Криостат Советский патент 1989 года по МПК F25D3/10 

ел

со ю

sl

со

Изобретение относится к технике низких температур и может быть использовано при проведении физических экспериментов, преимущественно при оптических Исследованиях разных образцов.

Цель изобретения - повышение удобства при эксплуатации.

На фиг. 1 изображен криостат с разными гелиевыми сосудами, разрез; на фиг. 2-

4- варианты выполнения криостата; на фиг. 5 - работа теплового моста; на фиг. 6 - разрез А-А на фиг. 1.

Криостат содержит корпус 1, установленные в нем азотный сосуд 2 с внутренним экраном 3 и наружным азотным экраном 4, размещенным вокруг гелиевого сосуда 5. Азотные экраны 3 -и 4 могут иметь биметаллическую посадку 6 и 7 или другую известную разборную конструкцию относительно азотного сосуда 2. Корпус 1 имеет крышку 8 с отверстиями и пат- зубками 9, 10. Азотный сосуд 2 имеет горловинную трубку 11, а гелиевый сосуд

5- горловинную трубку 12. Трубка 12 Соединена с патрубком 9 через гибкий элемент, например сильфон 13. Горловин- |ная трубка 11 азотного сосуда 2 жестко соединена с патрубком 10. Патрубки 9 |и 10 выполнены съемными и каждый из .них имеет фланец 14, расположенный |на крышке 8 с ее внутренней стороны. Патрубки 9 ,и 10 уплотнены относитель- но крышки 8 через прокладку. Последнюю фиксируют вращающимся на резьбе фланцем 15 и прижимают винтами 16. Использование такого типа уплотнения обосновано тем, что, оно не образует крутильный момент на тонкостенных гор- ловинных трубках 11 и 12. При необходимости размещения исследуемого образца 17 в пазах гелия в крышке 8 фиксируется иммерсионная шахта 18 с теплообменником 19 и печкой 20 на ее нижнем конце. Температура паров регулируется равновесным продувом холодных паров гелия ,через теплообменник 19 и печкой 20 на теплообменнике. Шахта 18 имеет патрубок 19 с фланцем, расположенным с внутренней стороны крышки 8, и прокладкой, фланец 21, винты 22.

Гелиевый сосуд 5 может иметь m горловинных трубок, например еще и трубку

23,а азотный сосуд 2 может иметь п горловинных трубок, например еще трубку

24.При этом (п-1)-я горловинная трубка азотного сосуда 2 и (т-1)-я горловинная трубка гелиевого сосуда 5 соединены с соответствующими патрубками через гибкий элемент. Поскольку трубка 12 соединена с патрубком 9 сильфоном 13, то трубка 23 соединена с патрубком 9 жестко, а так как трубка 11 соединена с патрубком 10 жестко, то трубку 24 следует соединять с соответствующим патрубком 10 посредством сильфона. Между горловинной трубкой 12 гелиевого сосуда 5 и стенками азотного сосуда 2, а также между иммерсионной шахтой 18 и стенками азотного

сосуда 2 укреплены тепловые мосты 25, каждый из которых выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, одна из ступеней которого (меньшая ступень) размещена на трубке, а друга я (большая) установлена по отношению к стенкам азот0 ного сосуда 2 по посадке с зазором. На поверхность 26 этой ступени моста нанесены полосы 27 из материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения цилиндра. При комнатной температуре тепловой мост 25 имеет относительно стенок азотного сосуда 2 свободную посадку с зазором. Для горизонтальной стабильности служат втулки 28 и 29 из теплоизоляционного материала. На азотном сосу0 де 2 размещены поворотные заслонки 29, выполняющие только функцию закрытия отверстия 2 от излучательного теплоперено- са от комнатной температуры на гелиевый сосуд 5. Заслонки выполнены в виде

5 сферических пластин, поворачивающихся вокруг оси 30. При этом заслонка 29 должна иметь азотную температуру, что гарантируется проволокой 31, прикрепленной к азотному сосуду 2 для обеспечения надежного теплопереноса в ва0 кууме.

Криостаг снабжен набором гелиевых сосудов 32-34, обеспечивающих или разные типы охлаждения образца 17 (фиг. 1, 2), или другой тип криостата, например магни- тооптического (фиг. 3), или крионасоса

5 (фиг. 4). Гелиевый сосуд 32 имеет разборное дно 35 с пробкой 36, а гелиевый сосуд 33 - оптические окна 37 и заглушку 38 в днище с андиевой прокладкой 39. Такие же окна при таком

Q типе криостата выполняют на наружном азотном экране 4 и корпусе 2. Гелиевый сосуд 34 может быть выполнен в виде охлаждаемого змеевика, а криостат в этом случае имеет сопло 40.

5 Пи работе с криостатом при замене иммерсионного типа охлаждения, например на контактное охлаждение образца 17 извлекают из корпуса 1 гелиевый сосуд 5, шахту 18 и внутренний азотный экран 3 и устанавливают другой гелиевый сосуд 32, фиксируя его на крышке 8 корпуса 1 посредством патрубка 9 и прокладки. Заслонку 29 поворачивают в такое положение, что она закрывает отверстия в азотном сосуде 2.

5 Для получения другого типа криостата, например магнитооптического (фиг. 3), устанавливают в гелиевом сосуде 33 сверхпроводящий соленоид, закрывают дно заглушкой 38. Для получения крионасоса

0

(фиг. 4) мощных газовых струй удаляют сосуд 33 и устанавливают вместо него сосуд 34 в виде змеевика при открытой верхней и закрытой нижней заслонках 29, а через нижний торец корпуса 1 вводят сопло 40. В таком случае вся система пред- ставляет собой крионасос для откачки мощных газовых струй, например сверхзвуковой струи инертного газа.

