Магнитный рефрижератор для сверхтекучего гелия Советский патент 1991 года по МПК F25B21/00 

(21)4667839/06

(22)08.02.89

(46) 23.10.91. Бюл. № 39 (71) Научно-производственное объединение «Криогенмаш

(72) Н. В. Филин, И. И. Михайлов, А. Л. Довбиш и П. Л. Ронжин (53) 621.56(088.8) (56) Патент Франции № 2525748, кл. F 25 В 21/00, опублик. 1983.

(54) МАГНИТНЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР ДЛЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ (57) Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для производства холода в области криогенных температур. Цель изобретения - снижение энергозатрат. Для этого рабочее тело выполнено по крайней мере из двух элементов, верхнего 1 и нижнего 2, которые соединены тепловой трубой 4 и установлены в импульсных сверхпроводящих соленоидах 5, которые подключены в противофазе друг к другу. Элементы 1 и 2 могут быть выполнены из разных веществ, при этом вещество верхнего элемента 1 имеет более высокую температуру фазового перехода. 7 ил, 4 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для производства холода в области криогенных температур.

Цель изобретения - снижение энергозатрат.

На фиг. 1 схематично изображен магнитный рефрижератор для сверхтекучего гелия с двумя импульсными сверхпроводящими магнитами; на фиг. 2 - магнитный рефрижератор с тороидальными магнитами; на фиг. 3 - то же, но число магнитов на единицу больше чидла рабочих элементов; на фиг. 4 - магнитный рефрижератор с магнитом, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения;на фиг. 5 - магнитный рефрижератор с магнитами, установленными с возможностью вращательного движения снаружи рефрижератора; на фиг. 6 - то же, но с внутренним расположением магнитов; на фиг. 7 - рабочий элемент рефрижератора с вращательным движением магнитов, вид сверху.

Магнитный рефрижератор содержит рабочее тело, состоящее из верхнего 1 и нижнего 2 элементов. Элементы установлены неподвижно в теплоизолирующем корпусе 3 и термически связаны тепловой трубой 4, заполненной гелием. Переменное магнитное поле создается импульсными сверхпроводящими соленоидами 5. Весь магнитный рефрижератор погружен в криостат с жидким гелием при 4,2 К, который выполняет роль теплоприемника. Тепоотдатчиком является

Не-П, помещенный в полость 6 криостати- рования.

Вместо двух импульсных соленоидов 5 могут быть использованы две пары тороидальных катушек 7 (см. фиг. 2), количество которых может быть сокращено до трех (см. фиг. 3).

Для создания переменного магнитного поля в элементах 1 и 2 рабочего тела может быть применен магнит со стационарным полем, который установлен с возможностью возвратно-поступательного движения от одО

оо о to J 1

ного элемента 1 или 2 к другому (см. фиг. 4). В качестве магнита может быть использован сверхпроводящий соленоид 5, или пара тороидальных сверхпроводящих катушек 7, или постоянный магнит, выполненный на основе редкоземельных металлов.

Для создания переменного магнитного поля могут быть использованы соленоиды 5, вращающиеся вокруг элементов 1 и 2 рабочего тела. При этом соленоиды 5 могут быть

магничивания снимается в режиме кипения гелия в тепловой трубе 4, тепловой контакт со сверхтекучим гелием, находящимся в полости 6 криостатирования, разрывается ,- вследствие низкой теплопроводности паров гелия. Верхний элемент 1 в это время размагничивается, поглощая при этом теплоту намагничивания нижнего элемента 2 путем конденсации паров гелия в тепловой трубе 4. Теплоприток от жидкого гелия при этом неверазмещены снаружи магнитного рефрижера- 10 лик так как температура верхнего элементора (см. фиг. 5) или внутри него (см. фиг. 6). В обоих случаях соленоиды 5 закреплены штангами 8 на валу 9 привода. Сами же элементы 1 и 2 рабочего тела выполнены в форме колеса, состоящего из 15 сегментов 10 рабочего вещества и теплоизолирующих проставок 11 (см. фиг. 7). Кроме того, в зависимости от расположения соленоидов 5, в рефрижераторе установлены дополнительные теплоизолирующие прота 1 не достигает температуры образования Не-П, что препятствует образованию слоя сверхтекучего гелия, а теплопроводность Не-I черезвычайно низка.

При использовании двух пар тороидальных катушек 7 последние работают попарно в импульсном режиме: когда верхняя пара катушек создает магнитное поле, нижняя размагничивается, и наоборот. В том случае, когда число катушек равно трем, средняя каставки 12, имеющие форму цилиндра или 20 тушка создает стационарное магнитное поле,

35

форму кольца.

Выбором определенного состава рабочих веществ каждого элемента 1 и 2 рабочего тела можно существенно понизить требуемую величину магнитного поля. Например, при выполнении верхнего элемента 1 из диспрозий-алюминиевого граната, а нижнего элемента 2 из гадолииий-галлиевого граната или из диспрозий-галлиевого граната требуемое магнитное поле можно уменьшить до величины менее 1 Тл. Толщина элементов 1 и 2 рабочего тела не должна превышать 45 мм, при этом критерий Био не должен превышать значения, равного 5, а температура верхнего элемента 1 рабочего тела, контактирующего с Не-I, в процессе работы должна быть не ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние, например не ниже 2,2 К.

