DE69810074T2 - Reaktiver thermoelastischer kryostat - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Joule-Thomson-Kryostaten. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Techniken zur Verbesserung der Betriebseigenschaft von Joule-Thomson-Kryostaten. Ein Joule-Thomson-Kryostat ist aus dem Dokument DE-A-42 35 752 bekannt.
Beschreibung des zutreffenden Standes der Technik
• Ein Kryostat ist ein Gerät, welches eine lokale Tieftemperaturumgebung schafft, in der Maßnahmen oder Messungen unter geregelten Temperaturbedingungen ausgeführt werden können. Kryostaten werden für die Kühlung von Infrarotdetektoren beispielsweise in Lenkflugkörpern, verwendet, in denen Detektoren und zugehörige elektronische Bauteile oft gedrängt in einer kleinen Gehäusepackung untergebracht werden müssen. Kryostaten werden auch in Supraleitersystemen verwendet, wo für den Supraleitungsvorgang gesteuert sehr tiefe Temperaturen erforderlich sind.
• Ein Joule-Thomson-Kryostat ist ein Kühlgerät, bei dem ein Ventil (in der Technik als "Joule-Thomson-Ventil" bekannt) verwendet wird, über welches ein unter hohem Druck stehendes Tieftemperaturkühlmittel sich in einem irreversiblen Drosselungsprozeß entspannen kann, in welchem die Enthalpie enthalten wird, was in einer Erniedrigung seiner Temperatur resultiert.
• Die einfachste Form eines herkömmlichen Joule-Thomson-Kryostaten weist typischerweise eine Öffnung feststehender Größe in einem Wärmeaustauscher am kalten Ende des Kryostaten auf, so daß die Kühlung durch den Kryostaten ungeregelt ist. Der Eingangsdruck und die interne Strömungsdynamik des Tieftemperaturkühlmittels bestimmen die Strömungsparameter des Tieftemperaturkühlmittels durch den Kryostaten. Ungünstigerweise erfordert, wie in der Technik bekannt ist, ein rasches Herunterkühlen eine hohe Gasströmungsgeschwindigkeit und eine große Abmessung der Öffnung, während eine lange Dauer des Kühlens eine Strömung nach Bedarf erfordert, bei welcher die Kühlkapazität durch die Strömung gerade die Wärmebelastung ausgleicht. Bei einem eine feste Öffnung aufweisenden passiven Kryostaten ist ein Betrieb mit Strömung nach Bedarf nicht vorgesehen und ein rasches Herunterkühlen und eine lange Kühldauer, wenn sie gleichzeitig vorzusehen wären, schließen einander gegenseitig aus. Diese beiden Bedingungen können mit einem Kryostaten mit konstanter Öffnung nicht gleichzeitig erfüllt werden. Obwohl also der herkömmliche Joule-Thomson-Kryostat ein einfaches Gerät ist, da es keine bewegten Teile hat, machen die charakteristischerweise ungeregelten Strömungseigenschaften den Kryostaten mit konstanter Öffnung für viele Anwendungsfälle ungeeignet, bei denen ein rasches Herunterkühlen und eine Kühlung über lange Zeitabschnitte mit begrenztem Tieftemperaturkühlmittel gefordert werden.
• In den Jahren nach 1950 wurden Joule-Thomson-Kryostaten mit Strömung nach Bedarf bei interner passiver thermostatischer Regelung einer Öffnung variabler Größe verwendet. Diese Kryostaten weisen fluidische Drosselventile auf, welche die Möglichkeit bieten, das Herunterkühlen mit der maximalen Drosselöffnungsgröße zu starten, wodurch eine Tieftemperaturmittelströmung hoher Geschwindigkeit und eine starke Kühlung für das rasche Herunterkühlen geschaffen werden. Nachdem das Herunterkühlen geschehen ist, wird die Größe der Öffnung durch das Ventil für eine minimale Tieftemperaturströmungsmittelgeschwindigkeit reduziert und die Kühlung für den Ausgleich der thermischen Belastung aufrechterhalten.
• Das fluidische Drosselventil enthält im allgemeinen ein passives thermostatisches Betätigungselement innerhalb der Spindel des Gerätes, welches eine Selbstregulierung der Tieftemperaturkühlmittelströmung basierend auf der Temperatur in und um der Tieftemperaturplenumkammer vornimmt. Die Kühlrate ist proportional zur Massendurchstromgeschwindigkeit des Tieftemperaturkühlmittels durch den Kryostaten. Das thermostatische Element ist herkömmlicherweise ein mit Strömungsmittel gefüllter Balgen oder ein Segment aus in bestimmter Weise ausgewähltem monolithischem Betätigungsmaterial, das sich bei Temperaturänderungen zusammenzieht oder ausdehnt. Wenn das Betätigungselement seine Temperatur ändert, so ändert es seine Länge entweder aufgrund einer Phasenänderung in der Strömungsmittelfüllung des Balgen, oder es ändert seine Länge aufgrund der Material-Ausdehnungseigenschaften.
