Криорефрижератор на гелии п Советский патент 1989 года по МПК F17C3/08 

СП

to

со

Изобретение относится к криогенной технике, предназначено для термостатирования объектов, работающих при температурах ниже 2,17К, и позволяет повысить надежность за счет стабилизации теплоотвода. Криорефрижератор имеет системы азотной и гелиевой тепловой защиты, а также системы, предназначенные для подвода жидкого гелия и откачки его паров. Получение температур ниже 2,17К производится путем вакуумной откачки парового пространства в криостате. При температуре 2,17К происходит λ - переход в гелий I с образованием сверхтекучей и сверхтеплопроводной фазы (гелий II). Для криостабилизации охлаждаемого объекта - односторонне заглушенного канала - внутрь него подается гелий II. Внутри криостатируемого объекта, сообщающегося с жидким гелием II через пористую вставку со значительными размерами пор (более 10^-4 см), расположен дополнительный трубопровод, выполненный из нетеплопроводного материала, сообщающийся с одного конца с полостью криостата, содержащей гелий II и имеющий на противоположном конце вставку в поперечное сечение в виде пористого элемента с порами размером не более 10^-4 см, находящуюся вблизи для криостатируемого объекта. Благодаря такому конструктивному выполнению криорефрижератора повышается надежность его работы, что обеспечивается непрерывной циркуляцией гелия II внутри криостатируемого объекта. При этом стабилизируется теплоотвод от внутренней стенки объекта за счет предотвращения обратного перехода гелия II в гелий I. 2 ил.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в устройствах, работа О 1их в области температур от 2.17К и шже.

На фиг. 1 показано 1редлагаемое устройство, вид; на фиг. 2 - то же, при горизо 1та. 1ьном расположении теплообменника канала.

Устройство содержит криостат I, оторь й, в свою очередь, помещен в промежуточнь(| С(,)суд 2 ZIbioapa, за 1олнсн 1ый жидки.м гс . Оба ти сосуда разме иены В 1утри наружно о . Дьюара с жидким a.-io том.

Гелий II находится в верхней части криостата 1, которая с помощью тег лоизоля- циоиной перегородк 4 отделена от нижней части, в KOTOpoit находится криостатируемый обьект 5 и исгочник 6 теп.повыде,ичп|й.

Гелий II в криостат 1 U) из промежуточной е.мкости 7, имеющей тое , выно. 1з материала с размерами пор менее 10 см, разме ие 1- ной в теплой чо,1Я и1 1Нной 8.

Через ьту крышку г роходят Tj u xjnpoBiK U i 9 и 10 для подпитки ге,1ием как 1ромежуточной емкости 7, так и сосуда 2.

а также трубопровод 11, через который производится вакуумирование криостата 1.

Криостат 1 и сосуд 2 соединены трубопроводом 12 с хранилищем 13 жидкого гелия и (. вакуум-насосом 14, служащий для Hii iih ibHor о вакуумирования системы. Вакуум-насос 15 служит для откачки паров гелия и:( криостата 1 и сосуда 2 в режиме стационарного криостатирования и для предварительного вакуумирования полости 16 через трубопровод 17. Все трубопроводы имеют вентили 18 25.

Внут|)и полости 16 помещен криостатируе- мый обТ)СК1 5, выполненный в виде стакана. Ве;).хняя часть стакаиа размещена в полости 26 с жидким гелием II. Внутреннее простраиство объекта 5 отделено от по- .1ОСТИ 26 пористой вставкой 27, выполненной из материала, имеюп1его поры размером болыии.м, чем 10 см.

Внутри объекта 5 размещается дополнительный трубопровод 28, выполненный ил нетеплонроводного материала. Один из торцоБ утою трубонровода соединен с полостью 26, в которой находится жидкий гелий II, а второй снабжен пористой вставкой 29 из материала с размерами пор менее 10 см.

На фиг. 2 показан вариант предлагаемого устройства при горизонтальном расположении термостатируемого объекта 5.

В этом случае внутреннее пространство сосуда I разделено вертикальной теплоизоляционной перегородкой 4 на две по- .чости. В одной из этих полостей 26 располагается гелий II, расположена про.межу- точная емкость 7, служащая для подпитки полости 26 жидким гелием II.

Полости 26 и 16 находятся в тепловом контакте посредством криостатируемого об ьекта 5, внутреннее пространство которого сообн1ается с полостью 26 через пористую вставку, выполненную из материала с размерами пор более .

