Способ получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного Советский патент 1985 года по МПК F25J1/02 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к области применения сверхнизких температур, и может быть использовано для эффективного охлаждения различных объектов, усройств, а также при проведении научных исследований.

Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим процессом теплообмена с охлаждающим гелием 1.

Недостатками данного способа являются невозможность получения температуры, близкой к 1 К и ниже, и низкая экономичность. Указанные недостатки обусловлены тем, что к емкости со сверхтекучим гелием при температуре 2 К имеется непрерывный теплоприток с гелием, подаваемым из ванны, где его температура выще 2,17 К, а для получения сверхтекучего гелия с температурой К необходимо бесконечное вакуумирование или установка рефрижератора растворения, что нереально из-за большой сложности и малой холодопроизводительности, а также невозможности при этом получить сверхтекучий гелий под давлением.

Известен способ получения сверхтекучего гелия под давлением, включащий закачку жидкого гелия в емкость с последующим его охлаждением 2.

Недостатками этого способа также являются невозможность получения гелия с температурой в 1 К и низкая экономичность, что обусловлено ограниченными возможностями вакуумного оборудования, производительность которого должна быть при этом чрезвычайно -велика с больщим потреблением энергии, что невозможно осуществить, а колебания давления и вибрации системы, связанные с работой насоса, нарушают условия эксперимента.

Цель изобретения - понижение темпепературы сверхтекучего гелия под давлением и повышение экономичности процесса.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения сверхтекучего гелия под давлением выше равновесного, включающему подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обеспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения, затем понижают давление в емкости.

На чертеже изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Ванна 1 с жидким гелием соединена линией закачки 2 с запорным вентилем 3 с емкостью 4, снабженной вакуумной рубащкой 5, которая соединена с криосорбционным устройством б, содержащим нагревательный

элемент 7 и изоляцию 8. Емкость 4 и криосорбционное устройство 6 размещены в емкости 9, заполненной охлаждающим гелием, и все это находится в криостате 10. Емкость 4 соединена с дроссельным вентилем 11, а емкость 9 соединена с вакуумным насосом 12.

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкий гелий из ванны 1 закачивают по линии 2 через вентиль 3 в емкость 4 до такого давления, которое обспечивает его кристаллическое состояние после охлаждения ниже критической температуры. Температуру охлаждающего гелия в емкости 9 понижают откачкой паров, равновесных этому гелию, вакуумным насосом 12, при этом интенсифицируют теплообмен между гелием в емкости 4 и 9 путем нагрева нагревательного элемента 7 криосорбционного устройства б,что снижает степень вакуума в вакуумной рубашке 5 и создает возможность совершенного процесса теплообмена. Жидкий гелий в емкости 4 кристаллизируется, а вентилем 3 отсекают закачку гелия в емкость 4, что прекращает теплопритоки с поступающим гелием. Затем выключают нагревательный элемент 7, криосорбционное устройство 6 охлаждается, повышая степень вакуумирования в вакуумной рубашке 5, размыкается тепловой мост между гелием в емкостях 4 и 9, снимая процесс теплообмена между

ним. Открывают дроссельный вентиль 11 и понижают давление в емкости 4 кристаллический гелий испаряется и плавится. За счет скрытой теплоты плавления гелия температура его понижается до 1 К-0,8 К, а давление гелия в емкости 4 выше равновеского, что очень важно для проведения исследований. При этом всю систему отключают, закрывают вентиль 11 и проводят эксперимент без посторонних искажений. Пример. Внутри криостата 10 располагают специальный металлический сосуд емкостью 10 л с вакуумной рубащкой 5. Если обеспечить, возможность подачи во внутреннюю полость этого сосуда жидкого гелия по линии закачки 2 с вентилем 3, то такая система может обеспечить проведение

экспериментов при температурах ниже 1 К. Для этого заправляют жидким гелием при атмосферном давлении как сам криостат 10, так и размещенный внутри него сосуд 4. Последний можно заправлять через отдельный трубопровод, способный выдерживать

