. 6 een blokschema is van een bovenbegrenzingsschakeling gebruikt in de cryostaatinrichting van fig. 3; fig. 7 een grafiek is welke de bestuurde temperatuur tegen de thermostatische besturingstijd geeft, verkregen door gebruikmaking van 20 de cryostaatinrichting volgens de uitvinding op een wijze welke verschilt van de wijze van het besturèn volgens de grafiek van fig. 5; fig. 8 een grafiek is welke de bestuurde temperatuur tegen de thermostatische besturingstijd geeft, verkregen door gebruikmaking van een thermostatisch besturingsorgaan welk verschilt van dat gebruikt in 25 de uitvoeringsvormen gegeven door grafieken van fig. 5 en 7; fig. 9 een vooraanzicht is van een testmonstermateriaal, getest in de thermostatische besturingsinrichting volgens de stand van de techniek; f±g. 10 een langsdoorsnede is van het testmonstermateriaal van 30 fig. 9; fig. 11 een perspectivische tekening is van testmateriaal zoals gehouden in een voorkeursuitvoeringsvorm van de thermostatische kamer volgens de uitvinding; fig. 12 een schematische tekening is van een andere voorkeurs-35 uitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding, waarbij verschillende componenten weggebroken zijn getoond; fig. 13 een schematische vooraanzichttekening is van een testmateriaal zoals gehouden in een andere voorkeursuitvoeringsvorm van de thermostatische kamer volgens de uitvinding; fiOO 1 h 08 I 4 -5- 21220/JF/jl ' fig. 1¾ een schematische dwarsdoorsnede van een thermostati sche kamer van fig. 15 is; fig. 15 een schematische tekening is van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding, waarbij 5 het bebuizingsstelsel daarvan wordt getoond; fig. 16 een gedeeltelijke doorsnede is van een voorkeursuitvoe-ringsvorm van de thermostatische kamer gebruikt in de cryostatische inrichting van fig. 16, waarbij het benedengedeelte daarvan wordt getoond;en fig. 17 een gedeeltelijke doorsnede is van een andere voorkeurs-10 uitvoeringsvorm van de thermostatische kamer gebruikt in de cryostaatinrichting van fig. 5, waarbij het benedendeel daarvan wordt getoond.

Volgens de uitvinding worden de problemen van de stand van de techniek radicaal opgelost door de inrichting zoals schematisch getoond in fig. 3. Dat wil zeggen, zoals getoond in fig. 3, zijn van een tweetal 15 sproeispuitkoppen 2, 2' de bovenuiteinden tegenover elkaar aangebracht in de thermostatische kamer 1 op posities welke grenzen aan een voorwerp welke een testmonster T geplaatst in de thermostatische kamer 1 vormt, zodat een koelmiddel X rechtstreeks op het testmonster T wordt gespoten.

In de cryostaatinrichting volgens de uitvinding wordt de inwendige tempe-20 ratuur van de thermostatische kamer 1 niet geüniformaliseerd, maar het koelmiddel X welk wordt gespoten uit de sproeispuitkoppen 2, 2» rechtstreeks gebruikt voor het koelen van het testmonster T en alleen de nabije atmosfeer welk het testmonster T omgeeft, wordt thermostatisch bestuurd op een bedoelde cryogene temperatuur.

25 Onder verwijzing naar de tekening,in het bijzonder naar fig. 3, geeft het verwijzingscijfer 3' draagstaven aan,waarin zoals vereist is voorzien in en dwars door de thermostatische kamer 1 voor het houden van het testmonster 1 in een vooraf bepaalde stand.Het koelmiddel wordt toegevoerd door een bron4 van vloeibaar gemaakt gas aan de sproeispuitkoppen 2,2’ via een 3D doorgang inclusief een overdrachtspijp 5,hitte-uitwisselaar 6, toevoerpijp 7, toevoeropening 8 en zijbuizen 9, 9'. Het verwijzingscijfer 10 geeft een temperatuuraftaster aan voor het detecteren van de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T, terwijl een andere temperatuuraftaster 10' is aangebracht in de toevoeropening 3 voor het detecteren van de temperatuur 35 van het koelmiddel X, welk wordt gespoten uit de sproeispuitkoppen 2, 2'.

Een temperatuurbestuurorgaan 11 reageert op de gegevens gedetecteerd door de temperatuuraftaster 10, 10' voor het besturen van de temperatuur van een hittebron 12 van de hitte-uitwisselaar 6.

ann 11 n8 -6- 21220/JF/jl

De hiervoor genoemde hitte-uitwisselaar 6 kan worden ingericht zoals bijvoorbeeld is getoond in fig. 4. In fig. 4 heeft de hitte-uitwisselaar 6 een lichaam 15 met een invoer 13 gekoppeld aan de overdrachts-pijp 5 en een uitgang gekoppeld met de invoerpijp 7. Binnen het lichaam 5 15 van de hitte-uitwisselaar 6 zijn een hi-ttebron 16 zoals een elektri sche verhitter en een hitte-overdracht 17, aangebracht rond de elektrische verhitter, ten einde daar een hitte-overdrachtsdoorgang te verschaffen. Wanneer dus het koelmiddel 1 binnenstroomt van de invoer 13, passeert door het hitte-overdrachtsmedium of doorgang 17 wordt dit op adequate 10 wijze verhit door de elektrische verhitter 16.

