Криостат

 

1. КРИОСТАТ, содержащий размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемыми парами гелия экранами и азотным экраном, подвешенным к днищу азотного сосуда. который расположен над гелиевым сосудом, отличающийся тем, что, с целью повыщения экономичности за счет уменьшения испарения жидкого гелия, гелиевый сосуд посредством нетеплопроводных опорных элементов прикреплен к верхней и нижней частям охлаждаемого парами гелия внутреннего экрана, при этом верхние части всех охлаждаемых парами гелия экранов соединены при помощи теплопроводных опорных элементов с внутренней поверхностью верхней части азотного сосуда. 2. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы гелиевого сосуда выполнены в виде, струнных растяжек, проходящих через гелиевый сосуд и закрепленi ных в нем, и опорные элементы охлаждаемых парами гелия экранов выполнены в ви (/) де стеклопластиковых подвесов. 2S ;

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,SU,,111 265

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3594893/23-26 (22) 20.05.83 (46) 30.09.84. Бюл. № 36 (72) В. Н. Логвинов, Ф. Ф. Менде, А. В. Магдыч и В. И. Тюкова (71) Физико-технический институт низких температур АН УССР (53) 621.59 (088.8) (56) 1. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М. П. Малкова. М., 1973, с. 345 — 349.

2. Сб. Криогенная и вакуумная техника.

К., 1977, с. 31 — 36. (54) (57) 1. КРИОСТАТ, содержащий размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемыми парами гелия экранами и азотным экраном, подвешенным к днищу азотного сосуда, 3(SD F 17 С 3 00 13 08. F 25 D 3 1О который расположен над гелиевым сосудом, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности за счет уменьшения испарения жидкого гелия, гелиевый сосуд посредством нетеплопроводных опорных элементов прикреплен к верхней и нижней частям охлаждаемого парами гелия внутреннего экрана; при этом верхние части всех охлаждаемых парами гелия экранов соединены при помощи теплопроводных опорных элементов с внутренней поверхностью верхней части азотного сосуда.

2. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы гелиевого сосуда выполнены в виде, струнных растяжек, проходящих через гелиевый сосуд и закрепленных в нем, и опорные элементы охлаждаемых парами гелия экранов выполнены в виде стеклопластиковых подвесов.

1116265

30

40

Изобретение относится к криогенной технике, более конкретно к криостатам, используемым для охлаждения и поддержания различных приборов и устройств (в том числе, сверхпроводящих резонансных систем) при криогенных температурах в течение длительного промежутка времени.

Известны криостаты, содержащие размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемым парами гелия экраном и/или азотным сосудом с экраном (1).

Недостатками этих криостатов являются большая скорость испарения жидкого гелия за счет внешних теплопритоков и значительный расход жидкого азота.

Наиболее близким к предлагаемому является гелиевый криостат, содержащий размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаем ыми парам,. гелия экранами и азотным экраном, подвешенным к днищу азотного сосуда, который расположен над гелиевым сосудом (2).

Однако все элементы криостата прикреплены к верхней части корпуса, что создает большой теплоприток по опорным элементам и приводит к увеличению испарения жидкого гелия.

Цель изобретения — повышение экономичности за счет уменьшения испарения жидкого гелия.

Поставленная цель достигается тем, что в криостате, содержащем размещенные в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемыми парами гелия экранами и азотным экраном, подвешенным к днищу азотного сосуда, который размещен над гелиевым сосудом, гелиевый сосуд посредством нетеплопроводных опорных элементов прикреплен к верхней и нижней частям охлаждаемого парами гелия внутреннего экрана, при этом верхние части всех охлаждаемых парами гелия экранов соединены при помощи нетеплопроводных опорных элементов с внутренней поверхностью верхней части азотного сосуда.

Опорные элементы гелиевого сосуда могут быть выполнены в виде струнных растяжек, проходящих через гелиевый сосуд и закрепленных в нем, и опорные элементы охлаждаемых парами гелия экранов выполнены в виде стеклопластиковых подвесов.

