Гелієвий кріостат

1. Гелієвий кріостат, який містить у вакуумованому корпусі з кришкою і вузлом герметичного ущільнення заливної трубки гелієву ємність з кріостатованим боксом, які коаксіально оточені охолоджувальними радіаційними екранами з кришками, який відрізняється тим, що радіаційні екрани виконані двостінними, порожнина яких за допомогою дренажних патрубків заповнена відхідними парами гелію. 2. Гелієвий кріостат за п. 1, який відрізняється тим, що кріостатований бокс з кришкою та кришки радіаційних екранів розташовані під гелієвою ємністю, а заливна трубка жорстко закріплена до кришки корпусу. Винахід відноситься до кріогенної техніки, а саме, до кріостатів, які використовуються для охолодження з допомогою кріоагентів та підтримання тривалий час пристроїв при низьких температурах, зокрема автономних високочутливих надпровідних преселекторів, резонаторів мікрохвильового діапазону, гравіметрів, індукційних накопичувачів електричної енергії з надпровідними котушками та ін. Гелієвий кріостат характеризується підвищеними теплоізоляційними характеристиками у зв'язку з низькою теплотою пароутворення рідкого гелію. Радіаційні теплопритоки до гелієвої ємності у кріостаті - одна з головних причин витрат гелію. Цей вид теплопритоку може бути суттєво обмежений застосуванням коаксіально оточуючих ємність радіаційних екранів, охолоджуємих або відхідними парами гелію, або рідким азотом. Відомий кріостат, який містить в собі вакуумований герметичний корпус, всередині якого розташовані циліндричні теплоізольовані азотний сосуд і гелієвий сосуд, по центру кожного з яких виконані циліндричні отвори, через які введена горловина кріостата. В сильфону горловину вміщують кріо статуємий об'єкт та через цю ж горловину заливають рідкий гелій у гелієвий сосуд. Азотний і гелієвий сосуди охоплені радіаційними екранами. Між радіаційними екранами і корпусом розміщена екранно-вакуумна теплоізоляція. У вакуумованому просторі між азотним і гелієвим сосудами розташован змієвиковий теплообмінник, який служить для охолодження екранів і виводу парів гелію. Азотний сосуд скріплений з верхніми частинами екранів за допомогою склопластикових почіпів. До корпусу азотний екран підвішений на струнних розпірках. Гелієвий сосуд прикріплений на струнних розпірках до внутрішнього екрану (SU 1116265, кл. F17C 3/00,1984). Однак наявність горловини веде до великих теплопритоків по ній, що прискорює випаровування гелію і скорочує час роботи кріостата при одноразовому заповненні кріоагентами (не більше трьох місяців). Наявність додаткового кріагенту також суттєво ускладнює експлуатацію кріостату. Крім того наявність горловини обмежує кріостату (19) UA (11) 89588 (13) (21) a200810962 (22) 08.09.2008 (24) 10.02.2010 (46) 10.02.2010, Бюл.№ 3, 2010 р. (72) НІКОЛАЄНКО ВІКТОР ОЛЕКСІЙОВИЧ, НІКОЛАЄНКО ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ (73) НІКОЛАЄНКО ВІКТОР ОЛЕКСІЙОВИЧ, НІКОЛАЄНКО ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ (56) SU 896339 A, 17.01.1982 UA 25565 U, 10.08.2007 US 2986891 A, 06.06.1961 US 662217 A, 20.11.1900 US 646459 A, 03.04.1900 SU 1062480 A, 23.12.1983 SU 1335788 A1, 07.09.1987 SU 770313 A, 29.12.1982 SU 754170 A, 15.08.1980 SU 428168 A, 17.04.1975 RU 2221191 C2, 10.01.2004 RU 2186715 C2, 10.08.2002 US 3406526 A, 22.10.1968 C2 1 3 вання об'єктів з поперечними розмірами більшими ніж діаметр горловини. Відомий також промислово виробляємий гелієвий кріостат типу КГ 30/60 (виготовлювлювач НВО «Геліймаш», Росія), який має у вакуумованому корпусі гелієвий сосуд, оточений радіаційними екранами, які охолоджуються парами гелію. Для розміщення кріостатуємого об'єкта і заливки рідкого гелію в сосуд передбачена склопластикова горловина діаметром 55 мм. На корпусі встановлено ключ відкачування міжстінної ізоляційної порожнини кріостата. Цей кріостат використовується як для кріостатування об'єктів, так і для зберігання рідкого гелію (http:/geliymash.aha.ru/plant.php/g). Недоліком відомого кріостата є велика втрата гелію (5,1 г/год) через теплопритоки, які передаються переважно по горловині і, відповідно, недовгий час роботи кріостату при одноразовому заправленні рідким гелієм. Даний кріостат також обмежує кріостатування об'єктів з поперечними розмірами більшими ніж діаметр горловини. Відомим є кріостат, який містить підвішений на сильфоній горловині у вакуумованому корпусі циліндричний гелієвий сосуд, який виконаний у вигляді камер розміщених одна в одній. Горловина розміщена всередині внутрішньої камери на деякій відстані від її стінок. При цьому горловина прикріплена своєю нижньою частиною до дна внутрішньої камери і з'єднана з зовнішньою камерою за