давление 4,0 МПа (такое же давление должна выдерживать емкость 4). Давление в вакуумной изоляции емкости 4 может изменяться тем или иным способом - нагревом или охлаждением криосорбционного устройства 6 или другим вакуумным устройством. После заполнения гелием криостата 10 и емкости 4 в вакуумной изоляции последнего устанавливается давление 10 торр, что обеспечивает эффективный теплообмен между гелием в емкости 4 и омывающим его гелием, заполняющим криостат 10. После этого давление в емкЬсти 4 поднимают до 3,0 МПа за счет наддува через трубку малого сечения с вентилем 11, соединяющую внутреннюю полость емкость 4 с источником газообразного гелия высокого давления. Перед наддувом вентиль 3 закрывают. Затем начинают откачку паров гелия насосом 12 из паровой подущки криостата 10, что приводит к понижению в нем температуры. В результате теплообмена понижается также и температура гелия внутри специального сосуда в то время, как давление в нем остается постоянным и равным 3,0 МПа, так как вентиль наддува 11 на трубопроводе остается открытым. По достижении в емкости 4 температуры 1,76 К начинается кристаллизация (замерзание) гелия в нем. По окончании кристаллизации идет дальнейшее понижение температуры как гелия в криостате 10, так и гелиевого льда в емкости 4. Qxлаждение проводится до тех пор, пока температура не стабилизируется на некотором уровне, определяемом с одной стороны объемной производительностью насоса 12, а с другой теплопритоками из окружающей среды, для насоса НВЗ-150 и криостата КГ-60/300 в хорошем состоянии эта температура -1,3 К-. По достижении этой температуры давление в вакуумной рубашке 5 понижают до в результате чего твердый гелий в специальной емкости 4 оказывается теплоизолированным от гелия в криостате 10. Затем снижают давление над твердым гелием до желаемой величины 1,0 МПа, что осуществляется путем снижения давления на входе в трубопровод наддува. В результате твердый гелий внутри специальной емкости 4 оказывается в условиях, когда он не может существовать в твердом виде и должен перейти в жидкое состояние, покольку при давлении ниже 2,5 МПа и сколь угодно низких температурах может существовать только жидкий гелий. С другой стороны, гелий в емкости 4 после понижения давления изолирован в тепловом отношении, так что теплота плавления может отниматься лищь от самого этого гелия. Таким образом, в результате плавления гелия температура образовавщейся жидкости и оставшегося льда непрерывно понижается до тех пор, пока не расплавится весь лед. Снижение температуры при плавлении льда тем больще, чем больше теплота плавления и ниже теплоемкости системы. Теплоемкость жидкого гелия и теплота плавления гелиевого льда в области температур ниже 2,17 К в очень сильной степени зависят от температуры, причем обе эти величины с понижением температуры резко падают. Таким -образом, для определения температуры при плавлении или иной части льда необходимо весь диапазон темперйтур разбить на достаточно малые отрезки, на которых теплоемкость и теплоту плавления можно принять постоянной, в данном примере для простоты ограничимся разбивкой на участки в 0,1 К и примем теплоемкость льда равной теплоемкости жидкости. Тогда долю льда, который должен быть расплавлен для достижения температуры на ,1 К ниже исходной, можно определить, исходя из условия MQ , где М - исходная массла льда; Cj - теплоемкость жидкого гелия (теплоемкость твердого и жидкого гелия принимают равными, так что М в правой части уравнения не зависит от соотношения льда и жидкости на данном этапе плавления); г - теплота плавления льда; X - доля льда, которая должна .быть расплавлена для снижения темпепературы на ,1 К. Исходная температура, при которой весь гелий находится в твердом состоянии 1,3 К, для определения доли льда, которую необходимо расплавить для получения температуры 1,2 К, в уравнение подставляются теплота плавления при 1,25 К ,2 кДж/кг и теплоемкости жидкости при той же температуре ,3 кДж/кг X,,l4i- 0,15 , IJjfc Таким образом, при плавлении 15% льда образуется льдо-жидкостная смесь с температурой 1,2 К. Для снижения температуры до 1,1 К дополнительно необходимо расплавить ,1, ,2, zЧ1 где Cs2 и Га - теплоемкость и теплота плавления при 1,15 К. Для снижения температуры до 0.9 К потребуется еще дополнительно расплавить долю льда, равную 0,5 (AT для сокращения возьмем 0,2 К). ,2, 0,5, где Cs3 и Гз - теплоемкость и теплота плавления при 1 К. Таким образом, расплавив 85% льда. получают смесь сверхтекучего гелия со льдом

5

при 0,9 К и 1,0 МПа. При этом оставшиесяоставшиеся 15% составят 0,2 кг, т. е. в

15% льда позволяют провести в этих уело-эксперименте может быть выделено 4 Дж.

ВИЯХ эксперименты с общим тепловыделе-Использование предлагаемого способа

нием, равным теплоте плавления этого льда.позволяет получать сверхтекучий гелий под

Теплота плавления при 0,9 К равнадавлением значительно выше равновесного

0,02 кДж/кг, Если располагают 10-литро-5 и при 1 К и ниже, исключает влияниеколебавым сосудом 4, то исходное количество льда вния давления и вибрации от вакуума насоса,

нем должно быть равно 1,4 кг, так чтоповышает экономичность процесса.

1139945

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫШЕ РАВНОВЕСНОГО, включающий подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, отличающийся тем, что, с целью понижения температуры гелия и повыщения экономичности процесса, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения и затем понижают давление в емкости. СА: ;о :о 4 сд