SE446122B - Mikrokylanordning bestaende av tre plattor med mellanliggande kanaler - Google Patents

Description

8202630-3 icke i stånd att avleda denna värmemängd utan någon mera betydelsefull ökning av temperaturen över omgivningstemperaturen.

-Miniatyrkylanordningar med slutna kretslopp, exempelvis sådana som grun- dar sig på Gifford-McMahon-, Vuilleumier-, Stirling- och liknande förlopp, har utvecklats. Dessa kylanordningar, med kapaciteter inom området 0,5 - lD watt, är bekväma och kompakta, men på grund av sina rörliga delar inför de avsevärda vibrationer och magnetiskt brus som stör anordningarnas verk- samhet. Hiniatyrkylsystem enligt Joule-Thomson har utvecklats och uppvi- sar en kylkapacitet som i typiska fall ligger mellan 0,5 och l0 watt.

Dessa kompakta system uppvisar konstruktionskonfigurationer som i stort sett utgöras av rör med skruvlinjeformiga flänsar lindade omkring en dorn, med den under högt tryck stående gasen strömmande inuti rören och med den under lågt tryck stående gasen strömmande över rörens utsidor. Dylika med skruvlinjeformiga flänsar försedda och upplindade värmeväxlare tillverkas genom arbetskrävande svetsning eller lödning av de individuella komponen- terna. Pâ grund av anordningens invecklade beskaffenhet har mikrokylan- ordningar_med en kapacitet inom milliwattområdet hittills icke varit till- gängliga i praktiken.

Vad som erfordras för många anordningar är en mikrokylanordning med en stor- lek inom omrâdet från l2 till l00 millimeter och med en kylkapacitet inom milliwattomrâdet. Det erfordras även fabrikationsmetoder för mikrokylan- ordningar där man undvikervanliga arbetskrävande svetsnings- eller löd- nhingsförfaranden och tillåter utbildandet av mycket små gasledningar för att låta värmeväxlarna arbeta inom området för laminär strömning och fort- farande uppvisa en effektiv värmeväxling. Den därmed följande frånvaron av turbulens i gasströmmen eliminerar vibration och buller, som båda är be- tydelsefulla överväganden vid tillämpningar av supraledande anordningar. iiniatyrstorleken tillåter att ett helt kryogent system - med en supra- ledande avkännare - är en hybridkomponent i elektroniska kretsanordnin- gar. Den mikrominiatyr~avkylningskapaciteten tillåter att avkylningssys- temet anpassas till belastningen. Uppfinningen uppfyller dessa krav.

Det erfordras även mikroavkylningsanordningar med i stort sett samma di- mensioner som redan angivits och i stând att avleda stora värmemängder, lO - 50 natt, alstrade av vissa små anordningar, under bibehållande av omgivningens temperatur eller av därunder liggande temperaturer. Även dylika avkylningsanordningar skall vara lätta att framställa och uppvisa konfigurationer som är förenliga med elektroniska standardförpackningar. b) 8202630-3 Såsom kommer att förklaras I detalj längre fram omfattar den mikromini- atyriserade kylanordrí. 1 ._.._; den föreliggande uppfinningen i unik form och skala ett flertal förseglade plattliknande element, som sins- emellan bildar en kylkammare, kapillära värmeväxlingskanaler och medium- kanaler för att sdc.2ssivt transportera inkommande under högt tryck stå- ende gas genom värmeväxlaren, kapillärsektionen och in i kylkammaren. Äter- gångs- eller utloppskanaler leder mediet från kylkammaren motströms den inkommande gasen och därefter till omrâdet utanför anordningen.

En dylik mikrominiatyriserad kylanordning erfordrar en minskning av skalan hos en vanlig kylanordning med en faktor av ungefär ettusen. Konstruk- tionsparametrarna för en mikrominiatyriserad kylanordning med samma effek- tivitet som en vanlig kylanordning som använder turbulent strömning har beskrivits i "Scaling of Miniature Cryocoolers to Microminiature Size" av W.A.Little och publicerad i NBS Special Publication i april l978, och det hänvisas till denna artikel som en referens.

Sammanfattande kan sägas att diametern d_hos värmeväxlarens rör, värme- växlarens längd 1 och nedkylningstiden t_stär i ett samband med kapacite- ten, som är ploportiwflell mot massflödet m¿ pâ följande sätt: °=5 22 d _ i w min” En mikrominiatyriserad kylanordning med turbulent strömning och en kapa- citet av nâgra få milliwatt skall hava d = 25 umoch l_ likamed nâgra få centimeter.

När anordningen blir mindre och mindre, kommer slutligen massflödet att bliva alltfër litet für att tillåta turbulent strömning av mediet att upp- träda. Verksamhet wed laminär strömning blir då möjlig utan förlust av kylningseffektivitet och medför förbättrat arbete.

Den teoretiska grunden för konstruktion ev mikrominiatyriserade kylanord- ningar med laminär strömming i värmeväxlare har diskuterats i "Design Considerations for Eicrcminiature Refrigerators Using Laminar Flow Heat Exchangers“, presenterad av W.A.Little vid Conference on Refrigeration for Cryogenic Sensors and [lectronic Systems, Boulder, Colorado, 6 och 7 oktober l980, till vilken hänvisas som en referens.

För mikrominiatyriserade värmeväxlare som arbetar inom området för lami- 3202650-5 4 när strömning inom samma tfgtkomräde och med samma effektivitet skall värmeväxlarens längd ilj göras proportionell mot kvadraten pâ diametern (dj hos värmevëxlarrören. Sålunda kommer exempelvis en Joule-Thomson värmeväxlare som arbetar med H2 vid l20 atmosfärer och med en kapillär- kanal som är 5 cm lång och ll0lm1bred och Spnidjup att åstadkomma approxi- - mativt 25_milliwatt avkylning. Olika avkylningskapaciteter kan erhållas ge- nom att variera kanalens bredd utan någon ändring av effektiviteten. Man kan sålunda arbeta under strömlinjeförhållanden och utan vibrationer och turbulensbuller, och detta är en fördel särskilt vid supraledande anord- ningar som erfordrar en omgivning med mycket ringa buller.

I en Joule-Thomson~kylanordning av denna typ är det normalt lämpligt att använda en kapillärkanal för att strypa den komprimerade gasen, men det är allmänt känt att en porös struktur, exempelvis porös metall, sintrat keramiskt material och liknande,kan lika bra användas för att strypa gasen.

För att öka kylanordningens effektivitet vid vissa tillämpningar före- finns vid en form av uppfinningen två kapillärsektioner anordnade i serie eller parallella och kanaler för att leda en avsevärd del av gasen direkt till värmeväxlarens utloppskanal efter gång genom endast en av kapillär- sektionerna. ' För att bygga mikrominiatyriserade kylanordningar erfordras nya fram- ställningsmetoder för att åstadkomma värmeväxlare och expan- sionsmunstycken som är mindre med en faktor av från 100 till l000 gån- ger än dem som finns hos vanliga kylanordningar.

Konventionella fabrikationsmetoder lämpar sig dåligt för mikrominiatyri- sering, eftersom kanaler av storleksordningen 5-500 ummåste utbildas nog- grant och anordningen måste vara förseglad för att motstå höga tryck av styrleksordningen l0-200 kp/cmz för effektiv kylning.

Följaktligen är huvudsyftet med uppfinningen att åstadkomma en ny mikro- miniatyriserad kylanordning, särskilt för kryogen kylningloch ett sätt att hopmontera den. _Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny mikrominiatyri- serad kylanordning med en kylningskapacitet som går från milliwatt upp till 50 watt eller mera. I Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny mikrominiatyri- serad kylanordning med ett flertal skikt. 820263Û-3 Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny enstegs kryogen mikrominiatyriserad kylanordning.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny flerstegs kryogen mikrominiatyriserad kylanordning.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny metod för att framställa en mikrominiatyriserad kylanordning. Ännu ett syfte med uppfinningen är att angiva en ny metod för framställ- ning av en mikrominiatyriserad kylanordning under användning av fotolito- grafiska och kemiska etsningsförfaranden.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är en ny metod att framställa en mikrominiatyriserad kylanordning under användning av ett förfarande med sandblästring avfiflê.pëPtik1HY- Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny kylanordning med ringa storlek och omfattande två eller flera plattor av ett material med ringa värmeledningsförmâga, exempelvis glas, förbundna trycktätt och inne- hållande en eller flera plattgränsytor, kanaler med pm-storlek för gas- tillförsel och återgång till en kammare som är utbildad för att kontinu- erligt kyla en supraledaranordning eller liknande. I överensstämmelse med detta syfte kan inloppsgastrycken vara av storleksordningen lO - 200 kp/cmz, och kanalerna kan hava en bredd inom området 5 - 500 pm och ett djup av 5 - 60 pm.

