СИСТЕМА КРИОСТАТИРОВАНИЯ СВЕРХТЕКУЧИМ ГЕЛИЕМ Советский патент 1995 года по МПК F17C3/00 F25D3/10 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для криостатирования объектов, расположенных вне криостата, гелием, подаваемым при атмосферном давлении и температурах как ниже, так и выше λ-точки.

Цель изобретения повышение эффективности, расширение температурного диапазона криостатирования, облегчение возможности заправки системы как на земле, так и в орбитальных условиях.

На фиг. 1 изображена система криостатирования, общий вид; на фиг. 2, 3 и 4 стыковка объекта охлаждения с трубопроводом подачи посредством заглушек; на фиг. 5 расположение теплообменника Джоуля-Томсона в вакуумной полости трубопровода подачи.

Система состоит из вакуумно-изолированного гелиевого криостата с емкостью 1 для Не l с экранами 2 и 3, охлаждаемыми отходящими через теплообменники 4 и 5 парами гелия, и кожухом 6, теплоизолированной от емкости 1 криостата и расположенной в ней емкости 7 для Не II; трубопровода 8 подачи гелия в объект охлаждения 9, защищенного от теплопритоков вакуумно-изолирующими 10 и 11 и охлаждаемой откачиваемыми из емкости 7 парами полостью 12; теплообменника-переохладителя 13 и теплоизолированного теплообменника Джоуля-Томсона 14, размещенных, соответственно, в нижней (в жидком Не II) и верхней (над паровым объемом) части емкости 7, которые служат для охлаждения нормального гелия как в контуре Джоуля-Томсона, так и в линии основного потока, идущего на охлаждение объекта; дроссельного клапана 15, снижающего давление гелия с давлением насыщения в емкости 1 с Не I криостата до давления насыщения в емкости 7 с Не II; датчиков температуры 16, 17, 18, 19 и 20, контролируемых температуру, соответственно, в емкости 1, емкости 7, экрана 3 криостата, паров на выходе охлаждающей полости 12, на выходе гелия из трубопровода подачи 8; датчиков давления 21, 22, 23 соответственно, в емкости 1 емкости 7 и трубопроводе 8; указателей уровня 24, 25 жидкости в емкости 1 криостата и емкости 7; нагревателей 26, 27, 28 для подогрева жидкости, соответственно, в емкости 1, емкости 7 и на выходе гелия из трубопровода 8 в объект охлаждения 9; штыковых разъемов 29, 30, сильфона 31, обратных клапанов 32, 33 на линиях заправки криостата гелием и подачи хладагента в объект охлаждения 9; регулирующих клапанов, например, электроклапанов 34, 35, 36, 37, 38 обеспечивающих как заправку емкости 1 криостата, так и рабочее функционирование всей системы; фазовых разделителей 39 и 40 на линиях отбора паров гелия из емкости 1 криостата и емкости 7, капиллярно-пористых фитилей 41, 42, 43, обеспечивающих приток жидкости: к поверхности теплообменника-переохладителя 13, к лини забора жидкости из емкости 1 в прямой поток 44 теплообменника 14 и в змеевик теплообменника-переохладителя 13; блока регулирования расхода гелия 45 через объект охлаждения 9, блока контроля и управления 46 работой системы криостатирования; а также линиями связей (на фиг. 1 не показаны), которыми соединены датчики температур, давлений, уровней с блоком регулирования расхода, электроклапанами, нагревателями и с блоком контроля и регулирования.

На конце трубопровода подачи 8 в месте стыковки с объектом охлаждения 9 может быть установлена высокотеплопроводная заглушка 47 (см. фиг. 2), находящаяся с ним в тепловом контакте, тогда весь тракт по трубопроводу от заглушки 47 до клапана 37, заполненный сверхтекучим переохлаждением Не II, представляет с собой тепловую трубу.

В заглушке 48 (см. фиг. 3) выполнен канал 50, соединяющий полость охлаждаемого экрана 12 с внутренней полостью трубопровода подачи 8 через отверстие 49 и клапан 51.