• Das thermostatische Betätigungselement ist mit einem Nadelventilmechanismus zur Regelung der Strömung nach Bedarf gekoppelt. Wenn die Temperatur abfällt, dann zieht sich das Betätigungselement zusammen und bewirkt, daß die Ventilnadel sich in die Joule-Thomson-Öffnung hineinbewegt und diese teilweise verschließt. Bei der vorbestimmten kritischen Temperatur verschließt das thermostatische Element das Nadelventil vollständig. Wenn die Temperatur ansteigt, dann dehnt sich das Betätigungselement wieder aus und betätigt den Ventilmechanismus, so daß es einen neuerlichen Tieftemperaturkühlmittelstrom durch die Öffnung zuläßt und schließlich eine Tieftemperaturkühlmittelströmung zu der Wärmebelastung gestattet.
• In vielen Anwendungsfällen, beispielsweise in solchen bei Flugkörpern, sind niedrige Strömungsraten zur Aufrechterhaltung einer Kühlbedingung erforderlich, um geforderte lange Laufzeiten zu erhalten. Für diese Art von Anwendungsfällen ist die zugeteilte Masse und das zugeteilte Volumen entweder einer Druckgefäß-Gasquelle oder einer Quelle in Gestalt eines Kompressors in aggressivem Maße minimal, was auf den Beschränkungen des Fahrzeugs beruht, so daß die Tieftemperaturkühlmittelzufuhr beschränkt ist. Diese Anwendungsfälle trieben die Entwicklung von bezüglich des Tieftemperaturkühlmittels effizienten Kryostaten mit Kühlmittelströmung nach Bedarf voran, wobei die Kühlungskapazität durch die Strömung über alle Umgebungsbedingungen hin die Wärmebelastung ausgleichen kann. Dies hat zur Folge, daß während Bedingungen mit niedriger Wärmebelastung, beispielsweise bei niedrigen Umgebungstemperaturen, sich der Tieftemperaturkühlmittelstrom auf sehr niedrige Werte vermindert und das Nadelventil nahezu geschlossen wird.
• Einhergehend mit der Aufrechterhaltung des Betriebes bei Bedingungen mit niedriger Strömung benötigt ein thermostatisches Betätigungselement einen verhältnismäßig langen Bewegungsweg zum vollständigen Öffnen des Nadelventils und zum Erreichen hoher Anfangsströmungsraten für ein rasches Herunterkühlen. Kryostaten, welche für diese Bedingungen am besten arbeiten, enthalten thermostatische Betätigungselemente der Konstruktion mit Balgen, was eine exakte Fertigung, eine Bestimmung der beaufschlagenden Strömungsparameter und eine anfängliche Ventileinstellung nötig macht.
• Eine Technik zur Erzeugung einer minimalen Strömungsrate besteht darin, einen Strömungsnebenschluß innerhalb des Nadelventils vorzusehen. Dieser besteht typischerweise in einem kleinen Kanal entweder in der Nadel des Nadelventils oder in der Ventilöffnung, wobei dieser Kanal Tieftemperatur-Strömungsmittel vorbeiströmen läßt, wenn das Ventil vollständig geschlossen ist. Zwar verhindert dieses Merkmal die Einstellung einer extrem niedrigen Strömung, doch wird die Strömung jedenfalls niedrig eingestellt, um einen zu großen Tieftemperaturkühlmittelverbrauch zu verhindern. Dieses Konstruktionsmerkmal läßt sich auch nur mit Schwierigkeiten zuverlässig herstellen.
• Das kritische Problem bei dieser Art von Kryostaten und allen solchen Kryostaten, welche das Merkmal von niedrigen Strömungsraten bieten, ist der Mangel an Zuverlässigkeit. Aus vielerlei Gründen kann die Strömung unterbrochen werden und die geregelte Temperatur steigt in unannehmbarer Weise an, bevor das Betätigungselement anspricht und die Strömung wieder aufgenommen wird. Das hartnäckigste Problem ist eine Verunreinigung des Tieftemperaturkühlmittels. Verunreinigungen in dem Tieftemperaturkühlmittel fallen aus und blockieren die Ventilöffnung und/oder setzen sich an der Ventilnadel fest, was den Ventilbetrieb und die Strömung des Tieftemperaturkühlmittels verhindert oder behindert. Zusätzlich kann sich das Tieftemperaturkühlmittel selbst stromauf von der Ventilöffnung absetzen und folglich den Nadelventilbetrieb unterbrechen. Diese besondere Erscheinung herrscht am meisten unmittelbar nach dem Herabkühlen vor, wenn überschüssige Kühlung erzeugt wird und dies tritt meistens bei einem Betrieb mit Argon auf. Die Ansprechzeit des thermostatischen Betätigungsele mentes ist zu lange, um eine Strömungsunterbrechung für eine ausreichende Zeitdauer zu verhindern, welche einem nicht annehmbaren Temperaturanstieg verursacht.
