Кріостат

1. Кріостат для Месбауерівських та оптичних досліджень в діапазоні температур 1,5К - 325К з азотним та гелієвим резервуарами, розділеними між собою вакуумним простором і розташованими в вакуумному кожусі з робочою камерою для дослідних зразків, що охоплена гелієвим резервуаром і відділена від рідкого гелію вакуумним простором, який відрізняється тим, що тепловий контакт робочої камери з гелієвим резервуаром відсутній, а азотний резервуар розташований над гелієвим 3 рі, що потребує додаткових фінансових витрат при його експлуатації. Відома конструкція вузькогорлого кріостата для оптичних досліджень (Фастовский В. Г. «Криогенная техника», М.: Энергия 1967 г. - С. 318), в якому резервуар із зрідженим гелієм оточений резервуаром із зрідженим азотом, розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Азотний резервуар концентрично охоплює гелієвий резервуар, захищаючи його бокову поверхню по всій висоті від променевої теплової енергії, а зверху та знизу захищений мідними екранами, які мають теплопровідні контакти з азотним резервуаром. Дослідний зразок, прикріплений до дна гелієвого резервуара через теплопровідний елемент, який розташований в вакуумі і знаходиться нарівні вікон. Такий кріостат має менші витрати зрідженого гелію в режимі проведення дослідження порівняно з розглянутими, але має недоліки: - працює тільки при наднизьких температурах, яку має гелієвий резервуар; - складний в експлуатації, так як при кожній заміні дослідного зразка його необхідно отеплювати і розгерметизовувати, що потребує додаткових затрат часу на підготовчу роботу, а при повторному експерименті потребує повторного охолодження, що збільшує затрати кріоагентів та часу на підготовчу роботу; - невдала компоновка кріостата, при якій азотний резервуар, заповнений кріоагентом, захищає бокову поверхню гелієвого резервуара по всій висоті, а при зниженні рівня збільшується температура в верхній частині резервуара, що приводить до збільшення витрат зрідженого гелію. При такому розміщенні азотного і гелієвого резервуарів витрати гелію залежать від рівня рідини в азотному резервуарі. Найближчим по технічній суті до пристрою, що заявляється, є малогабаритний гелієвий кріостат фірми JANIS RESEARCH CO (http://www.janis.com/Products/productsoverview/Sup erVariTempReservoirCryostatSystems/SVT300TNonOpticalReservoirCryostat.aspx) для Мессбауерівських та оптичних досліджень, модель SVT-300T, вибраний як прототип. В цій моделі резервуар із зрідженим гелієм оточений резервуаром із зрідженим, азотом, розділені між собою вакуумним простором і знаходяться в вакуумному кожусі. Азотний резервуар концентрично охоплює гелієвий резервуар, захищаючи його бокову поверхню по всій висоті від променевої теплової енергії, а зверху та знизу захищений мідними екранами, які мають теплопровідні контакти з азотним резервуаром. Робоча камера з дослідним зразком охоплена гелієвим резервуаром і відділена від рідкого гелію вакуумним простором на висоту гелієвого резервуара, а далі робоча камера, маючи тепловий контакт з гелієвим резервуаром в верхній частині, виходить на зовні, тому із зовнішнього середовища теплова енергія через тепловий контакт надходить в рідкий гелій, що приводить до його витрат. В гелієвому резервуарі, для отримання наднизьких температур, на дні розміщений вентиль, який по капіляру подає рідкий гелій в робочу 64099 4 камеру. Регулювання подачі гелію виконують за допомогою циліндричного елемента який вставляють з зовнішнього середовища в рідкий гелій до дна гелієвого резервуара, де він, стикуючись з маховиком вентиля, відкриває або закриває його. Циліндричний елемент є додатковим джерелом теплової енергії що збільшує витрати зрідженого гелію. Конструкція кріостата SVT-300T дає можливість проводити дослідження при температурах 1,5К-325К, але має недоліки, що збільшують витрати зрідженого гелію: - невдала компоновка кріостата, при якій азотний резервуар концентрично охоплює гелієвий резервуар на його висоту, при