В заглушке 52 (см. фиг. 4) выполнено сквозное отверстие 53, соединяющее внутреннюю полость трубопровода подачи 8 с объектом охлаждения 9 через клапан 51.

Система криостатирования работает следующим образом.

Наземная заправка. Через штыковые разъемы 29, 30, сильфон 31 и обратные клапаны 32, 33 (обеспечивающие, соответственно, соединение с малым теплопритоком во время заправки и работы, компенсацию температурных деформаций узла стыковки трубопровода подачи гелия к объекту охлаждения и запирание внутренних полостей криостата и объекта охлаждения 9 после отстыковки переливного устройства от криостата и трубопровода подачи 8 гелия от объекта) производится сначала подсоединение объекта охлаждения 9 к трубопроводу подачи 8 и подстыковка транспортной емкости с гелием (не показана) к криостату посредством переливного устройства (не показано), а затем захолаживание емкости 1 криостата, внутренней емкости 7, трубопровода 8, объекта охлаждения 9, экранов 2 и 3 криостата и охлаждаемой полости 12 трубопровода 8 подачей в них гелия при открытых клапанах 15, 34, 35, 36, 37, 38. С появлением жидкости в емкости 1 криостата, фиксируемой датчиком уровня 24, дроссельный клапан 15 и клапан 37 перекрываются, и жидкость из транспортной емкости заливается до верхнего предельного уровня емкости 1 криостата, после чего к линии с регулирующим электроклапаном 36 подсоединяется вакуумное оборудование (на фиг. 1 не показано), и при перекрытом блоке 45, закрытых клапанах 37, 38, 34 и открытых клапанах 35 и 36 производится откачка внутренней полости емкости 7 с одновременным заливом ее жидкостью из емкости 1 криостата через дроссельный электроклапан 15 до необходимого уровня, фиксируемого датчиком уровня 25, и требуемой температуры, определяемой по датчику 17. После достижения необходимых температуры и уровня в емкости 7 производится дозаправка емкости 1 криостата до верхнего уровня со сбросом избыточных паров из емкости 1 через клапан 35, после чего клапаны 15, 36 перекрываются, вакуумные средства откачки и средства заправки отстыковываются от системы.

Избыточное давление в емкости 1, фиксируемое датчиком давления 21, сбрасывается через клапан 35. В случае повышения давления в емкости 7 во время подготовки к старту или во время выхода системы на орбиту избыток паров гелия сбрасывается либо через клапан 15 либо через клапан 36, открываемый по сигналу с блока контроля и управления 46, получаемому от датчика давления 22.

Охлаждение объекта 9 может осуществляться при отключенных вакуумных средствах как в период, предшествующий старту, так и во время старта. При этом Не I, забираемый под небольшим избыточным (выше атмосферного) давлением, создаваемым за счет теплопритока или нагревателем 26, через клапан 37 направляется в трубопровод 8 и охлаждаемое изделие 9.

При этом следует отметить, что поддержание требуемого режима как заправки емкости 1 криостата и емкости 7 жидким гелием, так и криостатирования объекта 9 производится по сигналам от первичных датчиков температуры 16, 17, 18. 19, 20 и давления 21, 22, 23, а также датчиков уровня 24 и 25, поступающим через блок контроля и управления 46 на соответствующие органы: электроклапаны 34, 35, 36, 37, 38, нагреватели 26, 27, 28 и блок регулирования расхода 45.

Функционирование системы может осуществляться как в наземных условиях, так и в условиях космического полета (при g ≥ 0).

Работа системы в условиях космического полета складывается из предварительной заправки криостата хладагентом на земле, запуска системы на орбиту и работы в орбитальных условиях.