I överensstämmelse med det föregående syftet kan kanalerna och kylkamma- ren utbildas av fördjupningar i områden av plattornas ytor eller genom att utbilda upphöjda kanalväggar vid plattornas gränsyta eller -ytor. Ännu ett syfte med uppfinningen är ett nytt sätt att framställa en mikro- miniatyriserad kylanordning genom att utbilda upphöjda kanalväggar.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny kylanordnings- grupp med två eller flera flerskikts-kylanordningar för kaskadkylning för uppnäende av låga kryogena temperaturer.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny mikromini- atyriserad kylanordning samnmansatt av tre eller flera likadana plattor av glas eller likvärdigt material och hopmonterade till en stapel med hög- trycksinlopp för medium med en storlek av pm och med lâgtrycksutlopps- kanaler till en kylkammare och anordnade i separata skikt vid gränsytor mellan intilliggande plattor. a2o2ase~a E Ifråga om detta syfte har siaafa avsetts att i ett av tre plattor bestå- :ende laminat skall uatèëfla; å ~ f=f;za.er för högt tryck, liksom värme- växlar- ocn Kapillära expansiunskanalsektiuner i serie i en platta som är ytbunden till en mellanplatta, vars ena yta bildar en sida av kanalerna, och fördjupningar för lågtrycksâtergångsorgan utbildas i ytan på den andra platta som är bunden till den nämnda mellanplattan.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ny avkylningsanord- ning med en speciell hållare för monteringen och för att bilda gaskana- ler vid en ände, för att montera avkylningsanordningen för att fritt ut- skjutande gå in i ett evakuerat hölje.

Ytterligare syften med uppfinningen kommer att framgå av den fortsatta beskrivningen och de bifogade patentkraven och de tillhörande ritningarna.

I enlighet med uppfinningen har det âstadkommits en mikrominiatyriserad avkylningsanordning och en metod att framställa densamma. Det är att läg- ga märke till att den mikrominiatyriserade avkylningsanordningen kan utbil- das i större skala såväl beträffande storlek som kapacitet för vissa till- lämpningar, Avkylningsanordningen är ny, oberoende av storleken, men det är miniatyriseringen av avkylningsanordningen som är besvärlig och som därför här beskrivs i detalj. Den mikrominiatyriserade avkylningsanord- ningen för turbulent eller laminär strömning inkluderar en eller flera plattor, och på vissa av dessa har utbildats gaskanaler av um-storlek och det hela fullbordas genom en eller flera förbundna plattor som motstår höga tryck. Den mikrominiatyriserade avkylningsanordningen kan användas för men är icke begränsad till kryogen avkylning.

KQRTFÅÉTÅD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. l är en vy med isärförda delar och visar en mikrominiatyriserad avkylningsanordning enligt en utföringsform av uppfinningen.

Fig. 2 är i stort sett en planvy som visar en del av en mikrominiatyrise- rad avkylningsanordning med ett mediumkanalmönster enligt en annan utför- ingsform.

Fig. 3 är en i stort sett perspektivvy som visar en del av en mikromini- atyriserad avkylningsanordning som anger en ytterligare modifikation.

Fig. 4 är en planvy som visar en modulutföringsform med ett flertal en- heter av en mikrominiatyriserad avkylningsanordning.

Fig. 5 är en tvërsektionsvy som visar en annan utföringsform av en mikro- 8202650-3 miniatyriserad avkylningsanordning.

Fig. 6 är en tvärsektionsvy som visar en annan utföringsform av en mikro- miniatyriserad avkylningsanordning i form av en modul med ett flertal en- heter.

Fig. 7a-7e utgör tvarsektinnsvyer som visar steg vid en metod att fram- ställa en mikrominiatyriserad avkylningsanordning.

Fig. 8a-8d utgör tvärsektionsvyer som visar steg vid en annan metod att framställa en mikrominiatyriserad avkylningsanordning.

Fig. 9a-9: utgör tvärsektionsvyer som visar steg vid en metod att fram- ställa en mikrominiatyriserad avkylningsanordning med upphöjda kanalväg- gar.

Fig. lOa4l0d är tvärsektionsvyer som visar steg vid en annan metod att framställa en mikrominiatyriserad avkylningsanordning.

Fig. ll är en tvärsektionsvy som visar framställningen av en utförings- form med en modul med ett flertal enheter.

Fig. l2 är en planvy som visar en användning och omgivning för avkylnings- ~anordningen enligt uppfinningen.

Fig. l3 är en schematisk vy som visar mediumkretsen i avkylningsanord- ningen enligt uppfinningen.

Fig. l4 är en belysande vy av en sektion och visar avkylningsanordningens laminerade uppbyggnad och flerskiktmediumflödesbanor, vilkas detaljer visas i efterföljande figurer.

Fig. l5 är en planvy, delvis med bortbrutna avsnittlför att visa en hål~ lare för en avkylningsanordning.

Fig. l6 är en sektionsvy tagen i huvudsak efter linjen l6-lö i fig. l5.

Fig. l7, lS och l9 är uppifrån sedda planvyer av de tre element (övre, mellan och nedre) som bildar avkylningsanordningens laminat eller sand- wichuppbyggnad enligt uppfinningen vid en företrädesvis använd utförings- form och visar särskilt de skilda mediumflödeskanalerna och kamrarna.

Fig. 20 och Zl är sektionsvyer tagna i huvudsak längs linjerna 20-20 och Zl-2l i fig. l7. 2 Fig. 22 är en sektionsvy tagen i huvudsak längs linjerna 22-22 i fig. l8.

Fig. 23 och 24 är sektionsvyer tagna i huvudsak längs linjerna 23-23 och 8202630-3 24-24 1 flg. is.

Fig. 25 är en vy med isërförda delar och visar en utföringsform där flö- deskanalerna är belägna på olika sätt.

Fig. 26 är en vy med isärförda delar och visar en utföringsform där tvâ lâgtrycksflödesbanor har anordnats.

Fig. 27 är en delvy som visar en dyna med ökad värmeledningsförmåga vid avkylningsanordningens kalla ände.

Fig. 28 är en vy med isärförda delar och visar en flerskiktsavkylnings- anordning enligt en ytterligare utföringsform.

Fig. 29 är en planvy som visar den platta i tig. 28 i vilken lågtrycks- gaskanalorganet är utbildat. - Figj 30 är en_planvy av den platta i fig. 28 i vilken högtryckskanalor- ganet är utbildat. ' Fig. 31 är en belysande vy som visar den laminerade uppbyggnaden av två flerskiktsavkylningsanordningar kombinerade i en enhet för att medföra kaskadavkylning.

Fig. 32 är en sektiensvy tagen i huvudsak längs linjen 32-32 i fig. 31.

Fig. 33 är en vy med isärförda delar av en ytterligare utföringsform av wpHnmnæn;ow Fig. 34 är en planvy av en komponent för en ytterligare utföringsform av uppfinningen. 7 F Ü R E D R A G N A U T F Ö R I N G S F 0 R M E R Pâ ritningarna visar fig. l en perspektivvy med isärförda delar av en ut- föringsform av en mikrominiatyriserad avkylningsanordning enligt den före- liggande uppfinningen och den inkluderar en kropp 12 i hermetisk ytkon- takt med substratet 10. Kroppen 12 utgöres av ett kristallint (exempelvis kisellg ett amorft (exempelvis glas), eller ett metalliskt (exempelvis koppar eller rostfritt stål) material, och substratet 10 utgöres av ett sådant material som Ryrex, sodaglas eller Kovar, med en värmeutvidgnings- koefficient som är förenlig med kroppens 12 värmeutvidgningskoefficient.

Företrädesvis utgöres kroppen 12 och substratet 10 av tunna glasplattor med samma utsträckning.

Kroppen 12 och substratet 10 mäste vara tillräckligt tjocka och/eller 9 -8202630-3 starka för att motstå den inkommande gasens tryck, som i typiska fall är av storleksordningen lö - 260 kp/cmz. Som exempel kan anges att en kiselkropp kan vara ungefär 300 pm tjock, en kropp av glas kan vara ungefär 250 pm till 500 pm tjock, och ett glassubstrat är ungefär 250 pm till 500 pm tjockt. På ytan av kroppen 12, som är anbragt på substratet l0, förefinns parallella “serpentin“-kanaler l4 och l6 med en bredd av 5-300 pn och åtskilda genom väggar l5 med en storlek av 150-500 pm. Kanalerna 14 och lö förbinder en utloppsport l8 (lâgtrycksâtergângen) och inloppsporten 20 (högtrycksinloppet) till en behållare eller kylkammare 24. Behållarens 24 storlek bestäms av den önskade reservkapacitet som erfordras för fluk- tuerande behov. De redan nämnda kanalerna och behållaren har utbildats i -kroppens l2 bottenyta, som förbundits jämns med den plana toppytan l7 så att de effektivt slutas ihop. Den gränsyta som består av ytorna l3 och l7 har förenats pä ett trycktätt sätt.

Kanalerna l4 och 16 bildar respektive lågtrycks~ och högtrycks-kylled- ningar som går jämsides under en begynnelselängd och därigenom bildar en värmeväxlarsektion, som allmänt visas vid 22. En filtersektion 2l med fina kanaler har anordnats mellan inloppet och värmeväxlarsektionen. Bort- om värmeväxlarsektionen 22 blir inloppskanalen lö oberoende slingrande och trängre vid 26 på substratet för att tillåta mediet att erhålla minskat tryck och därefter expandera. Som exempel kan anges att kanalsektionen 22 är ungefär 250 pm bred och 50 pm djup och kanalen 26 är ungefär l25 pm bred och l0 pm djup. Änden på expansionsledningen 26 är direkt anslu- ten till behållaren 24 och utloppskanalen l4 sträcker sig från behålla- ren 24 genom värmeväxlaren tillbaka till utloppsporten l8. Behållaren 24 är företrädesvis ungefär 20-50 pm djup.

