Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком. Сателлитный рефрижератор для производства холода на двух температурных уровнях включает в себя следующие компоненты: гелиевый компрессор, теплообменный блок, два дроссельных вентиля, криостат первого охлаждаемого устройства при гелиевой температуре ~4,4 К. Сателлитный рефрижератор работает следующим образом. Гелий из обратного потока сжимается в компрессоре и поступает в канал прямого потока теплообменного блока, в котором охлаждается до температуры второго охлаждаемого устройства, после чего разделяется на два потока. Один поток охлаждает второе устройства, после чего возвращается в дополнительный поток теплообменного блока, соединенный с криостатом первого устройства через дроссельный вентиль. Другой поток также соединен с криостатом первого охлаждаемого устройства через второй дроссельный вентиль. Использование изобретения обеспечивает охлаждение второго объекта (низкотемпературных экранов) при температурах выше 4,4 К без введения в его схему дополнительного детандера, что сохраняет простоту и надежность сателлитного рефрижератора при расширении его возможностей. 2 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком.

Известны гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком для производства холода на температурном уровне ~4,4 К, принцип действия которых и область применения наиболее полно отражены в монографии: В.П. Беляков. Криогенная техника и технологии. М., Энергоиздат, 1982. Н.Н. Агапов и др. Развитие и реконструкция криогенной системы ЛФВЭ ускорительного комплекса NIKA (2012-2015) Препринт Р8 2012-14, ОИЯИ, Дубна, 2012. Функциональная схема этого устройства показана на фиг. 1. Обратный поток гелия n сжимается в компрессоре 1 до давления прямого потока m. Прямой поток m охлаждается в теплообменном блоке 2, затем дросселируется в вентиле 3 и поступает в криостат 4 в виде парожидкостной смеси. Пары поступают в канал обратного потока n теплообменного блока, где нагреваются прямым потоком m. Жидкий гелий испаряется в криостате 4 за счет теплопритоков из окружающей среды и тепловой нагрузки от охлаждаемого устройства Q и в виде паров также поступает в канал обратного потока n теплообменного блока. В криостат дополнительно подается жидкий гелий LHe, пары которого создают избыточный по сравнению с прямым потоком m обратный поток n, необходимый для достижения положительного эффекта Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле 3.

Как видно из фиг. 1, гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком в отличие от классических гелиевых рефрижераторов не содержат детандеров в ступени предварительного охлаждения и поэтому просты как в устройстве, так и в управлении и имеют высокую степень надежности. Благодаря этим качествам гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком нашли широкое применение как в различных экспериментальных установках, использующих холод при гелиевых температурах, так и в крупных криогенных системах, например в криогенном комплексе сверхпроводящего ускорителя «Теватрон» (США, национальная лаборатория им. Ферми). Рассматривается применение гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком и в новом мегапроекте сверхпроводящего ускорительного комплекса НИКА (ОИЯИ, г. Дубна) .

Недостатком гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком является то, что он производит холод только на одном температурном уровне ~4,4 К. Однако практически все объекты, работающие при этой температуре, для снижения теплопритоков из окружающей среды имеют низкотемпературные экраны, функционирующие при более высокой температуре. Как правило, эти экраны охлаждаются потоком жидкого азота (Т≈80 К). Но когда по условиям техники безопасности применение жидкого азота запрещено, то приходится отказываться от гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком и применять более дорогие и менее надежные классические рефрижераторы с детандерами в ступени предварительного охлаждения и дополнительным детандером для гелиевого потока, охлаждающего низкотемпературные экраны.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такого гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, который бы производил холод на двух температурных уровнях: первый при Т=4,4 К для охлаждения устройства и второй при 4,4 К<Т<80 К для охлаждения экранов этого устройства.

Техническим результатом настоящего изобретения является наличие в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком двух источников холода на различных температурных уровнях, что позволит использовать его и в тех случаях, когда по условиям техники безопасности запрещено применение жидкого азота для охлаждения экранов устройства, работающего при 4,4 К<Т<80 К.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что часть прямого потока гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком отводится на охлаждение низкотемпературных экранов при 4,4 К<Т<80 К. Затем тепло, отведенное от экранов, передается с помощью дополнительного прямого потока обратному потоку в теплообменном блоке и далее эта часть прямого потока используется для получения холода уже при Т≈4,4 К.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 2. Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях содержит компрессор 1, теплообменный блок 2 с каналами обратного потока m, прямого потока n и дополнительного прямого потока s, дроссельных вентилей 3 и 5 и криостата 4.

Обратный поток гелия n сжимается в компрессоре 1 до давления прямого потока m. Прямой поток m охлаждается в теплообменном блоке 2 до температуры Тн. При этой температуре от прямого потока отбирается часть (дополнительный прямой поток s), которая используется для охлаждения низкотемпературных экранов. Оставшаяся часть потока m проходит через теплообменный блок 2 и дроссельный вентиль 3, производя холод при температуре Т≈4,4 К.

Поток s, проходя через каналы низкотемпературных экранов, охлаждает их, нагреваясь при этом от температуры Тн>4,4 К до температуры Тв<80 К, и при этой температуре направляется в отдельный канал теплообменного блока 2, проходя который охлаждается обратным потоком с температуры Тв до температуры Тн, отдавая таким образом тепло, отнятое от низкотемпературных экранов, обратному потоку n. Затем поток s поступает на дополнительный дроссельный вентиль 5, производя холод при температуре Т≈4,4 К.

Таким образом, предлагаемый гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком обеспечивает охлаждение второго объекта (низкотемпературных экранов) при температурах выше 4,4 К без введения в его схему дополнительного детандера, что сохраняет простоту и надежность гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком при расширении его возможностей.

Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях, содержащий компрессор, теплообменный блок с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока и криостат охлаждаемого устройства при гелиевой температуре ~4,4 К, отличающийся тем, что для охлаждения второго устройства при температурах выше 4,4 К часть прямого потока выводится из теплообменного блока на второе охлаждаемое устройство и после второго охлаждаемого устройства возвращается в теплообменный блок в дополнительный канал прямого потока, соединенный с криостатом первого охлаждаемого устройства дополнительным дроссельным вентилем.