Устройство управляемой подачи хладагента Российский патент 2023 года по МПК F17C9/02 F25D3/10 

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности, к устройствам для контролируемой подачи сжиженного газа и его паров из сосуда для хранения в термостатируемые объекты или иные, например, камеры замораживания либо другие сосуды для содержания жидкого хладагента.

Известно устройство [www.chem.21/info>info/1267301/Справочник химика 21, Термостатирование при низких температурах, с. 286] для пропускания через термостатируемый кюветодержатель спектрофотометра паров жидкого азота, поступающих из металлического сосуда Дьюара с размещенным в нем нагревателем-испарителем через теплоизолированный трубопровод по сигналу термопары, установленной в кюветном отсеке и управляющей включением -отключением испарителя, поддерживая требуемую температуру. Это устройство предполагает использование в качестве хладагента исключительно паров жидкого азота, в нем отсутствует контроль минимально допустимого уровня жидкого азота в сосуде Дьюара и возможность автоматического сброса давления паров при запредельном его повышении вследствие, например, замыкания в электрической цепи испарителя, что: а) сужает область применения устройства, б) снижает надежность из-за опасности выхода из строя испарителя, не погруженного в жидкий азот, когда уровень его ниже минимально допустимого, в) нарушает безопасность работы с устройством. Известно устройство [Патент. RU №2359167 С2, F17C 9/02, 2009, БИ №17] для перелива жидкого азота из сосуда Дьюара, содержащее заправочную трубку, один конец которой, снабженный испарителем, погружен в сосуд Дьюара, а другой выведен из сосуда через уплотнение в пробке, герметизирующей горловину сосуда Дьюара, и опущен в заправляемую емкость. Недостатками этого устройства является невозможность расширить область его применения, например, на охлаждение объектов образующимся при испарении жидкого азота газом и контролировать процесс переливания. Известно также устройство [Патент. RU №2604045 С1, F17C 9/02, F25D 3/10, 2016], в котором установлен датчик для контроля минимального допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде Дьюара с расположением на погруженном в жидкий хладагент конце питающей трубки, герметизация соединения устройства для подачи хладагента с сосудом Дьюара выполнена при помощи фланца, на котором оно смонтировано, и кольцеобразной герметизирующей прокладки между торцом горловины сосуда Дьюара и посадочным местом во фланце, а также винтового соединения этого фланца с ручками сосуда Дьюара. Однако: а) расположение датчика уровня жидкого хладагента на расстоянии 30-50 мм выше нагревателя увеличивает на эту величину высоту слоя остающегося в сосуде Дьюара жидкого хладагента, уменьшая, следовательно, полезный (использованный) объем хладагента и допустимое время охлаждения или термостатирования; б) расположение всех элементов устройства подачи хладагента на открытом фланце создает неудобства в работе (обмерзание охлаждаемых деталей с последующим оттаиванием и каплепадением, возможность повреждения электровводов), а винтовое соединение этого фланца с ручками сосуда Дьюара делает невозможной быструю, при необходимости, перестановку устройства подачи с опорожнившегося сосуда Дьюара на полный.

В качестве прототипа выбрано устройство [Патент.SU №350216 А1, F25D 3/10, 1972, БИ №26 (прототип)] для подачи хладагента в камеру холода. Оно содержит питающую трубку, один конец которой снабжен нагревателем, размещенным в сосуде Дьюара, а другой соединен с камерой холода (охлаждаемым объектом), в месте выхода трубки из горловины сосуда Дьюара расположено уплотнительное устройство. Стенка трубки в месте, расположенном над поверхностью жидкого хладагента в сосуде Дьюара, имеет отверстие. Недостатками устройства являются: невозможность использования этого устройства для охлаждения объектов, требующих больших расходов жидкого хладагента, по причине маломощности нагревателя; ограниченность величины газового потока, поступающего в объект при термостатировании его газообразным хладагентом, по причине недостаточной пропускной способности предназначенного для этого отверстия в питающей трубке; возможность срыва температурного режима охлаждаемого объекта при опорожнении сосуда Дьюара и выхода из строя нагревателя из-за отсутствия датчика контроля минимально допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде с соответствующей сигнализацией.

Задачей является расширение функциональных возможностей устройства за счет повышения эффективности управления потоками жидкого и газообразного хладагентов и расширения диапазона регулирования их расхода при одновременном повышении надежности и безопасности работы, сокращении времени герметичной установки-съема устройства на сосуд Дьюара, упрощения подключения к охлаждаемому объекту.

