Адсорбционный криогенный рефрижератор непрерывного действия

 

Использование: в криогенной технике, в радиоэлектронике, криобиологии, криомедицине и других областях, нуждающихся в криогенном термостатировании. Сущность изобретения: рефрижератор содержит сосуд 1 с криогенной жидкостью 2, адсорбиционные насосы 3 и 4, которые соединены трубопроводами 7 и 8 с вакуумной рубашкой 9. В последней размещены регенеративный теплообменник 10, секции 11 и 12 ванны, выполненные в виде сильфонов, имеющих пластины 13 и 14. Объект охлаждения 15 при этом крепится на теплообменнике 10 с помощью трубки 16, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью, например из текстолита. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к адсорбционным криогенным рефрижераторам непрерывного действия, и может быть использовано в областях народного хозяйства, нуждающихся в получении низких температур.

Известен адсорбционный криогенный рефрижератор непрерывного действия, содержащий сосуд с криогенной жидкостью, в котором расположена ванна с хладагентом, заключенная в вакуумную рубашку и связанная с объектом охлаждения, а также два поочередно включаемых в работу адсорбционных насоса, причем в корпусе каждого из них размещен герметичный отсек с адсорбентом, пневмоклапан, управляемый термодатчиком, ячейка с адсорбентом для теплообменного газа и сверхпроводимый тепловой ключ, установленный в тепловом контакте с ячейкой и корпусом насоса.

Перечисленные особенности обусловливают высокие массогабаритные характеристики и сложность управления работой рефрижератора. Кроме того, наличие пневмоклапанов и сверхпроводимых тепловых ключей снижает эксплуатационную надежность рефрижератора.

Некоторых из перечисленных недостатков лишена конструкция криогенного рефрижератора, наиболее близкого по технической сущности к изобретению и содержащего теплообменник-регенератор, ванну с хладагентом, выполненную двухсекционной, каждая ее секция соединена с соответствующим адсорбционным насосом, а с объектом охлаждения связана посредством тепловой трубы, играющей роль теплового ключа. Секции ванны включаются в работу с помощью адсорбционных насосов и поочередно осуществляют теплоотвод от объекта охлаждения (при этом включается соответствующая тепловая труба).

Недостаток указанного рефрижератора обусловлен тем, что включенная тепловая труба не может обеспечить полного разрыва теплового контакта неработающей секции с объектом охлаждения из-за наличия теплопроводности по материалу тепловой трубы и газу-теплоносителю. Это приводит к потерям холодопроизводительности в установке. Эти потери можно уменьшить, но для этого необходимо увеличить длину тепловой трубы, что приводит к повышению массогабаритных характеристик рефрижератора.

Целью изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик и увеличение холодопроизводительности рефрижератора.

Поставленная цель достигается тем, что установка содержит сосуд с криогенной жидкостью, размещенные в нем по меньшей мере два поочередно включаемых в работу адсорбционных насоса, а также теплообменник-регенератор, двухсекционную ванну с хладагентом и объект охлаждения, снабженные вакуумной рубашкой, причем секции ванны соединены с соответствующим адсорбционным насосом и выполнены в виде сильфона, поочередно присоединяющихся к объекту охлаждения посредством пластин, размещенных на нижних торцах сильфонов.

Отличия заявляемой установки от прототипа состоят в том, что секции ее ванны выполнены в виде сильфонов, которые поочередно присоединяются к объекту охлаждения посредством пластин, размещенных на нижних торцах сильфонов. Указанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Уменьшение массогабаритных характеристик происходит за счет исключения из состава системы охлаждения тепловых труб. При этом проблема передачи тепла от объекта охлаждения к работающей секции ванны решается выполнением обеих секций ванны в виде сильфонов. Так как в работающей секции давление падает (за счет откачки из нее хладагента соответствующим адсорбционным насосом), то сильфон будет сжиматься и работающая секция сама будет присоединяться посредством пластины к объекту охлаждения. В неработающей секции ванны в это время давление остается высоким, следовательно, сильфон будет находиться в расширенном состоянии, что обеспечивает полный разрыв теплового контакта между неработающей секцией ванны и объектом охлаждения, а это приводит к уменьшению потерь холодопроизводительности в установке, поскольку отсутствие указанного теплового контакта (в отличие от прототипа) позволяет исключить перетечки холода от работающей секции ванны к неработающей. При этом секции ванны одновременно выполняют две функции: непосредственно секции и теплового ключа. Кроме того, заявляемый рефрижератор отличается от прототипа также более высокой технологичностью изготовления и простотой эксплуатации, так как позволяет отказаться от трудоемкой операции изготовления тепловых труб и их заправки теплоносителем.