• Weiter müssen Kryostaten der Balgenbauart eine sehr gute Abdichtung über die Planungslebensdauer hin aufrechterhalten und Balgen sind schwierig entsprechend den Spezifikationen herzustellen, welche eine Kryostatanwendung fordert. Konstruktionen, bei denen ein Material mit einem bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) verwendet wird, sind einfacher als Balgenkonstruktionen, haben jedoch die Nachteile einer niedrigen Empfindlichkeit und eines langsamen thermischen Ansprechens. Dies beschränkt die Zuverlässigkeit solcher Konstruktionen bei niedrigen Durchstromraten und bei allen Tieftemperaturkühlmitteln mit Ausnahme solcher höchster Reinheit.
• Zusätzlich zu den Kryostatkonstruktionen mit Balgen wurden Kryostate entwickelt, welche ein monolithisches Elastomermaterial mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwenden. Siehe hierzu US-Patent 4,152,903, erteilt am 8. Mai 1979 an Ralph C. Longsworth mit dem Titel "Bimaterial Deand Flow Cryostat".
• Diese Konstruktion ermöglicht eine rasche Herabkühlung und niedrige Unterhaltsströmungsraten, zeigte sich jedoch bei niedrigen Strömungsraten weniger als in vollem Maße zuverlässig. Die Betriebseigenschaft dieser Konstruktion ist empfindlich gegenüber der Qualität des Tieftemperaturkühlmittels in solchem Maße, daß sich in den meisten Anwendungsfällen die Verwendung als unpraktisch erwies. Und obwohl zwar diese Art eines Betätigungselementes sorgfältig auf eine Kryostatart abgestimmt werden kann, ist sie nicht auf vielfache Kryostattypen abstimmbar.
• Ein anderer Versuch zum Erhalten eines raschen Herabkühlens und zuverlässiger Langlaufzeiten bestand in dem Einbau eines halb aktiven Betätigungselementes. Dieser Lösungsversuch ist in der US-Patentanmeldung Serial No. 08/469,163 vom 6. Juni 1995, eingereicht durch Matthew Skertic u. a., mit dem Titel "Adaptive Orifice Joule- Thomson Cryostat With Servo Control (PD 92396)" beschrieben und beansprucht. Das Betätigungselement ist ein Draht, dessen Material die Phase nahe der Kryostat-Betriebstemperatur ändert. Mit der Änderung der Phase ändert das Material die Länge beachtlich. Die Längenänderung betätigt das Nadelventil in der selben Weise, wie ein Balgen das Nadelventil betätigt. Wenn Strom durch den Draht geleitet wird, dann erhitzt sich der Draht und ändert die Temperatur. Durch äußere Regulierung der Stromzufuhr wird das Erhitzen des Drahtes geregelt und hierdurch wird die Öffnung und Schließung des Nadelventils reguliert. Die Schwierigkeiten mit diesem Lösungsversuch bestehen darin, daß der Draht strukturelle Probleme macht. Das Aufrechterhalten der Spannung in dem Draht und die Bemühungen, die Konstruktion in dynamischen Umgebungsbedingungen arbeitsfähig zu machen, sind beanspruchende Anforderungen.
• Es besteht somit ein Bedarf in der Technik an einem ansprechstarken thermoaktiven Element für einen Joule-Thomson-Kryostaten, durch welches ein rasches Herunterkühlen, ein zuverlässiges Aufrechterhalten niedriger Strömungsraten für Betrieb bei niedrigem Bedarf und ein Betrieb mit mehrfachen Kryostatarten erreicht wird. Zusätzlich besteht ein Bedarf eines selbstreinigenden Kryostaten, welcher eine robuste Arbeitsweise ermöglicht und einen Bereich von Verunreinigungen von Tieftemperaturkühlmittel bei niedrigen Tieftemperaturkühlmittel-Strömungsraten zu handhaben vermag.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Der Bedarf im Stande der Technik wird durch den Kryostat nach der vorliegenden Erfindung befriedigt, der eine verbesserte Temperaturregeleigenschaft, verminderte Empfindlichkeit gegenüber Arten des Tieftemperaturkühlmittels und Verunreinigung davon und möglicherweise niedrigere Kosten gegenüber bekannten Konstruktionen bietet. Der Kryostat nach der vorliegenden Erfindung ersetzt das passive Betätigungselement nach dem Stande der Technik durch ein Betätigungselement, welches zusätzlich zu dem passiven Ansprechen auf Änderungen in der Tiertemperaturkühlmitteltemperatur auch auf eine von Ferne delektierte Temperatur über extern reguliertes Aufheizen, welches in ihm erzeugt wird, anspricht. Im allgemeinsten Sinne ist das Betätigungsele ment unter Verwendung eines Polymermaterials aufgebaut, das einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und ein eingebettetes thermisches Anregungsteil enthält. In der beispielsweisen Ausführungsfonn ist das Betätigungselement ein reaktiver thermischer elastischer Kryostat oder eine RTEC-Baueinheit.
