УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР Российский патент 1995 года по МПК F25B9/12 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к технике низких и сверхнизких температур. Область применения физика твердого тела, астрофизика и космическая техника.

Известна установка для получения низких температур растворением ³Не в ⁴Не (Михеев В.А. Майданов В.А. и Михин Н.П. Компактный рефрижератор растворения с криогенным циклом циркуляции ³Не. Cryogenics, 1984, v. 24, N 4, р. 190) в которой откачка и циркуляция ³Не осуществляется криосорбционными насосами.

Недостатками этой установки являются повышенная сложность конструкции и трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью применения механических клапанов или тепловых труб для переключения насосов.

Более простой по конструкции и близкой по техническому решению к предлагаемой является установка (Эдельман В.С. Приборы и техника эксперимента, N 4, 1971, с. 229), содержащая гелиевый сосуд и размещенный в нем рефрижераторный модуль, состоящий из камеры испарения, камеры растворения, низкотемпературного теплообменника и конденсатора-испарителя, окруженный общей вакуумной рубашкой, а также криосорбционный насос, соединенный с ванной конденсатора-испарителя. Трубки сообщают объемы ванны конденсатора-испарителя и камеру испарения с внешней газовой системой для ввода и откачки ³Не и смеси ³Не-⁴Не, ванны конденсатора-испарителя и сосуда соответственно.

Однако продолжительность работы установки, работающей циклически, чрезмерно ограничена количеством дорогостоящего и дефицитного изотопа гелия (³Не), содержащегося в ванне конденсатора-испарителя. Даже при наличии в ванне почти одного моля жидкого гелия ³Не длительностью рабочего цикла не превышает 8-10 ч, что является основным недостатком этой установки. Другим недостатком установки является использование больших количеств дефицитного ³Не.

Целью изобретения является увеличение длительности работы установки и экономия ³Не, используемого в ней.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для получения низких температур растворением ³Не в ⁴Не, содержащей гелиевый сосуд и размещенный в нем рефрижераторный модуль, имеющий общую вакуумную рубашку и состоящий из камер испарения и растворения, низкотемпературного теплообменника и конденсатора-испарителя, а также криосорбционного насоса для откачки ванны конденсатора-испарителя, криосорбционный насос выполнен в виде двух адсорбционных ступеней, одна из которых размещена внутри паровой полости откачиваемой ванны, а вторая на откачной трубе в паровом объеме гелиевого сосуда, на их наружную поверхность навиты холодильники, сообщенные общим трубопроводом с жидкостным объемом гелиевого сосуда, а паровые объемы гелиевого сосуда и ванны конденсатора-испарителя, заполненной 4Не, соединены через вентиль.

На чертеже представлена схема установки.

Установка содержит гелиевый сосуд 1, конденсатор-испаритель 2, рефрижераторный модуль 3, состоящий из размещенных в общей с конденсатором-испарителем 2 вакуумной рубашке камеры 4 испарения, низкотемпературного теплообменника 5 и камеры 6 растворения, криосорбционные насосы 7 и 8, один из которых (7) расположен внутри парового объема ванны конденсатора-испарителя 2, а другой (8) установлен на откачной трубе 9 ванны, теплообменники 10 и 11 насосов, выполненные, например, из трубок, навитых на корпус насосов, причем нижние концы трубок сообщены общим трубопроводом 12 с жидкостным объемом гелиевого сосуда 1, а верхние через вентили 13 и 14 с атмосферой (или газгольдером). Откачная труба 9 соединена вентилем 15 с вакуумным насосом (не показан). В установку входят также вентили 16 и 17 и экраны 18 и 19.

Установка работает следующим образом.

В исходном состоянии гелиевый сосуд 1 частично заполнен жидким гелием, все вентили закрыты за исключением вентиля 17, который открыт не полностью настолько, чтобы обеспечить некоторое избыточное давление паров гелия в сосуде 1, а рефрижераторный модуль 3 с содержащейся в нем под давлением 1 МПа газообразной смесью ³Не-⁴Не охлажден до температуры 4,2 К.

Для запуска установки вначале заполняют ванну конденсатора-испарителя 2 жидким гелием. С этой целью охлаждают одну из ступеней, например ступень 8 криосорбционного насоса, подачей через ее холодильник 11 жидкого гелия с отводом паров гелия через вентиль 13, открывают вентиль 16 и ведут откачку ⁴Не насосом В из парового объема гелиевого сосуда 1 до полного насыщения адсорбционной насадки насоса. Затем подачу ⁴Не прекращают, включают электрический нагреватель насоса 8 (не показан) и, повышая температуру насоса до 25-30 К, полностью десорбируют ⁴Не. Выделяющийся в процессе десорбции ⁴Не, охлаждаясь на насадке экрана 18, конденсируется и заполняет ванну конденсатора-испарителя 2.

