Криостат Советский патент 1981 года по МПК F17C7/02 F25D3/10 

(54) КРИОСТАТ

I

Изобретение относится к криогенным устройствам, используемым для изучения свойств различных материалов, а более конкретно к крйостатам с регулируемой рабочей температурой исследуемого образца.

Известно устройство для криогенного охлаж- 5 дения, в котором предусмотрено регулирование температуры охлаждаемого объекта, с использованием электрического нагревателя, установленного на держателе охлаждаемого объекта 1.

Недостатком известного решения является 10 невозможность замены нагревательного элемента без разгерметизации вакуумной полости криостата.

Наиболее близким к предлагаемому является криостат, содержащий вакуумироваиный кор 15 пус с трубкой для подачи хладагента и средством для его отвода и размещенные в корпусе радиационный экран с теплообменником, нагреватель. адсорбционный насос и теплообменник для исследуемого образца, соединенный 20 с теплообменником радиационного экрана 2.

Недостаток известного криостата заключается в том, что в его конструкции нагреватель не обдувается непосредственно потоком гелия, что

отльно снижает как надежность нагревателя, так и устройства в целом из-за ограничения предельной мощности, которая может подаваться на нагреватель в процессе регулирования. Такое ограничение мощности приводит к ухудщеиию динамических характеристик системы регулирования и невозможности применения ее для исследований, в которых необходимы большие скорости изменения температуры (порядка 0,5- 1 град/с). Для замены нагревателя из криостата извлекается оправка с камерой высокого давления, что нарушает механический контакт. При установке оправки с новым нагревателем механический контакт восстанавливается, но его тепловое сопротивление изменяется, т.е. нет повторяемости тепловых характеристик системы от эксперимента к. зксперименту. Кроме того, температура криостата основного теплообменника в процессе регулирования изменяется и, соответственно, угольный адсорбционный насос имеет переменную температуру. Это приводит к тому, что изменяется давление остаточных газов в вакуумной полости криостата, так как погаощающая способности угла зависит от температуры. При повьппеиии температуры повышается давление и увеличивается теплоприток к холодным, элементам криостата по остаточным газам. Связь давления с температурой создает нестабильные условия работы всей системы, а также позволяет сконденсироваться остаточным газам на поверхностях окон и образца. Конденсат затрудняет проведение оптических исследований образцов. При применении конструкции известного криостата требуется повышенный его расход в силу неэффективного охлаждения трубки, на которой закреплена оправка с камерой высокого давления, с размещенным в ней нагревателем, и токоподводящие провода. Цель изобретения - повышение надежности криостата и улучшение эксплуатационных параметров за счет обдува нагревателя хладагентом и упрощения его замень. -Поставленная цель достигается за счет того, что криостат, содержащий вакуумированньо кор пус с трубкой для подачи хладагента и средстством для его отвода и размещешше в корпусе радиационный экран с теплообменником, нагреватель, адсорбционный насос и теплообменюле для исследуемого образца, соединенный с теплообменником радиационного экрана, сиабжен вершкальной трубой, вьшолненной из двух частей, соединенных посредством пробки с коль цевым выступом на наружной поверхности, штангой, расположенной в трубе и закрепленной в пробке, д(Я1олнительной трубой с перегородкой, закрепленной, коаксйально на верхней части вертикальной трубы и соединенной со средством для отвода хладагента, нагревател закреплен на штанге, трубка для подвода хладагента подсоединена к нижней час-га вертикальной трубы над нагревателем и выход теплообменника радиационного экрана подсоединен к дополнительной трубе. Кроме того, адсорбционный насос установлен на трубе для подачи хладагента. Конструкция криостата обеспечивает возйожшсть быстрой смены нагревателя, стабильное давление в вакуз миом объеме и значительное шижение теплопритока по стенкам трубы и штанге благодаря охлаждению стенок трубы парами гелия. На фиг. 1 представлен криостат, общий вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1. Криостат (фиг. 1) содержит наружный вакуумированный корпус 1 с оптическими окнами (не показано). Внутри корпуса 1 размещен радиационный экран 2, в котором установл теплообменник 3 pjm снятия теплового потока с экрана 2 и укрепленный на штанге 4 съемный электрический нагреватель 5. Штанга 4 раз мещена в трубах 6 и 7, соединенных посредством пробки 8. Радиационный экран 2 снабжен съемным хвостовиком 9, внутри которого размещен теп лообменник 10 /UIH исследуемого образца. Теплообменник 10 соединен с трубой 6 трубкой 11, а с теплообменником 3 - трубкой 12. К боковой поверхности трубы 6, выше места расположения съемного нагревателя 5, подведена трубка 13 подачи хладагента соединенная с приемным устройством 14 переливного сифона. На части трубки 13 подачи хладагента в объеме, ограниченном радиационным экраном 2, установлен адсорбционный насос 15. В верхней части трубы 6 установлена дополнительная труба i6 с перегородкой, образованной втулкой 17 с пробкой 8 и уплотнительным кольцом 18. Нижняя часть втулки 17 (фиг. 2) жестко прикреплена к трубе 6, например, путем сварки и снабжена внутренней резьбой, в которую ввинчена пробка 8, соединенная с трубой 7 и штангой 4. При установке пробка 8 прижимает (воими заплечиками уплотнительное фторопластовое кольцо 18. Верхняя часть втулки 17 присоединена к трубке 19 выхода криоагента из теплообменника 3 и далее соединена с трубой 16, подключенной к газгольдерной системе. В результат-е в верхней части втулки 17 образуется полость для прохождения криоагента, который по межтрубному пространству между трубой 16 и трубой 7 попадает в газгольдерную систе у. С целью предотвращения конвективного теплообмена между съемным нагревателем 5 и пробкой 8 (фиг. 1) пространство в трубе 6 между указанными элементами заполнено пенопластом. К боковой поверхности втулки 17 припаян радиационный экран 20, другой конец которого припаян к трубке 21 приемного устройства 14 переливного сифона. Криостат работает следующим образом. Жяякт гелий из транспортного дьюара по вакуумному, сифону, вставленному в трубку 21, проходит по трубке 13 подачи хладагента и охлаждает до гелиевых температур адсорбционный насбс 15. При охлаждении адсорбционного насоса 15 в вакуумном пространстве криостата давление остаточных газов не превышает Торр. Температура насоса 15 сохраняется стабильной в процессе работы, что обеспечивает постоянное давление и условия работы всей системы. Учитьтая, что насос расположен в начале пути движения жидкого гелия, он охлаждается в первую очередь, поглощает остаточные газы из вакуумного объема кртостата и предотвращает их конденсацию на рабочих поверхностях образца. Затем гелий проходит через нижнюю часть трубы 6, электрический нагреватель 5 и приобретает заданную температуру, которая стабилизируется (жстемой автоматического регулирования. После нагревателя 5 гелий по трубке II поступает в теплообменник 10, в котором укрепляется образец, далее проходит по трубке 12

