DE2449129C3

DE2449129C3 - Kryostat

Info

Publication number: DE2449129C3
Application number: DE2449129A
Authority: DE
Inventors: Viktor Sergejevitsch Ovtschinnikov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1980-07-17
Also published as: CA1037904A; GB1477028A; SU549147A1; DK558574A; FR2249282A1; US3938346A; FR2249282B1; DE2449129B2; DE2449129A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kryostaten bestehend aus einem wärmeisolierten Gefäß zur Aufbewahrung von kryogenen Produkten, dessen Hals mit einem nichtmetallischen Stopfen verschlossen ist, wobei zwischen dem Hals und dem Stopfen ein schraubenlinienförmiger Kanal zur Abfuhr der Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte in die Atmosphäre gebildet ibt.

Ein Kryostat der vorstehend genannten Bauart, der allerdings zur Kühlung von Supra..:itungsspulen dient, ist aus der DE-OS 15 01319 bekannt. Bei dieser bekannten Ausbildung ist der schraubenlinienförmige Kanal in Form einer in den Stopfen eingeschnittenen schraubenlinienförmigen Nut ausgebildet und außen durch die innere Oberfläche des metallischen Gefäßhalses begrenzt. In die Schraubennut sind außerdem Stromzuführungen für die Supraleitungsspule eingelegt.

Der bekannte Kryostat ist nicht geeignet zur Aufbewahrung von Bioprodukten über längere Zeiträume in der Größenordnung von mehreren Monaten. Die geometrischen Abmessungen und die verwendeten Werkstoffe sind so, daß dem Wärmeübergang kein sehr großer Widerstand entgegengesetzt ist. Somit kann nicht verhindert werden,daß bedeutende Wärmeströme aus der Umgebung in den Kryostaten gelangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Kryostaten, mit dem Bioprodtiktc über längere Zeiträume zuverlässig aufbewahrt werden können. Es geht dabei zum Beispiel in der Landwirtschaft um die Aufbewahrung der Samenflüssigkeil, von Zuchttieren oder in der Medizin um die Aufbewahrung von lebenden Geweben, Blut oder anderen Präparaten. Die zuverlässig mögliche Aufbewahrungsdauer soll erheblich höher als bei bekannten Kryostaten liegen.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Gefäßhals aus einem Material einer Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,35 bis 0,4 W/m grd und einer Gasdurchlässigkeit für Luft, Stickstoff und Sauerstoff von I ■ 10-' bis 5 · 10"⁶ cm³ cm/cm² see atm besteht, und daß der schraubenlinienförmige Kanal durch eine schraubenförmige Nut in der Innenfläche des Halses gebildet ist, welche an einer Stirnseite des Halses beginnt und an seiner entgegengesetzten Stirnseite endet, wobei das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche der schraubenförmigen Nut in mm² und ihrer Länge in mm 1 :52 beträgt.

Bei einer solchen Ausbildung, insbesondere der Ausbildung des Gefäßhalses mit minimaler Dicke und mit den geforderten Werkstoffkenndaten wird überraschenderweise erreicht, daß nur noch etwa 0331

ίο flüssiger Stickstoff pro Tag verdampft, was bei einem Kryostaten mit einem Fassungsvermögen von 341 bedeutet, daß die mögliche Aufbewahmngszeit 120 Tage erreicht.

Durch die Ausbildung des schraubenlinienförmigen Kanals im Gefäßhals ergibt sich eine wirksamere Kühlung desselben durch die abziehenden Dämpfe, ohne daß der hydraulische Widerstand des Kanals so groß wird, daß es zu unzulässig hohen Drücken des verdampfenden kryogenen Produkts käme.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigegebenen Zeichnung weiter erläutert. Diese Zeichnung zeigt die schnittbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Kryostaten.

Der Kryostat besteht aus einem wärmeisolierten Gefäß 1 für kryogene Produkte, zum Beispiel flüssiger Stickstoff, verflüssigt Luft, flüssiger Sauerstoff, bei dem 80 bis 90⁰K verdampfen. Dieses Gefäß ist, wie üblich, z. B. aus einer Aluminium- oder einer anderen

to Legierung ausgeführt, die ein spezifisches Gewicht von 2,63 -τ- 2,7 g/cm' und eine Festigkeit von 19 -τ- 32 kp/mm² aufweist.

