Рефрижератор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

263500

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимый от патента №

Кл. 17С, 5/02

МПК F 25j

УДК 621,59(088.8) Заявлено 16111.1967 (М 1141780/23-26)

Приоритет 16.Ш.1966, № 11500/66, Англия.

Опубликовано 04.11.1970. Бюллетень № 7

Дата опубликования описания 10Х1.1970

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Автор изобретения

Иностранец

Хайнц Лондон (Англия) Иностранная фирма

«Юнайтед Кингдом Атомик Энерджи Оторити» (Англия) Заявитель

РЕФРИЖЕРАТОР

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к устройства м для получения сверхнизких температур.

Известна установка, состоящая из последовательно соединенных бойлера, теплообменни:,<а, фазового сепаратора, камеры охлаждения и сверхтечи, помещенных в емкость, окруженную жидким гелием и соединенную с внешней насосной оистемой, в которой реализуется эффект охлаждения при разбавлении раствора гелия-3 в телии-4 через сверхтечь.

Такая установка позволяет получить температуры порядка 0,06 — 0,025 К, она находит применение в случае низкотемпературных исследований.

Предлагаемый рефрижер атор отличается от известного тем, что к аверхтечи с разных сторон подключены нагрузочная и расширительная камеры, причем нагрузочная камера через сверхпроводящий тепловой ключ соединена с бойлером, а расширительная .камера чеоез клапаны связана с камерой охлаждения и фазовым сепаратором. Это позволяет снизить температуру охлаждения.

Схема предлагаемого рефрижератора представлена на чертеже.

Камера охлаждения 1 содержит контейнер

2 для охлаждаемого предмета, она соединена в нижней части через теплообменник 8 с дном бойлера 4, снабженного нагревателем 5. Труба б для выхода паров с диафрагмой 7 соединена с:внешней насосной системой. Труба 8 для входа жидкого гелия-3 охлаждается до температуры 1,3 К жидким гелием-4, содер5 жащимся в сосуде 9. Труба 8 связана через клапан 10 с трубой 11, которая проходит через бойлер 4 и теплообменник 8 к фазовому сепаратору 12. Последний через входной клапан И связан с камерой расширения 14, дно

10 которой расположено над уровнем жидкости в бойлере 4.

Камера расширения 14 соединена при помощ и выходного клапана 15 с камерой охлаждения 1, а посредством сверхтечи lб — с

15 нагрузочной камерой 17, снабженной нагревателем 18. Нагрузочная камера 17 находится в термическом контакте с бойлером посредством сверхпроводящего теплового ключа 19 с соленоидом. Вся система находится в емко20 сти 20, погруженной в сосуд для обеспечения тер м о из ол я ции.

Возможна такая схема рефрижератора, в которую вместо нагрузочной камеры и сверхпроводящего теплового ключа включен капил25 ляр.

Гелий-3 по трубе б откачивается из системы и снова конденсируется в трубе 8. В результате концентрация гелия-3 в гелий4 уменьшается, так как он испаряется значи30 тельно быстрее гелия-4. При достаточно низ263500

60 ких концентрациях гелия-3 жидкость в бойлере 4 становится сверхтекучей. Это вызывает течение гелия-3 по отношению к гелию-4 в теплообменнике 8 и распространение сверхтекучей области низких концентраций гелия-3 по на правлению к охлаждающей камере, кла,пану 15, клапану 18 и фазовому сепаратору

12, где начинается разделение фаз и образуется граница их раздела. Количество гелия-3 и гелия-4, первоначально конденсированных в системе, подбирают такое, чтобы после разделения фаз и наполнения нагрузочной камеры чистым, гелием-4, труба 11 и небольшая часгь фазового сепаратора 12 на полнялись концентрированным гелием-3, в то время как остальная часть системы на полнится .разбавленным раствором гелия-3 в гелии-4. Объем фазового сепаратора 12 .выбран так, что граница раздела фаз благодаря изменению концентрации гелия-3 не выходит из этой камеры. По мере того как температура в бойлере продолжает падать работает нагреватель 5 для поддержания температуры в бойлере 4 примерно