в теплообменник 3, который осуществляет теплосъем с радиагиюнного экрана 2 и через трубку 19 выхода гелия поступает в трубу 16, отделенную от трубы 6 пробкой 8 с уплотнительным кольцом 18. Далее гелий по межтрубному пространству, образованному трубкой 7 н тру- бой 16, поступает в газгольдерную снстему.

Такнм образом, расположение нагревателя нв штанге, установленной в трубе, закрепленной на ней посредством пробкн и подсоед|шеняя к вертикальнойтрубе трубки для подвода, хладагента позволяет производить быструю замену нагревателя который является одним из ненадежных злементов конструкции, не изменяя тепловых характеристик системы. Кроме того, улучшаются эксплуатационные параметры системы благодаря обеспечению постоянного давления в вакуумном объеме, а также сокращению расхода гелия через систему за счет уменыцения, теплопритока, что повышает надежность и улучшает зкснлуатационные параметры; Формула изобр« те н и я 1. Криостат, содержащий вакуумировшшый корпус с трубкой для подвода хладагента и сфедством для его отвода и разяющенные в корпусе радиационный экран с. теплоо енником, нагреватель, адсорбционный насос и теплообменник для исследуемого образца, соеди856924

ненный с теплообменником радиационного экрана, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и улучшення эксплуатационных параметров за счет обдува

I нагревателя хладагентом и упрощения его замены, он снабжен вертикальной трубой, выполненной из двух частей, соединенных посредством пробки с кольпевым выступом на наружной поверхности, щтангой, расположенной в

10 трубе и закрепленной в пробке, дополнительной трубой с перегородкой, закрепленной коаксиально на верхней части вертикальжж трубы и соединенной со средством для отвода хладагента, нагреватель закреплен на штанге,

и .трубка для подвода хладагента подсоеданена к нижней часта вертикальной над нагревателем и выход теплообменника радиационного экрана подсоединен к допошгатепьной . трубе.

2 2. Кртостат но п. 1, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что адсорбционный насос установлен на трубке для подачн хладагента.

Источники информации, принятые во внимание пра экспертизе

jg 1. Авторское свидетельство СССР № 289269, кл. F 25 D 3/JO, 1974.

21

фие.г