• In speziellen Ausführungsformen verwendet die Erfindung ein eingebettetes flexibles Heizelement in einem Betätigungselementmaterial mit besonders ausgewähltem thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Ein Regeltemperatursensor liefert an die Kryostat-Steuerelektronik ein Signal, welches eine Temperaturänderung in dem zu kühlenden Gerät anzeigt. In Reaktion auf dieses Temperatursignal regelt die Steuerelektronik den Strom zu dem Heizelement in dem Betätigungsorgan. Die Temperatur des Betätigungsorgans steigt aufgrund der Wärme, die durch das Heizelement erzeugt wird, rasch an. Das Betätigungsorgan dehnt sich aus und öffnet das Nadelventil unter Überwindung irgendeiner Strömungsverlegung zur Wiederherstellung der Strömung. Wenn die gewünschte Temperatur des Gerätes erreicht ist, dann werden die Stromzufuhr und die Beheizung gestoppt. Das strömende Tieftemperaturkühlmittel kühlt das Betätigungsorgan allmählich, welches sich allmählich verkürzt und die daran angebrachte Ventilnadel in die Ventilöffnung zieht, um die Strömung zu regulieren. Wenn die delektierte Temperatur auf einen unannehmbaren Wert ansteigt, dann wiederholen sich der Heiz- und Kühlzyklus. Das Heizelement bietet die Möglichkeit, die Erwärmung oder Aufheizung des Betätigungsorgans zu beschleunigen. Das Heizelement ermöglicht einen rascheren und größeren Bewegungsweg durch Erzeugung von Temperaturraten und Größenänderungen des Betätigungsorganes, welche wesentlich größer sind als bei Konstruktionen, bei denen das Betätigungsorgan passiv anspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Schnittseitenansicht eines Teiles des erfindungsgemäßen Kryostatsystems nach der vorliegenden Erfindung, das in einem typischen Dewar-Gefäß angeordnet ist.
• Fig. 2 ist eine Schnittseitenansicht der Betätigungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 ist eine Schnittseitenansicht des eingeschlossenen Elastomer-Polymer- Betätigungsorgans nach der vorliegenden Erfindung gemäß einer Variante von Fig. 2.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Kryostatensystem, welches in einer typischen Detektor-Dewargefäß-Anordnung installiert ist. Fig. 2 zeigt Details der Kryostat-Betätigungsorgan-Unteranordnung auf, welche das erfindungsgemäße Kryostatmerkmal besitzt. Fig. 3 zeigt Details einer Variante der Betätigungsorgang-Unteranordnung, welche ein zusätzliches erfindungsgemäßes Merkmal des Betätigungsorgans beinhaltet.
• Fig. 1 ist eine Schnittseitenansicht eines Teiles des erfindungsgemäßen Kryostatsystems nach vorliegenden Erfindung. Das System 10 enthält einen Kryostaten 12, der sich innerhalb eines Dewar-Gefäßes 14 befindet. Das Dewar-Gefäß 14 hat eine Außenwand 16, innerhalb welcher ein kalter Innenraum 18 gebildet ist. Ein Detektor 20 ist an dem Ende 34 des kalten Innenraumes befestigt. Die Detektoranordnung 20 enthält typischerweise eine Gruppe von Infrarotdetektoren, welche eine Eingangsenergie über ein Fenster 22 des Dewar-Gefäßes empfangen, wobei das Fenster 22 in der Außenwand 16 des Dewar-Gefäßes 14 vorgesehen ist. Die Detektoranordnung 20 wird durch den Kryostaten 12 auf tiefen Temperaturen gehalten. Ein Kühlmittel, beispielsweise unter hohem Druck stehendes Argon, Stickstoff, Luft oder irgendeine Kombination davon wird über einen Tieftemperaturkühlmitteleinlaß 24 in einen rekuperativen, mit Fahnen besetzten Rohrwärmetauscher 26 eingeleitet, der eine Trägerspindel 28 umgibt.