Задача решается предлагаемым устройством для подачи хладагента в камеру холода, содержащем питающую трубку, один конец которой снабжен нагревателем-испарителем, размещенным в сосуде Дьюара, а другой соединен с камерой холода (охлаждаемым объектом), в месте выхода трубки из горловины сосуда Дьюара расположено уплотнительное устройство, а стенка трубки в месте, расположенном над поверхностью жидкого хладагента в сосуде Дьюара, имеет отверстие, дополнительно снабженным нормально открытым и нормально закрытым электромагнитными клапанами, теплоизолированным транспортным рукавом, над отверстием в питающей трубке коаксиально расположена герметично соединенная с ней по верхнему краю газовая трубка-коллектор со штуцерами для присоединения электромагнитных клапанов, над газовой трубкой-коллектором расположен выходной штуцер для подключения транспортного рукава, причем отверстие в питающей трубке закрыто подвижной муфтой, выход нормально закрытого электромагнитного клапана связан со штуцером для подключения транспортного рукава, нагреватель выполнен в форме диска, закрытого кожухом с расположенным внутри него в непосредственной близости от нагревателя датчиком минимально допустимого уровня жидкого хладагента, выводы датчика уровня и нагревателя герметично пропущены через верхний обрез питающей трубки, при этом транспортный рукав выполнен легкосменным со смещающимся по осям координат конечным участком, а все остальные конструктивные элементы устройства размещены в заполненном теплоизолированным материалом едином корпусе, через днище которого с центрирующим выступом проходит питающая трубка, герметизируемая по поверхности трубки-коллектора, снабженном быстродействующими замками для уплотнения стыковки устройства с используемым сосудом для хладагента.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана схема устройства, на фиг. 2 устройство в разрезе.

Устройство управляемой подачи хладагента содержит питающую трубку 1, нижний конец которой снабжен нагревателем 2 с защитным кожухом 3, внутри которого рядом с нагревателем и на одном уровне с ним установлен датчик 4 минимально допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде 5 Дьюара, в который они погружены. Нагреватель 2 имеет форму диска, расположенного коаксиально питающей трубке 1, что позволяет уменьшить высоту слоя жидкого хладагента, минимально необходимого для погружения в него нагревателя, и таким образом определить величину минимально допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде Дьюара. В питающей трубке 1 в месте, располагающемся над поверхностью жидкого хладагента, выполнено отверстие 6, диаметр d которого равен внутреннему диаметру транспортного рукава 9, подключаемого к охлаждаемому объекту. Нормально открытый 7 и нормально закрытый 8 электромагнитные клапаны подключены к штуцерам трубки-коллектора 10, расположенной коаксиально питающей трубке 1 над отверстием 6, герметично соединенной с ней в верхней ее части и открытой снизу для связи с газовым пространством над поверхностью жидкого хладагента. Выход нормально закрытого электромагнитного клапана 8, выполняющего также функцию предохранительного, связан со штуцером 11 подключения теплоизолированного транспортного рукава 9, соединяемого с охлаждаемым объектом. Отверстие 6 в питающей трубке 1 перекрыто подвижной муфтой 12 для регулирования пропускной способности отверстия. Через верхний обрез 13 питающей трубки 1 герметично пропущены выводы нагревателя 2 и датчика уровня 4. Транспортный рукав 9 выполнен легкосменным со смещающимся по осям координат конечным участком для облегчения подключения его к охлаждаемому объекту. Длина рукава 9 зависит от размеров используемых сосуда Дьюара и охлаждаемого объекта. При необходимости, например, в условиях ограниченного пространства, к транспортному рукаву 9 может быть присоединен переходник для ввода хладагента под углом к продольной оси входного штуцера охлаждаемого объекта. Основные элементы заявляемого устройства расположены в заполненном теплоизоляционным материалом 14 корпусе, через днище 15 которого проходит питающая трубка 1, герметизированная в нем по поверхности газовой трубки-коллектора 10. На днище 15 предусмотрены кольцевой выступ 16 для центрирования устройства по заправочной горловине сосуда Дьюара и удержания уплотнительного кольца 17 при установке-съеме устройства и быстродействующие замки 18 для пристегивания к ручкам сосуда Дьюара с одновременным сжатием уплотнительного кольца 17. Провода питания электромагнитных клапанов 7 и 8, нагревателя 2 и датчика 4 минимально допустимого уровня жидкого хладагента соединены с расположенным на поверхности корпуса электрическим разъемом 19, связанным с блоком управления (на чертеже не показан). Для обеспечения максимального использования хладагента, содержащегося в сосуде Дьюара, нижний обрез питающей трубки 1 должен располагаться на расстоянии 3-5 мм от днища этого сосуда.