цьому, зниження рівня азоту в азотному резервуарі збільшує випаровування рідкого гелію з гелієвого резервуара; - робоча камера з дослідним зразком відділена від рідкого гелію вакуумним простором на висоту гелієвого резервуара; - робоча камера має тепловий контакт з гелієвим резервуаром в верхній частині, виходячи на зовні; - регулювання подачі гелію виконують за допомогою циліндричного елемента, який вставляють в рідкий гелій до дна гелієвого резервуара з зовнішнього середовища. Загальними ознаками кріостата за прототипом і корисної моделі, що заявляється, є: - інтервал температур 1,5К - 325К; - наявність резервуарів із зрідженим гелієм і зрідженим азотом, розділених між собою вакуумним простором, які знаходяться в вакуумному кожусі; - робоча камера для дослідних зразків охоплена гелієвим резервуаром і відділена від рідкого гелію вакуумним простором; - в гелієвому резервуарі, для отримання наднизьких температур, на дні розміщений вентиль, який по капіляру подає рідкий гелій в робочу камеру; - регулювання подачі гелію в робочу камеру виконують за допомогою циліндричного елемента, який вставляють з зовнішнього середовища; - кріостат використовують для Мессбауерівських та оптичних досліджень. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу зниження витрат зріджених кріоагентів (гелію та азоту) при експлуатації кріостата. Поставлена задача вирішується тим, що: - В кріостаті азотний резервуар розташований над гелієвим, а до його дна закріплений теплопровідний радіаційний екран, який охоплює гелієвий резервуар з усіх сторін. В такій компоновці кріостата витрати гелію не залежать від рівня рідини в азотному резервуарі тому, що температура радіаційного екрану завжди постійна і має температуру рідкого азоту, що захищає від зростання проникаючої променевої теплової енергії до гелієвого резервуара під час його роботи. - Робоча камера для дослідного зразка охоплена гелієвим резервуаром, відділена від нього вакуумним простором і виходить на зовні, не маючи з ним контакту. Таке конструктивне рішення знімає можливість передачі теплової енергії, по тілу робочої камери, із зовнішнього середовища та 5 з середини робочої камери в гелієвий резервуар, що значно зменшує витрати рідкого гелію, на відміну від прототипу. - Регулювання подачі гелію в робочу камеру виконують за допомогою циліндричного елемента (ключа), який вставляють з зовнішнього середовища в заливну горловину кріостата до стиковки з маховиком вентиля. Маховик вентиля виконаний у вигляді перфорованого циліндра, дно якого жорстко закріплено на штоку вентиля, а верхня частина, з отвором під ключ, кріпиться на кришці гелієвого резервуара з можливістю обертання. Тому стиковка ключа і маховика здійснюється не на дні гелієвого резервуара (в рідкому гелії), як в прототипі, а в верхній частині (газовій подушці) в районі входу в горловину газоподібного гелію, що випарувався. Така конструкція дозволяє зменшити передачу теплової енергії до рідкого гелію за рахунок постійного охолоджування стику і всього ключа вихідними парами гелію. - Заливальна і дренажна горловини гелієвого резервуара сполучені на загальний колектор. Колектор усуває застояну зону в горловинах з різними перетинами, здійснюючи примусове охолоджування обох горловини, що в свою чергу зменшує теплопідвід по горловинах до рідкого гелію в середньому на 40 % (ВНИИкриогенмаш, отчет по работе «Испытание опытных образцов сосудов с экранами охлаждаемыми паром», 1968 г.). - Азотний резервуар охоплений проміжним активним радіаційним екраном, підвішеним на його горловинах в точках ефективного теплообміну, зменшує передачу теплової енергії на азотний резервуар, що в свою чергу зменшує витрати рідкого азоту. - Вихідні отвори горловин азотного резервуара забезпечені кришками, призначеними для зменшення теплової енергії випромінюваної в рідкий азот та зменшення його витрат. На кресленні представлений загальний вигляд кріостата для Мессбауерівських та оптичних досліджень в діапазоні 325 - 