Anbragt-på substratets lO andra eller nedre yta förefinns en gränsytenhet 30 av en lämplig metallegering, exempelvis Kovar som är en legering av järn, nickel och kobolt med en utvidgningskoefficient som är ungefär den- samma som hos substratets l0 material, och den har hål 32 och 34 som sträcker sig genom densamma och står i förbindelse via i linje därmed lig- gande hål i substratet l0 med respektive portar l8 och 20 i kroppen l2.

Förbundna med gränsytenheten 30 är ett par miniatyrrör 36 och 38, som leder ett medium till och från avkylningsanordningen. Rören 36 och 38 kan utgöras av sådant rostfritt stâlmaterial som användes för injektionsnâlar eller av Teflon-rör. Gränsytenheten 30 är trycktätt fastsatt på substratet l0 medelst ett lämpligt förseglingsmedel, exempelvis epoxiharts. ä kroppens l2 toppyta och direkt anliggande mot behâllarens 24 vägg är l0 8202630-3 anbragt en anordning 40 som skall avkylas. Anordningen 40 kan utgöras av en godtycklig sådan bland ett antal anordningar som skall arbeta vid låg temperatur (exempelvis superkänsliga magnotometrar, gradiometrar, bolomet- rar och andra liknande anordningar som grundar sig pâ Josephson-effekten) eller andra för fackmannen väl kända anordningar eller anordningar som ar- betar vid högre temperaturer (exempelvis infraröddetektorer, halvledarlasrar celler samplar vilkas fysiska egenskaper skall bestämmas). Hela anordningen kan vara innesluten i ett Dewar- eller vakuumkärl för att minska värme- överföringen till delarna.

Den visade mikrominiatyriserade avkylningsanordningen utgöres av ett av- kylningssystem enligt Joule-Thomson med öppet kretslopp, där röret l8 är via en regleringsventil 39 ansluten till en behållare 37 med högt kompri- merad köldmedelgas, exempelvis kväve, väte eller helium.

Den högt komprimerade gasen kommer in med ett ingångstryck av ungefär 10-200 kplcmz och en flödeshastighet av ungefär 5-50 milliliter/sekund (STP) genom porten 28 och går genom värmeväxlaren 22, där gasen kyls genom under lägre tryck stående underkyld gas som matar anordningen via kanalen l4 0Ch Sedfifl porten l8 och röret 36. Den under högt tryck stående gasen gär ut från värmeväxlaren 22 och går genom den kapillära expansionsled- ningen 26, där tryckfallet minskar temperaturen hos den gas som gär in i behållaren 24 som ett underkylt eller kryogent medium. Lågtemperaturbehäl- laren 24 kyler i sin tur den anordning 40 som är anbragt på behållaren 24 och det absorberade värmet orsakar att mediet förângas och via kanalen l4 gär till utloppsporten l8.

En som exempel angiven mikrominiatyriserad avkylningsanordning, vars kropp lZ utgöres av en glasplatta med en tjocklek av 500Pm och en bredd av l3 mm och en längd av 76 mm,har en avkylningskapacitet av l00 milliwatt vid l22°K; kanaldimensionerna är av storleksordningen l00 pm och flödeshastigheten ungefär 30 milliliter/sekund (STP) av kväve med ett inloppstryck av ll3 kp/cm och substratet l0 utgöres av en glasplatta med samma storlek.

Ett annat belysande exempel på en mikrominiatyrtiserad avkylningsanord- ning med en kropp av kisel har dimensionerna 75 x l2 x 2 millimeter och har en 30 centimeter lång vämeväxlarsektion och arbetar från rumstempe- ratur till 200°K under användning av C02.

En mikrominiatyriserad avkylningsanordning kan uppvisa en längd av från ungefär 13 till l00 mm, en bredd av 13 mm, en tjocklek mellan 1,0 och lå mm f! l. ll 8202630-3 och med typiska kanaldimensioner mellan 5-500 pm och med särskiljande väg- gar 150 500 pm breda och kan uppvisa en avkylningskapacitet mellan l,0 och 50 000 milliwatt vid temperaturer inom omrâdet 2-300°K och kan uthärda in- gângstryck från 10 till 200 kp/cmz. Det är emellertid tydligt att den be- skrivna mikrominiatyriserade avkylningsanordningen kan utbildas i såväl större som mindre skala ifråga om storlek och kapacitet för vissa till- lämpningar. g Förutom med det öppna kretslopp som nu beskrivits är det tydligt att avkyl- ningsanordningen kan utgöras av ett system med slutet kretslopp som använ- der sig av en kompressor för att åter komprimera gasen. Dessutom kan den här beskrivna fabrikationsmetoden användas för uppbyggnad av delar för avkylningsanordningar som använder sig av andra kretslopp, exempelvis sys- tem enligt Servel, Gifford-McMahon och Vuilleumier samt sådana med pulsat rör.

Vid vissa av de med laminär strömning arbetandeanordningarna kan kanalernas utbildning modifieras genom att de göras räta, såsom visas i fig. 2, i ställer för “serpentin"-formade. Fig. 2 visar bottnen ppâ en dylik kropp.

Vid denna utföringsform kommer gas under högt tryck att gå in genom por- ten 42 och strömmar därefter genom de parallella värmeväxlarkanalerna 43 till den med slingrande kapillära kanaler utbildade sektionen 44 och där- ifrån till behållaren eller avkylningskanmaren 45, vidare genmn lâgtrycks- ätergängen 46 till utloppsporten 47. En fördel med denna uppbyggnad är att lågtrycksâtergângen 46 på visat sätt fullständigt omger högtryckskanalled- ningarna så att eventuell ringa läckning av gas från en högtrycksledning infängas av lâgtrycksätergången och icke kan gå bort i det omgivande va- kuet, och härigenom isoleras avkylningsanordningen från omgivningen. En eventuell olägenhet med denna uppbyggnad är den långa bana som värmet mäs- te gå genom glaset vid värmeväxlarsektionen mellan de inkommande lednin- garna 43 och den utgående kanalen 46. Denna svårighet kan undvikas genom att kombinera glaskroppen med ett glassubstrat 48, såsom visas i fig. 3, där detsamma har väl ledande tvärgående metallband eller trådar 49 pätryckta resp. påförda. Dessa band eller remsor kan vara bundna till ytan på det glassubstrat som bildar gränsyta tillsammans med kroppen 41. Dessa tvär- gående ledande stycken 49 åstadkommer en väl värmeledande bana sidledes över avkylningsanordningen medan det samtidigt bibehâlles en värmeledning med lågt värde utefter avkylningsanordningens längd bestämt genom glaset.

Den mikrominiatyriserade kryogena anordningen och avkylningsanordningen 8202650-3 enligt den föreliggande uppfinningen lämpar sig för flerenhetskonfigura- tioner. Sålunda kommer ett flertal avkylningsanordningar, som var och en använder ett särskilt köldmedel, att astadkomma kaskaakylning av en gas genom en annan och sålunda åstadkomma avkylning vid synnerligen låga tem- peraturer. Ytterligare portar kan ingå i anordningen med kanaler som in- bördes förbinder de ytterligare portarna på beskrivet sätt, och med ytter- ligare behållare för ytterligare avkylning av en kryogen anordning. Fig. 4 är en perspektivvy av en kroppsmodul 5l med ett flertal enheter och ut- bildad av glas för en mikrominiatyriserad avkylningsanordning enligt denna fas av uppfinningen.

Det finns två behållare eller avkylningskamrar 52 och 53. Kammaren 52 har en ingångsledning 54, som går från ingångsporten 55 via en slingrande värmeväxlarsektion 56 och en sektion 57 med fina kapillärer in i kammaren, och en utgångsledning 58, som har en slingrande värmeväxlarsektion 59 med samma utsträckning som sektionen 56 och gående till utgångsporten 60. Kam- maren 53 har en ingångsledning 6l gående från en ingângsport 62 via en slingrande värmeväxlarsektion 63 och en sektion 64 med kapillärer in i kammaren, och en utgângsledning 65 som har en slingrande värmeväxlarsek- tion 66 med samma utsträckning som sektionen 63 och gående till utgångs- porten 67. En källa för under högt tryck stående kväve är ansluten till porten 55 och en källa för under högt tryck stående väte är ansluten till porten 62. De två kretsarna är sålunda delvis påverkande varandra och _ härigenom kommer det medium som går till kammaren 53 att förkylas i högre grad före expansionen. En krets använder sig av expansion enligt Joule- Thomson av kväve för att kyla väte till 77°K vid kammaren 52. Den andra gkretsen använder expansion enligt Joule-Thomson av det förkylda vätet för att vid kammaren 53 uppnå 2l°K. Hela avkylningsanordningen sådan den visas omfattar två värmeväxlare, två expansionssektioner, två kallvätske- behållare och ingângs- och utgångsportarna. Anordningens storlek ligger mellan ungefär 50 mm och l25 mm. På samma sätt kan ett trestegssystem som använder sig av kväve, väte och helium åstadkomma kylning vid 4,5°K.

