Криостат Советский патент 1988 года по МПК F17C3/00 G05D27/00 

.цилиндрический гелиевый сосуд 3, который выполнен в виде размещенных одна в другой камер 4,5, теплообменник 8, соединенный на входе с верхней частью камеры 4, а на выходе - с за- ливочно-внпарным гелиевым патрубком

10, трубку 14, соединенную с горловиной, к которой подсоединен датчик 16 давления, соединенньш посредством

45

схемы 17 регулирования давления паров гелия в горловине 2 с вентилем 13, подключенным к газгольдеру, и термочувствительный элемент 21, располо-. женньй в горловине 2 и соединенный схемой 22 регулирования уровня жидко го гелия в горловине 2 с вентилем 23, подсоединенным к заливочно-выпарному патрубку 10.. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, может быть использовано для домовременного охлаждения прецизионных сверхпроводящих приборов и устройств и позволяет увеличить ре- ,сурс работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильности поддержания заданной температуры. Криостат содержит подвешенный внутри корпуса 1 на сильфонной горловине 2

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к устройствам для стабилизации низких температур, . к криостату, может быть использовано для долговременного охлаждения прецизионных сверхпроводящих приборов и устройств и являетс усовершенствованием изобретения по авт. св. № 1180640. .

Цель изобретения - увеличение ресурса работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильноети поддержания заданной температуры.

На чертеже представлена блок- схема криостата.

Криостат содержит вакуумируемый герметичный корпус 1, внутри которого подвешен на сильфонной горловине 2 цилиндрический гелиевьга сосуд 3. Последний выполнен в виде размещен- ньас одна в другой камер 4 и 5, Горловина 2 размещена внутри камеры 5 на расстоянии от ее стенок. Кроме того, горловина 2 прикреплена своей нижней частью к днищу камеры 5 и сообщена с внешней камерой 4 с помощью отверстия 6, расположенного по вертикальной оси криостата на границе соединения горловины с днищем камеры 5, Гелиевый сосуд 3 окружен шестью коаксиально расположенными радиационными экранами 7 со змеевико теплообменником 8 из сплющенной трубки. Верхние части 9 всех радиационны экранов 7 последовательно соединены расположенным по всей их поверхности змеевиковым теплообменником 8.Послед НИИ соединен на входе с верхней частью внешней камеры 4, а на выхо-;

5

0

5

0

5

0

5

0

де - с заливочно-выпарньш гелиевым патрубком 10, установленным на верх- . ней части 1. Пространство между корпусом 1 и радиационными .экранами 7 заполнено экранно-вакуумной теплоизоляцией 11 , выполненной в виде iслоев алюминизированной полиэтилен- терофтапатной перфорированной пленки,. Вакуумирование криостата осзтдествля- ется через откачной вентиль 12,, расположенный на верхней части корпу са 1, С верхней частью горловины 2 вентиль 13 соединен посредством , трубки 14j укрепленной во фланце 15, вакуум-плотно соединенном с горловиной 2. К трубке 14 подсоединены соединенные в кольцо регулируемый электромагнитный датчик 16 давления, блок 17 регулирования давления паров гелия в горловине 2 и регулирующий электродинамический вентиль 13, под- ключенный к газгольдеру (не показан). Блок 14 регулирования давления паров гелия в горловине 2 состоит из усилителя 18 переменного тока, синхронного детектора 19 и усилителя 20 мощности. В горловине 2 размещен термочувствительный элемент 21, соеди-. ненный через блок 22 регулирования, уровня жидкого гелия в горловине 2 :с дополнительным регулирующим вентилем 23, также подключенным к газгол - деру. Вентиль 23, кроме того, подсоединен к заливочно-выпарному гелиевому : патрубку 10. При этом термочувствительный элемент 21 выполнен в виде термосопротивления, включенного в одно из плеч измерительного моста 24 переменного тока. Последний подключен к входу усилителя 25 переменного тока, последовательно соединенного с синхронным детектором 26 и усилителем 27 мощности,

К диагонали питания измерительно- го моста 24 подключен одним из выходов генератор 28 опорного напряжения другие выходы которого подключены к датчику 16 давления и к управляющим входам синхронных детекторов 19 и 26

Измерительный мост 24, усилитель 25 переменного тока, синхронный детектор 26 и усилитель 27 морщости входит в состав управляющего блока 22 регулирования уровня в горловине.

Криостат работает следующим образом.

Предположим, что охлаждаемый объект, например сверхпроводящий СВЧ- резонатор, должен быть полностью погружен в жидкий гелий и требуется проведение прецизионньж низкотемпературных исследований в интервале температур гелиевого диапазона (4,2- 2,3 К).