допомогою отвору в дні внутрішньої камери. Гелієвий сосуд оточений шістьма коаксіально розташованими радіаційними екранами і змієвиковим теплообмінником, розташованим у верхніх частинах всіх екранів. Змієвиковий теплообмінник з'єднаний на вході з верхньою частиною зовнішньої камери гелієвої ємності, а на виході з заливновипарним гелієвим патрубком, встановленим на верхній частині корпусу. Простір між корпусом та радіаційними екранами заповнено екранновакуумованою теплоізоляцією. Вакуумування кріостату здійснюється за допомогою відкачуючого вентиля. Регулювання швидкості випаровування рідкого гелію через горловину здійснюється системою вентилів, які також розташовані на верхній частині корпусу і з'єднані з горловиною трубкою, закріпленою у фланці (SU 1180640, кл. F17C 3/00 F25D 3/10, 1985). Кріостатуємий об'єкт розміщують на дні горловини і повністю занурюють у рідкий гелій, або розміщують його над поверхнею рідкого гелію. Кріостат може бути використаний як сховище рідкого гелію. Недоліком відомого кріостату, є наявність горловини і приток тепла через неї і відповідно швидке випаровування рідкого гелію. Суттєвим недоліком також є обмеження габаритів кріостатуємих об'єктів діаметром горловини та складні умови оперування кріостатом. Збільшення діаметру горловини приводить до ще більших теплопритоків і прискореного випаровування рідкого гелію. (У прототипі діаметр горловини складає 100 мм і висотою 1000 мм, а діаметр гелієвої ємності дорівнює 520 мм). Відома корисна модель, яка містить у вакуумованому корпусі гелієву ємність, оточений радіа 89588 4 ційними екранами, які охолоджуються парами гелію за допомогою проточних змієвикових теплообмінників. Згідно корисної моделі всередині кріостату у тепловому контакті з гелієвою ємністю розташований кріостатуємий бокс, закритий кришкою, при цьому радіаційні екрани також виконані з кришками, а корпус обладнаний герметичнощільною кришкою з вузлом герметичного ущільнення заливної трубки, яка ізольовано проходить через кришки екранів та кришку кріостатуємого боксу до гелієвої ємності. ((19)UA (11)25565 (13)U) Іншою відмінністю корисної моделі є те, що кріостатуємий бокс заглиблений у гелієву ємність. Завдяки виключенню горловини і розміщенню кріостатуємого об'єкту всередині кріостату, надійно ізольованого екранами від провідників тепла, значно зменшує теплоприток і, відповідно, скорочуєтся випаровування рідкого гелію. Виконання кріостатуємого бокса з великим поперечним перерізом і з кришкою розміром не менше поперечного перерізу боксу дозволяє розташувати в ньому великогабаритні кріостатуємі пристрої на відміну від кріостату-прототипу з горловиною. Одним з обмежувальних чинників корисної моделі є низька ефективність теплообміну між радіаційними екранами й змієвиковими теплообмінниками, що веде до значних радіаційних теплопритоків к гелію. Завданням винаходу є створення кріостату з високими економічними показниками шляхом зниження випарування рідкого гелію під час праці і відповідно збільшення часу роботи кріостату від однієї заправки рідкого гелію за рахунок підвищення ефективності охолодження радіаційних екранів відхідними парами гелію. Задача досягається тим, що у радіаційні екрани кріостату виконані двостінними. При цьому порожнини екранів за допомогою дренажних патрубків заповнені відхідними парами гелію. Коефіцієнт теплообміну між газом і стінками екранів при малій швидкості газового потоку може досягати 1, і це зменшує радіаційний теплоприток до 15%. На фіг. 1 зображений поздовжній розріз пропонованого кріостата з ємністю та кріостатуємим боксом які коаксіально оточені двостінними радіаційними екранами. Кріостат містить в собі корпус 1 з кришкою 2, у верхній частині якого розміщений вузол 3 герметичного ущільнення заливної трубки 4 (наприклад, ніпельний). Всередині корпуса 1 розташована гелієва ємність 5 з оточуючими ії двостінними радіаційними екранами 6 з кришками 7. Порожнини радіаційних екранів 6 послідовно з'єднані між собою, верхнею частиною ємністі, та корпусом 1 посередництвом нетеплопровідних дренажних патрубків 8. Гелієва ємність 4 закріплена посередництвом склопластикових підвісів 9 до внутрішнього екрану 6. Аналогічно послідовно закріплені інші екрани 6 між собою і корпусом 1. Кріостатуємий бокс 10 з кришкою 11 прикріплений у тепловому контакті до ємності 5. Бокс 10 може бути занурений у гелієву ємність 5. 