DE3888758T2

DE3888758T2 - Kältespeichervorrichtung.

Info

Publication number: DE3888758T2
Application number: DE3888758T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Sumitomo Heavy I Asami; Yasukage Oda
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1988-08-23
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2008-08-24
Also published as: DE3888758D1; EP0304860A2; US4827737A; EP0304860B1; JPS6456153A; JPH0422623B2; EP0304860A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Kältespeichervorrichtung mit:
(a) einem Vakuumgefäss;
(b) einer Kammer für die Probenunterbringung, deren grösserer Teil in das Vakuumgefäß eingesetzt ist, welche Unterbringungskammer eine an einem Seitenwandabschnitt der Unterbringungskammer angebrachte Kühlstufe sowie eine nach außerhalb des Vakuumgefäßes hin freiliegende Öffnung aufweist, welche Öffnung mit einem zu öffnenden bzw. zu schließenden Deckel versehen ist;
(c) einem Kühlapparat mit einer Kühlstufe, die innerhalb des Vakuumgefäßes, aber außerhalb der Probenkammer angeordnet ist.
Eine derartige Kältespeichervorrichtung mag für die Kühllagerung von Spermatozoen eines Viehbestandes, für die Messung kritischer Temperaturen von Supraleitern, die Speicherung flüssigen Stickstoffes usw. verwendet werden.
Ein Verfahren zum Einfrieren von Spermatozoen in einem geeigneten Gefäße mittels flüssigen Stickstoffes ist als eines der einfachsten Verfahren zur Kühllagerung von Spermatozoen bekannt, die einem Vieh, wie einem Stier, künstlich entnommen wurden. Um die Zeit der auf diesem Verfahren basierenden Kühllagerung zu verlängern, ist es notwendig, mühsame Vorgänge einer periodischen Auffüllung flüssigen Stickstoffes durchzuführen, um eine gewünschte niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten. Auf dem Gebiete der supraleitenden Materialien ist es unerläßlich, die kritische Temperatur eines neu entwickelten supraleitenden Materiales zu messen. Ein Beispiel für eine allgemein verwendete herkömmliche Vorrichtung zum Messen kritischer Temperaturen besitzt eine Konstruktion, bei der eine Probenunterbringungskammer in einem adiabatischen Vakuum in einer Kühlstufe eines Gifford-McMahon-Kühlapparates oder einer verbesserten Type desselben benachbarten Lage angeordnet ist, Bei einem anderen Beispiel sind eine Kühlkammer, in welcher flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium enthalten ist, und eine Probenunterbringungskammer unterhalb der Kühlkammer, dieser benachbart, in einem Vakuumgefäß angeordnet. In diesen beiden Temperaturtestvorrichtungen kann die Aufnahmefähigkeit der Probenunterbringungskammer über eine Grenze hinaus nicht erhöht werden, die in Bezug auf die Größe des Kühlapparates bzw. des der Probenunterbringungskammer benachbarten Behälters für das Kühlmittel bestimmt wird. Überdies geht das adiabatische Vakuum notwendigerweise jedes Mal dann verloren, wenn eine Probe ersetzt wird. Gleichzeitig muß der Betrieb des Kühlapparates im Falle des ersteren Typs der Vorrichtung unterbrochen werden. Daher kann eine im Verlaufe eines vorhergehenden Testes ausgebildete Atmosphare niedriger Temperatur in einer Probenkammer nicht für den darauffolgenden Test aufrechterhalten und verwendet werden, da die Temperatur der Probenkammer zum Zeitpunkte des Ersetzens der Probe auf Raumtemperatur zurückgekehrt ist.
Die US-A-4,223,540 bezieht sich auf ein Dewar-Gefäß mit einer Vakuumkammer und einer Probenunterbringungskammer, bei dem die Kühlstufen des Kühlapparates innerhalb der Probenunterbringungskammer angeordnet sind.
Die US-A-4,277,949 beschreibt einen Kryostaten mit einer Vakuumkammer und einer Lagerkammer für flussiges Gas, wobei der Kühlapparat mehrere Kühlstufen aufweist, von denen eine unmittelbar mit der Außenwand der Lagerkammer für das flüssige Gas verbunden ist, wobei diese eine Kühlstufe durch eine Gasleitung mit einem Joule-Thomson-Ventil mit einem Kondensor des Kühlapparates verbunden ist. Zwei weitere Kühlstufen sind an Adaptern angeschlossen, die mit der Außenwand eines oberen Abschnittes der Lagerkammer für das flüssige Gas an einer Stelle verbunden sind, an der an der Innenseite der Kammer Akkumulatorplatten angeordnet sind, welche als Kühlbleche für die verdampfenden Gase wirken.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kältespeichervorrichtung zu schaffen, die dazu im Stande ist, eine niedrige Temperatur über eine vergleichsweise lange Zeit aufrechtzuerhalten, wie sie durch flüssigen Stickstoff erhalten werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Kältespeichervorrichtung zu schaffen, die auch zum Messen kritischer Temperaturen supraleitender Materialien verwendet werden kann.
Diese Ziele werden durch eine Kältespeichervorrichtung erhalten, wie sie oben erwähnt ist, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß ein festes Element aus einem wärmeleitenden Material vorgesehen ist, das die an der Probenunterbringungskammer angebrachte Kühlstufe mit der am Kühlapparat angebrachten Kühlstufe untereinander verbindet.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Kältespeichervorrichtung, in der eine schließbare Probenunterbringungskammer eingebaut und in einem Vakuumgefäß angeordnet ist; eine Kühlstufe eines Kühlapparates, die in das Vakuumgefäß eingesetzt ist; wobei eine an der im Vakuumgefäße angeordneten Probenunterbringungskammer vorgesehene Kühlstufe und die Kühlstufe des Kühlapparates durch ein festes Element aus einem wärmeleitenden Materiale miteinander verbunden sind. Dieses Verbindungselement ist nicht notwendigerweise ein starrer Körper.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Anwendung der Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Meßvorrichtung für kritische Temperaturen mit einem Probenstück M.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES

