FI104283B - Laimennusjäähdytinlaitteisto - Google Patents

Description

104283

lAIMENNUSJÄÄHDYTIMLAITTEISTO

Keksinnön kohteena on laimennusjäähdytinlaitteisto, joka on sovitettu asetettavaksi DEWAR-astiaan sen kapean kaulaosan 5 kautta ja johon kuuluu vakuumisäiliö liitäntöineen, sen sisälle , metallisen imuputken varaan asetettu oleellisesti täysmuovinen laimennusjäähdytin käsittäen yläpuolisen tislainosan ja alapuolisen sekoituskammion sekä näitä yhdistävän lämmönsiirtimen, ja jossa sanottu imuputki on yhdistetty laimennusjäähdyttimen 10 tislainosaan.

US-patenttijulkaisussa 5,189,880; Frossati on esitelty täysmuovinen laimennusjäähdytin. Aikaisemmista malleista poiketen tislainosa, lämmönsiirrin ja sekoituskammio ovat kaikki valmis-15 tetut muovista, esimerkissä pääasiassa Araldit-epoksista.

Artikkelissa Cryogenics 1994, Voi 34, n:o 10, ss. 843-845: Pekola ja Kauppinen "Insertable dilution refrigerator for characterization of mesoscopic samples" selostetaan melko tarkasti 20 johdannon mukaisen laimennusjäähdyttimen rakennetta ja toimintaa. Oleellisesti täysmuovinen laimennusjäähdytin antaa tiettyjä etuja. Erityisesti vältetään muuttuvan magneettikentän aiheuttama pyörrevirran (Eddy-current) lämmittävä vaikutus. Lämmön-siirtimessä hallitsevaksi tekijäksi alle 1 K lämpötiloissa tule ·. 25 terminen rajapintavastus eli ns. Kapitza-vastus, joka muoveilla on pienempi kuin metalleilla. Itse laimennusjäähdyttimen rakenne saadaan helposti tiiviiksi rakentamalla kaikki sen osan muovista, jolloin suhteellinen kutistuma on kaikkialla yhtä suurta.

30

Ongelma täysmuovisessa laimennusjäähdyttimessä kohdistuu imu-putken liitäntäkohtaan, koska imuputki on metallia, yleensä kuparia tai sen seosta ja sen lämpölaajenemiskerroin poikkeaa huomattavasti muovin vastaavasta. Niinpä tunnetut täysmuoviset 35 laimennusjäähdyttimet ovat olleet mekaanisesti varsin herkkiä ja ovat helposti rikkoutuneet tästä liitäntäkohdasta.

2 104283 Tämän keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä oleva ongelma. Tämä tarkoitus saavutetaan patenttivaatimuksesta 1 ilmenevillä tunnusmerkillisillä piirteillä. Keksinnön edullisten sovellusten tunnusmerkilliset piirteet on esitetty alivaatimuk-5 sissa.

Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kuviin, jotka esittävät erästä keksinnön mukaista laimennusjäähdytintä.

10 Kuva 1 esittää laimennusjäähdytinlaitteiston asennusta DEWAR-astiaan

Kuva 2 esittää laimennusjäähdytinlaitteistoa halkileikattuna Kuva 3 esittää varsinaisen laimennusjäähdyttimen yläosaa leikattuna 15

Laimennusjäähdytinlaitteisto 3 on suunniteltu asetettavaksi tavanomaiseen DEWAR-astiaan 1. Laitteisto muodostaa liitäntöi-neen kapean ja korkean rakenteen, joka voidaan laskea DEWAR-astian 1 kaulaosan 1.2 kautta säiliöön 1.1, jota ympäröi vakuu-20 mi, kuva 1. Laimennusjäähdyttimeltä tulevat heliumliitännät yhdistetään pumppuun heliumkaasun, pääasiassa He3-komponentin kierrättämiseksi.

