Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур

 

Изобретение относится к криогенной технике, используется для лабораторных исследований в широком температурном интервале. Цель - улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживания объекта. Сущность изобретения: устройство содержит установленный в теплоизолированной камере 5 криостат 4 с охлаждаемым объектом 6, датчиком температуры 15, первым 10 и вторым 11 теплообменниками; источник паров хладагента в виде основного сосуда 1 с криогенной жидкостью, соединенного через подводящую трубку 3 с входом первого теп- Ј лообменника 10, блок управления 1 б, исполнитель-ный элемент 14 в виде криогенного С/) вентиля. Выход первого теплообменника 10 Ј соединен через отводящую трубку 12 со ВыходS 00 W СХ О О VI со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 05 0 23/19

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Ю

1f

Фиг. 7

1 (21) 4944899/24 (22) 14.06.91 (46) 23.08.93. Бюл; М 31 (71) Физико-технический институт низких температур им, Б.И,Веркина АН Украины (72) B.M.Äìèòðèåâ, M,Н.Офицеров и

Н,H.Ïðåíöëàó (73) Физико-технический институт низких температур им, Б,И,Веркина АН Украины (56) Беляев А.И., Силаев В.И. и Стеценко

jO.Е. Проточные криостаты для.лабораторных исследований. — Киев: Наукова думка.

1987, с. 134.

J.Phys L., 1972. 5, М 8-р, р. 803.

Приборы для научных исследований, 1984, М 4, с. 182 — 185. фиг, 1 и 2. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

И СТАБИЛИЗАЦИИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

„„5U„, 1836667 А3 (57) Изобретение относится к криогенной технике, используется для лабораторных исследований в широком температурном интервале. Цель — улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживания объекта, Сущность . изобретения: устройство содержит установленный в теплоизолированной камере 5 криостат 4 с охлаждаемым объектом 6, датчиком температуры 15, первым 10 и вторым

11 теплообменниками; источник паров хладагента в виде основного сосуда 1 с криогенной жидкостью, соединенного через подводящую трубку 3 с входом первого теплообменника 10, блок управления 16, исполнительный элемент 14 в виде криогенного вентиля. Выход первого теплообменника 10 соединен через отводящую трубку 12 со

/мод

1836667

10

45 сборником 7 криогенной жидкости 8, Датчик температуры 15 соединен через блок управления 16 с управляющим входом исполнительного элемента 14. Сборник криогенной жидкости 7 выполнен в виде дополнительного сосуда, установленного под теплоизолированной камерой 5 и соединенного в своей верхней части с нижней частью этой

Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться для раз. личных лабораторных исследований в широком температурном интервале.

Целью изобретения является улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использо,вания термоакустического эффекта и сокра щения времени захолаживания обьекта.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для регулирования и стабилизации криогенных температур; нэ фиг.

2 — структурная схема блока управления устройства.

Источник паров хладагента в виде основного сосуда 1 с криогенной жидкостью 2 подводящей трубкой 3 соединен с криостатом 4, который расположен в теплоизолированной камере 5. В криостате 4 размещен охлэждаемый обьект 6. Устройство снабжено сборником 7 криогенной жидкости 8, верхней частью соединенным с нижней частью теплоизолированной камеры 5, например, горловиной 9. В криостате 4 расположены первый 10 и второй 11 теплообменники.

Вход теплообменника 10 соединен с подводящей трубкой 3, его выход — со сборником

7 криогенной жидкости отводящим патрубком 12 таким образом, чтобы конец патрубкэ 12 в рабочем положении устройства находился ниже уровня криогенной жидкости 8, Вход теплообменника 11 соединен со сборником 7 патрубком 13, а его выход — с входом исполнительного элемента 14, выполненного в виде криогенного вентиля. В криостате 4 также расположен датчик температуры 15, выход которого соединен с входом блока управления 16.

Место расположения датчика 15 выбирается из эксплуатационных соображений, поэтому особо не оговаривается. Один из входов блока управления 16 соединен с управляющим вхадом 17 исполнительного элемента 14 (например. с обмоткой электромагнита криагенного вентиля), а второй - с камеры. Нижний конец отводящего патрубка 12 расположен в нижней части дополнительного сосуда, соединенного через патрубок 13 с входом второго теплообменника 11, выход которого соединен через исполнительный элемент 14 с атмосферой или накопительной емкостью (на чертеже не показано). 2 ил. нагревателем 18,. который расположен в криостате 4 или нэ охлэждаемом обьекте 6.