• Der Wärmetauscher 26 enthält im wesentlichen eine mit Rippen oder Fahnen besetzte Metallröhre, welche im Gegenstrom betrieben wird und um die Spindel 28 gewunden ist. Er gestattet es, mit hohem Druck eingeleitetes Tieftemperatur-Kühlmittel durch das ausgelassene Tieftemperatur-Kühlmittel zu kühlen, wenn das eingelassene Tieftemperatur-Kühlmittel in Richtung auf die Expansionsöffnung 30 strömt. Der Wärmetauscher 26 endet an der Expansionsöffnung 30 an dem Ende der Spindel 28. Die Expansionsöffnung 30 wirkt als Joule-Thomson-Strömungsmittel-Drosselventil. Wenn das Tieftemperatur-Kühlmittel durch die Expansionsöffnung 30 strömt und in den umgebenden Tieftemperaturraum 32 eintritt, entspannt es sich zu einem Strömungsmittel niedrigen Druckes und niedriger Temperatur, welches sowohl flüssige als auch gasförmige Phasen enthalten kann. Die Verdampfung des Strömungsmittels und Wärmeaustausch durch Konvektion zu dem Gas niedriger Temperatur sind die hauptsächlichen Wärmeübergangsmechanismen, welche die unmittelbar in Kontakt stehenden Teile, nämlich die Kältesenke 34 und die Detektoranordnung 20 kühlen. Das Strömungsmittel wird von der Expansionsöffnung 30 auf das Wärmesenkenende 34 aufgesprüht, um den Wärmeübergang zwischen dem Strömungsmittel und der Detektoranordnung 20 maximal zu gestalten. Das Strömungsmittel strömt dann durch das mit Rippen oder Fahnen besetzte Rohrwärmetauschervolumen ab und kühlt das eintretende Tieftemperatur- Kühlmittel, wenn dieses über den Wärmetauscher 26 strömt. Solange das Strömungsmittel sowohl aus der flüssigen als auch der gasförmigen Phase besteht, wird die Temperatur für den vorhandenen Gegendruck auf der Tieftemperatur-Kühlmittel-Sättigungstemperatur gehalten, wobei der vorhandene Gegendruck im wesentlichen etwas über einer Atmosphäre liegt. Wenn die Kühlkapazität des Tieftemperatur-Kühlmittel-Stromes auf die Gesamt-Wärmebelastung der Dewar-Anordnung 16 abgestimmt ist, dann ist der Zustand des Ausgleichs des Bedarfswärmestromes erreicht. Eine Strömung, bei welcher die Kühlungskapazität die Wärmebelastung übersteigt, hält zwar die Temperatur bei der Sättigungstemperatur aufrecht, bedingt jedoch eine Verschwendung von Tieftemperatur-Kühlmittel und vermindert die Betriebsdauer.
• Ein thermostatisches Betätigungsorgan ist so konstruiert, daß es eine Selbstregelung der Gasströmung basierend auf der Strömungsmitteltemperatur in der Tieftemperaturkammer und um sie herum vornimmt. Wenn die Tieftemperatur-Kühlmittelströmung unzureichend ist, dann steigt die Temperatur der Detektoranordnung an, das Tieftemperatur-Kühlmittel wird ein übererwärmtes Gas und erwärmt das thermostati sche Betätigungsorgan, Das Betätigungsorgan ändert seine Länge und verändert die Strömungsrate des Tieftemperatur-Kühlmittels durch Bewegen des Nadelventils. Wenn sich das Betätigungsorgan abkühlt, zieht es sich zusammen und vermindert die Strömungsmittelströmung. Somit wird eine passive Regulierung der Strömung erreicht.
• Die Hinzuführung des eingebetteten Heizelementes 44 in dem RTEC-Betätigungsorgan 40 bietet ein steuerbares Mittel zur Erwärmung des Betätigungsorganes 40 und zur Beeinflussung der Strömung durch das Nadelventil. Die Regelflexibilität gestattet es, typische katastrophale Ereignisse, beispielsweise Zusetzungen durch Verunreinigungen, abzufangen. Die Temperatur der Detektoranordnung 20 steigt an, wenn eine Verunreinigung oder ein Ausfallen des Temperatur-Kühlmittels die Strömung stört und eine Unstabilität der Selbstregelung verursacht. Der Temperaturanstieg wird durch einen Temperatursensor 62 delektiert und löst die Steuerelektronik 60 aus. Die Steuerelektronik 60 bestimmt und regelt den Stromfluß, der zu dem eingebetteten Heizelement 44 in dem Betätigungsorgan 40 geleitet wird. Das Heizelement 44 erhöht rasch die Temperatur des Materials 42 des Betätigungsorganes, welches sich wiederum rasch ausdehnt. Die Ausdehnung erzwingt ein Aufgehen der Expansionsöffnung 30 und stellt eine ausreichende Strömung des Tieftemperatur-Kühlmittels wieder her, um die Detektoranordnung 20 herunter zu kühlen. Die wiederhergestellte Kühlung verhindert, daß die Detektoranordnung 20 sich in unannehmbarer Weise erwärmt und die Strömungswegverlegung wird aus der geöffneten Expansionsöffnung 30 ausgeblasen.
• Ein Heizen des Betätigungsorganes wird beendet, wenn die Temperatur der Detektoranordnung 20 als bei oder nahe ihrer Betriebstemperatur liegend festgestellt wird. Nach der Störung des Kryostaten kehrt dieser zu dem normalen Selbstregelungsmechanismus zurück oder kehrt zu einem bestimmten fortdauernden Modus mit Öffnungs- und Schließungszyklus zurück.