Als hitte-overdrachtsmedium 17 verdient het de voorkeur gebruik te maken van een oirkel-vormig gesinterd materiaal of dunne metaaldraden. In fig. 4 geven de verwijzingscijfers 18, 18? toevoerdraden van de elektrische verhitter 16 aan.

15 Voor het thermostatisch besturen van de temperatuur van het testmonster T woWt eerst een vloeibaar koelmiddel zoals vloeibaar gemaakt stikstof aangevoerd door de bron 5 van het vloeibaar gemaakte gas zoals een bron met vloeibaar gemaakte stikstof via de hitte-overdrachts-pijp 5, hitte-uitwisselaar 6 en invoerpijp 7 in de thermostatische kamer 20 1 om uitgespoten te worden door de sproeispuitkoppen 2, 2' op het test monster T.

Aannemend dat de sproeispuitkoppen 2, 2' een capaciteit hebben van 1 1 per minuut (1 kg per cm ), wordt het vloeibaar gemaakte stikstof bij een temperatuur van -196°C uitgesproeid op het monster T met een snel-25 heid van 0,808 kg per minuut (het vloeibaar gemaakte stikstof heeft een soortelijk gewicht van 0,808 bij -196°C). Aangezien het testmonster 2 wordt gekoeld door een grote hoeveelheid koelmiddel met een voldoend lage temperatuur, blijft dus de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T snel afnemen langs de oppervlaktetemperatuurcurve TST van het testmonster, 30 zoals getoond in de grafiek van fig. 5, totdat deze de nabijheid van een bedoelde of streeftemperatuur bereikt, omdat de temperatuur van het koelmiddel uitgespoten door de sproeispuitkoppen 2, 2' met een scherpë gradient met betrekking tot de tijd afneemt van de kamertemperatuur langs de koelmiddeltemperatuurcurve SGT getoond in fig. 5, om de vloeibare koel-35 temperatuur LT te bereiken en daarop te blijven.

Wanneer de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T is verlaagd tot een boven-of benedeniomgeving van de bedoelde temperatuur 0T detecteert de temperatuuraftaster 10 dit op het temperatuurbesturingsor- 800 1 4 08 t Λ -7- 21220/JF/jl gaan 11 te bekrachtigen. Daarna werkt het temperatuurbesturingsorgaan 11 om de elektrische verhitter 16 van de hitte-uitwisselaar 6 aan te schakelen. Aangezien de elektrische verhitter 16 het v-loeibare koelmiddel passerend door de hitte-uitwisselaar 6 verhit om dit te vergassen, neemt de 5 temperatuur van het vergaste koelmiddel welk wordt uitgesproeid door de sproeikoppen 2, 2’ sterk toe, zoals getoond in de grafiek van fig. 5.

Intussen is een hogere temperatuurgrens HLT vooringesteld om een oververhitting van de elektrische verhitter 16 te voorkomen. Om dit te bereiken, is voorzien in een bovenbegrenzingsaftaster 20 bij de elek-10 trische verhitter 16, waardoor een schakeling wordt gevormd, zoals getoond in fig. 6, tezamen met de temperatuuraftaster voor het testmonster T, temperatuurbesturingsorgaan 11, een thyristor 18 en een relais 19. Na het detecteren van de bovenbegrenzingstemperatuur van de elektrische verhitter 16, bekrachtigt de bovenbegrenzingsaftaster 20 een aan-uit-15 bestuurorgaan 21 om het relais 19 af te schakelen, welk op zijn beurt de elektrische verhitter afschakeld om te voorkomen, dat deze wordt oververhit boven het HLT-niveau. De temperatuur van het koelmiddel uitgespoten door de sproeispuitkoppen 2, 2' wordt dus snel verlaagd beneden een niveau welk ligt beneden de bedoelde temperatuur 0T. In het bestu-20 ringssysteem resulterend uit de temperatuurbesturingscurve van fig. 5, herhaalt het temperatuurbesturingsorgaan 11 daarna de hiervoor beschreven werking voor sturen door de hitte-uitwisselaar 6 van de temperatuur van het gasvormige koelmiddel uitgesproeid door de sproeispuitkoppen 2, 2' voor het handhaven van de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T 25 op in hoofdzaak de bedoelde temperatuur 0T, terwijl de oppervlaktetemperatuur wordt bewaakt middels de temperatuuraftaster 10.