Внутри обьекта 5 расположен дополнительный трубопровод 28.

Один из торцов этого трубопровода соединен с полостью 26, в которой находится жидкий гелий второй снабжен ||()|)истой встанкой 29 из материала с размерами пор менее 10 см.

Источник 6 тепловыделений находится в полости 16, предварительно вакуумирование которой производится через трубопровод 17. проходящий через теплоизоляционную крышку 8.

Предлагае.мое устройство работает следующим образом.

С по.мощью вакуум-насосов 14 и 15 через трубопроводы 12, 9, 11, 10, 17 при открытых вентилях 19-25 и закрытом вентиле 18 производится вакуумирование полостей 16 и 26 криостата 1 и внутреннего обьема про.межуточного сосуда 2.

Одновременно в сосуд 3 заливается /жидкий азот, который постоянно дол;;ваегся по необходимости.

По достижении иеоб.одимО Ч) вакуума в криостате I и сосуде 2, вентили 19 и 24 перекрываются и при вентиля 18 производится заливка поло тей сосуда 2 и полости 26 через промежуточную емкость 7 жидким ге;;ием, находящем- 0 ся в хранилище 13.

Далее с помои1ью вакуум-насоса 15 путем откачки паров гелия над уровнем жидкости в полости 26 снижается его тем пература до необходимого уровня (ниже 2,17К), При этом гелий в полости 26 переходит в сверхтекучее состояние.

Интенсивность откачки паров гелия регулируется с помощью вентилей 21 и 22. В свою очередь, интенсивность подвода жидкости ге0 ЛИЯ в полости криостата 1 и сосуда 2 регулируется вентилями 23 и 25.

Сверхтекучий гелий заполняет внутреннее пространство криостатируемого объекта 5 и таким образом происходит его захолажи- вание.

При включении источника тепловыделений 6 тепловой поток от него воспринимается термостатируемым объектом 5 и передается к находяще.муся внутри него гелию П. 0 При подводе тепловой энергии к гелию II, находящемуся внутри объекта 5, происходит накопление нормальной составляющей гелия в межтрубном пространстве объекта 5, которая не может проникать через пористую вставку 29 внутрь трубо- 5 провода 28.

При этом внутри объекта 5 растет статическое давление и под его воздействием часть нормальной составляющей гелия II будет выбрасываться в полость 26 через пористую вставку 27.

В то же время благодаря капиллярным эффектам, возникающим в пористой вставке 29, имеющей микрокапиллярную пористость, бул.ет происходить подсасывание гелия П в виде сверхтекучей состав- 5 ляющей из полости 26 в .межтрубное пространство объекта 5.

Благодаря описанным эффектам, внутри объекта 5 возникнут конвективные токи, сопровождающиеся дополнительным переносом тепловой энергии, что приведет к ста- 0 билизации температуры криостатируемых стенок объекта 5.

Необходимый для стационарной работы криорефрижератора уровень жидкого гелия 1 1 в полости 26 поддерживается непрерывной подпиткой гелием II этой полости 5 через промежуточную емкость 7, имеющую мелкопористую вставку в своем дне, что позволяет производить подпитку полости 26 только сверхтекучей составляющей гелия И.

Формула изобретения Криорефрижератор на гелии II, включающий криостат, полость которого заполнена гелием И, систему тепловой защиты выполненную в виде коаксиально размещен- ных сосудов, заполненных жидкими гелием и азотом, хранилище жидкого гелия и вакуумные насосы, соединенные с помощью трубопроводов с криостатом, криос- татируемый объект, выполненный в виде стакана, размещенный в криостате и заполненный гелием II, и источник тепловыделений, отличаюи ийся тем, что, с целью повышения надежности работы за счет ста

билизацнн теплоотвода от стенок криоста- тируемого объекта, Криорефрижератор снабжен дополнительным трубопроводом, выполненным из нетеплопроводного материала и установленным внутри криостатируемого объекта а криостатнруемый объект снабжен пористой вставкой с размерами пор более

10см, размещенной на свободном его

торце, при этом один из торцоь дополнительного трубопровода снабжен пористой вставкой с размерами пор менее см и размещен у дна криостатируемого объекта, а другой торец соединен с полостью криостата.

25

16

fSAUU

Жидкий

J6

Фиг. г