Fig. 6 är en tvärsektionsvy av en annan utföringsform av en mikrominiaty- riserad flerskiktavkylningsanordning, där ingângs- och utgångskanalbild- ningarna 73 och 74 är utbildade på endera eller båda sidorna hos en glas- kropp 75 och där på endera eller båda sidorna av denna har anslutits två glassubstrat eller täckplattor 76 och 77. Högtrycksmedium strömmar längs kanalerna 73 och återgår via kanalerna 74. Kanalerna 73 och 74 kan vara 8202630-3 âstadkomna-genom etsning eller på annat sätt i kroppens 75 ytor, såsom visas genom heldragna lirje::;1%ef æara âstadkomna genom etsning eller pâ annat satt i ytorna pa endera eller båda glastäckplattorna 76 och 77 som är förbundna med kroppen, och detta visas genom de streckade linjerna 73' och 74'. íanalerna 73 och 74 kan även vara utbildade med upphöjda kanal- vëggar pâ kroppen 75 eller på substraten 76 och 77. Kanalbildningarna 73 och 74 består i varje fall av ingångssektioner, kapillärsektioner och avkylningskamrar och dessa kan vara uppbyggda och stå i sådana samband som vßaßi fig.l4.SHlhw®nmfllæ|fig.5odifig.läraü'ifig.l kan de inkommande och utgående kanalerna beskrivas som utbildade i ett enda skikt - och detta betyder att de är utbildade i samma eller i en anliggande plan yta - under det att de i fig. 5 är utbildade i en icke anliggande yta. Avsikten är att i fig. l de inkommande och utgående ka- nalerna skall kunna vara utbildade i resp. motstâende ytor l3 och l7.

Fig. 6 är en tvärsektionsvy som visar en annan utföringsform av en mikro- miniatyriserad avkylningsanordning med en modul med ett flertal enheter.

Kanalerna 80, ßl, 82 och 83 är utbildade i mot varandra vettande ytor på tunna glaskroppar 84, 85, 86, 87 och 88 genom etsning, partikelbläst- ring eller genom astadkommande av upphöjda kanalväggar. Såsom exempel kan anges att under högt tryck stående kväve går in i kanalen 80 och återgår via lågtryckskanalen 81, medan under högt tryck stående väte går in via kanalen 82 och färkyles genom kväve i kanalen 81. Väte under lågt tryck går ut via kanalen S3. lnloppen, värmeväxlarsektionerna, expansionsled- ningarna och behâllarna är inkluderade i respektive kanaler såsom vid de tidinare utförinosformerna. s J F A B R I K Å T 1 0 N S M E T 0 D E R Fig. 7a-7e visar en metod att framställa avkylningsanordningen genom ets-_ ning av kanaler i glas- eller kiselplattor. De förfaranden som kommer att beskrivas är i viss omfattning väl kända vid tillverkning av halvledar- anordningar, exempelvis integrerade kretsar, och de kan inkludera konven- tisnella förfaranden för fotoresistmaskering och etsning. I ett fall har under användning av kiselplattmaterial med en ytkristallin orientering på ( mina spar i kiselplattans yta. Alternativt kan vertikala väggar åstadkom- C' ,0,0)-planet anisotropisk etsning kunnat användas för att utbilda V-for- mas under användning av en kiselplatta med en ytorientering i (l,l,O)-planet.

I fig. ïa har en del av kiselplattan 90 visas i tvärsektion och ett skikt 9l av kíselnxid har ästadkommits på en av densammas storytor. Plattan 90 szozeso-s M har en tjocklek av storleksordningen 300 um och oxidskiktet 9l har en tjocklek av ungefär 900G Ä. Gxidskiktet kan utbildas genom upphettning av kiselplattan i en våt syreatmosfär._Fotoresistmaterial 92 påföres på kisel- oxidens 91 yta och exponeras under en fotomask med det önskade kanal- mönstret. Fotoresistmaterialet aviägsnas och den exponerade oxiden etsas och i densamma kvarlämnas det i fig. 7b visade mönstret 93. Kiseloxiden verkar nu som en mask och det exponerade kiselmaterialet etsas under an- vändning av ett anisotropiskt etsmedel, exempelvis etylendiamin, och detta resulterar i de V-spår 94 som visas i fig. 7c. Sedan etsningen av V-spå- ren har fullbordats, avlägsnas det återstående oxidskiktet 93 från kisel- plattan och plattan rengöres. En optiskt plan glasplatta av Pyrex eller likvärdigt material och betecknad 95 förbindes därefter med den etsade ytan på kiselplattan 90, såsom visas i fig. 7d. Förbindelsen mellan glas- plattan.och kiselytan sker genom förbindelseförfaranden som är fältunder- stödda eller anodiska. Därefter sker på i fig. 7e visat sätt en etsning av plattan 90 eller en bearbetning från baksidan för att minska anordningens tjocklek och därmed värmeledningsförmågan hos den laminerade kylanordnings- uppbyggnaden..

Ingângs- och utgângsledningar borras eller etsas på glassubstratets 95 omvända sida och rörgasledningarna anslutas till glasplattans omvända sida medelst epoxiharts. Genom användning av fotolitografisk utmärkning och kemisk etsning kan hela kylningsanordningen inklusive värmeväxlare, expansionsledning och vätskebehâllarkanalbildningar utbildas i ett enda steg. Elektronstrâle- eller röntgenstrâlelitografi och elektrolytisk och plasmaetsning kan användas liksom kemisk etsning. Den föregående foto- resistmetoden kan användas då såväl kroppen som substratet båda är glas- plattor, varvid konventionella material och förfaranden användas.

Fig. Sa-Sd visar en annan metod för att framställa urtagna kanalbildnin- gar i ett hårt, amorft, isotropt material, exempelvis glas, eller i ett kristallint material, exempelvis kisel. fietoden medger en god storleksövervakning, förbättrad upplösning i jäm- förelse med kemisk etsning och eliminerar underskärning och tillåter bildan- det av vertikala väggar. Denna metod är icke begränsad till framställning av den mikrominiatyriserade kylningsanordningen. I fig. Sa visas en del av en glasplatta l00 med en ungefärlig tjocklek av 500 um i tvärsektion och ett resistskikt l0l har anordnats på en av densammas storytor. Ända- målet med detta resistskikt är att skydda den underliggande ytan och att åstadkomma ett mönster för kanalutformningen. Resistmaterialet kan ut- 8202630-3 göras av ett fotokänsligt eller icke fotokansligt resistmaterial men måste vara elastiskt eller segt nog för att kunna motstå "sandblästring“ med fina partiklar, såsom kommer att beskrivas längre fram. Resistmaterialet kan täcka plattans l00 hela yta eller kan genom screen-tryckning påföras som ett mönster på plattan l00. Om resistmaterialet utgöres av fotore- sist, exponeras det genom en vanlig fotomask för ultraviolett ljus för att utmärka ett mönster. Ett nytt fotoresistmaterial som uppfyller fordrin- garna ifråga om att motstå blästring med fina partiklar består av: 7 gram gelatin (exempelvis Knox) och l gram ammoniumbikromat löst i 50 cm° varmt vatten. Detta resistmaterial bildar ett tjockt, svampartat skikt som har en tjocklek som är 20-30 gånger tjockleken av konventionella resistmaterial.

De oexponerade avsnitten av resistmaterialet kan avlägsnas medelst varmt vatten eller genom att använda enzymet proteas för att smälta det icke exponerade avsnittet, och resultatet blir då den struktur som visas i fig. Bb. Det kvarstående resistmaterialet lO2 är segt och elastiskt och kan motstå den nötande verkan som erhålles vid "sandblästring“ med fina partiklar men medger samtidigt att exponerade avsnitt av glasplattans yta slipas bort. En miniatyrluftslipanordning (t.ex. Abrasive Unit, Model K; S.S.White) som åstadkommer en ström av fina aluminiumoxidpartiklar vid ett tryck av ungefär 6 kp/cm” verkar som en "sandblästring" med fina par- tiklar. "Sandblästringsanordningen“ avsöker med konstant hastighet den platta som uppbär resistmaterialet och som visas i fig. 8b. En strâle av slip- pulver med en storlek av 17 um kan användas för att avlägsna ungefär 2 pm material vid varje passering. Större pulverpartiklar (exempelvis 27 och 50 pm) etsar snabbare men medför sämre upplösning. De kan användas vid fram- ställning av större anordningar med rimlig noggrannhet.

