Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур Советский патент 1993 года по МПК G05D23/19 

сборником 7 криогенной жидкости 8. Датчик температуры 15 соединен через блок управления 16 с управляющим входом исполнительного элемента 14. Сборник криогенной жидкости 7 выполнен е виде дополнительного сосуда, установленного под теплоизолированной камерой 5 и соединенного в своей верхней части с нижней частью этой

камеры. Нижний конец отводящего патрубка 12 расположен в нижней части дополнительного сосуда, соединенного через патрубок 13 с входом второго теплообменника 11, выход которого соединен через исполнительный элемент 14 с атмосферой или накопительной емкостью (на чертеже не показано). 2 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, используется для лабораторных исследований в широком температурном интервале. Цель - улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик уст- ройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживания объекта. Сущность изобретения: устройство содержит установленный в теплоизолированной камере 5 криостат 4 с охлаждаемым объектом 6, датчиком температуры 15, первым 10 и вторым 11 теплообменниками; источник паров хладагента в виде основного сосуда 1 с криогенной жидкостью, соединенного через подводящую трубку 3 с входом первого теп- Ј лообменника 10, блок управления 1 б, испол- нитель-ный элемент 14 в виде криогенного С/) вентиля. Выход первого теплообменника 10 Ј соединен через отводящую трубку 12 со ВыходS 00 W СХ О О VI со

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

Целью изобретения является улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживэния объекта.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для регулирования и стабилизации криогенных температур; на фиг. 2 - структурная схема блока управления устройства.

Источник паров хладагента в виде основного сосуда 1с криогенной жидкостью 2 подводящей трубкой 3 соединен с криоста- том 4, который расположён в теплоизолированной камере 5. В криостате 4 размещен охлаждаемый объект 6. Устройство снабжено сборником 7 криогенной жидкости 8, верхней частью соединенным с нижней частью теплоизолированной камеры 5, например, горловиной 9. В криостате 4 расположены первый 10 и второй 11 теплообменники. Вход теплообменника 10 соединен с подводящей трубкой 3, его выход - со сборником 7 криогенной жидкости отводящим патрубком 12 таким образом, чтобы конец патрубка 12 в рабочем положении устройства находился ниже уровня криогенной жидкости 8. Вход теплообменника 11 соединен со сборником 7 патрубком 13, а его выход - с входом исполнительного элемента 14, выполненного в виде криогенного вентиля. В криостате 4 также расположен датчик температуры 15, выход которого соединен с входом блока управления 16.

Место расположения датчика 15 выбирается из эксплуатационных соображений, поэтому особо не оговаривается. Один из входов блока управления 16 соединен с управляющим входом 17 исполнительного элемента 14 (например, с обмоткой электромагнита криогенного вентиля), а второй

нагревателем 18, который расположен в криостате 4 или на охлаждаемом объекте 6. Блок управления 16 может быть выполнен с различными принципами работы - частотным, фазовым, амплитудным и т.д. В предлагаемом устройстве осуществляется сравнение по амплитуде с преобразованием в двоично-десятичный код.

Пример структурной схемы такого блока

сравнения представлен на фиг. 2. Датчик температуры 15 соединен с входом схемы сравнения 19, второй вход которой соединен с задатчиком 20. Выход схемы сравнения 19 соединен с входом выходного

каскада 21, выполненного е виде трехпози- ционного регулятора. Выходы каскада 21 соединены с входами элементов модуляции управляющего сигнала 22 и 23, вторые входы которых соединены с регулируемым генератором импульсов 24. Источник питания 25 соединен с нагревателем 18 и управляющим входом 17 исполнительного элемента 14 через элементы модуляции 22 и 23. Выходы элементов модуляции управляющего сигнала 22 и 23 являются выходом каскада 21. Выход схемы сравнения 19 соединен с регулируемым генератором импульсов 24 через устройство управления частотой 26 генератора 19.

Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур работает следующим образом.