Bezugnehmend auf Fig. 1, ist eine Vakuumpumpe 4 durch eine Leitung 3, über ein Ventil 2 mit einem Vakuumgefäß 1 verbunden. Ein, beispielsweise den Gifford-McMahon-Kreislauf verwendender, Kühlapparat 5 ist in das Vakuumgefäß 1 derart eingesetzt, daß eine Kühlstufe 6 innerhalb des Vakuumgefäßes 1 angeordnet ist. Ein Probenkammer 7 ist typischerweise ein zylindrisches Behältnis, das an der Oberseite offen und an der Unterseite geschlossen ist. Die gesamte Probenkammer 7 ist in das Vakuumgefäß 1 eingesetzt und in diesem untergebracht. Eine Kühlstufe 8 ist an einem mittleren Abschnitte der Länge der Probenkammer 7 vorgesehen. Die Kühlstufe 8 und die Kühlstufe 6 sind miteinander durch ein Element 9 verbunden, das aus einer hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit überlegenen Material, z.B. Kupfer, hergestellt ist. Ein Deckel 14 kann für die Probenkammer 7 gewünschtenfalls zusammen mit einer Gasleitung 11, einem Dreiwegehahn 10, einem Sicherheitsventil 12, einem Druckmesser 13, einem Flüssigkeitsentnahmerohr 15 mit einer Kappe 16 usw. vorgesehen werden. Thermometer 17 und 18 sind jeweils an der Kühlstufe 6 des Kühlapparates 5 und an der an der Probenunterbringungskammer 7 angeordneten Kühlstufe 8 vorgesehen.
Um die Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu benützen, wird die Vakuumpumpe 4 zunächst typischerweise so betrieben, daß der Innendruck des Vakuumgefäßes 1 während des Betriebes des Kühlapparates 5 bei 5 x 10&supmin;² Torr gehalten wird. Die erreichbare geringste Temperatur der Kühl stufe 6 hängt von der Art des Kühlapparates 5 ab. Beispielsweise liegt die niedrigste Temperatur eines einstufigen Helium- Kühlapparates bei etwa 40K und jene eines zweistufigen Helium- Kühlapparates bei etwa 10K. Falls die letztere Art von Kühlapparat verwendet wird, kann die Probenkammer 7 auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden, die höher als etwa 15K ist. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist so konstruiert, daß sie während eines langen Zeitraumes flüssigen Stickstoff enthält. Bei der Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kühlstufe 8 an der Probenkammer 7 bei 70 bis 77K zu halten, indem der Kühlapparat gesteuert wird, und es ist ebenfalls möglich, den Dampfphasenbereich in der Unterbringungskammer 7 als Atmosphäre von Stickstoffgas bei 1 atm. zu halten. Der flüssige Stickstoff kann daher innerhalb der Probenkammer 7 gehalten werden, außer der Betrieb des Kühlapparates wird zufällig unterbrochen. Gefrorene Spermatozoen von Vieh können beispielsweise am Orte des flüssigen Stickstoffes innerhalb der Probenunterbringungskammer 7 untergebracht und, wie im Falle flüssigen Stickstoffes, während eines langen Zeitraumes aufbewahrt werden.
Die Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch als Vorrichtung zur Verflüssigung von Luft, von Stickstoff oder Wasserstoff benützt werden. Die Verflüssigung von Stickstoff wird durchgeführt, wie unten beschrieben ist. Die Probenunterbringungskammer 7 wird zur Verdrängung der Luft mit Stickstoffgas gefüllt, worauf der Betrieb des Kühlapparates begonnen wird. Nachdem die Kühlstufe 8 an der Unterbringungskammer 7 auf eine Temperatur abgekühlt wurde, die gleich oder niedriger als 77K ist, kondensiert das Stickstoffgas in der Kammer und wird verflüssigt. In dem Maße als die Verflüssigung fortschreitet, nimmt der Druck des Stickstoffgases in der Kammer ab, und es wird zusätzliches Stickstoffgas über die Gasleitung 11 mit gesteuerter Geschwindigkeit in das Innere der Unterbringungskammer zugeführt, so daß der Druck innerhalb der Kammer bei 1 atm. gehalten wird. Der Druck innerhalb der Kammer wird mittels des Druckmessers 13 beobachtet. Der flüssige Stickstoff in der Unterbringungskammer kann über das Flüssigkeitsentnahmerohr 15 entnommen werden.
Die Kältespeichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch als Vorrichtung zum Messen der kritischen Temperaturen supraleitender Materialien benutzt werden. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Zustandes dieser Art im Gebrauche in einem Querschnitt. In Fig. 2 werden mit denen der Fig. 1 identische Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Thermometer 17 und 18 sind jeweils an der Kühlstufe 6 des Kühlapparates 5 und der an einer Probenunterbringungskammer 7A vorgesehenen Kühlstufe 8 angeordnet. Eine Heizeinrichtung 19 zur Steuerung der Temperatur ist am wärmeleitenden Element 9 angebracht, welches diese Stufen miteinander verbindet, und eine weitere Heizeinrichtung 20 zur Steuerung der Temperatur ist am Bodenteil der Unterbringungskammer 7 angebracht. Ein Aufnahmegefäß 22, welches in die Probenunterbringungskammer eingesetzt und aus ihr herausgezogen werden kann, ist in einen unteren Abschnitt der Unterbringungskammer 7A mittels eines Tragrohres 21 eingehängt, welches durch den Deckel 14 hindurch verläuft. Ein zu testendes Material M ist innerhalb des Aufnahmegefäßes 22 mittels eines Tragrohres 23 angeordnet. In der so aufgebauten Vorrichtung wird das Testmaterial M durch Wärmeableitung an, beispielsweise, Heliumgas gekühlt, das über die Gasleitung 11 zugeführt wird und in der Unterbringungskammer 7A eingeschlossen ist und durch die Kühlstufe 8 gekühlt wird. Die Temperatur, auf die das Testmaterial M gekühlt wird, wird durch Überwachen der Thermometer 17 und 18 und durch Veränderung der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Kühlstufe 6 des Kühlapparates sowie der Temperatur des Gases innerhalb der Unterbringungskammer 7A gesteuert, indem die Heizeinrichtungen 19 und 20 benützt werden.