Kanaler l03 utbildade genom partikelblästringsmetoden och visade i fig. 8c har ettnoga reglerat djup (2-300 pm) och vertikala väggar och en kant- utmärkning med en ojámnhet av ungefär 5 um. Sedan som fördjupningar ut- bildade kanaler fullbordats, avlägsnas kvarstående fotoresistmaterial och plattan lD0 rengöres. Hela avkylningsanordningen med avkylningskammare och kanalsystem kan sålunda utbildas i ett enda steg. Såsom visas i fig. 8d förbindes ett sabstrat l04, exempelvis ett av sodaglas bestående täckglas, med glaspla íans l00 etsade yta medelst ett bindemedel med en tjocklek av mindre än l0 pm men i stånd att motstå 35-2l0 kp/cmz. Detta är samma sätt att förbinda som användes vid alla utföringsformer för att sätta ihop tvâ eller flera glasplattor för att bilda en permanent trycktät anordning. En dylik förbindelse kan ske medelst epoxiharts eller genom ultraviolett strål- lE 8202630-3 ning härdbart cement (t.ex. Norland's Optieal Adhesive). En försegling med pm-tjocklek kan åstadkommas genom att suga utspätt bindemedel in i mel- lanrummet mellan plattan lC9 och substratet l04 genom kapillärverkan.

Avkylningsanordningen belyses därefter med intensiv ultraviolett strål- ning till dess att bindemedlet polymeriseras och bildar en förbindelse.

Alternativt kan tâckplattan eller substratet smältas ihop med den etsade platta som bildar kroppen under användning av ett tunt skikt av lödglas, som genom screentryckning anbragts på endera eller båda plattorna, under användning av konventionella metoder för framställning av presentations- anordningar med flytande kristaller. Ingångs- och utgângsledningar borras eller etsas på glassubstratets 104 motsatta sida och gasledningar av rostfritt stål för injektionsspetsar eller av Teflonrör förbindas med glasplattans l04 motsatta sida medelst epoxiharts. Genom användning av sandblästringsförfarandet med fina partiklar kan ett sådant hårt, amorft och isotropt material som glas användas för avkylningsanordningens kropps- platta l00.-Användningen av dylika material undviker de problem som hör samman med kisels höga värmeledningsförmåga, och därför kan lägre tempe- raturer ernås vid avkylningsanordningens köldkammarände.

Fig. 9a-9c visar en metod att framställa en mikrominiatyriserad avkylnings- anodning genom att utbilda upphöjda kanalväggar på en yta i motsats till fördjupade kanaler i en yta. Plattan ll0 kan utgöras av kristallint, amorft eller metalliskt material, företrädesvis glas, och på densammas plana yta lll skall det utbildas kanaler. Material ll2 i form av glasfrittpulver, epoxiharts, lödglas, genom ultraviolett strålning härdbart cement, etc. pâ- föres genom screentryckning som ett mönster på ytan lll, såsom visas i fig. 9b. Genom bränning smälter glasfrittpulvret och bildar kanalväggarna.

På samma sätt bildas kanalväggarna då epoxihartset härdas, lödglaset hård- nar eller det genom ultraviolett strålning härdbaracementet utsättes för ultraviolett strålning. Delningar eller avstånd av 5-300 pm åstadkommas noggrant genom detta förfarande:-Fig. 9c visar en glassubstratplatta ll3, som anslutits genom någon av de redan angivna förbindningsmetoderna för att försegla gasledningarna. Liksom tidigare borras eller etsas därefter ingângs- och utgângsledningar i plattans ll3 motsatta sida och gaslednin- garnas anslutas därefter till plattans ll3 motsatta sida.

Fig. lOa-l0d visar en metod för framställning av en sådan avkylningsanord- ning som den i fig. 5 visade, där kanalerna etsats på endera eller båda de plana sidorna hos en glasplatta 120, med vilken skall förbindas de två glas- l7 8202650-3 plattorna lZl och l22 (fig. lOd). Särskilt vid konstruktioner för laminär strömning förenklas härigenom konstruktionen av flerstegsanordningar.

For att framställa anoraningen pâfäres genom screentryckning på plattan 120 ett tunt, kontinuerligt skikt av glasfritta eller täckes med lödglas l23 på varje sida (samma process kan utföras på endast en sida), och dessa skikt smältas därefter såsom vid det metodsteg som visas i fig. lDa. Därefter pâ- tryckes ett resistmaterial l24 antingen på topp- och bottenytorna, eller användes fotoresistmaterial och exponeras och framkallas på varje sida vid l24 (fig. lDb), så att varje sida pâ plattan l20 uppbär det önskade mönst- ret under användning av en av de redan diskuterade metoderna. Plattan 120 slipas och resistmaterialet avlägsnas och kvarlännar plattan l20 sådan som visas i fig. l0c. Det är att lägga märke till att vid denna punkt uppträ- der kanalbildningarna 125 resp. l26 i separata skikt och glasytorna mellan dem är täckta med det pâsmälta frittmaterialet l23. iläckglasplattorna l2l och l22 förbindas därefter med topp- och bottenytor- I na medelst ett program som kan inkludera att först upphettas hela anord- ningen till lödglasets eller frittmaterialets mjukningstemperatur. Härige- nom förseglas inloppsporten och utloppsporten för att fullborda avkylnings- anordningen (fig. l0d). Hål genom plattan vid den kalla eller köldkammar- änden ansluter behållaren, som via kapillärer är ansluten till högtrycks- kanalerna l25 och till lägtryckskanalerna l26. Gas under högt tryck gär via kanalerna l25 till kylkammaren och därefter tillbaka via kanalerna 126.

Kanalskikten kan utbildas i endera eller båda substratplattorna l2l och l22 i stället för att helt utbildas i kroppsplattan l20.

Fig. ll visar en metod att framställa en som en stapel utbildad flerstegs avkylningsanording l3D av det slag som visats i fig. 6. Genom denna pro- cedur kan flerstegsanordningar bekvämt uppbyggas så att de skilda gaserna gå i från varandra skilda skikt genom kanalerna i en stapel av med varand- ra förbundna plattor, såsom visas i fig. ll.

Denna avkylningsanordning omfattar fem med varandra förbundna glasplattor, företrädesvis av samma storlek och ordnade i en stapel. Här har de tre mel- lanliggande plattorna l3l, 132 och l33 utbildats ned ytfördjupningar enligt en av de föregående metoderna. Sålunda har exempelvis plattorna l3l och l32 utbildats med ytkanaler l34 och l35 i enlighet med den metod som visats i fig. 7a-7e, 8a-Sd eller 9a-9c, och plattan l33 är på motsatta sidor utbil- dad med ytkanaler l36 resp. l37 genom den i fig. lDa-l0d visade metoden.

I samtliga fall har partikelblästringssättet föredragits, eftersom härige- a-ó-f- lï 8202630-3 inom de öppna ändarna på varje kanal är åtskilda genom smälta frittskikt på glasytan.

I den visade tvästegsanordningen kan kväve under hogt tryck ga in via kanalen l34 och gå tillbaka via lågtryckskanalen l35,och väte under högt tryck kan gå in via kanalen l36 och förkyles genom värmeväxling med kväve i kanalen 135. Vëte under lågt tryck återgår till utloppsporten via kana- lerna l37. Hela anordningen är bunden samman genom lödglas, såsom redan beskrivits. Alternativt kan plattor med upphöjda kanalväggar användas i stäl- let för de av fördjupningar bildade kanalerna i denna tvâstegs avkylnings- anordning. Förbindelseportarna mellan de skilda skikten är utbildade på lämpligt sätt. ' Ehuru vid de redan beskrivna utföringsformerna avkylningsanordningen har en kristallin eller amorf kropp, kan i vissa fall avkylningsanordningen fotoetsas i ett kopparskikt på ytan av ett kretskort eller på ett tunt ark av rostfritt stål. Ehuru den beskrivna avkylningsanordningen är av typen med öppet kretslopp, kan avkylningsanordningar med slutet kretslopp fram- ställas under användning av förfaranden enligt den föreliggande uppfinnin- gen. Det är även tydligt att kanalerna även kan utbildas,sâsom redan be- skrivits,med kapillärrör med röret anliggande mot den begränsande inre ytan hos ett annat rör för att bilda en cylindrisk värmeväxlar-avkylningsanord- ning. Den tätande anslutningen av detta rör~till det inre röret kan åstad- kommas genom användning av rör som krymper genom värme, exempelvis Betalloy (Raychem Corp.) för det yttre röret.

Kanaldimensioner, ytförbindningsförfaranden, kanalutformning och andra egenskaper hos avkylningsanordningen kan vara sådana som kommer att beskri- vas i det följande i samband med de utföringsformer som visas i fig. 12-32.

Enligt fig. l2, som visar en typisk installation, är avkylningsanordnin- gen 2ll vid en ände aanbragt i en hållare 2l2, inuti vilken den är fixerad, så att avkylningsanordningen och hållaren vanligen omfattar en enhetsan- . ordning 213.

Vid den visade anordningen innehåller avkylningsanordningen flödeskanaler som via hâllaren är anslutna till mediuminlopps- och utloppsorgan.

Fig. 12 visar anordningen anbragt i en brunn 2l4 i ett typiskt lâdliknan- de hölje 215 med ett lämpligt lufttätt omhölje 2l6. I höljet är hållaren 2l2-på lämpligt sätt fastsatt vid brunnens botten och avkylningsanordnin- gen sträcker sig fribärande genom brunnen. Företrädesvis är brunnen utsatt 8202630-3 för ett tryck under atmosfärtrycket genom en ledning 2l7 som går till en vakuumkälla 2l8.