In de thermostatische besturingsinrichting welke de temperatuurbesturingscurve van fig. 7 geeft, wordt de temperatuuraftaster 10 gebruikt voor het detecteren van de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T 30 voor het naar beneden brengen van de temperatuur naar de bedoelde temperatuur 0T bij de initiële testmonsterkoelstap. Zodra echter de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T de bedoelde temperatuur 0T of de nabijheid ervan bereikt, wordt de afgetaste temperatuuringang naar het temperatuurbesturingsorgaan 11 verandert in de uitgang van de andere tempe-35 ratuuraftaster 10' aangebracht in de toevoeropening 8. Dat wil zeggen, de temperatuur van het gasvormige koelmiddel zelf, gesproeid uit de sproeispuitkoppen 2, 2' gedetecteerd door de temperatuuraftaster 10' wordt gebruikt voor het besturen van de temperatuur van het gasvormige e η n 1 k nfl -8- 21220/JF/jl koelmiddel bij de sproeispuitkoppen 2, 2' voor het uiteindelijke thermo.: -statisch besturen van de oppervlaktetemperatuur van het testmonster T naar de bedoelde temperatuur OT. In fig. 7 toont de streep'-stip-lijn de oppervlaktetemperatuurcurve van het testmonster T gehouden door de draag-5 staven 3, 3'. Zoals te zien in de grafiek van fig. 7, wordt van het testmonster T de oppervlaktetemperatuur thermostatisch bestuurd tot een niveau, welk iets boven de bedoelde temperatuur OT ligt.

In tegenstelling tot de thermostatische besturingsinrichtingen beschreven onder verwijzing naar de figuren 5 en 7, wordt de thermosta-10 tische besturing aanvankelijk bewerkstelligd onder gebruikmaking van de temperatuuraftaster 10' voor het detecteren van de temperatuur van het koelmiddel in het geval van fig. 8. In dit geval komt de temperatuur van het koelmiddel niet beneden de bedoelde temperatuur OT en derhalve is de koelsnelheid van het testmonster kleiner dan die te bereiken in het geval 15 van fig. 5 en 7.

Zoals hiervoor volledig beschreven, wordt volgens de uitvinding, aangezien het koelmiddel X gevoed door de bron 4 van vloeibaar gemaakt gas via de hitte-uitwisselaar 6 wordt gespoten uit de sproeispuitkoppen 2, 2' aangebracht in de thermostatische kamer 1 rechtstreeks op het test-20 monster T dat daarin is geplaatst, de thermostatische kamer 1 slechts gekoeld in een nabij gebied welk het testmonster T omgeeft zonder het koelen van de gehele thermostatische kamer 1. Niet alleen een uiterst grote koelsnelheid kan worden bereikt, maar eveneens kan een ventilator voor het uniformaliseren van de temperatuurverdeling van de thermostati-25 sche kamer worden gemist en de responsie van de besturingswerking kan op effectieve wijze worden verbeterd.

Volgens de uitvinding wordt verder het koelmiddel als een vloeistof rechtstreeks gespoten op het testmonster T in de aanvankelijke koelstap. Bijvoorbeeld kan vloeibaar gemaakt stikstof op een temperatuur 30 van -196°C worden uitgesproeid met een snelheid van 0,808 kg per minuut wanneer de sproeikoppen 2, 2' een capaciteit hebben van 1 1 per minuut zoals eerder opgemerkt. De cryostaatinrichting volgens de uitvinding kan dus een koelsnelheid realiseren welke zeer veel hoger ligt dan die van inrichtingen volgens de stand van de techniek. De cryostaatinrichting 35 volgens de uitvinding kan de oppervlaktetemperatuur van een testmonster verlagen van kamertemperatuur tot -100°C in ongeveer 20 minuten, onder gebruikmaking van vloeibaar gemaakt stikstof als het koelmiddel. Daarna werkt de hitteuitwisselaar van tijd tot tijd voor het vergassen van het

30 0 1 4 OS

I i -9- 21220/JF/jl vloeibare koelmiddel en het besturen van de temperatuur van het vergaste koelmiddel voor het thermostatisch besturen van de oppervlaktetemperatuur van het testmonster tot het bedoelde niveau. Wanneer overeenkomstig de oppervlaktetemperatuur van het testmonster thermostatisch is bestuurd tot 5 - 100°C door het vergassen van het vloeibaar gemaakte stikstof en het sproeien ervan op het testmonster met een snelheid van 1 1 per minuut, wordt de gewichtstroom en snelheid van het gasvormige koelmiddel automatisch bestuur op 0,002 kg per minuut, omdat het stikstofgas een soortelijk gewicht van 0,002 bij -100°C heeft. Bij gevolg kan het koelmiddelge-10 bruik op effectieve wijze worden geminimaliseerd gedurende de thermostatische besturingswerking.

Daardoor kan de hittebron 12 van de hitte-uitwisselaar 6 worden bediend door een kleine voedingsbron gedurende de thermostatische besturingswerking en in feite is experimenteel aangetoond dat de cryostaatin-15 richting volgens de uitvinding slechts 0,5 kW verbruikt voor de thermostatische besturingswerking ervan in tegenstelling tot de 1,5 kW vereist door inrichtingen volgens de stand van de techniek.