Устройство работает следующим образом. После подключения к блоку управления (на чертеже не показан) через электрический разъем 19 устройство устанавливается на заполненный жидким хладагентом сосуд Дьюара и закрепляется на нем с помощью быстродействующих замков 18, обеспечивающих герметизацию соединения устройство - сосуд Дьюара деформированием уплотнительного кольца 17. При этом для подачи преимущественно газообразного хладагента муфта 12 должна быть передвинута в положение, обеспечивающее требуемую пропускную способность отверстия 6. Изначально нормально открытый клапан 7 открыт, нормально закрытый клапан 8 закрыт, пары хладагента через клапан 7 сбрасываются из сосуда Дьюара в атмосферу. Подключив транспортный рукав 9 к охлаждаемому объекту, включают блок управления и начинают процесс подачи хладагента, автоматически регулируя ее по датчику температуры, уровня жидкости или др. датчику изменением мощности нагревателя 2 либо времени его включения. При этом нормально открытый клапан 7 закрыт и периодически открывается лишь в моменты отключения нагревателя 2, нормально закрытый клапан 8 работает в режиме предохранительного, сбрасывая из сосуда Дьюара давление паров хладагента при несанкционированном его росте. Когда по мере выработки уровень жидкого хладагента в сосуде Дьюара понижается до минимально допустимого значения, датчик 4 выдает сигнал на отключение нагревателя и замену пустого сосуда Дьюара полным. Одновременно снимается напряжение с клапана 7, переводя его в открытое состояние, благодаря чему давление паров хладагента сбрасывается из сосуда в атмосферу, транспортный рукав 9 отключают от охлаждаемого объекта, после чего устройство готово к перестановке на заполненный сосуд Дьюара и к продолжению процесса управляемой подачи хладагента в охлаждаемый объект. Для подачи в объект жидкого хладагента подвижную муфту 12 переводят в положение, полностью перекрывающее отверстие 6 питающей трубки 1, устанавливают устройство на сосуд Дьюара 5, защелкивая на его ручках быстродействующие замки 18, после подключения транспортного рукава 9 к охлаждаемому объекту при нормально открытом положении клапана 7 и нормально закрытом положении - клапана 8 включают блок управления, начиная процесс выдачи хладагента автоматическим закрытием клапана 7 и подачей напряжения на нагреватель 2. После достижения заданных температуры или, например, уровня жидкого хладагента в охлаждаемом объекте по сигналу установленного в нем датчика происходит снятие напряжения с нагревателя 2, открытие клапана 8, вследствие чего пары хладагента сбрасываются из газового пространства сосуда Дьюара 5 в транспортный рукав 9 по линии, соединяющей его с выходом клапана 8. Если отклонение регулируемого показателя (температура и др.) в охлаждаемом объекте выходит за установленные пределы, происходит либо открытие клапана 7 и полное прекращение подачи газообразного хладагента благодаря его сбросу в атмосферу через этот клапан, либо, наоборот, при закрытом клапане 7 закрывается клапан 8, подается напряжение на нагреватель 2 и в охлаждаемый объект опять поступает жидкий хладагент. Процесс подачи хладагента продолжается до момента опорожнения сосуда Дьюара до заданного минимально допустимого уровня и, если необходимо, замены этого сосуда Дьюара полным.