Den anordning 2l9 som skall kylas kontinuerligt och som kan utgöras av en liten supraledande platta eller liknande är på lämpligt sätt monterad inuti brunnen 214 och företrädesvis i kontakt med det kallaste omrâdet hos avkyl- ningsanordningen, såsom angivits genom streckade linjer pâ ritningen, och eventuella ledningar därifrån (icke visade) går genom tätade portar i höl- jet. Vid den visade utföringsformen är denna anordning företrädesvis an- bragt i direkt kontakt med den glasyta hos avkylningsanordningen som tjä- nar som ett hölje för kammaren 224.

I fig. l3 har mediumbanan visats schematiskt. Avkylningsanordningen 2ll har en urborrning 22l för inloppsporten för att släppa in högt komprimerad gas, som går genom en kanal med en värmeväxlarsektion 222 och en kapillärsektion 223 med mindre diameter in i en kylkammare 224. Den anordning 219 som skall kylas är placerad så nära som möjligt intill kammaren 224, som utgör avkylnings- anordningens kallaste del, såsom kommer att framgå, och medium som lämnar kammaren 224 återgår längs en kanal 225, som sträcker sig intill och står i värmeväxlingssamband med inloppskanalsektionen 222 och går till en ut- loppsport 226. Dessa kanaler är av pm-storlek vid avkylningsanordningar för mycket låga temperaturer och med en kapacitet av milliwatt, såsom kom- \ mer att framgå.

Enligt uppfinningen är inloppsporten 22l och utloppsporten 226 anslutna till resp.urborrningar 227 och 228 i hällaren 2l2, och hållaren är anbragt i höljet så att urborrningarna 227 och 228 ansluter mediuminloppsledningen 229 och mediumutloppsledningen 231 som sträcker sig ut från höljet. Då systemet utgöres av en avkylningsanordning med öppet kretslopp, är lednin- gen 229 ansluten till en källa för under tryck stående köldmedelgas och ledningen 23l är ansluten till ett lämpligt avlopp. I ett system med slu- tet kretslopp är ledningarna 229 och 23l förbunda medelst en slinga som innehåller en kondensor och en anordning som åstadkommer tryck.

Såsom bäst framgår av fig. 14 omfattar avkylningsanordningen 2ll en av tre element bestående lamelluppbyggnad, som i huvudsak utgöres av tre med var- andra förbundna noggrantplana och av glas eller liknande material med låg värmeledningsförmåga bestående plattor 232, 233 och 234 av i huvudsak sanma längd och bredd och med en tjocklek av storleksordningen 500 pm.

Den mellersta plattan kan vara tunnare än de andra för att öka värmeväx- lingen mellan in- och utflödeskanalerna. Avkylningsanordningen 2ll kan za 8202630-3 totalt vara ungefär 13 mm bred och 57 mm lång med en total tjocklek av un- gefär 1,5 mm och detta representerar en arbetande utföringsform som pro- vats med framgång. En annan arbetande utföringsform hade en bredd av 5 mm, en längd av 25 mn och en tjocklek av 1,5 mm.

Avkylningsanordningen är av en uppbyggnad med ett flertal skikt för gas.

Detta betyder att mediumtillförselkanalerna 222 och 223 och kammaren 224 är utbildade att åstadkomma ett skikt med mediumflödeskanaler inuti lamell- anordningen i huvudsak i ett plan under det att âtergångskanalen är utbil- dad att åstadkomma separata skikt med mediumflödeskanaler inuti lamellan- ordningen i huvudsak i ett skilt plan. Det kommer att framgå att dessa skikt står i mediumflödesförbindelse genom en öppning i kammarväggen. _ Fig. 17-24 visar detaljer i en annan utföringsform. De tunna, plana glas- plattorna 232, 233 och 234 har samma storlek. Den mellanliggande glas- plattan 233 är slät med motsatta plana och släta ytor 235 och 236 (fig. 22).

Den övre plattan 232 visas vara transparent. Såsom visas i fig. 17 har plattan 232 nedsänkta områden eller kanaler i sin bottenyta 237 och dessa bildar inloppsporten 221, värmeväxlarkanalsektionen 222, kapillärkanalsek- tionen 223 och kammaren 224 anslutna i serie för att bilda en kontinuer- lig mediumflödesbana från inloppsporten 221 till kammaren 224. Porten 221 är av sådant slag som en brunn med en tillstängd botten.

\ Hellanplattan 233 stänger till en sida av kanalerna i plattan 232 och vid en ände har den en genomgående urborrning 238 i linje med porten 221 i plattan 232 i anordningen. Plattan 233 har vid den andra änden en genom- gående port 239 i linje med kammaren 224 i anordningen.

Bottenplattan 234 har på sin övre yta 240 försetts med lägtrycksmediumâter- gångsbanan, som omfattar en i stort sett rektangulär urtagning 241 med stor area i ytan. En serie från varandra skilda lister 242 och ett flertal rader utsprâng 243 har anordnats vid urtagningens botten för att uppbärande stâ i kontakt med den nedre ytan 236 på mellanplattan i anordningen utan att därvid på något betydelsefullt sätt störa mediumflödet. Plattan 234 är ut- bildad med en genomgående urborrning 243 som ligger i linje med urborr~ ningarna 238 och 221 i den i fig. 16 visade anordningen. En andra urborr- ning 244 i plattan 234 mynnar i urtagningen 241. Medium som i anordningen gär frän kammaren 224 gär genom porten 239 in i urtagningen 241 och gär bort genom porten 244.

Glasplattorna 232 och 233 och 234 i anordningen är förbundna tiil en sta- pel på ett trycktätt sätt vid sina gränsytor. Detta laminat placeras i 8202630-3 hållaren 2l2, där en ände förbindes med metallhâllaren genom bindemedel- skikt 249 och 250, med portarna 243 och 244 inriktade i linje med resp. urborrningar 227 och 228. Härigenom erhålles uppbärning av avkylningsan- ordningen och tätande läckfria inlopps- och utloppsanslutningar för avkyl- ningsanordningens flädeskanaler.

Kanalstorlekarna väljas i enlighet med kylkapaciteterna.

Kanalerna 222, 223 och 225 uppvisar pm~storlekar. Kanalerna 222och 223 är särskilt av um-storlek och uppvisar dimensioner av storleksordningen 5-500 pm. I en typisk avkylningsanordning kan dessa kanaler vara så grunda ° som 5-l0 pm och så smala som l50-200 pm. Ikanalen 222 går gasen fram under laminär strömning och minskar härigenom vibrationer, buller och andra problem som hör samman med turbulent strömning. Urtagningen 24l är i typiska fall ungefär 20-240 pm djup.

Enligt en modifikation av det föregående kan inlopps- och utloppskanal- organen vara utbildade genom urtagningar eller på annat sätt pâ motsatta sidor av mellanplattan 233, eller också kan ett av kanalorganen vara ut- bildat i plattan 233 och det andra utbildat i en av de två övriga plattor- H21.

Under verksamheten av anordningarna enligt fig. l2-24 införes komprime- rad gas, exempelvis kväve eller ammoniak, vid omgivningstemperaturen ((16 ~ 32°C) via ledningen 229 och porten 221. Gastrycken ligger inom ett område av ungefär l0-200 kp/cmz.

Gasflödet genom värmeväxlarsektionen av de med pm-storlek utbildade kanal- erna och därefter genom kapillärsektionen 223 med mindre tvärsektion medför där expansion av gasen och minskning av temperaturen och därefter sker in- träde i kylkammaren 224. Mediet i kammaren 224 kan utgöras av underkyld gas, vätska eller en blandning, och i varje fall är detta den kallaste delen av avkylningsanordningen.

Medium som går ut från kammaren 224 genom porten 239 strömmar under minskat tryck genom återgângskanalen 225 i värmeväxlingssamband med inloppskanalen 222 och därefter till utloppsporten 226 och ledningen 231. Det är att lägga märke till att denna värmeväxling sker i huvudsak direkt via den ringa och likformiga tjockleken hos mellanglasplattan 233 och är effektiv och nog- grann, och med den kalla och lågt tryck uppvisande utgående gasen använd för att förkyla den inkommande under högt tryck stående gasen.

Enligt uppfinningen sker värmeväxlingen mellan värmeväxlingssektionerna 22 8202630-3 hos högtrycksgaskanalerna och lâgtrycksâtergångskanalerna via väggar som har dimensioner svarande mot tjockleken av resp. plattor, och härigenom är en noggrann relativ placering möjlig, och värmeväxlingen regleras av plattjockleken. ' En av huvudfördelarna med att åstadkomma en återgângsströmning som är laminär och sker vid lågt tryck i separata skikt är att avkylningsanordnin- gen kan arbeta vid en lägre temperatur än avkylningsanordningar konstru- erade för turbulent strömning i âtergängskanalen. Detta beror på att kanaler W med laminär strömning frambringar lägre mottryck och därför lägre arbets- temperaturer. D Erfarenheten har visat att flerskikt-avkvlningsanordningar av den föregå- ende typen kan tillverkas under användning av upp till en tredjedel mindre materialvolym än enskikts-avkylningsanordningar (med enskikt avses att inlopps- och ätergângskanaler har utbildats i en gränsyta) med samma av- kylningskapacitet och därför arbetar effektivare.

