Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур Советский патент 1992 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться для различных лабораторных исследований в широком температурном интервале.

Известны устройства для регулирования и стабилизации криогенных температур в криогенных камерах типа проточного кри- остата, использующие принцип подачи кри- оагента в камеру путем создания перепада давления в магистралях.

Такие устройства сложны, так как их работа основана на магистральных коммуникациях, и громоздки, так как требуют использования вакуумных насосов.

Известны также устройства для регулирования и стабилизации криогенных температур, работа которых основана на смешивании двух потоков охлаждающего газа. В этих устройствах газ из баллона пропускают по теплообменнику, расположенному в камере с охлаждаемым объектом, при этом один из потоков проходит через нагреватель. Регулировкой температуры одного из смешивающихся потоков устанавливают температуру в камере с охлаждаемым объектом.

Данные устройства также сложны, так как требуют использования .откачных насосов и баллонов со сжатым газом. К тому же они громоздки.

Наиболее близким к изобретению является устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур, содержащее сосуд с криогенной жидкостью, магистралью, соединенный с камерой, в которой размещен охлаждаемый объект и датчик температур. Выход камеры соединен с исполнительным элементом, выполненным в виде уравляемого клапана тонкой регулировки и насоса, Датчик температуры соединен с блоком управления, куда подсоединен и источник опорного сигнала (задатчик). Выход блока управления соединен с управляющим; входом исполнительного элемента.

Принцип работы такого устройства заключается в следующем. Газообразный хладагент из сосуда с криогенной жидкостью через магистраль подается в камеру с охлаждаемым объектом путем прокачки с помощью насоса. Проходя по теплообменнику камеры, он охлаждает ее, при этом степень охлаждения зависит от температуры и количества проходящего газа. Температуру камеры или охлаждаемого объекта измеряют датчиком температуры, сигнал которого поступает в блок управления, куда же поступает сигнал задатчика температуры. При отличии этих сигналов (по амплитуде, частоте и т.д.) блок управления вырабатывает сигнал ошибки, которым воздействует на управляемый клапан.

Недостатком такого устройства является его сложность и громоздкость из-за наличия насоса. Если же использовать схему без насоса, то необходимо устанавливать в среде криогенной жидкости нагреватель, пред- назначенный для парообразования жидкости в необходимом для охлаждения

0 количестве. Кроме того, в таком устройстве можно добиться быстрого изменения температуры только в небольшой по объему камере, а при значительном объеме необходимо использовать и насос и нагреватель, что тем

5 более усложняет конструкцию. Кроме того, в таком устройстве длительное время устанавливается температура, что вызвано колебательным характером процесса установления температуры. Устройство сложно

0 в эксплуатации, так как необходимо управление нагревателем во время стабилизации и изменения температуры, а во время соответствия температуры необходимому значению нагреватель должен быть отключен,

5Цель изобретения - упрощение конструкции и эксплуатации устройства путем использования термоакустического эффекта.

Цель достигается тем, что емкость для

0 создания термоакустического эффекта образована сосудом с криогенной жидкостью, магистралью и камерой с охлаждаемым объектом и ограничена выполненным в виде криогенного вентиля исполнительным эле5 ментом, причем выходной каскад блока управления снабжен последовательно соединенными регулируемым генератором импульсов и элементом модуляции управляющего сигнала, выход которого является вы0 ходом каскада.

В криогенной технике известен термоакустический эффект - нежелательное явление, от которого избавляются всевозможными конструктивными решениями, так

5 как оно вызывает ускоренное испарение криогенной жидкости, В предложенном устройстве, это явление применяется с полезной целью - его использование существенно уп- рощазт конструкцию и эксплуатацию уст0 ройства.

