Устройство для установки сосудов Советский патент 1983 года по МПК F17C13/08 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в криостатах для жесткого фиксирования емкостей с хладагентом.

Изобретение направлено на создание устройства для жесткой фиксации отдельных узлов в конструкциях, -в которых по условиям работы возникают большие перепады температур между отдельными элементами этих конструкций, в которых большой теплоприток к узлу, закрепленному устройством (фиксатором), совершенно недопустим и в которых также нежелательно появление тепловых напряжений.

Известно устройство для установки сосудов, позволяющее увеличивать жесткость фиксации криогенной емкости в криостатах. Оно содержит несколько распорных цилиндрических элементов, между которыми натянуты перекрещивающиеся растяжки, соединенные в центрах перекрещивания втулками. При этом каждая пара противоположных растяжек установлена под углом, определяемым коэффициентами линейного расширения материалов растяжек и распорных элементов 1.

Недостатком такого устройства является то, что с увеличением нагрузки, действующей на растяжки, приходится увеличивать и их сечение, что ведет к увеличению по ним теплопритока в емкость с хладагентом, т. е. эти подвески хороши и достаточно экономичны (малотеплопроводны) при небольших внешних нагрузках (примерно до 50-60 кг).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для установки сосудов, содержащее концентрично размещенные кольца с радиальными отверстиями, расположенными равномерно по их периметру и соединенные с кольцами стержни, которые выполнены в виде трубок, вставленных одна в другую и выполняющие роль демпфера температурных напряжений 2.

Недостатком известного устройства является его низкая прочность, обусловленная тем, что под действием внешней нагрузки в стержнях возникают напряжения изгиба, а также тем, что при охлаждении устройства в его стержнях появляются тепловые напряжения. Кроме того, устройство характеризуется низкой жесткостью его конструкции, обусловленной тем, что под действием внешней нагрузки в длинных тонкостенных трубках стержней (демпфирующих элементах) возникают изгибающие усилия. Особенно низкая прочность и жесткость наблюдается при действии постороннего крутящего момента.

Целью изобретения является повышение надежности за счет увеличения жесткости и прочности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для установки сосудов, содержащее концентрично размещенные кольца

с радиальными отверстиями, расположенными равномерно по их периметру и соединенные с кольцами стержни-, снабжено рамой, установленной между кольцами, и кольца снабжены штифтами, установленными в их отверстиях с возможностью перемещения, при этом свободные концы штифтов внутреннего кольца шарнирно соединены между собой посредством серег, размещенных вокруг внутреннего кольца на расстоянии от него, и каждый щтифт наружного кольца и два диаметрально расположенных штифта внутреннего кольца шарнирно соединены с парой стержней, которые противоположными концами шарнирно соединены с вершинами углов рамы.

На фиг. 1 изображен общий вид фиксатора в плане; на фиг. 2 -центральная часть фиксатора в плане до его охлаждения; на фиг. 3 - центральная часть фиксатора в плане после его охлаждения; на фиг. 4 - серьга; на фиг. 5 - разрез по оси криостата с устройством, вид сверху; на фиг. 6 - криостат, продольный разрез.

Устройство содержит наружное кольцо 1 с равномерно расположенными по его периметру и радиально направленными отверстиями, в которые свободно вставлены щтифты 2. Каждый штифт 2 одним своим концом шарнирно связан с двумя одинаковыми по длине стержнями 3, противоположные концы стержней 3 также шарнирно связаны с вершинами углов жесткой рамки 4, помещенной внутри кольца 1. В центре кольца 1 расположено. внутреннее кольцо 5 с равномерно размещенными по ее периметру и радиально направленными отверстиями, в которые свободно вставлены четыре штифта 6, свободные концы которых между собой шарнирно связаны через серьги 7, охватывающие кольцо 5 с зазором по ее периметру. При этом концы двух противоположно расположенных в кольце 5 штифтов 6 дополнительно шарнирно связаны каждый с парой стержней 8, которые, в свою очередь, противоположными концами шарнирно связаны с вершинами углов жесткой рамки 4.

Стержни 3 и 8 изготовлены из тонкостенных труб с малой теплопроводностью, например из стали 12Х18Н10Т.

Жесткая рамка 4 для удобства монтажа может быть выполнена из двух одинаковых половин, скрепленных между собой по плоскости разъема винтами 9.

В случае необходимости, например в гелиевых криостатах, если кольцо 1 установлено в криостате на теплой стенке его наружного корпуса, стержни 3 фиксатора, для уменьшения по ним теплопритока в хладагент, в своей средней части контактируют с азотным сосудом.

Устройство работает следующим образом.

При охлаждении устройства во время заливки криостата хладагентом стержни

3 и 8, охлаждаясь, сокращаются и вытягивают из кольца 1 и кольца 5 все штифты 2 и 6, соединенные непосредственно с этими стержнями, в то же время два штифта 6, .соединенные только с серьгами 7, из-за сокращения стержней 8 через эти серьги 7 получают перемещение к центру кольца 5. Таким образом видно, что любое изменение температуры отдельных элементов не вызывает в них никаких тепловых напряжений, а вызывает только изменение длин стержней 3 и 8 с соответствующим поворотом их вокруг осей шарниров и незначительную подвижку штифтов 2 и 6 в отверстиях кольца 1 и кольца 5, при этом взаимное расположение центров кольца 1 и кольца 5 (их центровка) остается неизменным.