Plattorna 232, 233 och 234 består företrädesvis av sodaglas, Pyrex eller liknande material med låg värmeledningsförmåga. Plattorna måste vara plana och uppvisa låg värmeledningsförmåga och kunna bearbetas för att bilda kanaler genom urtagningar i ytan liksom även kamrar, såsom redan beskri- vits. Detta är särskilt önskvärt där avkylning ned till -50°C eller lägre erfordras. När den fordrade temperaturen icke är så låg är-det att före- draga att anordna en översta platta av material med hög ledningsförmåga och med ungefär samma värmeutvidgning som berylliumoxid, kisel eller _kristallin aluminiumoxid för att härigenom åstadkomma en mera effektiv -värmeväxling.

I vissa utföringsformer kan högtrycksinloppskanalsystemet och lâgtrycks- kanalsystemet etsas eller på annat sätt utbildas som urtagningar på mot- stående sidor av den mellanliggande plattan, under det att de tvâ andra plattorna i stapeln erhåller plana ytor för att stänga till de med urtag- ningar försedda sidorna. Det ligger även inom uppfinningens ram att åstad- komma ett skikt i den mellanliggande plattan och det andra skiktet i en av den övre plattan eller bottenplattan.

Fig. 25 visar en utföringsform där tre liknande plattor 251, 252 och 253 med en tjocklek av ungefär 500 um åstadkomer kanalerna med um-storlek.

Plattorna är förbundna till en stapel vid användningen men visas här isär- förda för att bättre visa detaljer ifråga om avkylningsanordningens kompo- nenter. ” s- __,._..._. ........ . _______.....-......._ _.. 23 8202630-3 Den under högt tryck stående gasen införes via inloppsporten 254 på plat- tan 251, som är en flat glasplatta med plana ytor, och fortsätter via ur- borrningen 255 i plattan 252 till en tillstängd bottenbrunn 256 i den nedre plattans 253 övre yta, varvid den sistnämnda plattan kan vara densamma som plattan 232 i fig. 12-24. Högtryckskretsen fortsätter i plattan 253 som en värmeväxlarsektion 257 och en kapillär expansionssektion 258, som myn- nar i kylkammarurtagningen 259.

Den mellanliggande plattan 252, som kan vara densamma som plattan 234 i tig. 12-24, är flat och plan på sin bottenyta för att fullständiga kanal- erna i plattan 253, och densammas övre yta är försedd med urtagningar för att åstadkomma en lâgtrycksâtergång. En genomgående urborrning 262 i ur- tagningens 251 botten förbinder lågtrycksurtagningen 261 med en yttre krets.

Fig, 26 visar en utföringsform som liknar den i fig. 25 visade men har två lågtrycksåtergångar. Fyra plattor med lika storlekar har här förbundits till en stapel, som i fig. 26 visas med isärförda detaljer för överskâdlighetens skull. Plattorna 251, 252 och 253 är desamma som i fig. 25 och en fjärde,264, platta har tillfogats för att åstadkomma en lâgtrycksåtergâng. Plattan 264 kan utgöras av en duplett av plattan 252, med lâgtrycksåtergången utbil- dad som en urtagning i densammas övre yta. Via en genomgående urborrning 265 i plattan 253 i kammarens 259 botten anslutes kammaren till låg- trycksurtagningar 266 i plattans 264 övre yta. Det finns emellertid in- gen urborrning som svarar mot urborrningen 262 i urtagningen 266, men un- der lågt tryck stående gas från urtagningen 266 går genom en genomgående urborrning 267 i plattan 253 och en genomgående urborrning 268 i plattan 252 för att förbinda avloppsgasen från urtagningen 261 för gäng till ut- loppsporten 263.

Vid denna utföringsform förefinns det sålunda tvâ värmeväxlingsbanor och härigenom âstadkommes snabbare förkylning till lägre temperaturer av den inkommande under högt tryck stående gasen.

Vid den i fig. 27 visade utföringsformen har avkylningsanordningens 211 kalla ände modifierats i sådan omfattning att kylkammaren i stället för att utgöras av en urtagning, såsom vid 224 i fig. 14, utgöres den av en genomgående öppning 270 i täckglasplattan 251, och över denna öppning har trycktätt anslutits en tunn, flat dyna 271 av ett material som har mycket hög värmeledningsförmåga. Den anordning 219 som skall avkylas är anbragt direkt på dynan 271, Det är således mediet vid sin lägsta tempe- 24 8202630-3 »ratur som kommer i kontakt med den undre ytan på dynan 27l.

Föredragna material för dynan 27l är kisel, beryllium och safir. Samtliga har häglvärmeledningsfärmåga och denna ökar kraftigt vid mycket låga tem- peraturer och kan anpassas till ett lämpligt plattmaterial med ungefär samma värmeutvidgningskoefficient. Det föredragna materialet är beryllium- oxid. Detta material förenar stor hårdhet med en värmeutvidgningskoeffi- cient som ligger närmare det föreslagna glasplattmaterialets.

Fig. 28-30 visar en annan form av en flerskiktsavkylningsanordning som 2 arbetar enligt samma princip.

»Såsom visas i fig. 28 omfattar avkylningsanordningslaminatet tre liknande tunna och plana plattor 280, 281 och 282 av ett material som kan etsas.

Företrädesvis utgöras plattorna 280 och 28l av glasplattor och plattan 282 kan för många ändamål bestå av glas men kan för andra ändamål utgöras av ett glasliknande material med högre värmeledningsförmåga, exempelvis kristallin aluminiumoxid (safir), beryllium eller kisel.

På plattans 280 övre yta har genom etsning eller på likvärdigt sätt ut- bildats högtrycksgasinloppskanalorgan, som här i huvudsak utgöres av en urtagning 284 i ytan 283 med en kapillär dimension av pm-storlek och gå- ende från inloppsporten 285 i en labyrint till en central genom en urtag- ning bildad kylkammare 286.

Plattan 28l har en kontinuerlig plan bottenyta 287, som är trycktätt an- sluten till plattan 280 för att fullständiga inloppskanalen och kammaren och i densammas övre yta 288 finns en stor urtagning 289 som en lâgtrycks- gasåtergâng ansluten till kammaren 286 genom en port 290. En serie upp- höjda radiella lister 29l i urtagningen 289 anligger mot plattan 280 för att öka uppbyggnadens mekaniska hållfasthet.

Den under minskat tryck stående utgående gasen strömmar i urtagningen 289 till en utloppsport 292, som fortsätter genom en av plattorna 280 eller 282 till en yttre anordning, liksom i de tidigare utföringsformerna.

Såsom anges i fig. 28 är plattan 282 trycktätt ansluten till plattan 281 för att fullständiga återgångskanalen 289, som har ett djup av um-stor- lek. 2 Pâ plattans 282 överyta 293 har direkt fastsatts den lilla platta 294 som skall avkylas; och en tryckt krets 295 eller liknande för denna platta 294 sträcker sig över plattan 282 till lämpliga yttre elektriska förbindelser.

Den lilla plattan 294 utsättes sålunda för det avkylda mediet vid avkyl- 'i L 8202630-3 ningsanordningens i huvudsak kallaste område. Detta sätt att anbringa den anordning som skall kylas kan användas vid samtliga här angivna utför- ingsformer.

Enligt det föregående uppvisar kapillärkanalen värmeväxlingssamband med mediet i avloppsurtagningen 289. Detta arrangemang är att föredraga för iavkylning vid högre temperaturer då avkylning till kryogena temperaturer icke erfordras. Exempelvis kan amoniak användas som köldmedel för att uppnå temperaturer av -3D°C och avkylningskapaciteter upp till 50 watt.

När fordringarna närmar sig kryogen avkylning anordnas ett längre värme- växlingsområde för förkylning före den kapillära sektionen. Exempelvis kan köldmedlet utgöras av freon införd under högt tryck och därefter för minskat tryck och expansion,och därvid avkyla i den kapillära sektionen 284 under värmeväxlingssamband med den âtergående gasen i urtagningen 289 för ytter- ligare avkylning. Då gasen utgöres av kväve för kryogen kylning såsom i 'utföringsformer visade i fig. 12-24 har det längre värmeväxlingsomrâdet för förkylning anordnats.

Den föregående avkylningsanordningen kan vara av särskilt värde för att kyla större i datorer använda plattor av typen VLSI (very large scale integration) som numera konstrueras med större kretstäthet och ökad ef- fektkapacitet och därigenom avger stora värmemängder, nämligen 10-50 watt.

Avkylning medger att dylika plattor arbetar med lägre temperaturer och för- bättrar deras arbetseffektivitet, hastighet och tillförlitlighet och ökar deras användbara livslängd.