Aangezien het koelmiddel continu wordt gesproeid in de thermostatische kamer zonder het aan-en uitschakelen van de invoerkoelmiddel-20 stroom zoals in de inrichting volgens de stand van de techniek, is het verder volgens de uitvinding mogelijk de situatie te voorkomen dat de temperatuur van het koelmiddel ongewenst stijgt vanwege een koelingsener-gieverliès vanwege de bebuizing, wanneer de invoerkoelmiddelstroom wordt afgeschakeld, resulterend in een onstabiele thermostatische besturing 25 veroorzaakt door een sproeiing van koelmiddel met een hogere temperatuur na het aanschakelen van de invoerstroom. Volgens de uitvinding kan dus de nauwkeurigheid van de temperatuurstabiliteit worden verbeterd tot ongeveer 0,5°C. Aangezien het temperatuurbesturingsorgaan 11 via de eerste temperatuuraftaster aangebracht Hj het testmonster detecteert dat de tem-30 peratuur van het testmonster nabij de bedoelde temperatuur is gekomen, dankzij de koeling door het daarop gesproeide vloeibare koelmiddel en aangezien het temperatuurbesturingsorgaan 11 reageert op deze aldus afgetaste temperatuur voor het besturen van de temperatuur van de hittebron 16 van de hitte-uitwisselaar 6, kan de testmonstertemperatuur thermosta-35 tïsch worden bestuurd op positieve wijze zoals getoond in fig. 5. Zodra de temperatuur van het testmonster T is gebracht tot in de nabijheid van de bedoelde temperatuur 0T door het besturen van de hittebrontemperatuur zoals hierboven genoemd, schakelt de temperatuuringang van het tempera- 800 1 4 08 -10- 21220/JF/jl tuurbesturingsorgaan 11 voor het besturen van de hittebron 16 van de hitte-uitwisselaar 6 over op de uitgang van het tweede temperatuurbestu-ringsorgaan voor het detecteren van de temperatuur van het gasvormige koelmiddel. Daardoor kan een sthbiele thermostaatsbesturing worden ge-5 realiseerd zoals getoond in fig. 8, met een verbeterde responsiekarak-teristiek.

Hierna zal een beschrijving worden gegeven van een mogelijke toepassing van de uitvinding waarin een testmateriaal zoals een ijzeren plaat vastgehouden aan de tegenover elkaar liggende uiteinden ervan als 1° actiepunten wordt onderworpen aan een rektest in de thermostatische kamer in plaats van een enkel koelen van het hiervoor beschreven testmonster T. Dat wil zeggen de cryostaatinrichting volgens de uitvinding kan op de volgende wijze worden gebruikt voor het onderwerpen van het testmateriaal aan een rektest onder een vooraf bepaalde cryogene of semi-15 cryogene conditie.

Tot nu toe werd voor het uitvoeren van een dergelijke test onder cryogene of semi-cryogene omstandigheden een vereist aantal vakken f voor het behouden van een vloeibaar koelmiddel e zoals vloeibaar gemaakt stik-' stof gevormd, door het aanbrengen van blanke materialen d zoals houten 20 stukken op de voorzijde d en achterzijde van het testmateriaal a, zoals getoond in de figuren 9 en 10, zodat een testbediener op geschikte wijze de hoeveelheid van de vloeibare koelmiddel e aanwezig in de bakken f kan instellen voor het houden van een testzone g van het testmateriaal a op een vooraf bepaalde cryogene of half-cryogene temperatuur.

25 Bij een dergelijke inrichting volgens de stand van de techniek echter, dient de bediener te werken in een nadelige en gevaarlijke omgeving. Eveneens dient de bewerking voor het handhaven van de testzone g op een vooraf bepaald cryogeen of half-cryogene temperatuur een hoge graad van vakbekwaamheid. Aangezien een dergelijke bewerking met de hand 30 wordt uitgevoerd, kan desondanks voldoende nauwkeurigheid van de tempe-ratuurstabiliteit niet worden bereikt hoe vakbekwaam de bediener ook kan zijn. Aangezien verder de testzone g wordt gebroken met het vloeibare koelmiddel e aanwezig in de bakken f als gevolg van een rekkracht uitgeoefend op de tegenover elkaar liggende einden van het testmateriaal wordt 35 niet alleen het vloeibare koelmiddel verspillend gebruikt, maar eveneens wordt de bediener bloot gesteld aan gevaar.

Bij de voorkeursconfiguratie van de thermostatische kamer volgens de uitvinding getoond in fig. 11, wordt het testmateriaal T dat dient 800 1 4 08 * f -11- 21220/JF/jl te worden gekoeld gehouden In de thermostatische kamer 1, bestaande uit hitte-isolerende houder, gevormd uit een synthetische hars of soortgelijk materiaal, op dusdanige wijze dat de tegenover elkaar liggende uiteinden van het testmateriaal T zich uitstrekt uit de thermostatische kamer e 5 om actiepunten Tr, Tu te verschaffen, waarop een uitwèndige kracht wordt uitgeoefend in de rek- of soortgelijke test van het testmateriaal T.