Der Hals 2 des Gefäßes I ist demgegenüber aus einem Werkstoff hergestellt, der folgenden Forderun-

1Ί gen genügt:

niedrige Wärmeleitfähigkeit, nämlich 0.35 0.4 W/m grd und

niedrige Gastltirchliissijrkeit. nämlich

I · 10 " 5 · 10 "cm'cm/cm-'see am für Luft. Stick-

·"' stoff und Sauerstoff.

Die letztgenannte Kennziffer bedeutet, daß bei einer Wandstärke von 1 cm nur maximal 5 ■ 10""¹Cm' Dampf pro cm² Durchtrittsfläche, Sekunde und Atmosphäre Druckdifferenz durchtreten können.

*"> Ferner soll der llalswerkstoff eine Zugfestigkeit von 10 bis 20 kp/mm² aufweisen und besteht zum Beispiel aus glasfaserverstärktem Kunststoff wie etwa Glasfasern, durchtränkt mit Phcnol-Formaldehyd-Harz oder Glasgewebe, durchtränkt mit einem Gemisch von

^r»> Epoxid- und Phenol-Formaldehyd-Harzen mit Zusätzen von Furfurol.

Das Gefäß 1 wird mit einem Stopfen 3 verschlossen, der in den Hals 2 eingesteckt wird. Der Stopfen besteht vorzugsweise ebenfalls aus Werkstoffen niedriger Wärmeleitfähigkeit, nämlich 0,03 ^- 0,05 W/m grd, und einer Festigkeit von 5 -=- 15 kp/mm², beispielsweise aus Schaumstoffen auf der Grundlage von Polyesterzyanat.

Polystyrol und Phenol-Formaldehyd-Harz.

In der Innenfläche des Halses 2 ist eine schraubenli-

^fi" nienförmige Nut ausgearbeitet, die zusammen mit der Oberfläche des Stopfens 3 einen schraubenlinienförmigen Kanal 4 ausbildet, durch den die Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte aus dem Gefäß 1 in die Atmosphäre abgeführt werden.

&■> Bekanntlich ist es zur Verlängerung der Lagerungsdauer von Bioprodukten in Kryostaten vor allem wesentlich, die Wärmezufuhr aus der Umgebung zu den kryogenen Produkten über den Gcfäßhals zu verrin-

gern, da bei Verwendung einer hocheffektiven mehrschichtigen Vakuumwärmeisolation die Wärmeströme über andere Bauelemente nur unwesentlich sind. Bei der vorliegenden Bauart des GefäQhalses ergibt sich eine minimale Wärmezufuhr, und zwar erstens durch die Ausführung des Halses und des Stopfens aus Werkstoffen mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und zweitens durch eine vollständige Nutzung der Kälte der Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte zur Abkühlung dieser Bauelemente. Dabei werden die Verhältnisse so gewählt, daß die Dämpfe des verdampfenden kryogenen Produktes infolge des Wärmeaustausch^ mit den Oberflächen des Halses und des Stopfens am Austritt aus dem HaIa in die Atmosphäre die Temperatur derselben erreichen.

Die geometrischen Abmessungen des Kanals 4 sind so gewählt, daß die infolge der Verdampfung des kryogenen Produktes entstehenden Dämpfe im Gefäß 1 keinen Überdruck bilden, daß heißt, daß der hydraulische Widerstand des Kanals 4 (abhängig von der Fläche ties Querschnittes des Kanals und seiner Länge) mit dem Volumeridurchsatz der Dämpfe des verda-ipfenden kryogenen Produktes, der von der Wärmezufuhr zum Produkt abhängt, mit seiner Verdampfungswärme und der Dichte des kryogenen Produktes übereinstimmen soll; zweitens soll die Länge des Kanals 4 so sein, daß die Dämpfe des verdampfenden kryogenen Produktes während ihres Durchströmens durch den Kanal 4 ihre Kälte vollständig an den Hals 2 und den Stopfen 3 abgeben und demzufolge die Wärmezufuhr zu diesen Elementen bis auf ein Minimum reduziert ist.

Es besteht die Möglichkeit der Ausführung von zwei oder mehreren schraubenlinienförmigen Kanälen, wenn es nicht möglich ist, die obengenannten widersprechenden Bedingungen zu erfüllen, da es zur Verringerung des hydraulischen Widerstandes des Kanals 4 erforderlich ist, die Fläche seines Querschnittes zu vergrößern und die Kanallänge zu vermindern, während zur Gewährleistung einer effektiven Abkühlung des Halses und des Stopfens di ■ Fläche des Querschnittes des Kanals verringert und seine Länge vergrößert werden müßte.

