Криостат Советский патент 1990 года по МПК F17C3/00 F25D3/10 

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к криостатным системам с регулируемой температурой для исследования свойств материалов и изделий.

Целью изобретения является увели- чение ресурса работы с одной заливки криоагента за счет эффективного теплосъема с элементов горловины и рабочей камеры.

На чертеже представлено устройство.

Криостат содержит сосуд 1 Дьюара, установленную на его горловине 2

вакуумную рабочую камеру 3 с держателем 4 образца, теплообменником 5 и средством вакуумирования, выполненным в виде крионасоса 6. Также имеется трубопровод 7 подачи криоагента к образцу 8 с вакуумной рубашкой 9, электропровода 10 с электроразъемом 11 и трубка 12 отходящих из сосуда 1 паров. Криостат снабжен герметичной теплоизоляционной пробкой 13, отделяющей полость сосуда 1 от горловины 2, а также трубами 14 и 15, установленными в горловине 2 коаксиально трубопроводу 7. Камера 3

ел

со

1

со

4Ь СО

подключена отверстием 16 к межтрубному пространству, которое образует канал для выпуска отходящих из камеры 3 паров и в нем расположены по спиральной линии электропровода 10. Трубка 12 также размещена по спиральной линии в зазоре между горловиной 2 и трубой 15. Крионасос 6 размещен в сосуде 1 и через рубашку 9 подключен к камере 3.

Нижние концы труб 14 и 15 соединены герметично, а на верхнем конце трубы 15 расположен узел 17 герметичной стыковки.ч

Трубы 14 и 15 и рубашка 9 выполнены из материала с малой теплопроводностью, например стали 12Х18Н10Т,

Нижний конец трубки 12 проходит через теплоизоляционную пробку 13 и герметично закреплен в ней. Электри ,ческие провода 10 от термометра 18 нагревателя 19 и образца 8 проведе- iны через электроввод 20, закрепленный в держателе 4, по каналу выпуска паров кз рабочей камеры и выведены на электроразъем 11. Провода 10 для обеспечения эффективного теплосъема навиты на рубашку 9, трубу 15 вдоль спиралей трубки 12. В сосуде 1 установлен нагреватель 21. Держатель 4 с закрепленными на нем элементами помещен в герметичный кожух 22, пристыкованный к узлу 1Z герметичной стыковки. На герметичном кожухе 22 выполнено окно 23. В случае исследования свойств образца 8 на просвет держатель 4 выполняют со сквозным отверстием, а на герметичном кожухе 22 выполняют два соосных окна. Сброс давления в сосуде 1 осуществляют через вентиль 24, а стабилизацию давления - с помощью маностата 25.

Криостат работает следующим образом.

При снятом герметичном кожухе 22 устанавливают образец 8 в держатель 4, провода 10 от него распаивают на электроввод 20. После этого .герметичный кожух 22 устанавливают на место и герметизируют его в узле 17 герметичной стыковки. Сосуд 1 за ливают криоагентом, например жидким азотом, по общепринятой методике, затем в горловину 2 вставляют камеру 3 и крепят к ней. При этом теплоизоляционная пробка 13 плотно входит в горловину 2 и герметизирует ее

5

0

5

Пары криоагента, образующиеся в результате его кипения, выпускают по трубке 12 и далее через открытый вентиль 24 в атмосферу, либо в сборник (не показан) при необходимости.

В момент установки камеры 3 в сосуд 1 крионасос 6 погружается в крио- жидкость, охлаждается до ее темпе- ратуры, в результате чего происходит процесс откачки вакуумной полости рубашки 9 связанной с нею через отвер- . стие 26 в держателе 4 полостью кожуха 22 и пространства между трубами

14и 15. В процессе откачки криожид- кость не попадает в теплообменник

5, так как гидравлическое сопротивление заборного фильтра 27,а также следующих за ним каналов выпуска пара значительно выше гидравлического сопротивления трубки 12, ив сосуде 1 не создается давление, доста- точное для передавливания криожидко- сти через них. Благодаря этому держатель 4 с образцом 8 остаются теплыми, что способствует интенсивному обезгаживанию их и предотвращает нежелательную конденсацию различных криоосадков на поверхности исследуемого образца.

После достижения требуемого вакуума производят захолаживание держателя 4 с образцом 8 и вывод его на рабочий режим. Криожидкость в теплообменник 5 додают из сосуда 1 под давлением по трубопроводу 7 через фильтр 27. Скорость протока жидкости по трубопроводу 7 определяется эффективностью теплообменника 5 и тепловой нагрузкой на держатель 4 с образцом 8. Требуемая скорость подачи жидкости обеспечивается установкой соответствующего превышения давления в сосуде 1 над давлением на выходе газа по зазору между трубой

15и горловиной 2. Требуемое давление в сосуде 1 подбирают экспериментально. Для этого вентиль 24 закры0

5

0

5

ливают и стабилизируют с помощью маностата 25 по общепринятой методике.