Показания датчика температуры 15, определяющие температуру, поступают на

вход блока управления 16, где они сравниваются с опорным сигналом, параметры которого соответствуют устанавливаемой температуре. В зависимости от соотношения опорного и сигнала датчика 15 в блоке

управления 16 вырабатывается сигнал ошибки, которым управляют либо нагревателем 18, либо обмоткой 17 криогенного вентиля 14.

При этом возникает одна из трех ситуаций:

а) температура на датчике 15 равна устанавливаемой;

б)температура на датчике 15 ниже нее;

в)температура на датчике 15 выше устанавливаемой.

Если температура на датчике 15 равна устанавливаемой, то сигналы на обоих выходах блока управления отсутствуют, в связи с чем вентиль 14 закрыт, а нагреватель 18 обесточен.

Если температура на датчике 15 ниже устанавливаемой, то блок управления 16 вырабатывает сигнал ошибки на входе, соединенном с нагревателем 18. Выделяемая на нагревателе 18 тепловая мощность нагревает полость криостата 4 и охлаждаемый объект б, повышая их температуру до устанавливаемой. При достижении температуры, равной необходимой, на датчике 15 выделяется сигнал, численно равный опорному. В связи с этим на выходах блока управления 16 сигнал отсутствует (т.е. ситуация по п. а),

При включении устройства в тот момент, когда температура на датчике 15 выше устанавливаемой, или при необходимости снижения температуры криостата 4 или объекта 6 в процессе эксплуатации, происходит следующее.

Блок управления 16 выдает импульсный сигнал на выходе, подсоединенном к управляющему входу 17 элемента 14. Этот сигнал периодически открывает-закрывает вентиль 14, В сборнике криогенной жидкости 7 (дополнительном сосуде) при этом может возникнуть ситуация, когда конец патрубка

13ниже уровня жидкости 8 или выше его.

Рассмотрим случай, когда конец патрубка 13 выше уровня криогенной жидкости.

Так как полости элементов 1, 5 и 7 замкнуты и соединены между собою, то при закрытом вентиле 14 испаряющийся хладагент создает избыточное давление, равное во всех полостях. При открывании вентиля

14(в момент подачи на обмотку 17 импульса сигнала от блока управления 16) через патрубок 13 во второй теплообменник 11 поступает газ, охлаждая и его, и объект 6. При этом давление в полости термоизолироеан- ной камеры 5, а следовательно, и над уровнем жидкости 8 в сборнике 7 снижается, т.к. часть газа уходит через вентиль 14 либо в атмосферу, либо в газгольдер. В связи с этим давление в источнике паров 1 оказывается выше, чем в указанной полости. Поэтому жидкий хладагент из источника пара 1 по подводящей трубке 3 поступает к первому теплообменнику 10. Там он испаряется, а его газ нагревается. Нагретый газ через отводящий патрубок 12 поступает в жидкий хладагент 8, вызывая дополнительное испарение его. Это повышает давление в полости теплоизолированной камеры 5. При этом газ в жидкости 8, испаряя ее, сам охлаждается. Поэтому через второй тепло- бменник 11 проходит, во-первых, тот же газ, что проходил через первый теплообменник 10 (т.е. из источника пара 1), но охлажденный в жидкости 8 (т.е. он вторично используется для охлаждения объекта), и,

0 во-вторых, газ жидкости 8, который образовался охлаждением проходящего по ней газа. Это свидетельствует о том, что здесь охлаждение более эффективно, чем в отсутствие сборника 7 в виде дополнительного

5 сосуда. При закрытом вентиле 14 подводящая трубка 3, первый теплообменник 10 и отводящий патрубок 12 образуют замкнутый объем, ограниченный жидкостью с обеих сторон, т.е. полость, где возникает

0 термоакустический эффект. Поэтому при закрытом вентиле 14 он является причиной интенсивного испарения хладагента, что позволяет поддерживать необходимое давление над уровнем жидкости. Управление

5 вентилем 14 с помощью импульсного сигнала увеличивает интенсивность колебаний жидкого хладагента в замкнутой емкости с термоакустичееким эффектом, а следовательно, повышает скорость испарения, что в

0 свою очередь приводит к снижению времени захолаживания объекта. Это связано с тем, что повышение скорости испарения приводит к более быстрому изменению давления над уровнем жидкости, и, следова5 тельно, к увеличению количества охлаждающего объект 6 газа.