В горловине 2 устанавливается на .заданном уровне охлаждаемый объект и термосопротивление 21. После этого горловина герметизируется с помощью фланца 15, ив криостат заливается жидкий гелий так, что охлаждаемый объект оказывается полностью погруженным в жидкий гелий. А термосопро- тивление 21 располагается вблизи поверхности жидкого гелия (на расстоя- НИИ 2-5 мм от уровня жидкого гелия в горловине 2).

Расположение в криостате термо-

сопротивления 21 выше желаемого урон ня жидкого гелия, но в непосредственной близости с ним позволяет реагировать на малейшие изменения уровня жидкого гелия в горловине 2. После непродолжительного переходного процесса с помощью электромагнитного датчика 16 давления устанавливается заданное давление Р, в горловине 2, которому.соответствует заданная рабочая температура Т, охлаждаемого, объекта:

Р, ё Р„ + ДР

+ p(h, -h.) +4Р. Злюке

(1)

где UP- необходимое превьшление дав

ления в горловине 2; р - плотность жидкого гелия; РО - давление вгазгольдере;

, .10

t5

2025

30 35

. .с

50

;

55

h - максимальный уровень жидкого гелия в камере 4; h, - заданный рабочий уровень

жидкого гелия в горловине 2; ДРц - возможные колебания давления в газгольдере, т.е. датчиком 16 давления задается давление такой величины, чтобы давление в горловине 2 превышало статическое давление столба жидкого гелия в камере 4 и возможную величину колебаний давления в газгольдере.

При заданном давлении Р в горловине 2 сигнал на выходе датчика 16 давления отсутствует. При отклонении давления в горловине 2 от заданного значения на выходе датчика 16 давле ния появляется сигнал, амплитуда . которого пропорциональна величине отклонения давления, а фаза зависит . от знака отклонения давления в датчике 16 и от заданного. Этот сигнал усиливается усилителем 18 и поступает на вход синхронного детектора 19. На выходе последнего вьщеляется сигнал постоянного тока, пропорциональный отклонению давления паров гелия в горловине 2 от заданного Р , который поступает на усилитель 20 мощности. С выхода последнего сигнал поступает на вход вентиля 13, проходное сечение которого изменяется, изменяя расход паров гелия в линии, соединяющей горловину 2 и электродинамический вентиль 13. Таким образом, за счет замкнутой системы регулирования и стаби-;- лизации давления паров, состоящей из элементов 14,16,18 - 20 и 13 удается поддерживать заданным давлением паров гелия в горловине 2. Например, при увеличении давления в горловине 2 относительно заданного значения Р, вырабатывается блоком 17 регулировки давления паров гелия сигнал, увеличивающий проходное сечение вентиля 13, вследствие чего увеличивается расход jnapoB гелия, и давление в горловине 2 уменьшается до заданного.

В предлагаемом криостате, поскольку горловина 2 и камера 4 являются сообщающимися сосудами, установившиеся уровни жидкого гелия в горловине 2 h и в камере 4 h зависят от разности давлений паров в горловине 2 и камере 4, т.е.

(h, - hj.p Р, - Р, , (2)

где h j и h - уровни жидкого гелия в

горловине 2 и камере 4

соответственно; р - плотность жидкого ге-

лия; Р, и Р - давление паров гелия в

горловине 2 и камере 4

соответственно.

При этом в зависимости от. общего количества жидкого гелия в криостате и от выбранного рабочего уровня жидкого- гелия в горловине 2 давление Р может быть как больше (hj : h ), так и меньше Р (h h,), поэтому Р, необходимо устанавливать из условия (), .. .

Однако заданная температура Т,, охлаждаемого объекта даже при постоянстве заданногр давления Р, паров ге- ЛИЯ в горловине 2 изменяется и за счет изменения с течением времени заданного уровня жидкого гелия в горловине 2 в силу его неизбежного выкипа30

35

ния. При этом изменение уровня жидко- 25 измерительньш мост 24 позволяет выра- го гелия в горловине 2 приводит к из- менению теплообмена между криогенной средой (газ, жидкость) и элементами подвески охлаждаемого объекта, что также влечет за собой изменение , пературы охлаждаемого объекта При заданной температуре Т( охлаждаемого объекта термосопротивление 21 R находится тоже при определенной температуре, соответствующей балансировке измерительного моста 24, входящего в состав управляющего блока 22 регулирования Уровня, Изменение уровня жидкого гелия в горловине 2 приводит к изменению сопротивления термосопротивления 2 и, как следствие, к раз- балансировке моста 24, т.е. в блоке 22 регулирования уровня появляется сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного, управляющий работой электродинамического вентиля 23, подключенного к.заливочно-выпарному гелиевому патрубку 10.