1,5К. Кріостат містить наступні елементи: 1 - гелієвий резервуар, 2 - азотний екран, що охоплює гелієвий резервуар, 3 - азотний резервуар, 4 - проміжний активний радіаційний екран, 5 - вакуумний кожух, 6 - вентиль, 7 - капіляр, 8 - робоча камера, 9 - маховик вентиля, 10 - шток вентиля, 11 - отвір під ключ, 12 - ключ, 13 - заливна горловина, 14 - дренажна горловина, 15 - горловина азотного резервуара, 16 - теплопровідний контакт, 17 - кришка, 18 - колектор, 19 - вихідний патрубок робочої камери, 20 - вихідний патрубок гелієвого резервуара, 21 утримувач зразка. Авторами був спроектований, виготовлений та випробуваний кріостат для Мессбауерівських досліджень в діапазоні температур 325 - 1,5К, що заявляється. В кріостаті гелієвий резервуар 1, виготовлений із сталі 12Х18Н10Т, охоплений азотним екраном 2, виготовленим із теплопровідного матеріалу (мідь М1). Азотний екран 2 закріплений до дна азотного резервуара 3, теплопровідним контактом, тому температура його завжди постійна і дорівнює температурі рідкого азоту, що знаходиться в азотному 64099 6 резервуарі не залежно від його рівня та кількості. Така конструкція надійно захищає гелієвий резервуар від променевої теплової енергії, що надходить із зовнішнього середовища, тим самим зменшує витрати рідкого гелію. Азотний резервуар 3, виготовлений із сталі 12Х18Н10Т і охоплений, разом зі своїм азотним екраном 2, проміжним активним радіаційним екраном 4, виготовленим із теплопровідного матеріалу (мідь М1). Проміжний активний радіаційний екран 4, закріплений теплопровідним контактом 16, до горловин азотного резервуара 15, в розрахованих точках ефективного теплообміну, що дозволяє охолоджувати його вихідними парами зрідженого азоту. Активний радіаційний екран працює таким чином. Променева теплова енергія, що надходить із зовнішнього середовища, потрапляє на проміжний активний радіаційний екран 4, а далі відводиться з нього через розраховані точки підвісу горловин 15 в пари азоту, що виходять з азотного резервуара 3, при цьому знижується температура проміжного активного радіаційного екрану 4, що в свою чергу приводить до зменшення витрат рідкого азоту в азотному резервуарі 3. Гелієвий та азотний резервуари закріплені в вакуумному кожусі 5 на своїх горловинах. Вакуумний кожух 5 та горловини резервуарів виготовлений із сталі 12Х18Н10Т. На дні гелієвого резервуара 1, вмонтований вентиль 6, з капіляром 7, для подачі гелію в робочу камеру 8. Вентиль 6, має голковий шток 10, що дозволяє виконувати тонке регулювання подачі гелію в робочу камеру 8. Управління вентилем 6, здійснюється ключем 12, який вводять в заливну горловину 13, до стиковки з маховиком вентиля 9. Маховик 9 виконаний у вигляді перфорованого циліндра, дном жорстко закріпленого на штоку вентиля 10, а верхня частина, з отвором під ключ 11, кріпиться на кришці гелієвого резервуара 1 з можливістю обертання. Тому стиковка ключа 12 і маховика вентиля 9 здійснюється зверху в газовій подушці в районі входу в горловину газоподібного гелію, що випарувався. Це дозволяє зменшити передачу теплової енергії до рідкого гелію. Отвір під ключ також використовується для введення сифона при заливці рідкого гелію в кріостат. Дренажна горловина 14 дозволяє встановлювати трубчастий індикатор рівня гелію (3 мм), або електронний датчик рівня гелію діаметром до 6,5 мм. Заливна 13 і дренажна 14 горловини гелієвого резервуара 1 сполучені на загальний колектор 18. Колектор 18 вирівнює теплові опори горловин з різними перетинами, усуває зону застою в горловині з датчиком рівня рідкого гелію, здійснюючи примусове охолодження обох горловин, що в свою чергу зменшує підвід по горловинах теплової енергії до рідкого гелію в середньому на 40 %. Горловини азотного резервуара закриті кришками 17 з отворами, виготовленими так, що змінюють напрям руху вихідних парів на протилежний. Така конструкція запобігає прониканню конденсату парів води в азотний резервуар, які утворюються в вихідних холодних парах зрідженого азоту при