Наличие быстродействующих электромагнитных клапанов и подвижной муфты-регулятора пропускной способности выходного отверстия в питающей трубке дает возможность управлять потоками хладагента, позволяя пользователю с помощью одного устройства вести охлаждение и/или термостатирование объектов либо газообразным, либо жидким хладагентом, изменяя в значительных пределах (до 10 л/час жидкого) скорость их подачи (расхода), что существенно расширяет функциональные возможности устройства. Выполнение нагревателя в форме диска с расположением датчика уровня жидкого хладагента на одном уровне с нагревателем, позволив уменьшить величину минимально допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде Дьюара, увеличивает объем доступного к полезному использованию хладагента и фактическую продолжительность работы системы охлаждения - до замены опорожнившегося сосуда Дьюара полным. Установка датчика минимально допустимого уровня жидкого хладагента в непосредственной близости от нагревателя, подогревающего датчик с момента граничного понижения уровня хладагента, повышает скорость выработки сигнала на отключение нагревателя, необходимость замены сосуда Дьюара и, как следствие, повышает надежность и срок службы предлагаемого устройства. Выполнение нормально закрытым клапаном функции предохранительного защищает сосуд Дьюара в случае недопустимо высокого подъема давления в нем и обеспечивает безопасность работы. Размещение не погружаемых в сосуд Дьюара элементов устройства в едином корпусе и наличие легкосменного транспортного рукава, длина которого определяется расстоянием от центра горловины сосуда Дьюара до входного штуцера охлаждаемого объекта, превращает это устройство в компактный, удобный в обращении и обслуживании инструмент, без труда адаптируемый к стандартным сосудам Дьюара, например, серии СДП, а заполнение корпуса теплоизоляционным материалом и теплоизолирование транспортного рукава исключают обмерзание расположенных в них охлаждающихся частей устройства и неудобства, связанные с последующим их размораживанием. Возможность смещения конечного участка транспортного рукава по осям координат и наличие переходника для ввода хладагента под углом к оси входного штуцера охлаждаемого объекта упрощает соединение-отсоединение его с этим штуцером, облегчая обслуживание. Наличие быстродействующих замков для пристегивания устройства к сосуду Дьюара и кольцевого выступа корпуса для центрирования его по горловине этого сосуда минимизирует время установки устройства на сосуд, не допуская срыва или заметного нарушения температурного режима в охлаждаемом объекте в ходе замены опорожнившегося сосуда Дьюара полным.

Устройство может использоваться для термостатирования образцов, в том числе вращающихся, при спектроскопических исследованиях, в системе охлаждения ЯМР-спектрометров, в низкотемпературной микрокалориметрии, для переливания жидкого азота в лабораторных условиях, для питания камер холода и др. при установке, в частности, на сосуды Дьюара СДП 16/60, СДП 25/60 и др. с диаметром горловины 58 мм.

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности к устройствам для поддержания температурного режима охлаждаемых объектов. Новым в устройстве являются снабжение питающей трубки, коаксиально расположенной и открытой в газовое пространство заполненного сосуда Дьюара, трубкой-коллектором со штуцерами для подключения электромагнитных клапанов управления потоками хладагента, подвижной муфтой-регулятором пропускной способности открытого в газовое пространство сосуда Дьюара отверстия в питающей трубке и соединенным с ней штуцером с подключаемым к нему теплоизолированным транспортным рукавом для передачи хладагента в охлаждаемый объект, а также выполнение нагревателя, расположенного на ее конце, погружаемом в сосуд Дьюара, в форме диска и установка датчика минимально допустимого уровня жидкого хладагента в непосредственной близости от нагревателя. Все основные элементы устройства, кроме транспортного рукава и элементов, погружаемых в сосуд Дьюара, размещены в компактном корпусе. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей устройства при одновременном повышении надежности и безопасности работы, сокращении времени герметичной установки устройства на сосуд Дьюара, упрощении подключения к охлаждаемому объекту. 2 ил.

Устройство управляемой подачи хладагента, содержащее питающую трубку, один конец которой снабжен нагревателем-испарителем и датчиком минимально допустимого уровня жидкого хладагента в сосуде с хладагентом, на горловине которого оно установлено и герметично с ним соединено, а другой присоединен к охлаждаемому объекту, причем трубка в месте, расположенном над поверхностью жидкого хладагента, имеет отверстие, снабжено нормально открытым и нормально закрытым электромагнитными клапанами, теплоизолированным транспортным рукавом, над отверстием в питающей трубке и коаксиально ей расположена газовая трубка-коллектор со штуцерами для присоединения электромагнитных клапанов, а над газовой трубкой-коллектором - штуцер для подключения транспортного рукава, при этом через верхний обрез питающей трубки герметично выведены питающие провода нагревателя-испарителя и датчика уровня, отверстие в ней закрыто подвижной муфтой, а выход нормально закрытого электромагнитного клапана связан со штуцером подключения транспортного рукава, трубка-коллектор в верхней части герметично связана с питающей трубкой, нагреватель выполнен в форме диска, датчик уровня расположен вблизи нагревателя и на одном уровне с ним, а транспортный рукав выполнен легкосменным со смещающимся по осям координат конечным участком и переходником для ввода хладагента под углом к продольной оси входного устройства охлаждаемого объекта, при этом остальные элементы устройства размещены в заполненном теплоизоляционным материалом едином корпусе, через днище которого, снабженное центрирующим выступом и быстродействующими замками для уплотнения стыковки устройства с используемым сосудом с хладагентом, проходит питающая трубка с уплотнением по поверхности трубки-коллектора.