Терморегульований кріостатний пристрій

1. Терморегульований кріостатний пристрій, що містить кріостат з резервуаром для кріогенної рідини з підвісними радіаційними екранами, що обхоплюють резервуар-живильник з клапаном постійного тиску і перемикальним вентилем, теплообмінну форкамеру, термостатовану камеру, а 3 середовища, наприклад, рідкого чи газоподібного гелію, що надходить до термостатованої камери кріостата в кількостях, регульованих системою керування. Резервуар - живильник, що містить кріогенну рідину, забезпечений клапаном постійного тиску, призначеним для підтримання як у резервуарі-живильнику, так і в термостатованій камері постійного надлишкового тиску. Такий тиск необхідний для транспортування кріогенної рідини чи її парів, що використовуються як теплообмінне середовище, через кріостатну систему. У порожнині резервуара-живильника встановлений перемикальний вентиль, що має верхній і нижній забірні отвори і призначений для забирання з резервуараживильника або кріогенної рідини (через нижній забірний отвір), або її парів (через верхній забірний отвір). Сідло клапана регулятора витрат, встановлене на лінії відводу відпрацьованих парів кріогенної рідини з термостатованої камери, має перемінний перетин. Це дозволяє оптимізувати процес термостатування. Кріостат, що є одним із блоків пристрою, містить зйомний зовнішній кожух, порожнина якого вакуумована, резервуар рідкого азоту зі зйомними радіаційними екранами, резервуар із кріогенною рідиною, що використовується для термостатування об'єкта, із відбірною трубкою, теплообмінником і прилеглої до нього форкамери з нагрівачем, термостатованою робочою камерою і трубою підвісу. Всі ці елементи (крім зйомних) нероз'ємні і герметично з'єднані між собою. Недоліком цього пристрою є неможливість ефективного терморегулювання у випадку застосування кріогенних рідин, пари яких мають невелику теплоємність порівняно з гелієм, наприклад, азоту, неону, кріптону та ін., тому що створюваний тиск парів рідини в цьому випадку є недостатнім для спонукання витрати кріогенної рідини через камеру термостатування кріостата. Задача, що вирішується корисною моделлю полягає в розширення області застосування терморегульованого кріостатного пристрою за рахунок використання кріогенних рідин, зокрема з малою теплоємністю парів. Для вирішення поставленої задачі в терморегульованому кріостатному пристрою, що містить кріостат з резервуаром для кріогенної рідини з підвісними радіаційними екранами, що обхоплюють резервуар-живильник з клапаном постійного тиску і перемикальним вентилем, теплообмінну форкамеру, термостатовану камеру, а також систему терморегулювання і стабілізації температури, резервуар-живильник додатково забезпечений датчиком тиску, і випарником кріогенної рідини, змонтованим на перемикальному вентилі у вигляді електричного опору і оснащеним датчиком рівня, встановленим поруч, причому датчик тиску і випарник функціонально зв'язані між собою. Додаткове забезпечення резервуараживильника датчиком тиску і нагрівачемвипарником, які функціонально зв'язані між собою, забезпечує необхідний тепловий баланс у камері термостатування за рахунок надмірного тиску, що дозволяє використовувати у запропонованому пристрою кріогенних рідин з малою теплоємністю 18778 4 парів, таких як азот, неон, кріптон; а постачання випарника датчиком рівня захистить випарник від перегріву при зниженні рівня кріоагента в резервуарі-живильнику. Суть корисної моделі ілюструється кресленнями, де на Фіг.1 приведена функціональна схема пристрою; Фіг.2 - вертикальний розріз кріостата; Фіг.3 - вертикальний розріз датчика тиску; Фіг.4 нагрівач-випарник на перемикальному вентилі. Терморегульований кріостатний пристрій є двоконтурним, див. Фіг.1 та складається з контура терморегулювання і стабілізації температури, і містить: кріостат 1, датчик температури 2, регулятор температури 3, електронагрівач 4 на форкамері 5 кріостата, регулятор витрат 6, і контура підтримки тиску парів кріогенної рідини, що містить кріостат 1, індуктивний датчик тиску 7, клапан постійного тиску 8, генератор-дискримінатор з підсилювачем 9, нагрівач-випарник 10. Кріостат 1 (Фіг.2) складається з зовнішнього кожуха 11, порожнина якого вакуумована, резервуара рідкого азоту 12 з підвісними радіаційними екранами 13, що обхоплюють резервуарживильник 14 із кріогенною рідиною, й інші деталі, що охолоджуються до найнижчого температурного рівня. Частина трубопроводу 15, яка виходить з перемикального вентиля 16, також оточена радіаційним екраном 17. Теплообмінна форкамера 5 розділена на дві секції: перша заповнена масивною насадкою 18 і забезпечена нагрівачем 4, а друга - дрібною насадкою 19, що розсікає і перемішує потік газу. Термостатована камера 20 підвішена до тонкостінної труби підвісу 21, виготовленої з нержавіючої сталі. У верхній її частині знаходиться шлюзова камера 22, що забезпечує можливість зміни зразка, введення маніпуляторів тощо, без