контактуванні його з повітрям. Кришки 17 також потрібні для зменшення теплової енергії, випромінюваної в рідкий азот. Робоча камера 8 є тонкостінною трубою, виготовленою із сталі 7 12Х18Н10Т, що проходить центром гелієвого резервуара, в нижній частині якої знаходиться дослідний зразок разом з нагрівачем та датчиком температури вмонтованими на утримувачі зразка 21, а верхня частина кріпиться на верхньому фланці кріостата, маючи вихідний патрубок до насоса і газгольдера. Теплопровідного контакту робоча камера з гелієвим резервуаром не має, а з азотним - здійснюється на розрахованій відстані від контакту з зовнішнім середовищем. Робоча камера має теплопровідний контакт з проміжним активним радіаційним екраном 4, який, сприймаючи теплову енергію, що надходить із зовні, відводить її в пари азоту, що виходять з азотного резервуара. Таким чином, робоча камера - це внутрішній вбудований кріостат, що використовує азотний резервуар і проміжний активний радіаційний екран основного кріостата для зменшення теплової енергії, що надходить ззовні, а гелієвий резервуар для подачі гелію в робочу камеру. Тому підвищення температурного режиму в середині робочої камери, на витрату рідкого гелію з гелієвого резервуара не впливає. Дослідження з застосуванням кріостата, що заявляється, здійснюються наступним чином. Спочатку відкачують з середини кожуха 5 вакуумного -4 повітря до залишкового тиску не гірше чим 110 мм рт. ст. Потім заповнюють азотний резервуар 3 зрідженим азотом, а гелієвий резервуар 1 зрідженим гелієм. Кріостат підготовлений для роботи при кріогенних температурах. Потрібна температура в робочій камері 8 досягається так, як і в прототипі: 4,2 К танижче шляхом заповнення її рідким гелієм через вентиль 6 по капіляру 7 та відкачкою парів гелію через вихідний патрубок робочої камери 19, при закритому вентилі 6. Температуру вище 4,2 К досягають тим, що робочу камеру використовують як проточний кріостат при цьому: виконують тонке регулювання вентилем 6 подачі кріоагента в робочу камеру 8; регулюють потужність нагрівача та встановлюють задану швидкість відкачки кріоаген 64099 8 та з робочої камери 8 кріостата. Температура в робочій камері підтримується однаковими шляхами, але в корисній моделі, що заявляється, при мінімальних витратах зріджених кріоагентів. Це досягається тим що: - робоча камера не має теплового контакту з гелієвим резервуаром, що знімає можливість передачі теплової енергії, по тілу робочої камери в гелієвий резервуар із зовнішнього середовища та з середини робочої камери, особливо при роботі з температурами вищими за 4,2 К; - стикування зовнішнього ключа з вентилем відбувається в газовій подушці гелієвого резервуару і постійно охолоджується вихідними парами гелію, що значно зменшує втрату гелію порівняно з прототипом, де ключ вставляють до дна резервуара безпосередньо в рідкий гелій; - колектор дренажної та заливної горловин, усуваючи застояну зону в них, зменшує передачу теплової енергії по горловинах до рідкого гелію в середньому на 40 %; - азотний резервуар розташований над гелієвим, а його радіаційний екран, охоплюючи гелієвий резервуар, завжди має постійну мінімальну температуру, а значить і мінімальну витрату гелію, не залежно від рівня рідини в азотному резервуарі; - азотний резервуар охоплений проміжним активним радіаційним екраном, підвішеним на його горловинах в точках розрахованих на найбільше охолодження вихідними парами азоту, що в свою чергу зменшує витрати рідкого азоту; - кришки, з отворами направленими вниз, розміщені зверху на азотних горловинах, призначені для запобігання проникнення конденсату в азотний резервуар та зменшення теплової енергії випромінюваної в рідкий азот. На основі представленого матеріалу можна зробити висновок, що заявлене технічне рішення як корисна модель відповідає критеріям «новизни» та «можливості промислового застосування». 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 64099 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601