Блок управления 16 может быть выполнен с различными принципами работы — частотным, фаэовым, амплитудным и т.д. В предлагаемом устройстве осуществляется сравнение по амплитуде с преобразованием в двоична-десятичный код, Пример структурной схемы такого блока сравнения представлен нэ фиг. 2. Датчик температуры 15 соединен с входом схемы сравнения 19, второй вход которой соединен с ээдатчиком 20, Выход схемы сравнения 19 соединен с входом выходного каскада 21, выполненного в виде трехпоэиционного регулятора. Выходы каскада 21 соединены с входами элементов модуляции управляющего сигнала 22 и 23, вторые входы которых соединены с регулируемым генератором импульсов 24. Источник питания 25 соединен с нагревателем 18 и управляющим входом 17 исполнительного элемента 14 через элементы модуляции 22 и 23. Выходы элементов модуляции управляющего сигнала 22 и 23 являются выходом каскада 21.

Выход схемы сравнения 19 соединен с регулируемым генератором импульсов 24 через устройство управления частотой 2б генератора 19.

Устройство для регулирования и стабилиээции криогенных температур работает следующим образом.

Показания датчика температуры 15, определяющие температуру, поступают на вход блока управления Iб, где они сравниваются с опорным сигналом, параметры которого соответствуют устанавливаемой температуре. В зависимости от соотношения опорного и сигнала датчика 15 в блоке управления 16 вырабатывается сигнал ошибки, которым управляют либо нагревателем 18, либо обмоткой 17 криогенного вентиля 14.

При этом возникает одна иэ трех ситуаций: а) температура на. датчике 15 равна устанавливаемой;

1836667

55 б) температура на датчике 15 ниже нее; в) температура на датчике 15 выше устанавливаемой, Если температура на датчике 15 равна устанавливаемой, То сигналы на обоих выходах блока управления отсутствуют, в связи с чем вентиль 14 закрыт, а нагреватель 18 обесточен.

Если температура на датчике 15 ниже устанавливаемой, то блок управления 16 вырабатывает сигнал ошибки на входе, соединенном с нагревателем 18. Выделяемая на нагревателе 18 тепловая мощность нагревает полость криостата 4 и охлаждаемый объект 6, повышая их температуру до устанавливаемой, При достижении температуры, равной необходимой, на датчике 15 выделяется сигнал, численно равный опорному, В связи с этим на выходах блока управления 16 сигнал отсутствует (т.е. ситуация по и. а), При включении устройства в тот момент, когда температура на датчике 15 выше устанавливаемой, или при необходимости снижения температуры криостата 4 или объекта 6 в процессе эксплуатации, происходит следующее.

Блок управления 16 выдает импульсный сигнал на выходе, подсоединенном к управляющему входу 17 элемента 14. Этот сигнал периодически открывает-закрывает вентиль 14. В сборнике криогенной жидкости 7 (дополнительном сосуде) при этом может возникнуть ситуация, когда конец патрубка

13 ниже уровня жидкости 8 или выше его.

Рассмотрим случай, когда конец патрубка 13 выше уровня криогенной жидкости.

Так как полости элементов 1, 5 и 7 эамкнуты и соединены между собою, то при закрытом вентиле 14 испаряющийся хладагент. создает избыточное давление, равное во всех полостях. При открывании вентиля

14(в момент подачи на обмотку 17 импульса сигнала от блока управления 16) через патрубок 13 во второй теплообменник 11 поступает газ, охлаждая и его, и объект 6. При этом давление в полости термоизолированиой камеры 5, а следовательно, и над уровнем жидкости 8 в сборнике 7 снижается, т.к. часть газа уходит через вентиль 14 либо в атмосферу, либо в газгольдер. В связи с этим давление в источнике паров 1 оказывается выше, чем в указанной полости, Поэтому жидкий хладагент из источника пара 1 по подводящей трубке 3 поступает к первому теплообменнику 10. Там он испаряется, а его газ нагревается. Нагретый газ через отводящий патрубок 12 поступает в жидкий хладагент 8, вызывая дополнительное испарение его, Это повышает давление в полости теплоизолированной камеры 5, При этом гаэ в жидкости 8, испаряя ее, сам охлаждается. Поэтому через второй теплобменник 11 проходит, во-первых, тот же газ, что проходил через первый теплообменник

10 (т.е, из источника пара 1), но охлажденный в жидкости 8 (т,е. он вторично используется для охлаждения объекта), и, во-вторых, газ жидкости 8, который образовался охлаждением проходящего по ней газа. Это свидетельствует о том, что здесь охлаждение более эффективно, чем в отсут-. ствие сборника 7 в виде дополнительного сосуда, При закрытом вентиле 14 подводящая трубка 3, первый теплообменник 10 и отводящий патрубок 12 образуют замкнутый объем, ограниченный жидкостью с обеих сторон, т.е, полость, где возникает термоакустический эффект. Поэтому при закрытом вентиле 14 он является причиной интенсивного испарения хладагента, что позволяет поддерживать необходимое давление над уровнем жидкости. Управление вентилем 14 с помощью импульсного сигнала увеличивает интенсивность колебаний жидкого хлэдагента в замкнутой емкости с термоакустическим эффектом, а следовательно, повышает скорость испарения, что в свою очередь приводит к снижению времени захолаживания обьекта. Это связано с тем, что повышение скорости испарения приводит к более быстрому изменению давления над уровнем жидкости, и, следовательно, к увеличению количества охлаждающего объект 6 газа.