Zoals getoond in fig. 11 bestaat de hitte-isolerende houder of . thermostatische kamer 1 uit een samenstellend tweetal halve houders 1·, 1" met uitsnijdingen 22, 22' welke het testmatieraal T geklemd houden.

10 De thermostatische kamer 1 bestaand uit de houderhelften definieert daarin een hitte-isolerende ruimte, waarin het middengedeelte van het testmateriaal T inclusief de testzone TP daarvan is aangebracht.

Binnen de hitte-isolerende ruimte 23 zijn koelmiddelsproeispuit-koppen 2, 2' aangebracht, welke zich elk daarin uitstrekken door de wan-15 den van de houderhelften 1', 1” naar de voorzijde h en de achterzijde h' van het testmateriaal T aan de tegenover elkaar liggende zijranden van de testzone TP ervan, zoals getoond in fig. 12.

Verder zoals is getoond in fig. 12, wordt het koelmiddel gevoerd naar de sproeispuitkoppen 2’, 2 door de daarmee geassocieerde vloeibare 20 koelmiddelbronnen 4, 4’, namelijk koelmiddelhouder welke een vloeibaar koelmiddel bevatten, zoals vloeibaar gemaakt stikstof, via de daarmee overeenkomende overdrachtspijpen 5, 5' en eerste en tweede hitte-uitwis -selaars 6, 6'. Eveneens zijn een eerste en tweede temperatuuraftasters 10, 10' bevestigd aan de oppervlakken van het testmateriaal T aan de te-25 genover elkaar liggende zijden daarvan met betrekking tot de daarmee geassocieerde sproeispuitkoppen 2, 2' op de posities J, J' waar de koelmid-delen X, X? gesproeid door de respectieve sproeispuitkoppen het testmateriaal T treffen, zodat de aftaster de temperatuur van het testmateriaal op die posities kan bepalen.

30 De eerste en tweede temperatuuraftaster 10, 10' zijn verbonden met de daarmee geassocieerde temperatuurstuurorganen 11, 11', waarvan de uitgangen worden gebruikt voor het besturen van de hittebronnen 12, 12' zoals elektrische verhitters 16 aangebracht in de eerste en tweede hitte-uitwisselaar 6, 6'.

35 Hier hebben de eerste en tweede hitte-uitwisselaar 6, 6' in hoofdzaak dezelfde configuratie als hiervoorgaand beschreven aan de hand van fig. 4. Na het aanschakelen van de cryostaatinrichting van fig. 12, wordt daardoor het testmateriaal T gekoeld aan de tegenover elkaar liggende β η Λ 4 £ fl ft -12- 21220/JF/jl laterale zijden van de testzone TP ervan door het koelmiddel X, X’ uitgesproeid door de sproeispuitkoppen 2, 2'. Gedurende het koelen wordt dus de hitte overgedragen door de actiepunten Τ', T" van het testmateriaal T afgeschakeld zodat deze geen invloed kan hebben op de testzone TP 5 welke zich bevindt in de hittë-isolerende ruimte 23 waarin het gesproeide koelmiddel wordt gevangen. De temperaturen van het testmateriaal T op de posities J, Jf, waar het gesproeide koelmiddel valt,worden gedetecteerd door de temperatuuraftasters 10, 10’ aangebracht aan de tegenover elkaar liggende zijden naar de daarmee geassocieerde sproeispuitkoppen op de 10 posities J, J'. De aldus gedetecteerde temperaturen worden via de eerète en tweede temperatuurbesturingsorganen 11, 11' gevoed aan de hittebronnen 12, 12· van de hitteuitwisselaars.6, 6' voor het besturen van de daaraan toegevoerde elektrische stroom. Op deze wijze, aangezien de temperaturen van het testmateriaalposities J, J' automatisch en constant op een vooraf 15 bepaald niveau worden ingesteld, kan de testzone TP van het testmateriaal T thermostatisch worden bestuurd onder gewenste temperaturen, zoals gewenst bij een rek- of soortgelijke test.

Voor het beschrijven van een voorbeeld van de toepassingen van de voorkeurscryostaatinrichting volgens de uitvinding werd een 20 ijzeren plaat 900 mm lang, 500 mm breed en 22 mm dik gebruikt als test- 2 materiaal en een vloeibare stikstof fles van 1,0 kg per cm als de vloeibare koelmiddelbron. De eerste en tweede hitte-uitwisselaar hadden elk een 500 W elektrische verhitter en de testzone werd gedefinieerd op het middengedeelte van het testmateriaal, zijnde 500 mm breed en 210 mm lang. 25 Bij deze test kon de nauwkeurigheid van de temperatuurstabiliteit altijd worden gehouden binnen + 2°C en de koelsnelheid was rond 2,7°C per minuut gemeten van 20OC tot gestabiliseerd -100°C.