После выхода системы на орбиту функционирование системы осуществляется следующим образом. При открытых клапанах 35 и 36 по командам блока 46 производится одновременно как понижение температуры насыщенной жидкости в емкости 7 путем откачки паров из нее в космос через фазовый разделитель 40, межтрубное пространство теплообменника 14 и охлаждаемую жидкость 12, так и долив жидкости в емкость 7 из емкости 1 криостата через капиллярно-пористый фитиль 42, трубопровод 44, трубное пространство теплообменника 14 и дроссельный клапан 15 до уровня, при котором теплообменник-переохладитель 13 погружен в жидкость. При достижении заданных параметров по температуре (Т < T_λ) и уровню открывается клапан 37 и производится подача гелия из емкости 1 через капиллярно-пористый фитиль 43 в теплообменник 13, где он охлаждается до требуемой температуры (Т < T_λ) и по трубопроводу 8 подается в криостатируемый объект 9, а затем через блок регулирования расхода 45 выбрасывается за борт. Движение гелия по указанному тракту происходит за счет перепада давлений в криостате (Р ≈ 1 кгс/см²) и за бортом (Р ≈ 0 кгс/см²).

Расположенный в полости 12 теплообменник цикла Джоуля-Томсона 14, теплоизолированный с обеих сторон вакуумными полостями 10 и 11 (см. фиг. 5), использует холод отходящих паров из емкости 7, охлаждает жидкий гелий Не I из емкости 1 до минимально низкой температуры с тем, чтобы при дросселировании через клапан 15 образовалось максимальное количество жидкого Не II и тем самым увеличивалось время работы системы между заправками. Конструктивно теплообменник 14 может быть выполнен в виде спирально навитой трубки, по всей длине которой для обеспечения прохода холодных паров гелия из емкости 7 и повышения эффективности теплообмена спирально навита и припаяна к трубке, например, медная проволока малого диаметра.

Что касается упомянутых выше фазовых разделителей 39 и 40 и капиллярно-пористых фитилей 41, 42 и 43, то их назначение заключается в том, чтобы в условиях невесомости соответственно исключить выброс жидкости из емкости 1 и емкости 7 и обеспечить подтягивание жидкости за счет капиллярных сил на линиях входа жидкости в трубное пространство теплообменников 13 и 14, а также к наружной поверхности теплообменника 13.

Регулирование температуры перед объектом охлаждения 9 осуществляется по показаниям датчика температуры 20, установленного на конце трубопровода подачи 8. При этом корректировка температуры производится либо нагревателем 27, если температура ниже заданной, либо путем увеличения интенсивности откачки паров из емкости 7 при помощи клапана 36 и соответствующего снижения температуры, поступающей в объект охлаждения жидкости, если эта температура выше требуемой, либо изменение расхода хладагента, пропускаемого блоком регулирования расхода 45.

Работа системы в наземных условиях ничем на отличается от работы в космических условиях за исключением наличия дополнительного вакуумного оборудования, подсоединенного к линии с регулирующим электроклапаном 36.

Предлагаемая система криостатирования с охлаждающей емкостью 7 с Не II, погруженной в емкость 1 криостата для хранения He I под атмосферным давлением, и с раздельными потоками жидкого He атмосферного давления, переохлаждаемого в емкости 7 до сверхнизких температур и направляемого в криостатируемое изделие, и парообразного гелия, направляемого на экранирование основного потока Не II в трубопроводе 8, не только лишена ряда недостатков, которые имеют аналогичное по назначению устройство с экраном в виде ванны с Не I и емкостью с насыщенным Не II, подаваемым на криостатируемый объект, но имеет ряд преимуществ.

В предложенной системе криостатирование можно производить не только во время вывода системы на орбиту, но и во время дозаправки криостата на орбите от транспортной емкости, так как дозаправка заметно не влияет на изменение давления и температуры в криостате, из которого хладагент поступает в объект. Указанное обстоятельство позволяет осуществлять функционирование охлаждаемого объекта без перерывов, начиная с момента заправки хладагентом на земле и кончая полным расходованием гелия на орбите.