На чертеже представлена структурная схема устройства для регулирования и стабилизации криогенных температур,

Сосуд 1 с криогенной жидкостью 2 ма5 гистралью 3 соединен с камерой 4, расположенной в теплоизолированной емкости 5. В камере 4 расположен охлаждаемый объект 6. Выход камеры 4 патрубком 7 соединен с исполнительным элементом 8, выполненным в виде криогенного вентиля с управляющим входом, выполненным в виде электромагнита с обмоткой 9. В камере 4 или непосредственно на охлаждаемом объекте установлены нагреватель 10 и датчик 11 температур. Месторасположение нагревателя 10 и датчика 11 выбирается исходя из конкретных требований к конструктивному решению камеры 4 и объекта 6, поэтому на чертеже они показаны схематически. Сосуд 1 снабжен предохранительным клапаном 12. Выход датчика 11 температуры соединен с блоком 13 управления, который выполнен следующим образом. Входы схемы 14 сравнения соединены сдатчиком 11 температуры и задатчиком 15. Выход схемы 14 сравнения соединен с входом выходного каскада 16, выполненного в виде трехпозици- онного регулятора. Выходы каскада 16 соединены с входами элементов 17 и 18 модуляции управляющего сигнала, вторые входы которых соединены с регулируемым генератором 19 импульсов. Источник 20 питания соединен с нагревателем 10 и управляющим входом 9 исполнительного элемента 8 через элементы 17 и 18 модуляции. Выходы элементов 17 и 18 модуляции управляющего сигнала являются выходом каскада 16. Выход схемы 14 сравнения соединен с регулируемым генератором 19 импульсов через устройство 21 управления частотой генератора 19. Блок управления может использовать различный принцип работы - частотный, фазовый, амплитудный и т.д. В предлагаемом устройстве осуществляется сравнение амплитуд сигналов датчика температуры и задатчика, преобразованных в двоично-десятичный код.

Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур работает следующим образом.

Для охлаждения объекта 6 в камере 4 до необходимой температуры на задатчике 15 устанавливают значение, численно равное сигналу датчика 11 температур при устанавливаемой температуре (назовем его А, сигнал датчика может быть в единицах напряжения, как в термопаре, или в единицах омического сопротивления, как в полупроводниковых или иных датчиках). Этот сигнал подается на схему 14 сравнения, куда также подается сигнал датчика 11 температур величиной В. В схеме 14 сравнения вырабатывется сигнал ошибки с амплитудой, пропорциональной (А-В), а полярность его определяет sign (А-В). Этот сигнал воздействует на выходной каскад 16, выполненный в виде трехпозиционно- го регулятора.

В зависимости от соотношения А В, А В, А В напряжение на выходе выходно-, го каскада существует только на одном из его выходов, каждый из которых передает

сигнал только при одном, свойственном ему соотношении между сигналами. Выход каскада 16, на котором существует сигнал, когда температура объекта 6 ниже устанавливаемой, соединен с элементом 17 модуля0 ции, а выход, на котором существует сигнал при температуре выше устанавливаемой, - с элементом 18 модуляции. При подаче на любой элемент 17 или 18 модуляции управляющего сигнала одновременно импульсов

5 регулируемого генератора 19 импульсов и сигнала выходного каскада 16 он открывается, соединяя источник 20 питания либо с нагревателем 10, либо с управляющим входом 9 исполнительного элемента 8 (в зависи0 мости от того, на какой элемент модуляции подан сигнал).

При закрытом исполнительном элементе 8 емкость сосуда 1, магистраль 3, камера 4 образуют емкость для создания термоаку5 стического эффекта, ограниченную исполнительным элементом 8. В этом случае из-за естественного испарения криогенной жидкости 2 над ее уровнем в сосуде 1 образуется некоторое избыточное давление. Если

0 исполнительный элемент 8 открыт, то давление начнет вытеснять криогенную жидкость в магистраль 3. При этом если исполнительный элемент 8 оставить открытым длительное время (необходимое для установления

5 температуры), то течение жидкости или пара через камеру 4 прекратится при сбросе давления над уровнем криогенной жидкости 2 в сосуде 1. Для непрерывности процесса подачи жидкости в камеру 4 необходимо

0 поддерживать давление в сосуде 1. Это достигается с помощью модуляции сигнала, подаваемого на управляющий вход 9 исполнительного элемента 8. Для этой цели на элемент 18 модуляции, совместно с сигна5 лом выходного каскада 16, подаются импульсы генератора 19. .