Рассмотрим случай, когда конец патрубка 13 ниже уровня жидкости 8 в сборнике 7. После того, как вентиль 14 открывается,

0 давление в полости патрубка 13 второго теплообменника 11 снизится по сравнению с полостью теплоизолированной камеры 5. Поэтому к теплообменнику 11 по патрубку 13 будет подниматься жидкость 8, охлаждая

5 его и испаряясь. При этом, если давление в полости теплоизолированной камеры 5 несколько снизится, то оно будет компенсироваться подачей газа по подводящей трубке 3 из источника паров хладагента 1, который

0 также, Нагреваясь в первом теплообменнике 10, вызовет испарение жидкости 8, Таким образом, если патрубок 13 опустить в криогенную жидкость 8, то в устройстве будут проходить те же тепловые процессы, что и в

5 ситуации, когда патрубок 13 не в жидкости. Естественно, что при подаче жидкости ко второму теплообменнику 11 охлаждение будет более эффективным за счет ее испарения. Однако для подачи криогенной жидкости ко второму теплообменнику 11 необходимо более высокое давление в полостях над ее уровнем. В связи с тем, что давление над уровнем жидкости практически одинаково независимо от положения ее уровня относительно патрубка 13, скорость охлаждения криостата 4 также одинакова в обоих, случаях.

вышеизложенное свидетельствует, что в обоих случаях предложенное устройство работоспособно и обеспечивает одинаковые результаты.

Таким образом, на скорость охлаждения криостата 4 и объекта 6 влияют следую-, щие факторы:

а)давление ё полостях элементов 5 и 7, вызванное термоакустическим эффектом в источнике паров хладагента - сосуде 1.

б)давление в полостях элементов 1 и 5, вызванное испарением жидкости 8 в сборнике 7 за счет нагретого газа, проходящего через первый теплообменник 10.

в)давление в полостях, вызванное тер- моакустичееким эффектом, возникающим в патрубках 12 и 13 при закрытом элементе

..14... ..: ; - : ,. . . : ;.. .,. . . . Экспериментально исследовалось устройство, представленное на рисунке к описанию. Точность поддержания температуры в криостате 4 зависит от чувствительности датчика температур 15 и блока управлений 16. Так, при использовании блока с двоично-десятичным кодом и четырьмя разрядами точность установки равна плюс-минус единица счета последнего порядка. Исполь- зу медь-констэнтановую термопару в качестве датчика температур при ее чувствительности 15 мкВ/град в области азотных температур следует, что точность

поддержания температур 1/15 град, Наличие элементов 4, 7, 11 и 13 позволяет повысить скорость охлаждения в 4 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур, содержащее установленный в теплоизолированной камере криостат с размещенными в нем охлаждземым объектом, датчиком температуры и первым теплообменником, а также источник паров хладагента е виде основного сосуда с криогенной жидкостью, соединенного через подводящую трубку с входом

первого теплообменника, выход которого соединен через отводящую трубку со сбор ником Криогенной жидкости, причем датчик температуры соединен через блок управления с управляющим входом исполнительного элемента, отличающееся тем, что, С целью улучшения функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживания объекта, оно содержит размещенный в криостате второй теплообменник, исполнительный элемент выполнен в виде криогенного вентиля, з сборник криогенной жидкости - в виде дополнительного сосуда,

установленного под теплоизолированной камерой и соединенного в верхней части с нижней частью этой камеры, нижний конец отводящего патрубка расположен в нижней части дополнительного сосуда, соединённого через патрубок с входом второго теплообменника, выход которого соединен через исполнительный элемент с атмосферой или накопительной емкостью.

W. 2