* Laimennusjäähdytinlaitteisto 3 käsittää erilliseen vakuumisäi-25 liöön 6 pakatut esijäähdytinosan ja varsinaisen täysmuovisen laimennusjäähdyttimen 9, kuva 2. Esijäähdytinosassa pumpulta takaisinpalaavaa He3-kaasua jäähdytetään 4 K:n ja 1 K:n laipoissa 3.2 ja 7. Laimennusjäähdytin 9 näytteineen roikkuu me- • tallisen imuputken 4 varassa. Imuputki 4 on kupari-nikkeliseos-30 ta sen huonon lämmönjohtavuuden takia ja laimennusjäähdyttimen 9 muovimateriaali kaksikomponenttiliimasta muodostuvaa epoksi-muovia (Stycast 1266, valmistaja Grace,N.V. Westerlo, Belgia).

Laippa 3.2 muodostaa lieriömäisen vakuumisäiliön 3 kannen, • 35 jossa on läpiviennit heliumputkien lisäksi säiliön vakuumiput- kea sekä mittauselektroniikan vaatimia sähköjohtoja varten.

3 104283

Kaikkien läpivientien on oltava ehdottoman tiiviitä vakuumin ylläpitämiseksi. Varsinainen esijäähdytys tapahtuu 1K laipassa 7, jota ylläpitää 1 K:n kiehumissäiliö 5.

4 5 Laimennusjäähdyttimeen 9 kuuluu tislainosa 10, lämmönvaihdin 11 ja sekoituskammio 12. Näiden rakenne ja toiminta on selostettu varsin perusteellisesti edellä mainituissa julkaisuissa. Lämmönvaihdin 11 on rakenteeltaan lieriömäinen ja sen sisään on muodostettu tyhjötila 18, jota ylläpitää kanava 19. Lämmönsiir-io timen 11 ulkosivua kiertää spiraalimaisesti virtauskanava, jota kautta kapillaariputki 8 on myös vedetty. Teflon-muovinen ka-pillaariputki 8 johtaa palaavan He3-nesteen sekoituskammioon 12. Spiraalimaista virtauskanavaa pitkin imetään He3-kaasua sekoituskammiosta 12 tislaimeen 10, jolloin se jäähdyttää pa-15 laavaa He3-virtaa. Tunnetulla tavalla sekoituskammiossa 12 tapahtuu He4/He3-seoksen faasierottuminen kahdeksi komponentiksi ja He3-atomien pumppaaminen faasirajan yli sitoo lämpöä ja aikaansaa jäädytyksen.

20 Välikappaleen rakenteelliset osat työstetään kukin kovettuneesta epoksikappaleesta.

Koska muovien lämpölaajenemiskerroin poikkeaa paljon metallien * vastaavasta, laimennusjäähdyttimen 9 kannatuskohta imuputkesta 25 4 on varsin kriittinen piste. Jäähdytettäessä metalliputkea, tässä 06 mm, seinämävahvuudeltaan 0,1 mm kuparinikkeliputkea, hyvin matalaan, tässä alle 1 K:n lämpötilaan, se kutistuu 0,2-0,4 %. Samalla Stycast-epoksi kutistuu kuitenkin 1,2 %. Kuvassa • 3 nähdään yksityiskohtaisesti rakenne, jolla tämä ongelma rat-30 kaistaan. Laimennusjäähdyttimen 9 yläosan ja samalla tislaimen 10 kannen muodostaa kansi 15. Tämä on kiinnitetty imuputkeen 4 erityisen välikappaleen 16 avulla. Välikappaleessa 16 on tii-vistyspinnan lisäämiseksi laippa 16.1, joka myös muodostaa suurimman liitoshalkaisijän.

35 4 104283 Välikappale on valmistettu metallijauheesta ja valettavasta epoksi-muovista homogeenisena sekoituksena. Tässä esimerkissä välikappale 16 valmistettiin kuparijauheesta, osuus 70% (60- 90%) ja Stycast-epoksimuovista. Jauhe ja kaksi-komponenttiliima 5 sekoitettiin homogeeniseksi massaksi. Kovettumisen jälkeen välikappale voitiin työstää samalla tavoin kuin muutkin rakenneosat .