Voor het aanvankelijk koelen van het testmateriaal van kamertemperatuur verdient het de voorkeur het vloeibare koelmiddel of vloei-30 baar gemaakte stikstof te sproeien op het testmateriaal zonder dat dit wordt verhit en vergast door de hitte-uitwisselaars, zodat het testmateriaal wordt gekoeld tot een bedoelde temperatuur met een grote koelsnelheid. Daarna, zodra de bedoelde temperatuur wordt bereikt, kan het testmateriaal bij voorkeur worden gekoeld door het koelmiddel welk wordt ver-35 hit en vergast door de hitte-uitwisselaar.

Hierna zal onder verwijzing naar de figuren 13 en 14 een beschrijving worden gemaakt van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding zoals toegepast op een breek- 800 1 408 -13- 21220/JF/jl test, waarbij een snijwerktuig 11 is gestoken door de bovenwand van de thermische kamer 1 naar beneden gericht tegen het testmateriaal T bij de bovenste middeninkeping K ervan. Bij deze test wordt aangenomen dat een vooraf bepaalde temperatuurgradiënt aan het testmateriaal dient te worden 5 gegeven van de hoge temperatuur aan het bovendeel ervan naar de lagere temperatuur bij het benedendeel ervan.

Voor dit doel kan een inrichting zoals getoond in fig. 14 wor -den gebruikt. In het bijzonder worden een aantal tweetallen sproeispuit-koppen 2, 2’ op verscheidene hoogten aangebracht in de thermostatische 10 kamer 1 door éeri zijwand ervan, zodat het koelmiddel wordt gesproeid tegen het testmateriaal T op posities met gevarieerde hoogten, op tegenover elkaar liggende laterale zijden van de testwanden TP van het testmateriaal T. Eveneens is voorzien in een aantal tweetallen temperatuuraftasters 10, 10’ aan de andere zijde van het testmateriaal T tegenoverliggend aan 15 de sproeispuitkoppen 2, 2' op daarmee overeenkomende posities.

Dan besturen de temperatuurstuurorganen 11 verbonden met de daarmee overeenkomende tweetallen temperatuuraftasters 10, 10’ de hitte-bronnen 12 van de daarmee geassocieerde hitte-uitwisselaar· 6.

Hierna zal onder verwijzing naar de figuren 15 tot en met 16 een 20 beschrijving worden gegeven van een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van de cryostaatinrichting volgens de uitvinding zoals toegepast op een geval waarin in plaats van een vast testmateriaal zoals gebruikt bij de voorafgaande voorkeursuitvoeringsvormen, een vloeibare substantie wordt gekoeld voor het thermostatisch besturen van de temperatuur ervan tot een 25 vooraf bepaalde cryogeen niveau.

Tot nu toe is bij de thermostatische besturing van de temperatuur van een dergelijk gekozen vloeibare substantie apparatuur gebruikt waarin een vloeibaar koelmiddel zoals vloeibaar gemaakt stikstof wordt gevoed door een vat met vloeibaar gemaakt gas onder verhoogde druk recht-30 streeks in een thermostatische kamer van de apparatuur gevuld met de vloeibare substantie.

In dergelijke apparatuur volgens de stand van de techniek echter, aangezien het koelmiddel zoals vloeibaar stikstof rechtstreek^ wordt gevoed, zonder te worden vergast, in de te koelen vloeibare sub-35 stantie, dient voorzien te zijn in een of meerdere roerorganen of argita-toren in de thermostatische kamer voor het mengen van het vloeibare koelmiddel met de vloeibare substantie en het uniformaliseren van de tempera-tuurverdeling daarin. Daardoor dient de thermostatische kamer niet alleen 80 0 1 4 08 -14- 21220/JF/jl ruimte te hebben voor een roerorgaan, maar eveneens is het roerorgaan onderworpen aan moeilijkheden, vanwege het gebruik onder een cryogene conditie. Verder wordt het koelmiddel verspillend verbruikt, omdat di-t continu als een vloeistof wordt gevoed. Bovendien dient er voor het ver-5 hitten van de vloeibare substahtie gekoeld tot een temperatuur beneden een bedoeld niveau een elektrische verhitter of een dergelijk orgaan aangebracht te worden in de thermostatische kamer. Dit bezet eveneens -en ongewenst de inwendige ruimte van de thermostatische kamer.

De voorkeursuitvoeringsvorm van de cryoëtaatinrichting volgens 10 de uitvinding, getoond in fig. 15, is vrij van dergelijke nadelen van de apparatuur van de stand van de techniek. In fig. 15 geeft het verwijzings-cijfer 4 een bron van vloeibaar gemaakt gas aan, zoals een zone met vloeibaar gemaakt stikstof, waarvan de voedingsopening via een overdrachts-pijp 5 is verbonden met een invoer 13 van een hitte-uitwisselaar 6. Een 15 uitvoerverhitting van de hitte-uitwisselaar 6 is verbonden met één uiteinde van een voedingspijp 7, waarvan het andere uiteinde is verbonden met een afvoerpijp 7' ondergedompeld in de vloeibare substantie T welke dient te worden gekoeld in de thermostatische kamer 1. Een afvoeropening 2 is open aan het vrije uiteinde van de afvoerpijp 7'.