На чертеже схематически изображен криостат, общий вид.

Криостат содержит вакуумируемый герметичный корпус 1 с базовым верхним фланцем 2. Внутри корпуса 1 размещены цилиндрические теплоизолированный азотный сосуд 3 и гелиевый сосуд 4, по центру каждого из которых выполнены цилиндрические отверстия, через которые введена горловина 5 криостата. Таким образом, горловина.

5 окружена азотным 3 и гелиевым 4 сосудами, причем азотный сосуд 3 установлен над гелиевым сосудом 4. Базовый верхний фланец 2 вакуумно-плотно соединен с расположенной по вертикальной оси корпуса 1 горловиной 5 в виде сильфона, в которую помещен криостатируемый объект (на чертеже не показан). Гелиевый сосуд 4 окружен эквидистантно установленными четырьмя коаксиально расположенными цилиндрическими алюминиевыми радиационными экранами: тремя экранами 6 — 8 с одним змеевиковым теплообменником 9 для отходящих из гелиевого сосуда 4 паров гелия (экраны, охлаждаемые парами гелия) и одним азотным экраном 10. На нижней части азотного сосуда 3 укреплен азотный экран 10. К верхней части корпуса 1 азотный сосуд 3 прикреплен посредством двух заливочновыпарных азотных патрубков 11 и 12. К внутренней поверхности верхней части азотного сосуда 3 прикреплены верхние части экранов

6 — 8 посредством трех стеклопластиковых подвесов 13, размещенных на равных расстояниях по окружности азотного сосуда 3.

К корпусу 2 азотный экран 10 подвешен на десяти струнных растяжках 14, пять из которых расположены в верхней части корпуса 1 и пять — в его нижней части. Гелиевый сосуд 4 посредством проходящих через него и укрепленных в нем трех струнных растяжек 15 прикреплен к верхней 16 и нижней 7 частям внутреннего экрана 6.

Кроме того, гелиевый сосуд 4 соединен с внутренней полостью горловины 5 в ее нижней части через соединительную трубку 18 в виде змеевика. В вакуумируемом пространстве между азотным сосудом 3 и гелиевым сосудом 4 размещен змеевиковый теплообменник 9, прикрепленный по всей поверхности верхних частей 16, 19 и 20 трех экранов 6 — 8, охлаждаемых парами re лия. Змеевиковый теплообменник 9 соединен на входе с верхней частью гелиевого сосуда 4 и выведен наружу через азотный сосуд 3. При этом на выходе он соединен с выпарным гелиевым патрубком 21, установленным на верхней части корпуса 1. Между радиационными экранами 6, 7, 8 и 10 и между корпусом 1 и экраном 10. а также между корпусом 1 и азотным сосудом 3 размещена экранно-вакуумная теплоизоляция 22, выполненная в виде алюминизированной полиэтилентерофталатной перфорированной пленки. В пространстве между азотным сосудом 3 и горловиной 5 расположен азотный медный перехват 23, верхний конец которого соединен с азотным сосудом 3, а нижний — с горловиной 5 на уровне верхних частей 19 и 20 экранов 7 и 8. Вакуумирование криостата осуществляется через откачной вентиль 24, расположенный на верхней части корпуса 1.

1116265

Соста витель Г. Ольшанская

Редактор К. Волощук Техред И. Верес Корректор М. Демчик

Заказ 6907/30 Тираж 470 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Регулировка скорости испарения жидкого гелия через горловину 5 осуществляется системой вентилей 25, также расположенных на верхней части корпуса 1. С верхней частью горловины 5 система вентилей 25 соединена посредством трубки 26, укрепленной во фланце 2, вакуумно-плотно соединенном с горловиной 5.

Криостат работает следующим образом.