Поскольку емкость 7 с вакуумметрическим давлением погружена в емкость 1 криостата с гелием, находящимся под небольшим избыточным давлением, а во всем тракте подачи хладагента в изделие также поддерживается давление, избыточное по сравнению с окружающей средой, то исключается забивка отдельных участков системы и арматуры конденсируемыми газами, что повышает надежность системы.

Кроме того, предложенную систему можно использовать для охлаждения объекта 9 как парами, откачиваемыми из емкости 7, так и жидким Нe I из емкости 1 криостата при отсутствии откачки емкости 7. В первом случае при закрытом клапане 37 открываются клапаны 36 и 38 и регулятор расхода 45 и производится откачка насыщенных паров из емкости 7 через трубопровод 8, объект охлаждения 9 и регулятор расхода 45, а также через охлаждаемую полость 12 трубопровода подачи 8. Необходимый расход насыщенных паров через объект охлаждения 9 и экранирующую полость 12 обеспечивается соответствующим регулированием клапанами 36, 38, блоком 45 и нагревателем 27 по сигналам от датчиков температуры 19, 20 через блок контроля и регулирования 46. Во втором случае жидкий гелий из емкости 1 криостата через клапан 37 подается по трубопроводу 8 в объект 9 под давлением, близким к атмосферному, и одновременно через клапаны 36 и 38 направляется на экранирование трубопровода 8. Охлаждение экранов 2 и 3 криостата производится во всех случаях через клапан 35.

Помимо этого система криостатирования позволяет производить охлаждение изделия как сверхтекучим гелием Не II, He I, так и сверхкритическим гелием в условиях заправки криостата сверхкритическим гелием при повышенных давлении и температуре. Емкость 1 криостата может быть заполнена He I, имеющим пониженную температуру, вплоть до λ-точки. При этом откачка криостата должна осуществляться через клапан 35 при закрытых клапанах 15, 34, 37, а охлаждение экрана 12 трубопровода 8 и самого объекта 9 после заполнения емкости 1 переохлажденным Не I может временно производиться насыщенными парами, образуемыми за счет испарения нагревателем 27 нормального Не, накопленного в емкости 7 перед стартом. Регулирование количества подаваемых паров производится блоком регулирования расхода 45, электроклапанами 36, 38 и нагревателем 27 по сигналам через блок 46 от соответствующих датчиков температуры 17, 19, 20.

Кроме того, данную систему можно использовать для контактного охлаждения объекта (т.е. без расхода хладагента через изделие), для чего необходимо на теплом конце трубопровода подачи 8 поставить заглушку 47 (см. фиг. 2) из высокотеплопроводного материала, которая своей торцевой поверхностью пристыковывается к охлаждаемому элементу объекта 9. При перекрытом клапане 37 тракт от заглушки 47, включающий трубопровод 8 и теплообменник-переохладитель 13 до клапана 37, заполненный сверхтекучим переохлаж- даемым гелием Не II, представляет собой тепловую трубу, в которой, благодаря сверхтеплопроводности Не II. тепло, выделенное в объекте 9, через заглушку 47 и Не II, замкнутый в трубопроводе 8, передается в теплообменник-переохладитель 13, где снимается насыщенным Не II через стенку теплообменника-переохладителя 13 за счет откачки паров Не II из емкости 7.

Давление в замкнутом пространстве тепловой трубы может поддерживаться по сигналам от датчика давления 23 на частичное приоткрытие клапана 37.

Для более эффективного и быстрого захолаживания заглушки и заполнения трубопровода 8 сверхтекучим He II на теплом конце трубопровода может быть установлена заглушка 48 (см. фиг. 3) с каналом 50 и отверстием 49, на котором установлен газосбросный клапан 51. При открытии клапана 51 идет интенсивное захолаживание трубопровода и заглушки.

