Установка для получения низких температур Советский патент 1976 года по МПК F25F1/00 F25D3/10 

пористые фильтры (трубки, заполненные спрессованньгм порошком) 8, 9, 10, 11, 12 и 13 с нагревателями 14,15, 16, 17, камеры охлаждения 18, 19, вентили 20, 21, 22 и 23. Установка работает следующим образом. При открытых вентилях 20, 21, 22 и 23 в камеру смешения .и обе камеры разделения 6 и 7 по трубопроводу, который проходит через ванну 3 с жидким гелием, охлажденным до температуры ниже А,-точки (обычно 1,0- 1,5°К), поступает сконденсированная смесь гелия-3 и гелия-4 (трубопровод и баллон со смесью на чертеже не показаны. Включают нагреватели 14 и 15. При этомна пористых фильтрах, один конец которых находится в тепловом контакте с ванной 3, появляется разница температур. В ванне 3 находится гелий -4, охлажденный ниже температуры 1-точки, т. 6. в сверхтекучем состоянии. При наличии разницы температур на пористых фильтрах 8 и 9 будет проявляться термомеханический эффект в сверхтекучем гелии-4, сущность которого состоит в том, что возникает движение жидкости через пористую перегородку (фильтр) со стороны низкой температуры в сторону высокой. При включенных нагревателях 14 и 15 сверхтекучий гелий-4 про-ходит через фильтры 8 и 9, несколько нагревается на нагревателях 14 и 15, где жидкий гелий переходит в нормальное состояние, -и поэтому не может возвратиться в ванну 3, а затем вновь охлаждается в ванне 3, где температура жидкого гелия будет ниже температуры А,-точки. Поскольку вследствие термомеханического эффекта давление в трубопроводе циркуляции, соединяющем между собой соответственно фильтры 8 и 10, 9 и И, несколько превышает давление в ванне 3, а температура жидкости в трубопроводе вблизи фильтров 10 и 11 равна температуре в ванне 3, будет иметь место механокалорический эффект, т. е. под действием перепада давлений сверхтекучий гелий-4 продавливается через фильтры 10 и 11 в камеры охлаждения. Температура его при этом понижается. Таким образом происходит постепенное снижение температуры в камерах охлаждения, а затем в камерах разделения и в камере смешения, а при температуре ниже 0,87°К наступает расслоение раствора изотопов гелия в камере смешения 4 так, что в нижней части камеры находится фаза, богатая тяжелым изотопом гелия (гелием-4), а в верхней ее части, в теплообменнике 5 и в камерах разделения 6 и 7, находится фаза, богатая легким изотопо-м - гелием-3. Циркуляцию сверхтекучего гелия-4 продолжают до понижения температуры раствора до 0,7-0,8°К, закрывают вентили 21 и 22 и выключают нагреватель 14. При этом циркуляция сверхтекучего гелия-4 через фильтры 8 и 10 прекращается, температура жидкого гелия в камере охлаждения 18, а следовательно, и температура раствора изотопов в камере 6 повышается до температуры в ванне 3. Одновременно с выключением нагревателя 14 включается нагреватель 16 (нагреватель 17 при этом выключен), начинается процесс разделения изотопов гелия, который происходит следующим образом. При включении нагревателя 16 к нему через фильтр 12 из камеры разделения 6 устремляется сверхтекучий гелий-4. Это приводит к обогащению раствора и пара над ним гелием-3, который из камеры 6 через вентиль 20 поступает в теплообменник, находяшийся в камере охлаждения 19, конденсируется там и через теплообменник 5 поступает в верхнюю фазу расслоившегося в камере смешения раствора. Отсасываемый из камеры разделения чистый гелий-4 по трубопроводу циркуляции сверхтекучего гелия-4 поступает во вторую камеру разделения 7, снижая концентрацию гелия-3 в камере 7, и в связанной с ней через теплообменник 5 нижней части камеры смещения 4. Таким образом, создается существенный градиент концентрации гелия-3 между верхней и нижней фазой расслоившегося в камере смешения раствора, что приводит к непрерывному переходу гелия-3 из верхней фазы в нижнюю и существенному охлаждению камеры смешения (до нескольких сотых градуса Кельвина). Циркуляция гелия-3 продолжается до тех пор, пока не произойдет опустошение камеры разделения 6 и наполнение камеры разделения 7. После этого выключают нагреватель 15 и включают нагреватель 14, обеспечивая охлаждение камеры разделения 6, закрывают вентили 20 и 23, открывают вентили 21 и 22, выключают нагреватель 16 и включают нагреватель 17. При этом гелий-3 из паровой подушки камеры разделения 7 через вентиль 21, охлаждаясь и конденсируясь при низкой температуре в камере охлаждения 18, поступает через теплообменник 5 в верхнюю часть камеры смешения 4. Гелий-4 всасывается из камеры разделения 7 через фильтр 13, охлаждается в ванне 3 и через фильтр 12 поступает в камеру разделе ния 6. При этом температура в камере разде ления 6 понижается как за счет работы камеры охлаждения 18, так и за счет того, что в камеру разделения поступает сверхтекучий гелий-4 (сверхтекучий гелий-4 обладает нулевой энтропией и температурой, поэтому увеличение содержания сверхтекучего гелия-4 в камере приводит к снижению температуры). Недостаток гелия-3 в камере разделения 6 восполняется за счет его диффузии из нижней фазы, расслоившегося раствора в камере смешения 4 через теплообменник 5 и открытый вентиль 22. Таким образом, циркуляция гелия-3 продолжается теперь уже до опустощепия камеры разделения 7 и наполнения камеры разделения 6. Количество гелия-3, циркулирующего в системе, а следовательно, и холодопроизводительность регулируется соответствующими нагревателями. Температура

циркулирующего в системе гелия-3 нигде не поднимается выше температуры в вапне 3 с жидким гелием, т. е. 1,0-1,5°К.

Выполнение устройства для отбора п возврата гелия-3 в виде двух камер термомеханического разделения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, размещенных в том же криостате, что и камера смещения, и работающих при температурах не въ1ше 2°К, позволяет существенно снизить тепловые потери и повысить экономичность установки.

Формула изобретения

Установка для получения низких температур, содержащая криостат и размещенные в нем ванну жидкого гелия, камеру смещения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелпя-4, соединенную с теплообменником, и устройство для отбора п возврата гелия-3, отличающаяся тем, что, с целью повышения ее экономичности, устройство для отбора и возврата гелия-3 выполнено в виде двух камер разделения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 и снабженных камерами охлаждения, подключенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 к ванне жидкого гелия, а трубопроводы циркуляции на входе и выходе сверхтекучего гелия-4 снабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на

входе, установлены нагреватели.

Источники, принятые во внимание при экспертизе.

1. Авт. св. № 330785, кл. F 25В 27/00, 1969.

„ „ J L-,-...

, --} i-i(

i -- I - - 11

; -:П

rbiTir-if fff:

гг| ir

i JKs,

3i. ..fT - i

ечД 1

--,