После заполнения ванны жидким гелием ⁴Не выключают электронагреватель криосорбционного насоса 8, открывают вентиль 15 и откачивают ванну конденсатора-испарителя 2 внешним вакуумным насосом (не показан) до получения в ней температуры 1,0-1,2 К. Затем вновь охлаждают криосорбционный насос 8, закрывают вентиль 15 и ведут им откачку ⁴Не из ванны конденсатора-испарителя 2 до установления в ванне температуры 0,6 К, после чего включают насос 7, охлаждая его адсорбционную насадку жидким гелием, подаваемым в теплообменник 10, и продолжают откачку ванны конденсатора-испарителя 2, понижая ее температуру до предельной величины 0,45-0,50 К. В процессе охлаждения сжатая газообразная смесь ³Не-⁴Не, содержащаяся в камерах 4 и 6 и теплообменнике 5, конденсируется и затем расслаивается на две фазы ³Не и ⁴Не. Включая электрический нагреватель камеры 4 испарения (не показан), осуществляют вышеописанным способом процесс получения холода растворением ³Не в ⁴Не.

Полезный эффект, получаемый реализацией предлагаемого технического решения, достигается тем, что использование достаточно дешевого и доступного жидкого ⁴Не вместо ³Не в ванне конденсатора-испарителя позволяет существенно увеличить продолжительность работы установки, а применение последовательно включаемых ступеней криосорбционного насоса, одна из которых размещена непосредственно в откачиваемом объеме, дает возможность значительно повысить эффективность откачки паров гелия при давлениях меньше 10^-3 Па и тем самым обеспечить охлаждение ванны до температур ≈ 0,5 К, необходимых для конденсации ³Не, циркулирующего в низкотемпературной ступени.

Как показывают расчеты, откачка ванны насосом, содержащим 100 г активированного угля СКТ-4, размещенного внутри парового объема ванны конденсатора- испарителя, позволяет в течение 5-6 сут вести непрерывную откачку ванны, вмещающей 150 см³ жидкого гелия, и компенсировать при температуре 0,5 К тепловую мощность 0,3 мВт, выделяемую при конденсации ³Не, поступающего в конденсатор-испаритель из камеры испарения. При этом скорость циркуляции ³Не в низкотемпературной ступени составит ≈ 10^-5 моль/с, а холодопроизводительность ≈ 10 мкВт при температуре 0,1 К.

Таким образом в предлагаемой установке по сравнению с прототипом существенно увеличивается длительность работы установки и экономится дорогостоящий и дефицитный изотоп гелия ³Не.

Использование: в криогенной технике для получения сверхнизких температур. Сущность изобретения: установка содержит сосуд 1 Дьюара, заполненный жидким ⁴He в который погружен рефрижераторный модуль 3, состоящий из последовательно установленных конденсатора-испарителя 2 с ванной и откачной трубой 9, камеры 4 испарения, низкотемпературного теплообменника 5 и камеры 6 растворения, а также двух криосорбционных насосов 7 и 8, размещенных в паровом объеме сосуда 1 Дьюара, один из которых расположен на откачной трубе 9, а другой в паровом объеме ванны конденсатора-испарителя 2. Рефрижераторный модуль 3 помещен в вакуумную рубашку. На наружных поверхностях криосорбционных насосов 7 и 8 установлены змеевиковые теплообменники 10 и 11, входы которых соединены с жидкостным объемом сосуда Дьюара. Паровые объемы сосуда 1 Дьюара и ванны конденсатора-испарителя 2 соединены посредством вентиля 16. 1 ил.

УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР растворением ³He-⁴He содержащая сосуд Дьюара, имеющий паровой и жидкостный объемы, в последнем размещен рефрижераторный модуль, состоящий из последовательно установленных конденсатора-испарителя с ванной и откачной трубой, камеры испарения, низкотемпературного теплообменника и камеры растворения, помещенных в вакуумную рубашку, а также криосорбционного насоса, расположенного на откачной трубе, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности и увеличения продолжительности цикла работы, она снабжена дополнительным криосорбционным насосом, установленным в паровом объеме ванны конденсатора-испарителя, и двумя змеевиковыми теплообменниками, размещенными на наружной поверхности криосорбционных насосов, входы которых сообщены с жидкостным объемом сосуда Дьюара, а выходы с газгольдером, при этом оба криосорбционных насоса расположены в паровом объеме сосуда Дьюара, который соединен посредством вентиля с паровым объемом ванны конденсатора-испарителя.