Проходное сечение вентиля 23 изменяется, расход паров гелия из внешней камеры 4 изменяется, приводя к изменению давления паров гелия в ней. При этом изменяется уровень гелия во внешней камере 4, приводящей к изменению уровня жидкого гелия в горлови40

45

50

55

ботать сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного значения, который усиливается усилителем 25 переменного тока и поступает на вход синхронного детектора 26. Сигнал постоянного тока, пропорциональньш сигналу разбаланса моста 24, с выхода синхронного детектора 26 поступает на усилитель 27 мощности, а затем на вход вентиля 23, приводящего к изменению давления паров во внешней камере 4,

Таким образом, наличие в предлагаемом криостате взаимосвязанных систем автоматического регулирования и стабилизации давления паров гелия в горловине 2 и уровня жидкого гелия в ней позволяет увеличить ресурс его работы путем обеспечения высокой долговременной стабильности поддержания заданной температуры охлаждаемого объекта, в особенн ости, протяженного по вертикали объекта, за счет одновременной точной компенсации возможных отклонений с течением времени давления паров и уровня жидкого гелия в горловине 2 от заданных величин,

Предлагаемьш криостат позволяет проводить исследования в широком интервале температур, в частности, и в случае нежелательности нахождения исследуемого объекта в жидком гелии. Однако в силу наличия очень высокого

не 2 в силу того, что горловина 2 и внешняя камера 4 являются ,сообщаю11 1- мися сосудами. Этот пропесс происходит до тех пор, пока уровень жидкого

гелия в горловине 2 не изменяется настолькоj что температура термосопротивления 21 достигает прежнего значения. А так как давление паров гелия в горловине 2 остается постоянным, то регулировка уровня жидкого гелия в горловине 2 осуществляется посредством изменения давления паров гелия в камере 4, Например, при повышении температуры термосопротивления 21 за счет уменьшения уровня жидкого гелия в горловине 2 проходное сечение электродинамического вентиля 23 уменьшается, расход паров гелия из камеры 4 уменьшается, давление паров в камере 4 увелит.ивается. При этом уровень жидкого гелия в камере 4 (h) понижается, а уровень жидкого гелия в горловине 2 (h,) повышается. Это приводит к понижению температуры термосопротивления 21 до прежнего значения

Включение термосопротивления 21 в

30

5

5 измерительньш мост 24 позволяет выра-

0

5

0

5

ботать сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного значения, который усиливается усилителем 25 переменного тока и поступает на вход синхронного детектора 26. Сигнал постоянного тока, пропорциональньш сигналу разбаланса моста 24, с выхода синхронного детектора 26 поступает на усилитель 27 мощности, а затем на вход вентиля 23, приводящего к изменению давления паров во внешней камере 4,

Таким образом, наличие в предлагаемом криостате взаимосвязанных систем автоматического регулирования и стабилизации давления паров гелия в горловине 2 и уровня жидкого гелия в ней позволяет увеличить ресурс его работы путем обеспечения высокой долговременной стабильности поддержания заданной температуры охлаждаемого объекта, в особенн ости, протяженного по вертикали объекта, за счет одновременной точной компенсации возможных отклонений с течением времени давления паров и уровня жидкого гелия в горловине 2 от заданных величин,

Предлагаемьш криостат позволяет проводить исследования в широком интервале температур, в частности, и в случае нежелательности нахождения исследуемого объекта в жидком гелии. Однако в силу наличия очень высокого

.7 . 13830458

градиента температуры по высоте гор- .заданной температуры, он дополнительловины вне гелиевого, объема стабиль-но содержит датчик давления паров

ность поддержания заданной температу-гелия в горловине крТйостата с блоком

ры исследуемого объекта ниже, чемрегулирования, термочувствительный

в описанном случае, а термосопротив-элемент, размещенный в горловине,

ление 21 располагается рядом с иссле-второй вентиль, подсоединенный к задуемым объектом или крепится прямоливочно-выпарному гелиевому патрубку,

на нем.и блок регулирования уровня жидкого

Формула изобретения в горловине, при этом блок регулирования давления паров гелия в

Криостат по авт.св. № 1180640,горловине криостата соединен с перв ым

отличающийся тем, что,вентилем, а термочувствительный

с целью увеличения ресурса работыэлемент соединен последовательно с

за счет обеспечения высокой и долго- сблоком регулирования уровня жидкого

временной стабильности поддержаниягелия в горловине