Устройство способно воспринимать постороннюю нагрузку от возникающих внешних усилий, действующих в плоскости устройства. Если постороннее усилие действует на кольцо 5 в горизонтальном направлении, то оно воспринимается вертикальны1ЙИ щтифтами 6 и через серьги 7 передается на стержни,

Если же постороннее усилие действует на кольцо 5 в вертикальном направлении, то оно воспринимается горизонтальными штифтами 6 и через них также передается на стержни.

Напряжения поперечного изгиба в стержнях 3 и 8 не возникают, так как стержни эти соединены между собой с рамкой 4 щтифтами 2,6 и серьгами 7 шарнирно.

Продольный изгиб в стержнях 3 и 8 также отсутствует, так как, как показывают расчеты, при тех геометрических размерах стержней (I - длина, d - наружный диаметр, & - толщина стенки трубки), при которых общий теплоприток по ним в.хладагент для нас вполне приемлем (для гелиевого криостата этот теплоприток составляет Q 0,05 Вт) напряжения сжатия и растяжения в стержнях 3 и 8, вызванные внешней нагрузкой, достигают предела текучести раньше, чем наступает продольный изгиб.

Таким образом, внешнее усилие, действующее на устройство, вызывает в его стержнях только сжимающие и растягивающие напряжения.

Отсутствие деформаций изгиба в стержнях 3 и 8 значительно увеличивает жесткость и позволяет использовать стержни из тонкостенных трубок, что очень важно для уменьщения теплопритока по стержням 3 и 8 в хладагент.

При отсутствии деформации изгиба в стержнях 3 и 8 смещение центра кольца 5 под воздействием постороннего усилия может произойти только за счет упругих деформаций сжатия или растяжения его стержней

3 и 8, а также за счет зазоров в штифтах 2 и 6 и в осях его шарниров. Но эти деформации и зазоры бывают всегда незначительны.

Устройство может быть использовано в криостатах в качестве самостоятельной подвески криогенной емкости, где 10 - наружный корпус криостата, П- криогенная емкость (например азотная), 12 - вакуумная изоляция, 13 - стержни, закрепленные на криогенной емкости свободным концом, свободно входящие в кольцо 5,14 - устройство для установки сосудов.

Согласно расчету, если жестко закре|1 ть криогенную емкость 11 в подобном криостате одинакового размера подвесками, то при примерно равном теплопритоке в хладагент по подвескам в криостате с подвесками и по стержням устройства в криостате с устройством и при условии, что матеQ риал стержней и подвесок- одинаковый, криостат с устройствами способен воспринимать постороннюю нагрузку в вертикальном и горизонтальном направлениях примерно в 2 раза больше, чем криостат, в котором криогенная емкость закреплена подвеска5 ми.

Устройство может быть также использовано и для увеличения жесткости трубной подвески в криостатах, где 14 - устройство, 15 - наружный корпус, 16 - гелиевая емкость, 17 - соленоид, 18 - азотный

бачок, 19 - азотный экран, 20 - тепловая труба, 21 - трубная подвеска гелиевой емкости, 22 - сгержень, жестко укрепленный на гелиевой емкости и свободно входящий в кольца 5.

5 В спроектированном и изготовленном в ИПФ АН СССР гелиевом криостате с трубной подвеской установлено устройство со следующими параметрами:

наружный диаметр кольца I - 240 мм; Q внутренний диаметр кольца 5 - 35 мм;

стержни 3 и 8 изготовлены из трубки 6X0,2 12 Х18Н10Т ГОСТ 10498-63;

устройство способно, выдержать нагрузку до F 100 кг; при этом нап|ряжения сжатия и растяжения в стержнях б 1150 кг/мм 5 величина отклонения стержня в месте его опоры под воздействием силы F 100кг, приложенной по оси соленоида с учетом зазоров в штифтах 2 и 6 и в осях шарниров, т. е. жесткость А - 0,1 мм;

теплоприток по стержням в гелиевую 0 емкость Q 0,05 Вт,

теплоприток по стержням в азотный бачок QN2 4,7 Вт,

для уменьшения теплопритока по стержням 3 и 8 в гелиевую емкость 16 стержни 3 в своей средней части замыкаются на азот.

УСТРОЙСТВО -ДЛЯ УСТАНОВКИ СОСУДОВ, содержащее концентрично размещенные кольца с радиальными отверстиями, выполненными равномерно по их периметру, и соединенные с кольцами стержни, отличпющееся тем, что, с целью повышения надежности за счет увеличения жесткости и прочности устройства, оно снабжено рамой, установленной между кольцами, и кольца снабжены штифтами, установленными в их отверстиях с возможностью перемещения, при этом свободные концы штифтов внутреннего кольца шарнирно соединены между собой посредством серег, размещенных вокруг внутреннего кольца на расстоянии от него, и каждый штифт наружного кольца и два диаметрально расположенных штифта внутреннего кольца шарнирно соединены с парой стержней, которые противоположными концами щарнирно соединены с вершинами углов рамы. (Л со 4 ийь

9иг.5

Л

Фиг.б