0,6 К. Достигается равновесное состояние, при котором гелий-3 в тру бе 11 сконцентрирован:примерно до 95%, в то время,как гелий-4 в пространстве от,границы раздела фаз до вывода охлаждающей камеры 1 содержит примерно 6 гелия-3 при температуре 0,07 К, и жидкость в бойлере 4 содержит примерно

1 гелия-3, а осмотическое давление .в бойлере будет примерно равно давлению в охлаждающей камере 1. До этого момента система работает как рефрижератор разбавления, и температура в охлаждающей камере 1 падает до тех пор, пока не достигнет самого:низкого значения, получаемого ис пользованием теплоты разбавления. На этой стадии клапан 15 закрывают, нагреватель 18 выключают, сверхпроводящий тепловой ключ 19 закрывают, пропуская ток по соленоиду.

По мере падения температуры жидкого гелия-4 в нагрузочной камере 17 давление фонтана сверхтечи ста новится меньше осмотического давления гелия-3 в камере расширения

14, жидкий гелий-4 начинает истекать из нагрузочной камеры 17 через сверхтечь 1б и камеру расширения 14, причем клапан 15 закрыт. Одновременно гелий-3 течет через границу раздела фаз в фазовом сепараторе, так что концентрация гел ия-3 в гелии-4 в камере

14 лишь несколько меньше, чем концентрация в сепараторе 12. Когда:примерно одна восьмая часть объема в камере расширения 14 заполнится, клана,н 18 за крывают, завершая этим первую стадию цикла.

Во второй стадии цикла гелий-4 продолжает течь в камеру расширения 14, вызывая падение концентрации гелия-3, так как клапан

18 закрыт. Вследствие этого температура и

40 осмотическое давление гелия-3 в камере расширения 14 падают. Давление фонтана гелия-4 в нагрузочной ка мере 17 будет также снижаться. Вторая стадия цикла завершается, когда камера расширения 14 за полнена.

Концентрация гелия-3 в камере расширения !

4 падает до пример но одной восьмой ее начального значения (т. е. до 0,75 /О) и в отсутствие утечки тепла температура в соответствии с законом двух третей должна упасть примерно до одной четвертой ее первоначального значения (т. е. примерно до 0,02 К). Когда клапан 15 закрыт, бойлер 4 продолжает работать, понижая концентрацию гелия-3, как следствие этого, происходит понижение температуры охлаждающей камеры 1.

Третью стадию начинают оп«рытием,клапана 15 и теплового ключа 19 и снабжением энергией нагревателя 18. В результате этого гелий-4 течет обратно в нагрузочную камеру

17, и гелий-3 (благодаря градиенту концентрации) потечет из камеры расширения 14 через охлаждающую камеру 1 и теплообменник

8 в бойлер 4.

Третья стадия завершается, когда камера расширения 14 станет пустой, а нагрузочная камера !7 за полнится; клапан 15 закрывают.

В течение четвертой и последней стадии цикла температуру гелия-4 в нагрузочной камере:повышают до тех пор, пока давление фонтана сверхтечи не станет достаточно высоким, чтобы снова начать первую стадию.

Последующие циклы такие же, что и описанные выше, за исключением того, что отпадает надобность в ожидании падения концентрации гелия-3 в охлаждающей камере 1, так как это условие будет вьгполняться автоматически.

Вместо нагрузочной камеры и сверхпроводящего теплового ключа между сверхтечью и бойлером может быть установлен капилляр, что упрощает рефрижератор, но делает его менее эффективньгм, Предмет изобретения

Рефрижератор .для охлаждения до тем ператур ниже 0,06 К, состоящий из последовательно соединенных бойлера, теплообменника, фазового сепаратора, камеры охлаждения и сверхтечи, помещенных в емкость, окруженную жи дким гелием, и подключенных к внешней насосной сисгеме, отличающийся тем, что, с целью понижения температуры охлаждения, к сверхтечи с разных сторон подключены нагрузочная и расширительная камеры, причем нагрузочная камера через сверхпроводящий тепловой ключ соединена с бойлером, а расширительная камера через клапаны соединена с камерой охлаждения и фазовым сепаратором, 73

Составитель Ю. П. Паткин

Редактор Л. К. Ушакова Техред 3. Н. Тараненко Корректор Н, С. Сударенкова

Заказ 1382/15 Тираж 500 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2