20 Hier heeft de hitteuitwisselaar 6 gebruikt in de onderhavige uitvoeringsvorm, in hoofdzaak dezelfde configuratie als de hiervoor beschreven hitte-uitwisselaar. Het verwijzingscijfer 11 geeft een tempera-tuurbesturingsorgaan aan, welk de stroomtoevoer aan een elektrische verhitter 16 of de hitte-uitwisselaar 6 bestuurd voor het besturen van de "25 temperatuur ervan. De ingang van het temperatuurbesturingsorgaan 11 is verbonden met de temperatuuraftaster 10 welke zich uitstrekt in de thermostatische kamer 1.

In werking wordt eerst een vloeistofsubstantie T zoals iso-pentaan of Freon 11 welk vloeibaar is op kamertemperatuur of vloeibaar 30 gemaakt Freon 12 gevuld in de thermostatische kamer 1. Dan wordt een kraan 5’ verbonden met de overdrachtspijp 5 groter om het vloeibare koelmiddel toe te voeren aan de hitte-uitwisselaar 6.

Aangezien de elektrische verhitter 16 niet wordt aangeschakeld bij de aanvankelijke koelstap, passeert het koelmiddel als een vloeistof 35 door de hitte-uitwisselaar 6 en de voedingspijp 7 om gevoed te worden in de vloeibare substantie T door de afvoeropening 2 van de afvoerpijp 7'. Derhalve wordt de vloeibare substantie T snel gekoeld tot een bedoelde temperatuur,of^^i de omgeving daarvan, wanneer de temperatuuraftaster 10

sVo14 OS

-15- 21220/JF/jl het temperatuurbesturingsorgaan 11 bekrachtigt voor het Voeden van een elektrische stroom met een vooraf bepaalde grootte, aan de elektrische verhitter 16. Wanneer dus het vloeibare koelmiddel passeert via een hitte-overdrachtsdoorgang 17 verschaft in de hitte-uitwisselaar 6, wordt dit ver-5 gast door de hitte afgegeven door de elektrische verhitter 16 en het vergaste koelmiddel ingesteld op een bepaalde temperatuur wordt uitgespoten als bellen in de vloeibare substantie in de thermostatische kamer 1.

Daardoor wordt niet alleen de vloeibare substantie in de thermostatische kamer 1 thermostatisch bestuurd door het vergaste koelmiddel 10 tot de bedoelde cryogene of semi-cryogene temperatuur, maar kan eveneens de gehele vloeibare substantie snel een uniforme temperatuurverdeling bereiken in de gehele thermostatische kamer 1 omdat dit voldoend wordt geagiteerd door het borrelende gasvormige koelmiddel.

Om te verzekeren dat de vloeibare substantie T voldoende wordt 15 geagiteerd door het gasvormige koelmiddel welk spuit uit de afvoerpijp 7’ verdient hët de voorkeur dat de afvoerpijp T1 verbonden met de zich verticaal uitstrekkende toevoerpijp 7 wordt gebogen om horizontaal te lopen langs en nabij de bodem van de thermostatische kamer 1 en dat een aantal van de afvoeropeningen 2 zijn gevormd naar boven in de 20 wand van de afvoerpijp 7', zoals getoond in fig. 16.

In het geval, waarin de vloeibare substantie T de thermostatische kamer 1 overstroomt door de werking van het gasvormige koelmiddel spuitend uit de afvoeropeningen 2 van de afvoerpijp, verdient het de voorkeur, dat een geperforeerde plaat 25 waarin een aantal gaten 24, 24' 25 zijn gevormd horizontaal in de thermostatische kamer 1 is aangebracht op een positie boven de afvoerpijp 7' zich uitstrekkend in de thermostatische kamer 1 door de zijwand daarvan en openend in de nabijheid van de bodem daarvan.

Bij deze voorkeursinrichting van de cryostaatinrichting volgens 30 de uitvinding kan het vloeibare koelmiddel zoals vloeibaar gemaakt stikstof worden gevoed als vloeistof in de vloeibare substantie T waarin het vereiste de vloeibare substantie T snel te koelen tot een cryogene of half-cryogene temperatuur. Voor het thermostatisch besturen van de temperatuur. Voor het thermostatisch besturen van de tempera-35 tuur van de vloeibare substantie T tot de bedoelde cryogene of semi- cryogene temperatuur zodra deze is bereikt, wordt het koelmiddel vergast en bestuurt tot een vooraf bepaalde temperatuur door de hitte-uitwisselaar 6 en wordt gevoed in de vloeibare substantie T, terwijl deze voldoende ann1i 08 -16- 21220/JF/jl wordt geagiteerd. Daardoor is het niet noodzakelijk een roeiorgaan of dergelijke aan te brengen, dat verspillend de effectieve inwendige ruimte van de thermostatische kamer 1 beperkt, en dat mechanische delen heeft welke gevoelig zijn voor moeilijkheden onder een cryogene conditie. Vol-5 gens de uitvinding kan dus een cryostaatinrichting met een grotere nauwkeurigheid worden verschaft met een verbetérde effectieve inwendige ruimte voor de thermostatische kamer 1.