• Fig. 2 ist eine Schnitt-Seitenansicht des Polymer-Betätigungsorgans der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung. Das Betätigungsorgan 40 besteht aus einem stabartigen Längenstück eines Betätigungsorganmaterials 42, das einen hohen thermi schen Ausdehnungscoeffizienten (CTE) hat und innerhalb welchem ein Heizelement 44 eingebettet ist. Das Betätigungsorgan ist an der Spindel 28 am feststehenden Ende über eine Zwischenhalte rung 45 befestigt. Eine Ventilnadelaufnahme 52, welche die Ventilnadel 50 hält, ist an dem freien Ende angeordnet. Das Betätigungsorgan mit seinem Bauteil 42 kann aus einer Vielfalt von Materialien gefertigt sein. Das Bauteil 42 bietet ein geeignetes Niveau von thermisch induzierter Bewegung, welche zur Betätigung des Kryostat-Nadelventils 50 erforderlich ist und bietet eine angemessene bauliche Festigkeit für den Betrieb in dynamischen Umgebungen. Materialien wie Epoxyharze, Silikone und Polyuretane oder viele thermisch aushärtende oder thermoplastische Polymere mit geeignetem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und geeigneter Festigkeit können verwendet werden. Der Stab kann durch Gießen des Bauteiles mit eingebettetem Heizelement in einem Kunststoffrohr hergestellt werden, wonach man das Material aushärten läßt und dann das Kunststoffrohr entfernt. Der Fachmann erkennt, daß auch andere Herstellungsverfahren eingesetzt werden können.
• Wie dies in der industriellen Fertigung geläufig ist, ist die Ventilnadel 50 mit dem Betätigungsorgan 40 über einen Halter 52 verbunden. Die Steuerventilnadel 50 hat L- förmige Gestalt, ist aus einem geeigneten Metall gefertigt und ist so ausgebildet, daß sie bei Betätigung durch das Betätigungsorgan 40 sich zwischen einer Zusammenwirkungsstellung mit der Ventilöffnung 30 und einer abgehobenen Stellung hin- und herbewegt.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 44 eine Wendel aus Widerstandsdraht aus Nickel-Chrom oder einem anderen geeigneten Metall einer Drahtstärke von 36 bis 24. Das Heizelement 44 geht von dem Nickel-Chrom in normalen elektrischen Leitungsdraht an der Oberfläche des Betätigungsorgans über und verläuft durch das Zentrum des Kryostaten 12 und von da aus dem hinteren Ende heraus zu der Steuerelektronik 60.
• Eine Konstruktionsvariante der Betätigungsorgananordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Um den effektiven linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Elastomer- Polymers zu erhöhen, ist bei dieser Variante vorgesehen, das Betätigungsmaterial ober flächlich einzuschließen, um die Ausdehnung in eine gewünschte Richtung zu erzwingen. Die nicht eingeschlossene Oberfläche wird zur Ausdehnung veranlaßt, um die Ausdehnung zu kompensieren, welche anderenfalls an den eingeschlossenen Oberflächen auftreten würde, wenn diese nicht eingeschlossen wären. Die Konstruktion verwendet das Prinzip eines Verhaltens eines Elastomers als inkompressibles Material, welches eine Volumenänderung innerhalb eines teilweise abgeschlossenen Gefäßes erfährt. Das Betätigungsorgan (mit dem eingebetteten Heizelement 44) ist in einem Behältnis 46 eingeschlossen, das aus einem geeigneten Metall oder einem anderen geeigneten Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Wie in der Darstellung gezeigt, ist das Behältnis 46 eine zweiteilige Konstruktion mit einem oberen Teil 47, einem unteren Teil 48 und einer Ausdehnungsverbindung 49, welche dazwischenliegt. Im wesentlichen sämtliche Ausdehnung des Materials des Betätigungsorgans muß an der Ausdehnungsverbindung 49 auftreten, was ganz wesentlich die volumetrischen Ausdehnungseigenschaften des Materials erhöht. Der untere Teil 48 des Behältnisses 46 ist mit einer Ventilnadel 50 verbunden, wie dies zuvor beschrieben wurde. Das Hauptmerkmal und der Vorteil eines eingebetteten flexiblen Heizelementes werden beibehalten.
• Strom zu dem Heizelement 44 wird durch die Steuerelektronik 60 geliefert. Die Elektronik 60 kann ein anteilig verwendeter Mikroprozessor, eine zugeordnete integrierte Schaltungsanordnung oder eine Anordnung sein, welche aus diskreten Bauelementen gebildet ist, wie dem Fachmann auf diesem Gebiete geläufig ist. Die Steuerelektronik 60 empfängt ein Signal von einem herkömmlichen Temperatursensor 62, der in dem Kammerraum 32 im Bereich zwischen dem Ende des Kryostaten 12 und dem Dewar-Kältesenkenende 34 gelegen ist. Das Temperatursignal könnte auch von einem Temperatursensor geliefert werden, der in dem Dewar-Gefäß 14 nahe der Detektoranordnung 20 montiert ist. Alternativ könnte ein Temperatursignal auch von einer Videoinformation durch Beurteilen eines verschlechterten Videoparameters abgeleitet werden, beispielsweise Störungen, welche durch eine ansteigende Detektortemperatur verursacht werden.