После вакуумирования внутренней полости криостата откачной вентиль 24 перекрывается. В горловину 5 помещается криостатируемый объект, и базовый верхний фланец 2 герметизируется. Гелиевый сосуд

4 через змеевиковый теплообменник 9 отка. чивается до давления 2 — 3 мм рт. ст. и наполняется газообразным гелием. После этого азотный сосуд 3 наполняется жидким азотом через заливочно-выпарные азотные патрубки 11 и 12. Через 5 — 10 ч в гелиевый сосуд 4 заливается жидкий гелий (выдержка криостата во времени необходима для уменьшения потерь жидкого гелия при его заливке в гелиевый сосуд 4) через горловину 5. После .этого трубка 26 для заливки жидкого гелия в горловину 5 соединяется с системой регулировочных вентилей 25.

В дальнейшем жидкий гелий из гелиевого сосуда 4 испаряется либо через змеевиковый теплообменник 9, либо через горловину

5 и систему регулировочных вентилей 25.

С помощью регулировочных вентилей 25 удается регулировать уровень жидкого гелия в горловине 5 в зависимости от требований эксперимента: — криостатируемый объект полностью погружен в жидкий гелий; — криостатируемый объект находится над поверхностью жидкого гелия в горловине; — жидкого гелия в горловине 5 нет, т. е. дежурный режим: жидкий гелий испаряется только через змеевиковый теплообменник 9. В данном случае криостат используется только как хранилище жидкого гелия.

При этом скорость его испарения снижается, так как жидкий гелий в горловине 5 отсутствует.

Независимо от требований эксперимента, перечисленных выше, криостат работает в режиме отрицательной обратной связи: чем большая тепловая мощность поступает на жидкий гелий, тем интенсивнее его испарение и тем сильнее охлаждаются отходящими из гелиевого сосуда 4 парами гелия экраны 6 — 8. Это ведет к снижению об5

1О

f5

50 шей испаряемости жидкого гелия из сосуда

4. Процесс теплообмена продолжается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие системы в целом.

Во многих случаях при работе с различными сверхпроводящими устройствами очень важно создать криостат, длительное время поддерживающий гелиевые температуры (несколько месяцев и более) при единоразовой заливке гелия.

Предлагаемая конструкция криостата позволяет уменьшить испарение жидкого гелия и, тем самым, увеличить время его длительной работы от одного заполнения криоагентами. Объясняется это тем, что снижение теплопритоков к жидкому гелию обеспечивается жестким последовательным креплением: азотный сосуд — стеклопластиковый подвес — металлический диск экрана— струнная растяжка — гелиевый сосуд. Этому способствуют не только малые коэффициенты теплопроводности материалов этих элементов, но и малая площадь поперечного сечения струнных растяжек 15, ведущая к увеличению сопротивления материала растяжек 15 потоку тепла. Кроме того, поскольку при этом стеклопластиковые подвесы 13 (крепления экранов 6 — 8) прикреплены к верхней части азотного сосуда 3, а не к верхней части корпуса 1 (как в прототипе), в криостате не создается довольно большой перепад температур от комнатной (293 К) до гелиевой (4,2К) по этим подвесам. В данном случае перепад температур по стеклопластику к жидкому гелию гораздо меньше 78 К-4,2 К. 3а счет этого также уменьшаются теплопритоки к гелиевому сосуду 4 за счет теплопроводности стеклопластиков, а значит снижается выкипание жидкого гелия.

Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение расхода дорогостоящего жидкого гелия и увеличение времени его длительной работы с тепловой нагрузкой (от одного заполнения криоагентами), в течение длительного времени (3 мес) стабильную и устойчивую работу высокочувствительных и высокоточных сверхпроводящих и охлаждающих приборов и устройств (например, сверхпроводящих резонансных систем, находящих широкое применение в ускорителях элементарных частиц, в высокостабильных генераторах и др.), которые по своим параметрам на несколько порядков превосходят существующие неохлаждаемые устройства.