Verder kan volgens de uitvinding, aangezien een bevredigbare thermostatische besturing kan worden bereikt zonder het verschaffen van 10 een elektrische verhitter of dergelijk orgaan in de thermostatische kamer, de effectieve inwendige ruimte van de thermostatische kamer eveneens in dit kader worden vergroot. Aangezien bovendien het koelmiddel onder een vooraf bepaalde druk wordt gevoed door de behuizing en sproeispuitkoppen in de thermostatische kamer met een constante volumetrische stroomsnel-15 heid als vloeibaar of vergast overeenkomstig de koelingsvereisten voor de thermostatische kamer, kan het vloeibare koelmiddelverbruik worden geminimaliseerd omdat het koelmiddel wordt gesproeid als gas'op een bestuurde temperatuur, voor het handhaven van de thermostatische conditie, zodra de substantie welke dient te worden gekoeld de bedoelde cryogene 20 of semi-cryogene temperatuur heeft bereikt.

-conclusies- 800 1 4 08

Claims

1. Cryostaatinrichting, gebruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas, waarin een koelmiddel wordt gevoed door een bron van vloeibaar ge- 5 maakt gas via een hitte-uitwisselaar om uitgesproeid te worden door één of een aantal sproeispuitkoppen, aangebracht in een thermostatische kamer op een voorwerp of substantie dat of die daarin is geplaatst, met het kenmerk, dat deze omvat; het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp op de substan-10 tie voor het koelen ervan naar een bedoeld cryogeen of semi-cryogeen niveau en het bekrachtigen van de hitte-uitwisselaar op een geschikte tijd voor het vergassen van het vloeibare koelmiddel en het sturen van de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koelmiddel voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp of de substan-1'5 tie tot het bedoelde cryogene of semi-eryogene niveau.

2. Cryostaatinrichting, gebruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas, waarin een koelmiddel wordt gevoed door een bron van vloeibaar gemaakt gas via een hitte-uitwisselaar om uitgesproeid te worden door één of een aantal sproeispuitkoppen, aangebracht in een thermostatische kamer 20 op een voorwerp of substantie dat of die daarin is geplaatst, met het kenmerk, dat deze omvat: het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp op de substantie voor het koélen ervan naar een bedoeld cryogeen of semi-cryogeen niveau, het detecteren van de temperatuur van het voorwerp of de substantie 25 welk het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau of de nabijheid ervan bereikt en het ervoor zorgen dat een temperatuurstuurorgaan reageert op de detectie voor het sturen van de temperatuur van een hittebron van de hitte-uitwisselaar, om daardoor het vloeibare koelmiddel te vergassen en de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koelmiddel te stu-30 ren voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp of de substantie tot het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau.

3. Cryostaatinrichting, gebruikmakend van een vloeibaar gemaakt gas, waarin een koelmiddel wordt gevoed door een bron van vloeibaar gemaakt gas via een hitte-uitwisselaar om uitgesproeid te worden door één 35 of een aantal sproeispuitkoppen, aangebracht in een thermostatische kamer op een voorwerp of substantie dat of die daarin is geplaatst, met het kenmerk, dat deze omvat: het sproeien van het koelmiddel als een vloeibaar koelmiddel in een aanvankelijke koelstap van het voorwerp op de substan- -18- 21220/JF/jl tie voor het koelen ervan naar een bedoeld cryogeen of serai-cryogeen niveau, het detecteren van de temperatuur van het voorwerp of de substantie welk het bedoelde cryogene of semi-cryogene niveau of de nabijheid ervan bereikt en het ervoor zorgen dat een temperatuurstuurorgaan reageert op 5 de detectie voor het sturen van de temperatuur van een hittebron van de hitte-uitwisselaar, om daardoor het vloeibare koelraiddel te vergassen en de temperatuur van het daaruit resulterende vergaste koelraiddel te sturen voor het brengen van de temperatuur van het voorwerp op de substantie tot een dichtere nabijheid van het bedoelde cryogene of semi-cryogene ^0 niveau en het daarna detecteren van de temperatuur van het vergaste koel-middel in plaats van het detecteren van de temperatuur van het voorwerp of de substantie het sturen van de temperatuur van de hittebron van de hitte-uitwisselaar voor het thermostatisch sturen van de temperatuur van het voorwerp op de substantie naar het bedoelde cryogene of semi-cryogene ^5 niveau.

4. Werkwijze zoals uitgevoerd in de inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies. Eindhoven, maart 1980. f 80 0 1 4 08