Криостат

 

Изобретение относится к криогенной технике, может быть использовано для домовременного охлаждения прецизионных сверхпроводящих приборов и устройств и позволяет увеличить ре- ,сурс работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильности поддержания заданной температуры. Криостат содержит подвешенный внутри корпуса 1 на сильфонной горловине 2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А2 (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ t (54 ) КРИОСТАТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1180640 (21) 4071986/31-26 (22) 18.04.86 (46) 23.03.88. Бил.М 11 (71) Особое конструкторско-технологическое бвро Физико-технического института низких температур AH УССР (72) Ф.Ф.Иенде, В.И.Орейнич, О.Д.Передрий, A.À.×åïêèé и В.И.Твкова (53) 66.052-12(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У- 1180640, кл. F 17 С 3/00, 1983. (g1) 4 F 17 С 3/00, G 05 D 27/00 (57) Изобретение относится к криогенной технике, может быть использовано для домовременного охлаждения прецизионных сйерхпроводящих приборов и устройств и позволяет увеличить ре:сурс работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильности поддержания заданной температуры.

Криостат содержит подвененный внутри корпуса 1 на сильфонной горловине 2

1383045,цилиндрический гелиевый сосуд 3, который выполнен в виде размещенных одна в другой камер 4,5, теплообменник

8, соединенный на входе с верхней .частью камеры 4, а на виходе — с заливочно-випарным гелиевым патрубком

10, трубку 14, соединенную с горловиной, к которой подсоединен датчик

16 давления, соединенный посредством

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к устройствам для стабилизации низких температур, т.е. к криостату, может бить использовано для долговременного охлаждения прецизионных сверхпроводящих приборов и устройств и является усовершенствованием изобретения по авт. св. Р 1180640.

Цель изобретения — увеличение ресурса работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильнос-i ти поддержания заданной температуры.

На чертеже представлена блоксхема криостата.

Криостат содержит вакуумируемый герметичный корпус 1, внутри которого подвешен на сильфонной горловине

2 цилиндрический гелневий сосуд 3.

Последний выполнен в виде размещенных одна в другой камер 4 и 5. Горловина 2 размещена внутри камеры

5 на расстоянии от ее стенок. Кроме того, горловина 2 прикреплена своей нижней частью к днищу камеры 5 и сообщена с внешней камерой 4 с помощью отверстия 6, расположенного по вертикальной оси криостата на границе соединения горловины с днищем камеры 5. Гелиевый сосуд 3 окружен шестью коаксиально расположенними радиационными экранами 7 со змеевиком теплообменником 8 из сплвщенной труб-. ки. Верхние части 9 всех радиационных экранов 7 последовательно соединены расположенным по всей их поверхности змеевиковым теплообменником 8.Т оследний соединен на входе с верхней частью внешней камеры 4, а на выхо-: схемы 17 регулирования давления паров гелия в горловине ? с вентилем 13, подключенным к газгольдеру, и термочувствительний элемент 21, располо-. женный в горловине 2 и соединенный схемой 22 регулирования уровня жидко

ro гелия в горловине 2 с вентилем 23, подсоединенным к заливочно-выпарному патрубку 10,.1 ил.

t де — c заливочно-випарным гелиевим патрубком 10, установленным на верхней части корпуса 1. Пространство между корпусом 1 и радиационными .эк5 ранами 7 заполнено экранно-вакуумной теплоизоляцией 11, выполненной ввиде ! слоев алюминизированной полиэтилен. терофталатной перфорированной пленки,.

Вакуумирование криостата осуществля0 ется через откачной вентиль 12, расположенный на верхней части корпуса 1. С верхней частью горловины 2 вентиль 13 соединен посредством трубки 14, укрепленной во фланце 15, вакуум-плотно соединенном с горловиной 2. К трубке 14 подсоединены соединенные в кольцо регулируемый электромагнитный датчик 16 давления, блок 17 регулирования давления паров гелия в горловине 2 и регулирующий электродинамический вентиль 13, подключенный к газгольдеру (не показан).

Блок 14 регулирования давления паров гелия в горловине 2 состоит из усилителя 18 переменного тока, синхронного детектора 19 и усилителя 20 мощности. В горловине 2 размещен термочувствительный элемент 21, соеди", ненный через блок 22 регулирования уровня жидкого гелия в горловине 2 с дополнительным регулирующим вентилем 23, также подключенным к газгольдеру. Вентиль 23, кроме того, подсоединен к заливочно-випарному гелие35 вому,патрубку 1О. При этом термочув ствительный элемент 21 выполнен в виде термосопротивления, включенного в одно из плеч измерительного моста

24 переменного тока. Последний под40 ключен к входу усилителя ?5 перемен1383045 ного тока, последовательно соединенного с синхронным детектором 26 и усилителем 27 мощности.