порушення роботи системи терморегулювання, шток 23 для введення зразка чи прилада в термостатовану камеру 20, заглушка 24, поплавковий покажчик рівня 25. Датчик температури 2 змонтований на штоку 23. Датчик тиску 7 (Фіг.3) складається з 2-х фланців 26 і 28, між якими затиснена гумова мембрана 27. На мембрані закріплена втулка 29 з феритовим сердечником 30. Натягування мембрани регулюється гвинтом 31 через сталеву пружину 32. Сердечник 30 розташований всередині котушки індуктивності 33, виводи якої припаяні до роз’єму 34. Патрубками 35 датчик тиску з'єднаний із кріостатом 1 і клапаном постійного тиску 8, фланці 26, 28, втулка 29, гвинт 31 і патрубки 35 виготовлені з алюмінієвого сплаву Д16Т. Нагрівач-випарник 10 (Фіг.4) змонтований на корпусі перемикального вентиля 16 у вигляді ніхромової спіралі. На корпусі вентиля 16 встановлений також датчик рівня кріогенної рідини 36, що є одним з елементів захисту кріосистеми від перегріву, і виключає підсилювач 9 при зниженні рівня рідкого кріоагента нижче допустимого. Зв'язок нагрівача-випарника і датчика рівня з генератором дискримінатором і підсилювачем здійснюється кабелем через роз’єм 37. Пристрій працює у такий спосіб Заповнюють резервуар рідкого азоту 12, який підвісними радіаційними екранами 13, що обхоп 5 люють резервуар-живильник 14, й інші деталі, охолоджує їх до найнижчого температурного рівня. Частина трубопроводу 15, яка виходить з перемикаючого вентиля 16, також оточена радіаційним екраном 17. Заповнюють резервуар-живильник кріогенною рідиною. Рівень кріогенної рідини в резервуаріживильнику визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня 25. Зразок чи прилад вводяться в термостатовану камеру 20 за допомогою штока 23, виконаного у вигляді особливо тонкостінної трубки з матеріалу з низькою теплопровідністю. Шток пропущений через заглушку 24, встановлену на верхньому зрізі труби підвісу. Датчик 2 системи терморегулювання змонтований на штоку 23 і вводиться до термостатованої камери 20 разом з об'єктом дослідження. Кріогенна рідина чи її пари, що знаходяться в резервуарі-живильнику 14 кріостата під тиском, який підтримується клапаном постійного тиску 8, надходять через теплообмінну форкамеру 5 до термостатованої камери 20. Керування цим потоком здійснюється регулятором витрат 6, який є виконавчим механізмом контура терморегулювання і стабілізації температури. Термостатування камери 20 здійснюється у спосіб регулювання потоку газоподібного кріоагента через неї і нагрівання форкамери 5 електронагрівачем 4. Регулятор температури 3 є приладом, у якому вимірювана напруга на датчику 2 температури перетворюється на сигнали керування виконавчими пристроями: електронагрівачем 4, встановленим у кріостаті 1, і регулятором витрат газу 6. При заданому зниженні температури в камері термостатування регулятор температури 3 максимально відкриває регулятор витрат газу 6, при цьому збільшується потік газу через камеру 20, що приводить до зниження тиску в резервуарі 14. 18778 6 Одночасне застосування цих керуючих впливів забезпечує необхідний тепловий баланс у камері термостатування 20 кріостата і високу стабільність підтримки заданої температури. Відмінною рисою даного терморегульованого кріостатного пристрою є те, що до контура підтримки тиску парів кріогенної рідини, крім клапана постійного тиску 8, входить індуктивний датчик тиску 7, генератор-дискримінатор з підсилювачем 9 і нагрівач-випарник 10. Сигнал керування на випарник 10 подається від датчика тиску 7 через підсилювач сигналу. Для захисту випарника від перегріву при зниженні рівня кріоагента в резервуарі поруч з випарником встановлений датчик рівня 36, що відключає нагрівання випарника у випадку зниження рівня нижче припустимого. Зі зниженням тиску газу зменшується натягування мембрани 27 датчика тиску 8, переміщується феритовий сердечник 30 усередині котушки 33, від чого збільшується її індуктивність, зменшується частота генератора і збільшується вихідна напруга дискримінатора 9, яка підсилюється за потужністю і підводиться до нагрівача-випарника 10. По мірі підходу до заданої температури регулятор температури 3 прикриває регулятор витрат газу 6, тиск у резервуарі 14 підвищується і, як наслідок, зменшується потужність, що підводиться до нагрівачавипарника 10. Після виходу системи термостатування в режим підтримки заданої температури тиск у резервуарі 14 підтримується на попередньо встановленому рівні клапаном 8 постійного тиску. Таким чином утворюється додатково надлишок тиску, який дозволяє застосовувати у пристрої кріогенних рідин, тіари яких мають невелику теплоємність порівняно з гелієм, наприклад, азоту, неону, кріптону та ін. При зниженні рівня рідкого кріоагента нижче припустимого зменшується зниження напруги на датчику рівня 26, що приводить до вимикання підсилювача потужності випару. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 18778 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601