Das Gefäß 1 des Kryostaten ist mit einem vakuumdichten Mantel 5 geschützt, der aus Aluminium oder aus anderen geeigneten Legierungen ausgeführ ist, die ein spezifisches Gewicht von 2,63 -=- 2,7 g/cm^J und eine Festigkeit von 19 -=- 32 kp/r.jm² aufweisen. Die Befestigung des Gefäßes ! im vakuumdichten Mantel 5 erfolgt am Hals 2. Der Raum zwischen dem Gefäß 1 und dem vakuumdichten Mantel 5 ist mit einer mehrschichtigen Vakuumisolation 6 ausgefüllt, beispialsweise einer geriffelten, beiderseitig aluminisierten Polyäthylenterephtalatfolie, die beiderseitig mit Glasgewebe beschichtet ist.

Im Gefäß 1 ist eine Beschickungsvorrichtung eingebaut, die einige Behälter 7 einschließt, die mit Ampullen mit Bioprodukten gefüllt sind. Zur räumlichen Festlegung der Beschickungsvorrichtung sind Nuten 8

in im oberen Teil des Halses 2 des Gefäßes 1 vorgesehen.

Die Benutzung des beschriebenen Kryostaten geschieht wir folgt:

Ein kryogenes Produkt, beispielsweise flüssiger Stickstoff, wird durch den Hals 2 in das Gefäß 1

ii eingegossen. Mit dem Beginn der Füllung des Kryostaten mit einem kryogenen Produkt beginnt die Adsorptionspumpe 9 wirksam zu wurden, die an der Außenfläche des Gefäßes 1 angebracht ist und zur Wiederherstellung des Vakuums bis zu einer Größe von

jo mindestens 1 - 10-⁴ Torr im Raum zv^;-,chen dem Gefäß ! und dem vakuumdichten Manit·! 5 dient. Die Adsorptionspumpe 9 unterhält ein Vakuum der genannten Größenordnung während der ganzen Verweilzeit des jeweiligen kryogenen Produktes im Gefäß 1

2"· und sichert die Wirksamkeit der mehrschichtigen Vakuurnisolation6.

In das mit flüssigem Stickstoff gefüllte Gefäß 1 werden durch den Hals 2 mittels Stangen 10 die Behälter 7 der Beschickungsvorrichtung eingebracht.

«ι Die Lage der Behälter 7 im Gefäß 1 wird unter Zuhilfenahme der Stangen 10 und der Nuten 8 fixiert. Nach der Befestigung der Behälter 7 wird in den Hals 2 spielfrei der Stopfen 3 eingesteckt. Dadurch wird aus der in der Halsinnenfläche eingeschnittenen Nut der

π Kanal 4 mit den Abmessungen 5 χ 5 χ 1300 mm gebildet.

Die Dämpfe des flüssigen Stickstoffes, die das Gefäß 1 durch den Kanal 4 verlassen, kühlen den Hals 2 und den Stopfen 3 ab und werden dabei durch die Wärmezufuhr

ι» aus der Umgebung aufgewärmt, die durch den Hals und der Stopfen geleitet wird. Dabei bewirkt die Länge des schraubenlinienförmigen Kanals 4 von 1300 mm eine vollständige Nutzung der Kälte der Dämpfe des verdampfenden flüssigen Stickstoffs.

■r> Das Vakuumieren des Raumes zwischen dem Gefäß 1 und dem vakuumdichten Mantel 5 erfolgt über einen Anschluß 11.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Kryostat, bestehend aus einem wärmeisolierten Gefäß zur Aufbewahrung von kryogenen Produkten, dessen Hals mit einem nichtmetallischen Stopfen verschlossen ist, wobei zwischen dem Hals und dem Stopfen ein schraubenlinienförmiger Kanal zur Abfuhr der Dämpfe der verdampfenden kryogenen Produkte in die Atmosphäre gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßhals (2) aus einem Material einer Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,35 bis 0,4 W/m grd und einer Gasdurchlässigkeit für Luft, Stickstoff und Sauerstoff von 1 · 10-⁸ bis 5 · 10~⁶ cm³ cm/cm² see atm besteht, und daß der schraubenlinienförmige Kanal durch eine schraubenförmige Nut in der Innenfläche des Halses (2) gebildet ist, welche an einer Stirnseite des Halses (2) beginnt und an seiner entgegengesetzten Stirnseite endet, wobei das Verhältnis zwischen der QuerscJJiittsfläche der schraubenförmigen Nut in mm² und ihrer Länge in mm ! : 52 beträgt.