Рассмотрим случай, когда конец патрубка 13 ниже уровня жидкости 8 в сборнике 7.

После того, как вентиль 14 открывается, давление в полости патрубка 13 второго теплообменника 11 снизится по сравнению с полостью теплоизолированной камеры 5.

Поэтому к теплообменнику f1 по патрубку

13 будет подниматься жидкость 8, охлаждая его и испаряясь. При этом, если давление в полости теплоизолированной камеры 5 несколько снизится, то оно будет компенсироваться подачей газа по подводящей трубке

3 из источника паров хладагента 1, который также, нагреваясь в первом теплообменнике 10, вызовет испарение жидкости 8, Таким образом, если патрубок 13 опустить в криогенную жидкость 8. то в устройстве будут проходить те же тепловые процессы, что и в ситуации, когда патрубок 13 не в жидкости.

Естественно, что при подаче жидкости ко второму теплообменнику 11 охлаждение будет более эффективным эа счет ее испарения. Однако для подачи криогенной жидкости ко второму теплообменнику 11 не1836667 обходимо более высокое давление в полостях нэд ее уровнем. 8 связи с тем.. что давление иэд уровнем жидкости практически одинаково независимо от положения ее уровня относитвльно пэтрубка 13, скорость 5 охлаждения криастэтэ 4 также одинакова в обоих. случаях.

Вышеизложенное свидетельствует, что в Обоих случаях предложенное устройство работоспособно и обеспечивает одинако- 10 вые результаты.

Таким образом, на скорость охлаждения криостэта 4 и обьвкта 6 влияют следую-. щие факторы: э) давление в полостях элементов 5 и 7, 15 вызванное тврмоэкустичвским эффектом в источнике паров хладагента — сосуде 1. б) давление в полостях элементов 1 и 5, вызванное испарением жидкости 8 в сборнике 1 зэ счет нагретого газа, проходящего 20 через первый теплообменник 10. в) давление в полостях, вызванное тер моакустическим эффектом, возникающим в пвтрубках 12 и 13 при закрытом элементе

14. 25

Экспериментально исследовалось устройство; представленное нэ рисунке к описэнию. Точность поддержания температуры в криостэте 4 зависит от чувствительности датчика температур 15 и блока управления 30

16, Тэк, @ри использовании блока с двоично-десятичным кодом и четырьМя разрядами точность установки равна плюс-минус единице счета последнего порядка, Используя медь-константановую термопару в каче- 35 стве датчика температур при ее чувствительности 15 мкВ/град в области азотных температур следует, что точность поддержания температур 1/15 град, Наличие элементов 4, 7, 11 и 13 позволяет повысить скорость охлаждения в 4 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Устройство для регулирования и стабилизации криогенных температур, содержащее установленный в теплоизолированной камере криостат с размещенными в нем охлаждаемым обьектом, датчиком температуры и первым теплообменником, а также источник паров хладагента в виде основного сосуда с криогенной жидкостью, соединенного через подводящую трубку с входом первого теплообменника, выход которого соединен через отводящую трубку со сбор. ником криогенной жидкости, причем датчик температуры соединен через блок управления с управляющим входом исполнительногоэлемента, отл ича ю щеес я тем,что, с целью улучшения функциональных и эксплуатационных характеристик устройства за счет использования термоакустического эффекта и сокращения времени захолаживания объекта, оно содержит размещенный в криостате второй теплообменник, исполнительный элемент выполнен в виде криогенного вентиля, а сборник криогенной жидкости — в виде дополнительного сосуда, установленного под теплоизолированной камерой и соединенного в верхней части с нижней частью этой камеры, нижний конец отводящего патрубка расположен в нижней части дополнительного сосуда, соединенного через патрубок с входом второго теплообменника. выход которого соединен через исполнительный элемент с атмосферой или накопительной емкостью, 1836667

Составитель В.Дмитриев

Редактор М.Кузнецова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П.Гереши

Заказ 3020 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35; Раушская. наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101