Hyvän lämpölaajenemismukautuvuuden aikaansaamiseksi käytetään 10 seuraavaa mitoitusta. Välikappaleen 16 ja tislainosan 10 suurin liitoshalkaisija 1,3-2 kertaa imuputken 4 halkaisija. Välikappaleen 16 yhteinen korkeus eli aksiaalinen mitta imuputken 4 kanssa on 1,5 - 2,5 kertaa imuputken 4 halkaisija. Välikappaleen 16 ja tislainosan 10 välisen liitoksen korkeus eli aksiaa-15 linen mitta on 0,25-0,5 kertaa imuputken 4 halkaisija. Välikappaleen 16 ja tislainosan 10 välinen liitos käsittää kaksi eri halkaisijaista, aksiaalisuunnassa peräkkäistä lieriöpintaa ja näitä yhdistävän rengaspinnan. 1 2 3 4 5 6

Laimennusjäähdyttimen 3 rakenteelliset osat kuten esimerkiksi 2 ulkolieriö 13, sisälieriö 12 sisältäen virtausspiraalin, tis 3 lainosan 10 kansi 15 ja pohja 14 sekä kriittinen välikappale 16 4 liimataan toisiinsa samalla epoksiliimalla kuin mistä ne on 5 valmistettu. Samalla liimalla tiivistetään myös kapillaariput- 6 ken ja sähköjohtojen läpiviennit.

Claims (7)

1. Laimennusjäähdytinlaitteisto (3), joka on sovitettu asetettavaksi DEWAR-astiaan (1) sen kapean kaulaosan (1.2) • 5 kautta, ja johon kuuluu vakuumisäiliö (3.1) liitäntöineen, sen sisälle metallisen imuputken (4) varaan asetettu oleellisesti täysmuovinen laimennusjäähdytin (9) käsittäen yläpuolisen tislainosan (10) ja alapuolisen sekoituskammion (12) sekä näitä yhdistävän lämmönsiirtimen (11), ja jossa sanottu imuputki (4) io on yhdistetty laimennusjäähdyttimen (9) tislainosaan (10), tunnettu siitä, että sanotun tislainosan (10) putkiliitäntään kuuluu metallista imuputkea (4) ja tislainosan (10) muovirakennetta erottava välikappale (16), joka on muodostettu muovin ja metallijauheen seoksesta liitoskomponenttien suuresti poik-15 keavien lämpölaajenemisten sovittamiseksi toisiinsa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laimennusjäähdytinlaitteisto (3), tunnettu siitä, että välikappaleen (16) ja tislainosan (10) suurin liitoshalkaisija 1,3-2 kertaa imuput- 20 ken (4) halkaisija.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laimennusjäähdytinlaitteisto (3), tunnettu siitä, että välikappaleen (16) yhteinen korkeus eli aksiaalinen mitta imuputken (4) kanssa on 25 1,5 - 2,5 kertaa imuputken (4) halkaisija.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen laimennusjäähdytinlaitteisto (3), tunnettu siitä, että välikappaleen (16) ja tislainosan (10) välisen liitoksen korkeus eli aksiaa- 30 linen mitta on 0,25-0,5 kertaa imuputken (4) halkaisija.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laimennusjäähdytinlaitteisto (3), tunnettu siitä, että välikappaleen (16) ja tislainosan (10) välinen liitos käsittää kaksi eri hai- 6 104283 kaisijaista, aksiaalisuunnassa peräkkäistä lieriöpintaa ja näitä yhdistävän rengaspinnan.

5 104283

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen laimen-5 nusjäähdytinlaitteisto (3), tunnettu siitä, että välikappaleen (16) valmistuksessa käytetty metallijauhe on pääasiallisesti samaa metallia kuin imuputki (4).

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laimennusjäähdytin-10 laitteisto, tunnettu siitä, että imuputki (4) on kuparinikkeli- seosta, laimennusjäähdyttimen (9) muovimateriaali epoksia ja välikappale (16) 60 - 90 %:sesti kuparijauhetta ja loppu epok-simuovia. 15