Рефрижератор работает следующим образом.

В период увеличения магнитной индукции 40 в верхнем элементе 1 его температура увеличивается, при этом в процессе кипения . происходит отдача тепла от верхнего элемента 1 к теплоприемнику - жидкому Не-I. В это же время происходит уменьшение индукции магнитного поля в нижнем элементе 2 рабочего тела. При этом его температура понижается ниже температуры образования сверхтекучего гелия, что приводит к охлаждению сверхтекучего гелия в полости 6 криостатирования путем конденсации его паров на нижней торцовой поверхности элемента 2. В этот период времени тепловая связь между элементами 1 и 2 рабочего тела разорвана вследствие низкого коэффициента теплопроводности паров гелия в тепловой трубе 4, а теплоприток от гелия к нижнему элементу 2 очень мал, так как коли- 55 чество его в тепловой трубе 4 невелико.

В следующий период происходит намагничивание нижнего элемента 2. Теплота наа верхняя и нижняя работают в импульсном режиме в противофазе.

В рефрижераторах с вращающимися магнитами соленоиды 5 совершают вращаJ,,- тельное движение. При этом в сегментах 10, над которыми они проходят, выделяется тепло намагничивания. В это же время на диаметрально противоположном конце элементов 1, 2 происходят размагничивание сегментов 10 и понижение их температуры.

30 Теплоизолирующие проставки 11 и 12 служат для предотвращения перетечек тепла по элементам 1 и 2. Тепло намагничивания, выделяемое сегментами 10 верхнего элемента 1, поглощается при кипении гелия с температурой 4,2 К- Тепло намагничивания, выделяемое сегментами 10 нижнего элемента 2, поглощается за счет испарения гелия в тепловой трубе 4 и конденсации его паров на размагничивающихся сегментах 10 верхнего элемента 1. Холодопро- изводительность на уровне криостатирования создают различные сегменты 10 нижнего элемента 2. Чтобы увеличить частоту намагничивания и размагничивания, транспортный путь переноса и конденсации паров гелия в тепловой трубе 4 сокращен за счет диаметрального разнесения соленоидов 5

45

50

верхнего 1 и нижнего 2 элементов. Формула изобретения

магничивания снимается в режиме кипения гелия в тепловой трубе 4, тепловой контакт со сверхтекучим гелием, находящимся в полости 6 криостатирования, разрывается вследствие низкой теплопроводности паров гелия. Верхний элемент 1 в это время размагничивается, поглощая при этом теплоту намагничивания нижнего элемента 2 путем конденсации паров гелия в тепловой трубе 4. Теплоприток от жидкого гелия при этом невелик так как температура верхнего элеменлик так как температура верхнего элемента 1 не достигает температуры образования Не-П, что препятствует образованию слоя сверхтекучего гелия, а теплопроводность Не-I черезвычайно низка.

При использовании двух пар тороидальных катушек 7 последние работают попарно в импульсном режиме: когда верхняя пара катушек создает магнитное поле, нижняя размагничивается, и наоборот. В том случае, когда число катушек равно трем, средняя катушка создает стационарное магнитное поле,

тушка создает стационарное магнитное поле,

а верхняя и нижняя работают в импульсном режиме в противофазе.

В рефрижераторах с вращающимися магнитами соленоиды 5 совершают вращательное движение. При этом в сегментах 10, над которыми они проходят, выделяется тепло намагничивания. В это же время на диаметрально противоположном конце элементов 1, 2 происходят размагничивание сегментов 10 и понижение их температуры.

Теплоизолирующие проставки 11 и 12 служат для предотвращения перетечек тепла по элементам 1 и 2. Тепло намагничивания, выделяемое сегментами 10 верхнего элемента 1, поглощается при кипении гелия с температурой 4,2 К- Тепло намагничивания, выделяемое сегментами 10 нижнего элемента 2, поглощается за счет испарения гелия в тепловой трубе 4 и конденсации его паров на размагничивающихся сегментах 10 верхнего элемента 1. Холодопро- изводительность на уровне криостатирования создают различные сегменты 10 нижнего элемента 2. Чтобы увеличить частоту намагничивания и размагничивания, транспортный путь переноса и конденсации паров гелия в тепловой трубе 4 сокращен за счет диаметрального разнесения соленоидов 5

верхнего 1 и нижнего 2 элементов. Формула изобретения

другим, соединенных тепловой трубой термосифонного типа и установленных в магнитных полях магнитов, которые подключены к источнику энергопитания с возможностью изменения индуктивности создаваемых ими с магнитных полей в противофазе друг к другу, причем элементы выполнены из разных веществ и верхний из них имеет более высокую, чем нижний элемент, температуру магнитного фазового перехода.

Фиг.