В случае, когда испарения крио- жидкости в результате естественного теплопритока к ней недостаточно для поддержания требуемого давления в сосуде 1, на нагреватель 21 подают ток. Криожидкость, проходя теплообменник 5, захолаживает держатель

4,испаряется и по отверстиям 16 попадает в канал сначала в зазор между рубашкой 9 и трубой 14, огибает стык труб 14 и 15 и по зазору между ним и пробкой 13 попадает в зазор между трубой 15 и горловиной 2 и выпускается через отверстия в верхней части ее в атмосферу либо газосборник. На всем пути выпуска пары эффективно охлаждают проходящие по нему провода 10. На участке выпуска паров по зазору между горловиной 2 и трубой 15 происходит эффективный теплообмен между парами, выпускаемыми из теплообменника 5 рабочей камеры 3 по этому зазору и парами, выпускаемыми из сосуда 1 по выполненной в виде змеевика трубке 12. Благодаря этому используется хладосодержание всех паров, что существенно улучшает тепло- съем с горловины 2, трубы 15, трубки 12 и электрических проводов 10.

Прецизионную стабилизацию температуры держателя 4 с образцом 8 производят, в случае необходимости, с помощью нагревателя 19 по сигналу с термометра 18. В длительном эксперименте из-за неизбежных микротечей, характерных для часто разбираемых вакуумных систем, несмотря на хороший динамический вакуум в полости камеры 3, поддерживаемый откачкой крионасосом 6, на поверхности образца 8 возможно образование криоосад- ка. Конструкция камеры 3 позволяет удалять криоосадок с поверхности образца 8 в процессе эксперимента. Для этого с помощью вентиля 24 сбрасывают давление в сосуде 1, прекращают проток криоагента через теплообменник 5 держателя 4, отогревают его до комнатной температуры и выдерживают при ней некоторое время. При этом автоматически происходит обезгаживание поверхности образца 8 и откачка испарившихся веществ насосом 6. После этого эксперимент продолжают .

По окончании эксперимента камеру 3 вынимают из сосуда 1 и отогревают. Затем разгерметизируют узел 17, снимают кожух 22 и регенерируют крионасос 6 прогревом. После этого камера 3 готова для монтажа и исследования нового образца.

Предложенное сочетание конструкции сосуда и установленной в его горловине камеры, в котором канал

10

15

20

5

0

5

0

5

0

5

выпуска паров из теплообменника рабочей камеры сформирован зазорами . между трубами, рубашкой трубопровода подачи и горловиной сосуда Дьюа- ра, причем трубка выпуска паров из сосуда Дьюара выполнена в виде зме- евикового теплообменника, установленного в канале выпуска паров из теплообменника рабочей камеры и все провода проведены по этому каналу, позволяет существенно уменьшить теплоприток к держателю с образцом. Следовательно улучшается эффективность работы устройства, увеличивается ресурс непрерывной работы его с одной заливки криоагента. Благодаря тому, что камера снабжена крионасосом, расположенным в нижней части полости между трубопроводом подачи криоагента и его рубашкой, а эта полость сообщена с полостью вакуумной рабочей камеры, обеспечивается возможность предварительно производить откачку ее и затем захолажива- ние держателя с образцом до рабочей температуры. В результате предотвращается выпадение криоосадков на поверхность образца. Это обеспечивает достоверность результатов эксперимента, в котором исследуют реальные характеристики образца, не искаженные влиянием криоосадков,что является непременным условием оптического эксперимента.

Формула изобретения

1. Криостат, содержащий сосуд Дьюара, установленную на его горловине вакуумную рабочую камеру с держателем образца, теплообменником и средством вакуумирования, имеющий вакуумную рубашку трубопроводом подачи криоагента из сосуда к образцу, электрические провода с электроразъемом и трубку отходящих из сосуда паров, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы за счет эффективного теп- лосъема с элементов горловины и рабочей камеры,он снабжен герметичной теплоизоляционной пробкой, отделяющей полость горловины от сосуда, и трубами, установленными в горловине коаксиально трубопроводу подачи, при этом межтрубное пространство сообщено с камерой для выпуска отходя- . щих паров и в нем расположены электрические провода, а трубка отходящих паров размещена в зазоре между горловиной и трубами.

2. Криостат по п.1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что средство вакуумирования выполнено в виде крио- насоса, размещенного в сосуде и подключенного через вакуумную рубашку

трубопровода подачи к рабочей камере .

3. Криостат по п.1, о т л и - чающийся ,тем. что электрические провода и трубка отходящих паров расположены соответственно на трубопроводе подачи и в зазоре между горловиной и трубами по спиральной линии.

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к криостатным системам с регулируемой температурой для исследования свойства материалов и изделий. Цель изобретения - увеличение ресурса работы заливки криостата за счет эффективного теплосъема с элементов горловины. Криостат содержит сосуд Дьюмара с установленной в горловине вакуумной рабочей камерой. Он снабжен узлом вакуумной и тепловой развязки, выполненным в виде коаксиальных труб и размещенным коаксиально с зазором в горловине сосуда, охватывая с зазором верхнюю часть трубопровода подачи криогента. В горловине герметично закреплена теплоизоляционная пробка, установленная с зазором ниже торца труб узла вакуумной и тепловой развязки герметично в горловине, при этом упомянутые зазоры образуют канал для выпуска паров. В зазоре между трубопроводом подачи криогента и его вакуумной рубашкой размещен крионасос, подключенный к рабочей камере. Полость камеры сообщена с каналом для выпуска паров, а электрические провода от образца к электроразъему проложены через канал для выпуска паров. Провода и трубка отходящих из сосуда паров расположены по спиральной линии, при этом трубка размещена в зазоре между горловиной и трубами. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

25 & JZ