Fig. 3l och 32 visar en avkylningsenhet som består av tvâ flerskiktsavkyl- ningsanordningar uppbyggda mellan fem laminerade plattor. Denna konfigu- ration tillâter att för förkylning av ett medium genom ett annat medium avvändes kaskadkylning för att medgiva antingen snabbare nedkylning eller lägre temperaturer. Sålunda kan exempelvis ammoniak användas i kaskadens första steg, skikten 294, för att förkyla kväve i det andra steget, skikten 295. Härigenom minskas nedkylningstiden för kvävet med en faktor tre eller större. Som ett annat exempel kan kväve användas i det kortare steget, skikten 294, för att förkyla väte, som då avkyles till 2D°K. Media med låg kokpunkt, exempelvis väte och helium, kommer icke att avkyla i Joule-Thomson kretsloppet utan att de förkylts till den rätta temperatu- ren pâ detta sätt. Avkylningsanordningar med tre eller flera steg kan uppbyggas pâ liknande sätt.

Andra kanaldimensioner och egenskaper hos avkylningsanordningen kan vara 26 sådana som beskrivits i samband med utföringsformerna en1igt fig. 1-11.

Utbi1dandet av kana1erna och p1attorna förbindning ästadkommes genom de förfaranden för utbiidande av kana1erna och de bindemede1materia1 som beskrivits i samband med dessa utföringsformer.

.I en1ighet med en annan sida av uppfinningen har det upptäckts att det finns en motsättning me11an värmeväx1arens effektivitet och den minimi- temperatur som kan uppnås i avky1ningsanordningens avky1ningssektion.

Hinimitemperaturen bestäms av gastrycket vid den punkt där gasen går ut från ky1kammaren. Ju 1ägre trycket är vid denna punkt desto 1ägre tempe- ratur. A andra sidan är värmeväx1arens effektivitet en funktion av tryck- . fa11et 1ängs ut1oppskana1en, varvid en ökning av tryckfa11et medför en effektivare värmeväx1ing. För att så1unda erhâ11a en effektiv värmeväx- 1ing som 1eder ti11 en kortare nedky1ningstid och/e11er 1ägre gasförbruk- i ningshastighet måste gasens tryck vid utgâendet från kylkammaren vara jäm- före1sevis högt. Omvänt måste för åstadkommande av maxima1t temperaturfa11 i ky1kammaren gastrycket vid samma punkt vara jämföre1sevis 1ågt.

Utföringsformerna en1igt fig. 33 och 34 representerar en effektiv 1ösning av detta prob1em. I var och en av dessa utföringsformer har anordnats tvâ kapi11ära sektioner och en de1 av den inkommande gasen 1edes förbi direkt ti11 värmeväx1arens ut1oppskana1 efter gången genom en av kapi11ärsek- tionerna och 1edes så1unda förbi ky1kammaren. _ Den i fig. 33 visade utföringsformen omfattar en stape1 med fyra p1attor, 300, 302, 304 och 306 och dessa kan bestå av samma materia1 och vara för- bundna på samma sätt som vid de redan beskrivna utföringsformerna. Vid denna utföringsform har det anordnats två kapi11ärsektioner 308 och 310 i seriesamband. Me11an de två kapi11ärsektionerna har anordnats en 1iten iport 312 och denna 1eder ti11 uppströmsänden hos värmeväx1arens ut1opps- kana1 314, som är utbi1dad i p1attan 300. Nedströmsänden hos den andra kapi11ärsektionen 310 är ans1uten ti11 ky1kammaren 316, som i sin tur är via en port 318 förbunden med en andra ut1oppskana1 320 utbi1dad i p1at- tans 304 urtagna sida. Lister 322 har anordnats i p1attan 304 för att göra enheten styvare och säkerstä11a 1ikformigt me11anrum me11an p1attorna 304 och 306.

Under verksamheten strömmar gas under högt tryck genom värmeväx1arens 324 in1oppssektion och expanderar och trycket fa11er vid strömningen genom den första kapi11ärsektionen 308 ti11 porten 312. Vid denna punkt uppde1as gas- f1ödet så att en avsevärd de1 av gasen fortsätter genom porten 312 direkt ti11 vämeväx1arens ut1oppskana1 314. 1 27 8202630-3 Porten 312 och utloppskanalen 314 är dimensionerade på sådant sätt att ett jämförelsevis högt tryck bibehålles vid porten 312 och i typiska fall uppgår till 10-3D at. Följaktligen uppträder ett stort tryckfall i utlopps~ sektionen 314 nos värmeväxlaren och medför en hög effektivitet ifråga om värmeväxlingsfunkti onen. 1 Den återstående gasen strömmar genom den andra kapillärsektionen 310 till kylkammaren 316. Här absorberar gasen värme från den anordning som kyls och strömmar därefter genom porten 318 till anordningens yttre via den andra utloppskanalen 320 med ett jämföreelsevis lågt tryck, som i typiska fall uppgår till 2-3 at. Detta låga tryck säkerställer ernâendet av det önskade låga trycket i kylkammaren. _ Det har visat sig att såväl vämeväxlareffektiviteten som den önskade av- kylningen kan ernâs genom att tillåta att från 50% till så mycket som 95% av gasen strömmar genom porten 312 och vämeväxlarens utloppskanal 314.

Fig. 34 visar en platta 324 som kan ersätta den platta 302 som förefinns i den i fig. 33 visade utföringsformen för erhållande av liknande resultat. t Vid denna form av uppfinningen är de två kapillärsektionerna, som anges vid 326 och 328, anordnade parallella i stället för i serie som vid ut- föringsformen enligt fig. 33. Den inkommande gasen går genbom värmeväxla- rens 324 inloppsektion, genom den första kapillärsektionen 326 och genom porten 3l2 fbr gång till värmeväxlarens första utloppskanal 314. Ãtersto- den av gasen går genom den andra kapillärsektionen 328 in i avkylnings- sektionen 3l6 och därefter in i den alternativa utloppskanalen 320. Lik- som i den tidigare beskrivna utföringsformen kan goda resultat erhållas genom förbiledning av från 50% till 95% av den inkommande gasen via por- *ten 312.

Andra kanaldimensioner eller egenskaper hos avkylningsanordningen kan vara sådana som redan angivits. Utbildandet av kanalerna och förbindnin- 'gen av plattorna kan även här ske genom de kanalutbildningsförfaranden och de bindemedelsom redan beskrivits.

Avkylningsanordningar av nu beskrivet slag är idealiska för ett brett tillämpningsområde för laboratorier och liknande. De åstadkommer på ett bekvämt sätt ett arbete vid låga temperaturer på ett ekonomiskt sätt som ett alternativ till kryogena anordningar med flyktiga media. De har vidare ringa storlek och vikt och detta medger att de kan användas direkt på sådana instrument som mikroskopsteg. Den ringa storleken tillåter att de kan användas för att kyla mycket små anordningar, och därigenom tillåtes 28 8202630-5 att optiska instrument eHer verktyg direkt observerar eHer arbetar på anordningen utan störningar. Den ringa gasförbrukningen tiHåter kontinuerlig användning under dagar med en tryckgasbehâiiare av standard- typ. Temperaturregieringen är enkei. Avkflningsanordningarna har en enke1 uppbyggnad och kan framstäilas och arbeta järnföreïsevis enkeït och säkert.

Claims (4)

1. 09 8202630-3 EMA T E N T K R A_! 1: Avkylningsanordning av mikrominiatyriserad typ omfattande ett laminat av tre tunna plattor med plana ytor och trycktätt förbundna vid gränsytorna mellan intilliggande plattor och med kanalorgan uppvisande dimensioner som utgör bråkdelar av en millimeter i gränsytorna mellan intilliggande plattor och gående från ett inlopp (221) till ett ut- lopp (226), k ä n n e t e c k n a d av att anordningen omfattar åt- minstone tre plattor (232,233, 234),med en mellanliggande platta (233) och tvâ yttre plattor (232,234), varvid det i en gränsyta mellan den melanliggande plattan och en yttre platta förefinns en första kontinu- erlig strömningskanal (222) som sträcker sig från inloppet (221) till en avkylningskammare (224) och inkluderar kapillära kanalorgan (223), med inloppet anslutet till en källa (229) för avkylningsgas under högt -tryck, en kontinuerlig utströmningskanal (225) i den andra gränsytan mellan den andra yttre plattan och den mellanliggande plattan (233), med utströmningskanalen gående till ett utlopp (226L och med en kanal (239) som förbinder avkylningskammaren med utströmningskanalen, varige- nom medium med minskat tryck från avkylningskammaren kan gå genom ut- strömningskanalen till utloppet i motströmsvärmesamband med mediet i den första strömningskanalen för regenerativ förkylning.
2. 2. Avkylningsanordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den mellanliggande plattan (233) och de tvâ yttre plattorna (232, 234) utgöras av tunna glasplattor med likformig tjocklek.
3. 3. Avkylningsanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den första strömningskanalen (222) har en bredd av ungefär 250 um och ett djup av ungefär 10 un, att nämnda kapillära kanalorgan (223) är ungefär 200 um brett och 10 um djupt och att den kontinuerliga ut- strömningskanalen (225) är ungefär 15 mm brett och 25 um djupt.
4. 4. Avkylningsorgan enligt ett av kraven 2 eller 3, k ä n n e- t e c k n a d av att glasplattorna (232,233,234) är ungefär 0,5 m tjocka.