Известно применение сильфонов в различных системах охлаждения. В некоторых из них сильфоны выполняют роль пневмоклапанов, в других являются регуляторами расходов. Известно также применение сильфонов в мембранных микрокомпрессорах, где они используются для поддержания постоянным давления масла в картере компрессора. Однако не обнаружено техническое решение, в котором сильфон являлся бы одновременно емкостью для хладагента (секцией ванны) и тепловым ключом, это дает основание утверждать, что в данном случае широко известный элемент проявляет свои новые свойства, а значит предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

Предлагаемый криогенный рефрижератор схематично представлен на чертеже.

Рефрижератор включает в себя сосуд 1 с криогенной жидкостью 2, адсорбционные насосы 3 и 4 с нагревателями 5 и 6 соответственно, которые соединены трубопроводами 7 и 8 с вакуумной рубашкой 9. В последней размещены регенеративный теплообменник 10, секции 11 и 12 ванны, выполненные в виде сильфонов, имеющих пластины 13 и 14, а также объект охлаждения 15, закрепленный на теплообменнике 10 с помощью трубки 16, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью, например из текстолита.

Рефрижератор работает следующим образом.

Адсорбционный насос 4 охлаждается криогенной жидкостью 2 и находящийся в нем твердый адсорбент поглощает пары хладагента из секции 12 ванны. При этом давление хладагента в этой секции сильно снижается, а его температура кипения падает до температуры криостатирования объекта охлаждения 15. В результате сильфон, из которого изготовлена секция 12, сжимается и пластина 14 присоединяется к объекту охлаждения 15, за счет чего тепло от последнего начинает передаваться к хладагенту, кипящему в секции 12. В это время в адсорбционном насосе 3 производится регенерация твердого адсорбента путем его нагрева с помощью включенного нагревателя 5. Образующиеся пары хладагента вначале охлаждаются и снижаются в трубопроводе 7, имеющем тепловой контакт с криогенной жидкостью 2, а затем жидкий хладагент переохлаждается в теплообменнике 10 и сливается в секцию 11 ванны. Однако температура хладагента в секции 11 выше температуры криостатирования объекта 15, поэтому равновесное давление в этой секции ванны будет более высоким, чем в секции 12. Это значит, что сильфон, из которого изготовлена секция 11, будет в растянутом состоянии, то есть пластина 13 и объект охлаждения 15 будут разомкнуты. Через некоторое время, которое предварительно определяется экспериментальным путем, в секции 11 накопится достаточно жидкого хладагента, чтобы адсорбционный рефрижератор вступил в следующий цикл работы. При этом включается нагреватель 6, а нагреватель 5 выключается. В результате адсорбент в насосе 3, охлаждаемый криогенной жидкостью 2, поглощает из секции 11 пары хладагента, давление и температура которого понижаются, и сильфон секции 11, сжимаясь, присоединяет пластину 13 к объекту охлаждения 15. Адсорбционный насос 4, отогреваясь, выделяет поглощенный в предыдущем цикле хладагент, который после прохождения трубопровода 8 и теплообменника 10 сливается в секцию 12, сильфон которой растягивается, и пластина 14 размыкается с объектом 15. Такое цикличное переключение адсорбционных насосов (с помощью нагревателей 5 и 6) позволяет практически непрерывно поддерживать постоянной температуру криостатирования объекта охлаждения 15 (за счет поочередного присоединения к нему посредством пластин соответствующих сильфонов секций ванны).

Выигрыш по массогабаритным характеристикам предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом может составить примерно 10%. При этом полезная холодопроизводительность рефрижератора увеличится на 10-15%.

Формула изобретения

АДСОРБЦИОННЫЙ КРИОГЕННЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ, содержащий сосуд с криогенной жидкостью, размещенные в нем по меньшей мере два адсорбционных насоса, а также теплообменник-регенератор, двухсекционную ванну с хладагентом и объект охлаждения, снабженные вакуумной рубашкой, причем каждая секция ванны соединена с соответствующим адсорбционным насосом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массогабаритных характеристик и увеличения холодопроизводительности секции, ванны выполнены в виде сильфонов, поочередно присоединяющихся к объекту охлаждения посредством дополнительно установленных на нижних торцах сильфонов пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1