Криостат Советский патент 1988 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к криоген- ной технике и касается изолированных сосудов для сжижения газов, предназначенных для криостатирования различных устройств, а также для хранения и транспортировки криогенных жидкостей.

Целью изобретения является снижение потерь криогенной жидкости путем уменьшения теплопритоков„

На фиг. 1 изображен криостат, общий вид; на фиг. 2 - схема емкости для отбора паров криогенной жидкости; на фиг. 3 - фрагмент T-S диаграммы, характеризующий работу криостата

Криостат содержит камеру 1 для размещения объекта 2, Снаружи камеры 1 установлены радиационные экраны

с азотной емкостью 7 подвешен к теплоизолирующему кожуху 3 с помощью тонкостенных трубок 19, которые слу- жат для заливки жидкого азота в азотную емкость 7 и дренажа паров испаряющегося азота. Камера 1 для размещения объекта 2 и установленные снаружи ее радиационные экраны 4 и 5

10 закреплены один относительно другого и относительно экрана 6 растяжками 20, Емкости 17 и 18 для отбора паров криогенной жидкости посредством тяг 21 соединены с идентичными

15 тормозными механизмами 22 и 23, установленными на теплоизолирующем кожухе 31. Регулирование работы тормозных механизмов осуществляет блок управления (не показан). Для свободи теплоизолирующий кожух 3. Количест-20 ного перемещения тяг 21 в экранах во радиационных экранов определяется предусмотрены отверстия, а с

целью снижения теплопритоков, поступающих из-за теплопроводности тяг 21 к емкостям 17 и 18 для отбора паров 25 криогенной жидкости, указанные тяги

конкретной конструкцией криостата, в описываемом криостате камера 1 для размещения объекта 2 окружена двумя радиационными экранами 4 и 5,

с радиационными экранами 4 и 6 имеют тепловые контакты 24, выполненные, например, в виде теплопроводных силь- фонов, Вакуумирование криостата осуществляется через вентиль 25, установленный на теплоизолирующем кожухе 3,

окруженными, в свою очередь, экраном 6, охлаждение которого производится вследствие испарения жидкого азота, помещенного в азотную емкость 7, выполненную заодно с экраном 6,

Камера 1 для размещения объекта 2 снабжена патрубком 8 подвода криогенной жидкости и патрубком 9 отвода паров о Патрубок 8 подвода криогенной жидкости служит для заливки камеры 1 для размещения объекта, а патрубок 9 отвода паров - для выпуска паров. Патрубок 9 отвода паров имеет тепловые контакты 10 с радиационными экранами 4 и 5. Патрубок 8 подвода криогенной жидкости снабжен отсечньм клапаном II, а патрубок 9 отвода паров - .дозирующими клапанами 12,13,14, управление которыми в процессе работы производят при помощи автоматического устройства (не показано), Между дозирующими клапанами 12 и 13, а также 13 и 14 патрубок 9 отвода паров соединен участками трубопроводов 15 и 16 с емкостями 17 и 18 для отбора паров криогенной жидкости, установленными на соответствующих радиационных экранах 5 и 4 с обеспечением теплового контакта с последнимио С помощью описанной арматуры осуществляют заполнение и опорожнение идентичных емкостей 17 и 18 для отбора паров криогенной жидкости (фиг, 2), Экран 6

с азотной емкостью 7 подвешен к теплоизолирующему кожуху 3 с помощью тонкостенных трубок 19, которые служат для заливки жидкого азота в азотную емкость 7 и дренажа паров испаряющегося азота. Камера 1 для размещения объекта 2 и установленные снаружи ее радиационные экраны 4 и 5

закреплены один относительно другого и относительно экрана 6 растяжками 20, Емкости 17 и 18 для отбора паров криогенной жидкости посредством тяг 21 соединены с идентичными

тормозными механизмами 22 и 23, установленными на теплоизолирующем кожухе 31. Регулирование работы тормозных механизмов осуществляет блок управления (не показан). Для свобод0