К диагонали питания измерительно5 го моста 24 подключен одним из выходов генератор ?8 опорного напряжения, другие выходы которого подключены к датчику 16 давления и к управляющим входам синхронных детекторов 19 и 26.10

Измерительный мост ?4, усилитель

25 переменного тока, синхронный детектор 26 и усилитель 27 мощности входит в состав управляющего блока

22 регулирования уровня в горловине. 15

Криостат работает следующим образом.

Предположим, что охлаждаемый объект, например сверхпроводящий СВЧрезонатор, должен быть полностью 20 погружен в жидкий гелий и требуется проведение прецизионных низкотемпературных исследований в интервале температур гелиевого диапазона (4,22,3 К), 25

В горловине 2 устанавливается на ,заданном уровне охлаждаемий объект и термосопротивление 21. После этого горловина герметизируется с помощью фланца 15, и в криостат заливается 30 жидкий гелий так, что охлаждаемый объект оказывается полностью погруженным в жидкий гелий. А термосопротивление 21 располагается вблизи поверхности жидкого гелия (на Расстоя- 35 нии 2-5 мм от уровня жидкого гелия в горловине 2).

Расположение в криостате термосопротивления 21 выше желаемого уров-40 ня жидкого гелия, но в непосредственной близости с ним позволяет реагировать на малейние изменения уровня жидкого гелия в горловине 2.

ПОсле непродолжительнОГО перехОДНОГО 45 процесса с помощью электромагннтного датчика 16 давления устанавливается заданное давление P в горловине 2, которому соответствует заданная рабочая температура Т, охлаждаемого

50 объекта:

Р, Р, +дР -Р +р(Ь -Ь) +дР„

2 макс (13 где h P — необходимое превыщение давления в горловине 2;. р — плотность жидкого гелия;

P — давление в газгольдере;

В предлагаемом криостате, поскольку горловина 2 и камера 4 являются сообщающимися сосудами, установивниеся уровни жидкого гелия в гоРловине 2

h, и в камере 4 h зависят от разности давлений паров в горловине 2 и камере 4, т.е. (h - h ) р — Р (2) h — максимальный уровень жидко2макс го гелия в камере 4;

h, — заданный рабочий. уровень . жидкого гелия в горловине 2;

hP, — возможные колебания давления в газгольдере, т.е. датчиком 16 давления задается давление такой величины, чтобы давление в горловине 2 превьппало статическое давление столба жидкого гелия в камере 4 и возможную величину колебаний давления в газгольдере.

При заданном давлении Р, в горловине 2 сигнал на выходе датчика 16 давления отсутствует. При отклонении давления в горловине 2 от заданного значения на выходе датчика 16 давления появляется сигнал, амплитуда ,которого пропорциональна величине отклонения давления, а фаза зависит от знака отклонения давления в датчике 16 и от заданного. Этот сигнал усиливается усилителем 18 и поступает на вход синхронного детектора 19.

На выходе последнего выделяется сигнал постоянного тока, пропорциональный отклонению давления паров гелия в горловине 2 от заданного P который поступает на усилитель 20 мощности.

С выхода последнего сигнал поступает на вход вентиля 13, проходное сечение которого изменяется, изменяя расход паров гелия в линии, соединяющей горловину 2.и электродинамический вентиль 13. Таким образом, за счет замкнутой системы регулирования и стаби-. лизации давления паров, состоящей из элементов 14,16 ° 18 — ?О и 13 удается поддерживать заданным давлением паров гелия в горловине 2. Например, при увеличении давления в горловине

2 относительно заданного значения Р, 1вырабатывается блоком 17 РЕгулировки давления паров гелия сигнал, увеличивающий проходное сечение вентиля 13, вследствие чего увеличивается расход паров гелия, и давление в горловине

2 уменьщается до заданного.

1383045 где Ь и h — уровни жидкого гелия в горловине 2 и камере 4 соответственно; р — плотность жидкого re- 5 лия;

Р, и Р— давление паров гелия в горловине 2 и камере 4 соответственно.

При этом в зависимости от общего 10 количества жидкого гелия в криостате и от выбранного рабочего уровня жидкого гелия в горловине 2 давление

P может быть как больше (h < h,), так и меньше Р (Ь > Ь,), поэтому Р, необходимо устанавливать из условия (1).

