Установка для получения сверхнизких температур Советский патент 1982 года по МПК F25B27/00 F25J1/02 

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ П ТЕМП Изобретение относится к криогенной технике, в частности к конструированию установок для получения температур до нескольких сотых градуса Кельвина. Известна установка для получения сверхнизких температур, содержащая систему подачи смеси гелия-3 и гелия-4 и криостат с криогенной жидкостью, в котором находится азотная ванна, первая гелиевая ванна (с температурой кипения 4,2°К), вторая гелиевая ванна (с температурой кипения 1,0-1,2°К) и внутри которого размещены камеры испарения и смещения, соединенные с системой откачки и возврата паров гелия-3, в которую входят бустериый насос, диффузионный насос и механический форвакуумный насос. Наличие столь сложной и громоздкой системы откачки паров гелия-3 влечет за собой трудность эксплуатации, длительность пускового периода, значительные затраты энергии, ненадежность работы и необходимость использования значительных количеств гелия-3. С целью повышения эффективности и увеличеиия надежности и экономичности установки, а также уменьшения времени запуска и количества используемого гелия-3 в предложенной установке система откачки и возврата паров гелия-3 выполЧЕНИЯ СВЕРХНИЗКИХ 5 . ТУР Щ.1ШЯиена в виде не менее чем двух нопеременно работающих в режиме откачки и в режиме возврата паров адсорбционных насосов, причем насосы снабжены нагревателями и окружены вакуумными рубащкамн, соединенными с трубками, внутри которых расположены передвигающиеся из холодной зоны в теплую и наоборот малые адсорбционные насосы. Кроме того, в криостате размещен дополнительный адсорбционный насос для откачки паров криогенной жидкости. На чертеже показана принципиальная схема предложенной установки. Внутри криостата 1 установки расположены азотная 2, гелиевая первая 3 и гелиевая вторая 4 ваниы, камера 5 испареиия, теплообменник 6 и камера 7 смешеиия. Во второй гелиевой ванне 4 находятся дроссели 8 и 9, а в первой - адсорбционный насос 10 и окруженные вакуумными рубащками 11 и 12 адсорбционные насосы 13 и 14, вокруг которых навиты нагреватели 15 и 16. Вакуумные рубащки заполнены теплообменным газом и соединены с трубками 17 Н 18, внутри которых могут передвигаться вверх и вниз (из холодной зоны в теплую и наоборот) адсорбционные насосы 19 и 20. Адсорбциопиые насосы 13 и 14 соединены с камерой испарения через

вентили 21 и 22, a с камерой смсшеипя - через дроссели л теплообменник. Первая п вторая ге.ииевые ваииы сообщаются между собой посредством вентиля 23, а адсорбциопньш насос 10 соединен с второй гелиевой ванной через вентиль 24.

Установка работает следующнм образом.

Камеру испарения носредством трубонровода соединяют с системой хранения смеси гелнй-З и гелнй-4 (трубопровод и баллон со смесью на чертеже не ноказаны) при закрытых вентилях 21, 22 н 24 и открытом веитиле 23, нрн опущенных в нижнюю часть трубок 17 и 18 малогабаритных адсорбционных насосах 19 н 20. В азотную вапну заливают жидкий азот, а в первую гелиевую ванну - жидкий гелий, который через вентнль 23 заполняет н вторую гелиевую ваииу.

Чтобы смесь гелпя-3 п гелня-4, ноступающая нз системы храпения в камеру исиареиия, а через теилообменник и в камеру смещения, не откачпвалась через тен;1ооб.меииик и дроссели адсорбцно 1иыми насосами 13 н 14, включают нагреватели 15 и 16 (в вакуумиых рубащках при этом хороший вакуум, поскольку тенлообменный газ адсорбирован находящимися в нижних холодных частях трубок 17 и 18 адсорбциопиыми насосами 19 н 20). Затем вентиль 23 закрывают и открывают вентиль 24. Благодаря адсорбции паров адсорбцнонным пасосом 10 температура жидкого гелия во второй гелиевой ванне становится 1°К. При этой температуре смесь гелмя-З н гелия-4 конденсируется и заполняет камеру смещения, теилообмеипик и камеру испарения, после чего систему хранения смеси гелий-3 и гелий-4 отсоедиияют, затем выключают нагреватели 15 и 16, насосы 19 и 20 иоднимают в верхнюю (теплую) часть трубок 17 и 18, н десорбнруемый из насосов 19 и 20 тен.чообменный газ занолняет вакуумные рубашки, благодаря чему адсорбционные насосы 13 и 14 охлаждаются до низкой темнературы. При этом из-за большого сонротпвлеппя дросселей и соединяющего нх с насосами 13 и 14 трубопровода ирактически ие происходит откачки смеси гелия-3 и гелия-4. Откачка на)ов иад раствором изотопов гелия из камеры исиарения адсорбцноииым пасосо.м 13 (открывают веитиль 21) приводит к понижению температуры раствора н его расслоению. Дальнейшую откачку паров над расслоившимся раствором изотопов гелия (уже нрактическн чистого гелня-3) производят адсорбционным иасосо.м 14, для чего закрывают вентнль 21 i открывают вептиль 22. В это время малогаба)ит11ый адсорбциоипый насос 19 опускают в нижнюю, холодную часть трубки 7, гд,е он адсорбирует теилообменный газ, создавая высокий вакуум в вакуумной рубашке 11, и включают нагреватель 15. Десорбнруемый при этом из насоса 13 гелий конденсируется в дросселе 8 и через теплообменник поступает в камеру смешеиия. После пасыщения адсорбента иасоса 14 гелием-3 и десорбации гелия из насоса 13 закрывают вентиль 22, выключают нагреватель 15, насос 19 иоднимают в верхнюю теплую часть трубки 17, заполняя вакуумную рубащку 11 теплообмеппым газом; насос 20 онускают в нижнюю холодную часть трубки 18, что сопровождается созданием высокого вакуума в вакуумиой рубашке 12, включают нагреватель 16 и открывают веитиль 21. Тенерь вновь адсорбция паров гелня-З производится насосом 13, а на растворение в камеру смешения подают гелнй-З, десорбируемг ш из иасосов 14 н т. д. Благодаря раствореиню гелия-3 и иереходу его через разделения фаз температура в камере смешения понижается.

Количество гелия-3, циркулирующее в системе, а следовательио, холодоироизводительность установки регулируют иаходяигимися в камере испарения иагревателями.

Система откачки паров гелия-3 может быть размещена i в отдельно стоян1ем сосуде Дьюара.

Фор м у л а и 3 о б р е т е и и я

1. Установка для иолучеиия сверхиизких температур, содержащая систему иодачи смеси гелия-3 и гелия-4 и криостат с криогенной жидкостью, внутри которого размещеиы камера испарения и камера смешения, соедкиеппые с системой откачки и возврата паров гелия-3, отличающаяся тем, что, с целью повыщения эффектпвиости и увеличения надежности установки, система откачки и возврата паров гелия-3 вынолиена в виде не менее чем двух поиеременно работающих в режиме откачки и в режиме возврата паров адсорбиионных насосов.

2. Установка ио п. 1, отличающаяся тем, что адсорбционные насосы снабжены нагревателями и окружены вакуумными р башками, соединенными с трубками, внутри которых расположены передвигающиеся из холодной зоны в тенлую и наоборот малые адсорбционные насосы.

3. Устаиовка ио пп. 1 и 2, отличаю|ц а я с я тем, что в криостате размещен дополнительный адсорбциоииый иасос для

откачки паров криогениой жидкости.