РЕФРИЖЕРАТОР Советский патент 1970 года по МПК F25J5/00 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к устройствам для получения сверхнизких температур.

Известна установка, состоящая из последовательно соединенных бойлера, теплообменниля, фазового сепаратора, камеры охлаждения и сверхтечи, помещенных в емкость, окруженную жидким гелием и соединенную с внешней насосной системой, в которой реализуется эффект охлаждения при разбавлении раствора гелия-3 ъ телии-4 через оверхтечь. Такая установка позволяет получить температуры порядка 0,06-0,025°К, она находит применение в случае низкотемпературных исследований.

Предлагаемый рефрижератор отличается от известного тем, что IK оверхтечи с разных сторон подключены нагрузочная и расширительная камеры, причем нагрузочная камера через сверхпроводящий тепловой ключ соединена с бойлером, а расширительная камера через клапаны связана с камерой охлаждения и фазовым сепаратором. Это позволяет снизить температуру охлаждения.

Схема предлагаемого рефрижератора представлена на чертеже.

Камера охлаждения 1 содержит контейнер 2 для охлаждаемого предмета, она соединена в ниЖНей части через теплообменник 3 с дном бойлера 4, снабженного нагревателем 5. Труба 6 для выхода паров С диафрагмой 7 соединена с внешней насосной системой. Труба S для входа жидкого телия-З охлаждается до темлературы 1,3°К жидким гелием-4, содержащимся в сосуде 9. Труба 8 связана через клапан 10 с трубой 11, .которая проходит через бойлер 4 и теплообменник 3 к фазовому сепаратору 12. Последний через входной клапан 13 связан с .камерой расширения 14, дно

которой расположено над уровнем жидкости в бойлере 4.

Камера расширения 14 соединена при помощи выходного Клапана 15 с камерой охлаждения 1, а Посредством сверхтечи 16 - с

нагрузочной камерой 17, снабженной нагревателем 18. Нагрузочная камера 17 находится в термическом контакте с бойлером посредством сверхпроводящего теплового ключа 19 с соленоидом. Вся система находится В емкости 20, погруженной в сосуд для обеспечения термоизоляции.

Возможна такая схема рефрижератора, в которую вместо нагрузочной камеры и сверхпроводящего теплового -ключа включен капилляр.

Гелий-3 по трубе 6 откачивается из системы и снова конденсируется в трубе 8. В результате концентрация гелия-3 в гелий-4 уменьшается, так как он испаряется значикйх концентрациях гелия-3 ж.идкость в бойлере 4 становится сверхтекучей. Это вызывает течение гелия-3 по отношению к гелию-4 в теплообменнике 3 и распростралевие сверхтекучей области низких концентраций гелия-3 по напраБлению К охлаждающей камере, клапану 15, клапану 13 и фазовому сепаратору 12, где начинается разделение фаз -к образуется граница их раздела. Количество гелия-3 и гелия-4, первоначально конденсированных в системе, -подбирают такое, чтобы после разделения фаз и наполнения нагрузочной камеры чистым ,гелием-4, труба 11 и небольшая часгь Фазового сепаратора 12 наполнялись концентрированным телием-З, в то время как остальная часть системы наполнится разбавленным раствором телия-3 в гелии-4. Объем фазового сепаратора 12 выбран так, что .граница раздела фаз благодаря изменению концентрации гел1ия-3 не выходит из этой камеры. По мере того как температура в бойлере продолжает падать работает нагреватель 5 для поддержания температуры в бойлере 4 примерно 0,6°К. Достигается равновесное состояние, при котором гелий-3 в трубе 11 сконцентрирован примерно до 95%, в то время как гелий-4 в пространстве от границы раздела фаз до вывода охлаждающей камеры 1 содержит примерно 6% гелия-3 при температуре 0,07°К, и жидкость в бойлере 4 содержит примерно 1 % гелия-З, а осмотическое давление в бойлере будет примерно равно давлению в охлаждающей камере 1. До этого момента система работает как рефрижератор разбавления, и температура в охлаждающей камере 1 падает до тех нор, пока не доститнет самого низкого значения, получаемого использованием теплоты разбавления. На этой стадии клапан 15 закрывают, нагреватель 18 выключают, сверхпроводящий тепловой ключ 19 закрывают, пропуская ток по соленоиду.

По мере падения температуры жидкого гелия-4 в нагрузочной камере 17 давление фонтана сверхтечи становится меньше осмотического давления гелия-3 в камере расширения 14, жидкий гелий-4 начинает истекать пз нагрузочной камеры 17 через сверхтечь 16 и камеру расширения 14, причем 15 закрыт. Одновременно гелий-З течет через границу раздела фаз в фазовом сепараторе, так что концентрация гелия-З в гелии-4 в камере 14 лишь несколько меньше, чем концентрация в сепараторе 12. Когда примерно одна восьмая часть объема в камере расширения 14 заполнится, клапан 13 закрывают, завершая этим первую стадию цикла.

Во второй стадии цикла гелий-4 продолжает течь в камеру расширения 14, вызывая падение концентрации гелия-3, так как клапан 13 закрыт. Вследствие этого температура и

осмотическое давление гелия-З в камере расширения 14 падают. Давление фонтана гелия-4 в нагрузочной камере 17 будет также снижаться. Вторая стадия цикла завершается, когда камера расширения 14 заполнена. Концентрация гелия-3 в камере расширения 14 падает до примерно одной восьмой ее начального значения (т. е. до 0,75%) и в отсутствие утечки тепла температура в соответстВИИ с законом двух третей должна упасть шримерно до одной четвертой ее пер1войачального значения (т. е. примерно до 0,02°К). Когда клапан 15 закрыт, бойлер 4 продолжает работать, понижая концентрацию гелия-3, как

следствие этого, происходит понижение температуры охлаждающей камеры /.

Третью стадию начинают от фытяем клапана 15 и теплового ключа 19 и снабжением энергией нагревателя 18. В результате этого

гелнй-4 течет обратно в нагрузочную камеру 17, и гелий-3 (благодаря градиенту концентрации) потечет из камеры расширения 14 через охлаждающую камеру 1 и теплообменник 3 в :бойлер 4.

Третья стадия завершается, когда камера

расширения 14 станет пустой, а нагрузочная

камера 17 заполнится; клапан 15 закрывают.

В течение четвертой и последней стадии

цикла температуру гелия-4 в нагрузочной камере повышают до тех пор, пока давление фонтана сверхтечи не станет достаточно 1высоким, чтобы снова начать первую стадию.

Последующие циклы такие же, что и описанные выше, за исключением того, что

отпадает надобность в ожидании падения концентрации гелия-3 в охлаждающей камере /, так как это условие будет выполняться автоматически. Вместо нагрузочной камеры и cBepxinpOBOдящего теплового ключа между сверхтечью и бойлером может быть установлен капилляр, что упрощает рефрижератор, но делает его менее эффективным.

Предмет изобретения

Рефрижератор для охлаждения до температур ниже 0,06°К, состоящий из последовательно соединенных бойлера, теплообменника, фазового сепаратора, камеры охлаждения и

свер.хтечи, помещенных в емкость, окруженную жидким гелием, и подключенных к внешней насосной системе, отличающийся тем, что, с целью понижения температуры охлаждения, к сверхтечи с разных сторон подключены нагрузочная и расщирительная камеры, причем нагрузочная камера через сверхпроводящий тепловой ключ соединена с бойлером, а расширительная камера через клапаны соединена с камерой охлаждения и фазовым сепаратором.