Однако заданная температура Т; охлаждаемого объекта даже при постоянстве заданногд давления Р„ паров ге- 20 лия в горловине 2 изменяется и за счет изменения с течением времени заданного уровня жидкого гелия в горловине 2 в силу его неизбежного выкипания ° При этом изменение уровня жидко- 25

ro гелия в горловине 2 приводит к изменению теплообмена между криогенной средой (газ, жидкость) и элементами подвески охлаждаемого объекта, что также влечет за собой изменение тем-. пературы охлаждаемого объекта. При заданной температуре Т, охлаждаемого объекта термосопротивление 21 Вт находится тоже при определенной температуре, соответствующей балансировке измерительного моста 24, входящего в состав управляющего блока 22 регулирования уровня, Изменение уровня жидкого гелия в горловине 2 приводит к изменению сопротивления термосопротивления 21 и, как следствие, к разбалансировке моста 24, т,е. в блоке

22 регулирования уровня появляется сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного, управляюшупЪ работой электродинамического вентиля 23, 45 подключенного к.заливочно-выпарному гелиевому патрубку 10.

Проходное сечение вентиля 23 изменяется, расход паров гелия из внешней камеры 4 изменяется, приводя к изменению давления паров гелия в ней.

При этом изменяется уровень гелия во внешней камере 4, приводящей к изме" нению уровня жидкого гелия в горловине 2 в силу того, что горловина 2 и внешняя камера 4 являются,сообщающимися сосудами. Этот процесс происходит да тех пор, пока уровень жидкого гелия в горловине 2 не изменяется настолько; что температура термосопротивления ?1 достигает прежнего значения. А так как давление паров

4 гелия в горловине 2 остается постоянним, то регулировка уровня жидкого гелия в горловине ? осуществляется посредством изменения давления паров гелия в камере 4. Например, при повышении температуры термосопротивления

21 за счет уменьшения уровня жидкого гелия в горловине 2 проходное сечение электродинамического вентиля 23 уменьшается, расход паров гелия из камеры 4 уменьшается, давление паров в камере 4 увели .ивается. При этом уровень жидкого гелия в камере 4 (h ) понижается, а уровень жидкого гелия в горловине 2 (h,) повышается.

Это приводит к понижению температуры термосопротивления 21 до прежнего значения.

Включение термосопротивления 21 в измерительный мост 24 позволяет выработать сигнал отклонения уровня жидкого гелия от заданного значения, который усиливается усилителем 25 переменного тока и поступает на вход синхронного детектора 26. Сигнал постоянного тока, пропорциональный сигналу разбаланса моста 24, с вихода синхронного детектора 26 поступает на усилитель 27 мощности, а затем на вход вентиля 23, приводящего к изменению давления паров во внешней камере 4.

Таким образом, наличие в предлагаемом криостате взаимосвязанных систем автоматического регулирования и стабилизации давления паров гелия в горловине 2 и уровня жидкого гелия в ней позволяет увеличить ресурс его работы путем обеспечения высокой долговременной стабильности поддержания заданной температуры охлаждаемого объекта, в особенности, протяженного по вертикали объекта, за счет одновременной точной компенсации возможных отклонений с течением времени давления паров и уровня жидкого гелия в горловине 2 от заданных величин.

Предлагаемый криостат позволяет проводить исследования в широком интервале температур, в частности, и в случае нежелательности нахождения исследуемого объекта в жидком гелии.

Однако в силу наличия очень высокого

1383045

Составитель Б.Долотин

Редактор M.Áëàíàð Техред И.Верес Корректор С.йекмар

Заказ 1277/32

Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раунская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 градиента температуры по высоте горловины вне гелиевого. объема стабильность поддержания заданной температуры исследуемого объекта ниже, чем в описанном случае, а термосопротивление 21 располагается рядом с исследуемым объектом или крепится прямо, на нем.

Формула изобретения 10

Криостат по авт.св. 11- 1180640, отличавщийс я тем, что, с цельв увеличения ресурса работы за счет обеспечения высокой и долговременной стабильности поддержания заданной температуры, он дополнитель" но содержит датчик давления паров гелия в горловине криостата с блоком регулирования, термочувствительный элемент, размеценный в горловине, второй вентиль, подсоединенный к заливочно-выпарному гелиевому патрубку, и блок регулирования уровня жидкого гелия в горловине, при этом блок регулирования давления паров гелия в горловине криостата соединен с первым вентилем, а термочувствительный элемент соединен последовательно с .блоком регулирования уровня жидкого гелия в горловине.