Claims

1. Kältespeichervorrichtung mit:

(a) einem Vakuumgefäß (1);

(b) einer Kammer (7) für die Probenunterbringung, deren größerer Teil in das Vakuumgefäß (1) eingesetzt ist, welche Unterbringungskammer (7) eine an einem Seitenwandabschnitt der Unterbringungskammer (7) angebrachte Kühlstufe (8) sowie eine nach außerhalb des Vakuumgefäßes (1) hin freiliegende Öffnung aufweist, welche Öffnung mit einem zu öffnenden bzw. zu schließenden Deckel (14) versehen ist;

(c) einem Kühlapparat mit einer Kühlstufe (6), die innerhalb des Vakuumgefäßes, aber außerhalb der Probenkammer angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß

(d) ein festes Element (9) aus einem wärmeleitenden Material vorgesehen ist, das die an der Probenunterbringungskammer (7) angebrachte Kühlstufe (8) und die am Kühlapparat angebrachte Kühlstufe (6) untereinander verbindet.

2. Kältespeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kühlapparat ein einstufiger Helium-Kühlapparat ist.

3. Kältespeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Kühlapparat ein zweistufiger Helium-Kühlapparat ist.

4. Kältespeichervorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Gasleitung (11) zum Beladen bzw. Entladen eines Gases in die Probenunterbringungskammer (7) oder aus dieser sowie eine Flüssigkeitsleitung (15) zum Beladen bzw. Entladen einer Flüssigkeit in die Unterbringungskammer (7) oder aus dieser aufweist.