Такая замена гелиевого сосуда и изменение типа криостата возможны благодаря конструктивному, выполнению патрубков 9. 10, наличию и выполнению зцслонок 29.

Тепловые мосты 25 обеспечивают уменьшение теплопритока по горловинной трубке 11 в гелиевый сосуд от комнатной температуры. При понижении температуры происходит деформация большего цилиндра из-за разного коэффициента теплового расширения поверхности 26 этой ступени теплового моста и нанесенных на него полос 27. При этом образуется посадка с натя- гом.

Если и )27, то полученный при контакте поверхности и полос 27 биметалл деформирует тепловой мост по вертикальному эллипсу, а если и i), то деформация теплового моста идет по горизонтальному эллипсу, при этом Т - температура теплового моста, Тк - комнатная температура, i| - коэффициент теплового расширения.

Отметим, что посадка с натягом образуется не только при охлаждении, но и при повышении температуры за счет биметаллического эффекта.

Азотный сосуд был выполнен из нержавеющей стали 12Х8Н9Т. На поверхность 26 (фиг. 5) из бериллиевой бронзы БрБ2 нанесен гальванический стой никеля в виде полосы 27.

Тепловой контакт в вакууме на границе двух тел не зависит от площади контакта и обратно пропорционален сжимающей силе. Но в данном случае сжимающая сила за- висит от площади биметаллической части теплового моста.

Теплоперенос на азотный сосуд 2 происходит тепловым мостом 25, соприкасающимся площадью в 20 см2 с азотным сосудом 2. Мост был выполнен из бериллиевой бронзы толщиной 0,8 мм- и покрыт гальванически никелем толщиной 0,35 мм, имея свободную посадку с зазором. При комнатной температуре жидкого азота образуется за счет биметаллического эффекта посадка с натягом, требующая для смещения деталей около 25 Н, обеспечивающая тепло- перенос не хуже, чем пайка (с точностью 0%). После монтажа откачивают воздух через вентили (не показаны), заливают жидкий азот в сосуд 2, гелий - в гелиевый сосуд или охлаждают змеевик сосуда 34 парами гелия, регулируют температуру по методу Свенсона и осуществляют нужные

5

5

0

0

-

0

5

0

5

0

лабораторные исследования при низких температурах. А соединение (н-1)-й горло- винной трубки азотного сосуда и ()-и горловинной трубки гелиевого сосуда с соответствующим патрубком через гибкий элемент обеспечивает компенсацию перегиба, а жесткая связь с патрубком одной горловины гелиевого и одной горловины азотного сосуда обеспечивает вертикальную стабильность всех узлов криостата.

Представленное выполнение тепловых мостов, кроме уменьшения теплопритока, позволяет при комнатных температурах легко осуществлять монтаж и демонтаж криостата благодаря свободной посадке с зазором относительно стенки азотного сосуда 2.

Предложенное устройство обеспечивает возможность сборки более 80 реально нужных разнотипных криостатов. Фактически для нужд одной лаборатории столько разнотипных криостатов не требуется, но благодаря тому, что, например, в одном корпусе криостата можно использовать три гелиевых сосуда, отличающихся по принципу охлаждения, расходы на лабораторную криогенную технику уменьшаются не менее, чем на 50%. Все это повышает удобство при эксплуатации криостата. При этом увеличивается долговечность не менее, чем в 2 раза за счет улучшения условий ремонта готовых узлов и возможности доработки конструкции при появлении новых задач при охлаждении. Настолько же увеличивается и интенсивность эксплуатации прибора.

Формула изобретения

Криостат, содержащий корпус, крышку с отверстиями и патрубками, азотный сосуд с п горловинными трубками и гелиевый сосуд с ш горловинными трубками, каждая из которых соединена через соответствующий патрубок с крышкой криостата, азотный экран, размещенный вокруг гелиевого сосуда, тепловые мосты, укрепленные между горловинными трубками и стенками азотного сосуда, отличающийся тем, что, с целью повышения удобства в эксплуатации, патрубки выполнены съемными и каждый из них имеет фланец, расположенный на крышке с ее внутренней стороны, а каждый тепловой мост выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, одна из ступеней которого размещена на горло- винной трубке, а другая установлена по отношению к стенкам азотного сосуда по посадке с зазором и на поверхность ее нанесены полосы из материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения цилиндра, при этом (-1)-я горловинная трубка азотного сосуда и (ш-1)-я горловинная трубка гелиевого сосуда соединены с соответствующими патрубками через гибкие элементы.

9

Изобретение относится к технике низких температур и может быть использовано при проведении физических экспериментов преимущественно при оптических исследованиях разных образцов. Целью изобретения является повышение удобства при эксплуатации. Размещают в корпусе 1 гелиевый сосуд (ГС) 5 и азотный сосуд (АС) 2, выводя их горловинные трубки (ГТ) 11, 12 через отверстия в крышке 8 и соединяя со съемными патрубками 9, 10. При этом N-1 горловинная трубка АС 2 и M-1 горловинная трубка ГС 5 соединены с соответствующими патрубками 9, 10 через гибкие элементы 13. Легкость замены гелиевых сосудов в корпусе 1 обеспечивает съемность патрубков 9, 10 и размещение их фланца 14 с внутренней стороны крышки 8, а также установку большей ступени тепловых мостов 25 по отношению к стенкам АС 2 по посадке с зазором. Нанесенные на поверхность этой ступени полосы из материала с коэффициентом теплового расширения цилиндра, обеспечивают при понижении температуры деформацию этой ступени теплового моста и посадку с натягом относительно стенок АС 2. 6 ил.

6ZZSS9I

UK 1/7

tt

QZ

fj гпф

6Z

)1

6ШЕ91

&

30

гв

29

11

23

Фиг. 6