• In Anwendungsfällen, bei denen ein Temperatursensor 62 zum Einsatz kommt, der in dem Plenumraum 32 gelegen ist, verlaufen die Leitungsdrähte des Tempertursensors in der Mitte des Kryostaten aufwärts nach außen zu der Steuerelektronik 60. Die Steuerelektronik 60 verwendet das Temperatursensorsignal zur Regulierung der Heizleistung. Einzelheiten der Regelung sind basierend auf den Eigenschaften des thermischen Systems gestaltet. Mindestens ist vorgesehen, daß Leistung geliefert wird, wenn die Temperatur zu hoch ist, und zurückgehalten wird, wenn die Temperatur ausreichend abfällt. Manche Kryostatanwendungen gestatten einen Konstruktionsansatz, bei welchem das Betätigungsorgan zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung hin- und herschwankt. Die Schließstellung kann eine eingebaute Nebenschlußströmung beinhalten, wie dies zuvor diskutiert wurde, wobei dies der Erleichterung der Optimierung der zyklischen Betriebsmoden dient.
• Die Verwirklichung eines gesteuerten Heizelementes innerhalb eines thermostatischen Betätigungsorgans ermöglicht eine sehr rasche thermische Reaktion des Betätigungsorgans und eine entsprechend resultierende Strömungsregelung. Die Erfindung bietet eine Flexibilität in der Konstruktion, indem sie die Auswahl von speziellen Wandlermaterialien mit bestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten zuläßt, welche für viele polymerische Werkstoffe groß sein können. Das Betätigungsorgan- Material stützt das Heizelement baulich ab und ist unter dynamischen Umgebungsbedingungen robust. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Betätigungsorgans ist der Parameter, welcher die Nadelventilbewegung steuert, wodurch die Notwendigkeit entfällt, daß das Heizelement selbst einen besonderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben muß. Ein in geeigneter Weise vorgenommenes Einschließen eines Elastomer-Polymer-Materials in ein begrenztes Volumen ist eine Technik, durch welche der effektive thermische Ausdehnungskoeffizient weiter bis um einen Faktor von drei erhöht werden kann. Die Steuerung des zur Strömungsregulierung dienenden Nadelventils ist eng mit der Temperatur, welche geregelt werden soll, über den Temperaturfühler und aufgrund des raschen Ansprechens des thermomechanischen Betätigungsorgans gekoppelt. Ein weiter Bereich von Betätigungsorganmaterialien steht zur Verfügung, um die gewünschte Empfindlichkeit über den gesamten Bewegungsweg und andere thermische Charakteristiken zu verwirklichen.
• Zusätzlich kann ein bedeutend größerer Bewegungsweg des Betätigungsorgans erreicht werden, da Materialien mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Konstruktion eingesetzt werden können. Bei Verwendung der induzierten Erhitzung kann das Betätigungsorgan dazu veranlaßt werden, seine Temperatur bedeutend stärker zu ändern, als dies bei Konstruktionen mit passiven Betätigungsorgan möglich ist. Das Produkt eines größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Betätigungsorgans und von induzierten Temperaturänderungen resultiert in einem bedeutend größeren Bewegungsweg des Betätigungsorgans oder des Nadelventils. Diese größenordnungsmäßige Erhöhung der Kryostatempfindlichkeit, worunter man die Ventilnadelbewegung in Abhängigkeit von der Änderung der Tieftemperaturkühlmitteltemperatur verseht, ist sehr wünschenswert. Zum Ersten kann die Herabkühlzeit durch Starten mit einem Nadelventil in stärkerer Öffnungsstellung verbessert werden. Dies gestattet höhere anfängliche Strömungsraten, welche die Herabkühlzeit verkürzen. Wenn zum Zweiten die Ventilöffnung durch Ausfällungen oder Verunreinigungen blockiert wird, dann kann das Nadelventil in eine bedeutend stärker Öffnungsposition verstellt werden. Dies gestattet es, daß die Ausfällungen oder Verunreinigungen schnell genug durchgeblasen werden, um einen nicht annehmbaren Temperaturanstieg zu verhindern. Der vergrößerte Nadelventilweg und die rasche Ansprechzeit machen die Konstruktion somit robuster gegenüber dem Vorhandensein von Verunreinigungen im Tieftemperaturkühlmittel. Da niedrigere Tieftemperaturkühlmittelströmungen das Zusetzen aufgrund von Verunreinigungen begünstigen, führt dieses Merkmal der Selbstreinigung des Kryostaten zu einer zuverlässigen Arbeitsweise auch bei Einstellungen mit niedrigem konstantem Durchstrom.