5

0

5

0

5

с радиационными экранами 4 и 6 имеют тепловые контакты 24, выполненные, например, в виде теплопроводных силь- фонов, Вакуумирование криостата осуществляется через вентиль 25, установленный на теплоизолирующем кожухе 3,

Емкости 17 и 18 для отбора паров криогенной жидкости (фиг, 2) выполнены в виде сильфона 26, один конец которого закрыт заглушкой 27 с гидравлическим трактом 28 и прикреплен к верхней части радиационного экрана 5 или 4, а другой - жестко соединен с кромками стакана 29, размещенного внутри сильфона 26, образуя рабочую полость, и установлен с возможностью перемещения под действием сил внутреннего давления, при этом дно стакана 29 соединено посредством тяги 21 с тормозным механизмом 23 или 22, Внутренняя полость стакана 29 снабжена пружиной 30,

Криостат работает следующим образом.

В камеру 1 для размещения объекта помещают криостатируемый объект 2, Через вентиль 25 производят откачку внутреннего объема теплоизолирующего кожуха 3, заполняют азотную емкость 7 жидким азотом. После этого производят заливку жидкого гелия в камеру 1 через сифон, устанавливаемый в патрубок 8 подвода криоген15

20

25

ной жидкости, при этом дозирующие клапаны 12,13,14 и отсечной клапан 11 открытые После заливки жидкого гелия в камеру 1 сифон удаляют, отсечной клапан 11 закрывают. После стабилизации температурного режима в камере 1 дозирующие клапаны 13 и 14 закрывают, В этот момент объем рабочей полости емкости 18 для отбора д паров минимален (т.е. сильфон 26 сжат). Затем посредством тяги 21 тормозным механизмом 23 производят увеличение объема рабочей полости емкости 18 до максимальной величины, при этом сильфон 26 увеличивается по длине, а пружина 30 сжимается. После того как рабочая полость емкости 18 (при ее максимальном объеме) заполнится холодными парами криогенной жидкости из камеры 1, дозирующий клапан 12 закрывают, тормозным механизмом 23 снимают усилие с тяги 21, и под действием усилия пружи- ны 30 стакан 29 перемещается относительно заглушки 27, В это время уменьшается длина сильфона 26 и происходит процесс адиабатического сжатия паров криогенной жидкости, так как сокращение объема рабочей полости емкости 18 происходит в течение долей секунды и в результате этого при сжатии теплоподвод к парам криогенном жидкости, находящейся в рабочей полости практически отсутствует. Жесткость пружины 30 выбирают исходя из того, чтобы усилие, оказываемое пружиной 30 на днище стакана 29 при отсутствии усилия от тяги 21, было достаточным для адиабатического сжатия паров криогенной жидкости, находящихся в рабочей полости. Величину сжатия выбирают такой, чтобы температура паров криогенной жидкости в момент окончания сжатия была равной заданной температуре экрана, на ко- тором установлена емкость для отбора паров криогенной жидкости (фиг. 3, кривая 0-1)о Например, при сжатии паров гелия, имеющих первоначальную

30

35

40

При этом пары криогенной жидкости производят работу посредством пер дачи усилия тягой 21 на тормозной механизм 23, В это время допускае некоторое падение температуры пар в рабочей полости емкости 18, напр мер на 1 Ко При достижении заданн го падения температуры паров перем щение тяги 21 стопорится тормозным механизмом. Далее происходит проце изохорического нагрева пара, наход щегося в рабочей полости емкости (фиг. 3, кривая 3-4). Процесс адиа батического расширения - изохорног нагрева паров в рабочей полости ем кости 18 циклически повторяется, причем с последующим циклом объем рабочей полости емкости 18 скачкоо разно увеличивается Процесс продо жается до момента, когда объем рабочей полости емкости 18 становитс максимальным, а температура и давл ние паров в рабочей полости соотве ствуют точке 2 на фиг 3.