Последний вариант (см. фиг. 4), но с заглушкой 52, имеющей сквозное осевое отверстие 53, и электроклапаном 51, перекрывающим проход хладагента из трубопровода через заглушку в объект 9, позволяет осуществлять криостатирование объекта 9 как по расходной схеме подачи хладагента через объект, так и контактным способом передачи тепла от объекта через заглушку 52 (при перекрытом клапане 51) к сверхтеплопроводному Не II, заключенному в трубопроводе 8, что значительно повышает функциональные возможности и маневренность работы системы.

Возрастанию ресурса функционирования системы способствует то обстоятельство, что емкость сосуда 7 может быть значительно меньше емкости 1 криостата, так как объем сосуда 7 определяется, в основном, объемом жидкого гелия, необходимого для погружения в него теплообменника-переохладителя 13. В связи с этим объем расходуемого гелия будет определяться, главным образом, емкостью 1 криостата. Заложенная в данной системе указанная выше возможность использования хладагента в различных состояниях (сверхтекучий Не II под давлением, насыщенные пары Не II, нормальный гелий Не I, сверхкритический Не) повышает маневренность и функциональность системы, а также расширяет температурный диапазон криостатирования.

Дополнительным достоинством предложенной системы является то, что с целью увеличения запаса холода, расходуемого на охлаждение экранов криостата и самого объекта в период ожидания перед стартом (при отстыкованной наземной системе заправки) и во время выхода системы на орбиту, криостат может быть заполнен Не I, имеющим пониженную температуру, вплоть до λ-точки.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для криостатирования объектов, расположенных вне криостата, гелием, подаваемым при атмосферном давлении и температурах как ниже, так и выше λ точки. Цель повышение эффективности, расширение температурного диапазона криостатирования, облегчение дозаправки системы как на земле, так и орбитальных условиях достигается тем, что в криостате в емкости с жидким Не I расположена теплоизолированная емкость с насыщенным Не II, в которой в жидком Не II размещен теплообменник-переохладитель Не I, а над паровой ванной на линии откачки насыщенных паров Не II размещен теплоизолированный теплообменник контура охлаждения Джоуля-Томсона, трубное пространство которого с одной стороны соединено с емкостью жидкого Не I, а с другой с дроссельным клапаном, причем выход паров из межтрубного пространства теплообменника соединен с полостью охлаждаемого экрана трубопровода подачи гелия и через клапан с линией подачи гелия на объект охлаждения. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. СИСТЕМА КРИОСТАТИРОВАНИЯ СВЕРХТЕКУЧИМ ГЕЛИЕМ, содержащая объект охлаждения и криостат с экранно-вакуумной изоляцией и охлаждаемыми экранами, в котором размещены емкости для Не I и Не II и охлаждающий контур Джоуля-Томсона, включающий дроссельный клапан, теплообменник и испаритель, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, расширения температурного диапазона криостатирования и облегчения возможности ее заправки как на земле, так и в орбитальных условиях, объект охлаждения расположен снаружи криостата и соединен с ним посредством экранированного и теплоизолированного трубопровода подачи гелия, емкость для Не II выполнена теплоизолированной, размещена в емкости для Не I и снабжена линиями откачки паров насыщенного Не II и теплообменником-переохладителем Не I, расположенным в ее жидкостном пространстве, при этом теплообменник охлаждающего контура установлен над паровым пространством емкости для Не II на линии откачки, трубное пространство теплообменника с одной стороны сообщено с емкостью для Не I, а с другой с дроссельным клапаном, и выход из межтрубного пространства подключен к экрану трубопровода подачи гелия и через клапан к трубопроводу подачи гелия. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности использования холода отходящих паров при заправке, трубопровод подачи гелия соединен посредством клапана с паровым пространством криостата. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, трубопровод подачи гелия снабжен высокотеплопроводной заглушкой, контактирующей с объектом охлаждения. 4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что заглушка имеет сквозное отверстие, сообщающее трубопровод с объектом и клапаном. 5. Система по п. 3, отличающаяся тем, что заглушка имеет канал с клапаном, соединяющим внутреннюю полость трубопровода с полостью его экрана.