Если исполнительный элемент 8 выполнять в виде криогенного вентиля с управляющим входом в виде электромагнита с

0 обмоткой 9, то при подаче напряжения источника 20 через элемент 18 модуляции или обмотку электромагнита 9 вентиль 8 открывается и через камеру 4 пропускается криогенная жидкость или пар. Это проис5 ходит в пределах длительности импульса генератора 19. При обесточивании обмотки 9 вентиль 8 закрывается, при этом жидкость из магистрали 3 вытесняется в полость сосуда 1. Так как этот процесс периодический, длится все время существования сигнала выходного каскада 16 на элементе 18 модуляции, то существует и периодическое колебание жидкости в магистрали 3, т.е. существует термоакустический эффект, усиливаемый периодическим срабатыванием криогенного вентиля 8. Следовательно, в сосуде 1 происходит интенсивное испарение жидкости 2, в связи с чем и поддерживается давление в сосуде 1, необходимое для вытеснения жидкости в магистраль 3. При достижении на датчике 11 температур необходимой температуры сигнал с выходного каскада 16 на элементе 18 исчезает, элемент 18 закрывается, обмотка 9 обесточивается, вентиль 8 закрывается, газ или жидкость через камеру 4 не проходит.

Если из-за тепловой инерционности камеры 4 или обмотки 6 температура становится ниже устанавливаемой, сигнал подается на элемент 17 модуляции, в связи с чем в импульсном режиме включается нагреватель 10, повышающий температуру камеры 4 до необходимой. Изменяют температуру камеры 4 с помощью за датчика 15. Для более плавного изменения температуры вблизи необходимой изменяют длительность импульса регулируемого генератора 19 устройством управления частотой генератора 21. Чем больше амплитуда сигнала ошибки на выходе схемы 14 сравнения, тем больше отношение между длительностью импульсов и паузами между ними. При незначительной разности сигналов генератор 19 формирует импульсы с длинной паузой между ними.

Изобретение позволяет также прокачивать криогенную жидкость без насоса, что упрощает конструкцию устройства.

Применение широтно-импульсной модуляции в предлагаемом устройстве снижает термоакустический эффект в области точки равновесия, что, в свою очередь, снижает расход криогенной жидкости. Таким образом, широтно-импульсная модуляция генератора 19 управляет термоакустическим эффектом, упрощая эксплуатацию устройства.

Формула изобретения

Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур, содержащее сосуд с криогенной жидкостью и соединенную с ним магистралью камеру с охлаждаемым объектом и датчиком температур, подключенным к входу блока управления, выходной каскад которого подключен к управлящему входу исполнительного элемента,отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и эксплуатации устройства путем использования термоакустического эффекта, емкость для создания термоакустического эффекта образована сосудом с криогенной жидкостью, магистралью и камерой с охлаждаемым объектом и ограничена выполненным в виде криогенного вентиля исполнительным элементом, причем выходной каскад блока управления снабжен последовательно соединенными регулируемым генератором импульсов и элементом модуляции управляющего сигнала, выход которого является выходом каскада.

Изобретение относится к криогенной технике и м.б. использовано в различных лабораторных исследов аниях в широком интервале температур. Цель - упрощение конструкции и эксплуатации устройства путем использования термоакустического эффекта. Устройство содержит сосуд 1 с криогенной жидкостью 2, магистраль 3, камеру 4, теплоизолированную емкость 5, пат- рубок 7, исполнительный элемент 8, электромагнит 9 с обмоткой, нагреватель 10, датчик 11 температуры, предохранительный клапан 12, блок 13 управления, включающий схему сравнения 14, задатчик 15, выходной каскад 16, два элемента 17,18 модуляции управляющего сигнала, регулируемый генератор 19 импульсов, источник 20 питания, устройство 21 управления частотой генератора. 1 ил. И