После окончания процесса расшир ния производят передавливание паро криогенной жидкости из емкости 18 в емкость 17. Количество тепла, от веденного парами криогенной жидко ти, равно площади под кривой 1-3-4 5...2.

Конструкция криостата позволяет более эффективно использовать хлад содержание паров криогенной жидкос для уменьшения теплопритоков, так как большая часть тепловой энергии поступающей на радиационный экран извне, на котором установлена емкость для отбора паров криогенной жидкости, преобразуется в рабочей полости емкости в механическую энер гию и расходуется на совершение внешней работы тормозным механизмом

Формула изобретени

Криостат, содержащий камеру для размещения объекта, установленные снаружи камеры радиационные экраны

температуру 4,5 К и давление 1 кг/см ,50 и теплоизолирующий кожух, патрубки

15

20

5

д

0

5

0

При этом пары криогенной жидкости производят работу посредством передачи усилия тягой 21 на тормозной механизм 23, В это время допускается некоторое падение температуры паров в рабочей полости емкости 18, например на 1 Ко При достижении заданного падения температуры паров перемещение тяги 21 стопорится тормозным механизмом. Далее происходит процесс изохорического нагрева пара, находящегося в рабочей полости емкости 18 (фиг. 3, кривая 3-4). Процесс адиабатического расширения - изохорного нагрева паров в рабочей полости емкости 18 циклически повторяется, причем с последующим циклом объем рабочей полости емкости 18 скачкообразно увеличивается Процесс продолжается до момента, когда объем рабочей полости емкости 18 становится максимальным, а температура и давление паров в рабочей полости соответствуют точке 2 на фиг 3.

После окончания процесса расширения производят передавливание паров криогенной жидкости из емкости 18 в емкость 17. Количество тепла, отведенного парами криогенной жидкости, равно площади под кривой 1-3-4- 5...2.

Конструкция криостата позволяет более эффективно использовать хладо- содержание паров криогенной жидкости для уменьшения теплопритоков, так как большая часть тепловой энергии, поступающей на радиационный экран извне, на котором установлена емкость для отбора паров криогенной жидкости, преобразуется в рабочей полости емкости в механическую энергию и расходуется на совершение внешней работы тормозным механизмом.

Формула изобретения

Криостат, содержащий камеру для размещения объекта, установленные снаружи камеры радиационные экраны

Изобретение относится к области, криогенной техники, касается изолированных сосудов, предназначенных для хранения и транспортировки криогенных жидкостей. Цель изобретения - снижение потерь криогенной жидкости : за счет уменьшения теплопритоков. Изобретение заключается в использовании хладосодержания отдельных порций паров, криогенной жидкости для охлаждения газоохлаждаемых радиационных экранов. Пар криогента адиабатически сжимают в емкости для отбора паров криогенной жидкости до достижения им заданной температуры- экрана, затем изотермически расширяют с совершением внешней работы или предварительно адиабатически сжатый пар адиабатно расширяют с совершением внешней работы и изохорно нагревают. Цикл расширение - нагревание осуществляют многократно до наступления равенства давления паров в рабочей полости заданному давлению выпуска Кроме того, предусмотрено также адиабатическое сжатие пара и расширение путем периодического выхлопа части его. 3 ил. i сл

температура 15 К достигается при сжатии до 24 кг/см « После процесса адиабатического сжатия паров криогенной жидкости в рабочей полости емкости 18 посредством скачкообразного увеличения объема сильфона 26 происходит процесс адиабатического расширения (фиг„ 3, кривая 1-3).

подвода криогенной жидкости в камеру и отвода паров из камеры, о т- лича ю. щийся тем, что, с целью снижения потерь криогенной жидкости за счет уменьшения теплопритоков, он снабжен емкостями для отбора паров криогенной жидкости, ус- тановленньми на радиационных экра8 г О // /4 2