5 Заливна склопластикова трубка 4 (у наданому зразку з внутрішнім діаметром до 6 мм), одним кінцем з'єднана з ємністю 5, а інший її кінець виходить назовні через вузол ущільнення 3 у кришці 2. При цьому заливна трубка 4 проходить ізольовано через бокс 10 з кришкою 11 і кришки 7 екранів 6. Бокс 10 з кришкою 11, виконують мідними або з алюмінію і їх поверхні з боку вакуумованого простору полірують для зменшення променистого теплопереносу. Для ще більшого зниження теплопритоків міжстінний простір між екранами 6 з кришками 7 та корпусом 1 з кришкою 2 заповнено екранно-вакуумною теплоізоляцією 12 у вигляді алюмінізованої поліетилентетрофталатної перфорованої плівки або іншим теплоізолюючим матеріалом. В боксі 10 у тепловому контакті з ємністью 5 розміщений карман з адсорбентом 13 (наприклад, з активованим вугіллям), який призначений для підвищення вакууму у міжстінному просторі. На кришці 2 корпусу 1 розташований відкачувальний вентиль 14. Кріостат встановлений на ніжках 15 На фіг. 2 зображений поздовжній розріз кріостату з кріостатуємим боксом, розміщенним знизу гелієвої ємності. Кришки боксу и екранів також розміщені знизу. Кришка корпусу закріплена нерухомо і є базовою. Заливна трубка при цьому не рознімному способі зв'язана с кришкою корпуса й може бути виконана у вигляді змієвика. Кріостат працює таким чином. В бокс 10 уміщують кріостатуємий об'єкт (на кресленні не зображений). Кришку 11 боксу з'єднують теплопровідним контактом з ємністю 5. Кришки радіаційних екранів 7 теплопровідним контактом з'єднують з екранами 6. Кришку корпуса 2 герметично щільно з'єднують з корпусом 1. При цьому заливна трубка 4, яка виходе через кришку 2 герметично щільно обтискується посередництвом вузла 3 ущільнення. Через вентиль 14 простір між гелієвою ємністю 5 і корпусом 1 з кришкою 2 відкачують до високого вакууму, який потім підтримується у процесі експлуатації за допомогою адсорбенту 13. Потім гелієву ємність 5 порожнини радіаційних екранів 6 і патрубки 8 відкачують до тиску 2-3 мм. рт. ст. і наповнюють газоподібним гелієм для попереднього охолодження і зменшення затрат рідкого гелію. Через 5-10 годин у гелієву ємність 5 заливають рідкий гелій через трубку 4. Після цього трубку 4 закривають пробкою зі зворотним клапаном (на кресленні не зображені). В подальшому рідкий гелій з гелієвої ємності 5 випаровується через порожнини радіаційних екранів 6 у процесі кріостатування об'єкта. Спочатку рідкий гелій ви 89588 6 паровується інтенсивно і пари гелію з гелієвої ємності 5 активно проходячи через порожнини екранів 6 та різко охолоджують іх. Це призводе до зниження загальної випаровуваності рідкого гелію з ємності 5. Процес теплообміну продовжується до тих пір, поки не настане момент динамічної рівноваги системи в цілому. Запропонована конструкція кріостату дозволяє зменшити випаровування рідкого гелію і відповідно збільшити час роботи кріостату при одноразовому заправленні рідким гелієм. Пояснюється це наявністю коксіально-оточуючих ємність з робочим боксом двостінних радіаційних екранів (на відміну від прототипу). В запропонованому кріостаті зі 100-літровою гелієвою ємністю при трьох радіаційних екранах, які охолоджуються парами гелію, випаровуваність рідкого гелію складе ~ 0,28 дм /добу (у корисної моделі випаровуваність рідкого гелію складає 0,33 дм3/добу), що відповідає безперервній роботі кріостату до 340 діб (у прототипі до 300 діб). Радіаційні екрани в запропонованому кріостаті на відміну від прототипу можуть бути виконані з будь-якого матеріалу, включаючи і нетеплопровідні. Зокрема можуть бути використані в якості радіаційних екранів відповідних розмірів колби типових термосів з вмонтованнимі в них штуцерами для дренажних трубок. Зовнішні поверхні ємності, а також внутрішні поверхні першого радіаційного екрану і кришки радіаційного екрану сбок ємності слід електролитично покрити міддю та механічно полірувати. Запропонована конструкція кріостату на відміну від прототипу дозволяє проводити примусову відкачку парів гелію із ємності форвакуумним насосом, знижуючи тим самим температуру гелієвого і робочого об'єму до ~ 1,7 - 1,5 К. Це можливо завдяки відсутності газодинамічного опору гелієвого потоку в порожнинах двостінних радіаційніх екранів. Таким чином запропонований кріостат більш економічний за прототип за рахунок зниження витрат дорогоцінного рідкого гелію і збільшення часу роботи кріостату від одноразової заправки рідким гелієм. При цьому кріостат забезпечує можливість кріостатувати крупногабаритні пристрої або їх сукупності з можливістю зниження їх температури за рахунок відкачки парів гелію. Запропонований кріостат може використовуватись у якості сховища ізотопів рідкого гелію, кисню, водню, азоту та інших кріогенних рідин. При цьому повинен бути застосований відповідний адсорбент. 7 89588 8 9 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 89588 Підписне 10 Тираж 28 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