• Ein weiterer wichtiger Vorteil der Betriebseigenschaft ist, daß die erfindungsgemäße Konstruktion bedeutend weniger empfindlich gegenüber der Art des zugeführten Tieftemperaturkühlmittels ist. Das Verhalten des erfindungsgemäßen Betätigungsorgans ist nicht nur abhängig von komplexen thermischen, thermodynamischen und strömungsdynamischen Eigenschaften des Kryostat-Dewar-Tieftemperaturkühlmittel-Sy stems, welche für ein passives System gelten. Das Verhalten des erfindungsgemäßen Betätigungsorgans ist auch weniger empfindlich gegenüber Veränderungen in der Tieftemperaturkühlmittelzufuhr und Veränderungen der Umgebungsbedingungen, welche die Abhängigkeiten des Betriebsverhaltens problematischer gestalten würden. Die Fähigkeit, die zu regelnde Temperatur zu überwachen und aktiv eine das Betriebsverhalten dominierende thermische Eigenschaft mit äußerer Intelligenz zu regeln, macht das Betriebsverhalten bedeutend bestimmbarer. Diese erhöhte Bestimmbarkeit des Betriebsverhaltens erhöht die Fähigkeit des Kryostaten, mit vielfachen Tieftemperaturkühlmitteln zu arbeiten und mit veränderlichen Zuführbedingungen und Umgebungsbedingungen betrieben werden zu können.
• Der vergrößerte Bewegungsweg des Betätigungsorgans und die vergrößerte Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Konstruktion bewirken nicht nur eine Robustheit des Betriebes, sondern erleichtern auch das Problem der Erzeugung kritischer Anfangs- Strömungseinstellungen während der Herstellung. Dies und die größere Robustheit im Betrieb vermindert die Bedeutung der gegenwärtig notwendigen teuren Prüfung im Prozeß und bei der Abnahme. Da die Elemente der höchsten Kosten bei der Kryostatfertigung im Zusammenhang mit der Strömungseinstellung, der Prüfung und der Ausschußrate stehen, sind die Einsparungen dieser Konstruktionskostenpunkte möglicherweise bedeutsamer als die zusätzlichen Kosten für die Steuerelektronik und den Tieftemperatursensor, welche für die erfindungsgemäße Konstruktion notwendig sind. Die Gesamt- Systemkosten können wegen der verbesserten Zuverlässigkeit des Kryostaten und der möglichen Abmilderung der Anforderungen des Systems, beispielsweise der Reinheit des Tieftemperaturkühlmittels, vermindert werden. Diese Faktoren könnten über die Lebensdauer eines Trägersystems hin bedeutsam sein.
• Die vorliegende Erfindung wurde hier unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform für einen besonderen Anwendungsfall beschrieben. Der Fachmann, welcher Zugang zu der vorliegenden Lehre hat, erkennt, daß zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche möglich sind. Beispielsweise könnte an Stelle eines massiven Zylinders eine Rohrkonstruktion für das Betätigungsorgan verwendet werden. Das Heizelement wäre innerhalb des Zylinders anzuordnen und das Tieftemperaturkühlmittel würde das Rohr von außen umströmen. Hierdurch entfiele die Notwendigkeit, das Heizelement innerhalb des Materials des Betätigungsorgans einzubetten. Ein anderer Lösungsansatz bestünde darin, daß ein flaches Heizelement aufgewickelt würde und die Oberfläche dann mit einem Elastomer hohen Ausdehnungskoeffizienten beschichtet würde. Diese Lösung minimiert die thermische Masse und macht so den Kryostaten schneller und bezüglich der Leistung effizienter. Erfindungsgemäß kann auch ein Polymer verwendet werden, das in einen begrenzten Raum eingeschlossen ist. Selbstverständlich erkennt der Fachmann, daß die Optimierung der Konstruktion für einen bestimmten Anwendungsfall verschiedene Formen vorsehen kann.

Claims (5)

1. Kryostatsystem (10) mit einem Kryostaten (12), wobei das System folgendes aufweist:

ein Ventil (30,50) zur Steuerung des Zustroms von Tieftemperaturkühlmittel in eine Sammelkammer (32) zwischen einem Ende des Kryostaten (12) und einem Dewar-Kältesenkenende (34);

einen Mechanismus (40) zur Betätigung des Ventils (30,50), der folgendes aufweist:

einen temperaturempfindlichen Mechanismus (42), der einen Stab aus Polymermaterial enthält, das einen hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um das Ventil (30, 50) in Abhängigkeit von der Temperatur zu betätigen, und

einen Heizer (44) zum Zuführen von Wärme zu dem temperaturempfindlichen Mechanismus, wobei der Heizer (44) eine Drahtwendel enthält, die in dem Stab eingebettet ist;

einen Sensor (62), der in der Sammelkammer (32) angeordnet ist, um die Temperatur in dem Kryostaten (12) aufzunehmen und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit hiervon zu erzeugen; und

eine Schaltung (60), die auf das genannte Signal anspricht, um den genannten Heizer (44) zu betätigen.

2. Kryostatsystem nach Anspruch 1, welches weiter ein Behältnis (46) zur Aufnahme des Stabes enthält.

3. Kryostatsystem nach Anspruch 2, bei welchem das Behältnis (46) eine Ausdehnungen aufnehmende Verbindung (49) enthält.

4. Kryostatsystem nach Anspruch 2, bei welchem das genannte Ventil (30, 50) ein Nadelventil (50) zum Schließen einer Öffnung (30) enthält.

5. Kryostatsystem nach Anspruch 2, bei welchem das genannte Behältnis (46) an das genannte Nadelventil (50) angeschlossen ist.