Способ получения очень низких температур

 

Способ предназначен для получения очень низких температур и может быть использован в продолжительных экспериментах, например в космосе. Для достижения температур 0,2 К или ниже 3He и 4He раздельно подают в смесительную камеру (5), размещенную в корпусе (3), в котором поддерживают температуру примерно 2 К. Эндометрическое растворение 3He в 4He обеспечивает необходимый холод. Образовавшаяся смесь (М) выходит из смесительной камеры и корпуса, охлаждая подаваемые текучие среды помощью теплообменников (12.4). Кроме того, для компенсации термических потерь смесь (М) подвергают расширению Джоуля-Томсона в зоне (12) с последующим необязательным испарением в зоне (13). Эти операции проводят предпочтительно при температуре между примерно 1,5 и 2,5 К. Полученный холод служит для понижения температуры входящих текучих сред от температуры подачи, значительно превышающей 4 К, до 1,5 - 2,5 К, близкой к той, которая превалирует в кожухе 13, содержащем самую холодную точку (6) контура. Способ позволяет избежать необходимость использования ванны переохлажденного гелия, что позволяет упростить конструкцию. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для получения сверхнизких температур, ниже примерно 1 К, а именно 0,1 К.

В Европейской заявке на патент ЕР-А-0327457, которая соответствует патенту США 4991401 и в которой в качестве изобретателя указан один из авторов настоящей заявки, описан криостат, который содержит точку смешивания, в которой находится двухфазная система, состоящая из фазы раствора 3Не в жидком 4Не и жидкой фазы, образованной чистым 3Не. В точку смешивания непрерывно раздельно подают 3Не и жидкий 4Не и отводят из точки смешивания раствор с такой скоростью, которая предотвращает возврат 3Не в точку смешивания, чтобы содержание 3Не в 4Не не повышалось и, следовательно, чтобы он не становился менее пригодным для растворения вводимого жидкого 3Не. Точка смешивания расположена в корпусе, имеющем температуру ниже 2 К.

Более конкретно в точке смешивания две жидкости, смешиваясь, создают двухфазную систему, состоящую из фазы, обогащенной 3Не, и разбавленной фазы, причем энергия разбавления или растворения используется для охлаждения, а последовательность двух фаз в трубе для вывода смеси препятствует диффузии растворенного 3Не противотоком в холодную часть системы, тогда как при более высокой температуре (выше 0,5 К) растворимость 3Не в 4Не возрастает, а смесь состоит только из одной фазы, и скорость должна быть достаточной, чтобы 3Не не мог диффундировать противотоком.

Этот криостат обладает тем преимуществом, что он может функционировать в отсутствии силы тяжести, т.к. он не содержит дистиллятора, что делает его особенно пригодным для использования в космосе. При таком использовании криостат может функционировать, выбрасывая в пространство незначительные количества смеси 4Не и 3Не, которую он производит. В том случае, когда носитель должен вернуться на Землю, можно также сохранить эту смесь в резервуаре, чтобы разогнать ее на Земле. Если криостат используют на Земле, то он, разумеется, может быть соединен с перегонной установкой, и в этом случае комплекс функционирует в замкнутом контуре.

Недостаток, встречающийся при использовании этого криостата, заключается в том, что необходимо иметь резервуар с переохлажденным гелием для поддержания корпуса при температуре ниже 2 К, что усложняет конструкцию. Известно, что такое хранилище накладывает определенные ограничения, например, его трудно заполнять на борту космического корабля.

Целью изобретения является создание криостата, функционирующего в соответствии со способом, описанным в Европейской заявке на патент ЕР-А-0327457, и который имеет простую конструкцию, т.е. менее громоздкую и потребляющую мало энергии, и более конкретно - создание криостата, в котором отсутствует необходимость производства и/или хранения переохлажденного гелия для охлаждения корпуса до 2 К или ниже.

Для решения этой задачи по изобретению предложен способ получения сверхнизких температур, согласно которому 4Не и 3Не, которые охлаждают с помощью теплообменников до температуры порядка 0,2 К или ниже, непрерывно вводят в точку, где их смешивают для поглощения тепла растворения 3Не в 4Не, осуществляя таким образом охлаждение образовавшейся двухфазной смеси, эту смесь отводят через трубопровод, для предотвращения диффузии 3Не противотоком и уменьшения растворения 3Не, причем в этом способе теплообменник, находящийся рядом с точкой смешивания, используют для охлаждения жидкостей, направляемых в самую холодную точку, с помощью отведенной смеси, циркулирующей в противоположном направлении, при этом существенным отличием этого способа является то, что 4Не и 3Не, предназначенные для смешивания, охлаждают от температуры их подачи до температуры ниже 2,5 К, предпочтительно 1,5 -2,5 К, путем теплообмена с отведенной смесью, причем мощность поглощается при использовании расширения по Джоулю-Томсону этой смеси, позволяя таким образом системе работать при температуре подачи выше 4 К.

Мощность охлаждения при расширении по Джоулю-Томсону зависит только от давлений на входе и выходе смеси. Наилучшие эксплуатационные характеристики получают при давлениях порядка 2-15 бар на входе и 1-50 мбар на выходе.

Было установлено, что при соответствующем использовании расширения по Джоулю-Томсону применяемых жидкостей в способе охлаждения до сверхнизких температур можно предварительно охлаждать жидкости, входящие в систему, начиная с намного более высокой температуры, порядка 4-10 К, что позволяет избежать необходимости использования вспомогательных установок предварительного охлаждения, которые применяют в уровне техники, и, в частности, позволяет избежать необходимости использования ванны переохлажденного гелия. Температуры 4 - 10 К можно легко получить с помощью криогенной машины Стирлинга с последующей классической стадией Джоуля-Томсона с жидким 4Не.

Далее изобретение более подробно поясняется с помощью примеров выполнения и приложенных чертежей, на которых изображено: на фиг. 1 - принципиальная схема устройства согласно изобретению; на фиг. 2 - принципиальная схема известного из уровня техники устройства; на фиг. 3 - энтальпийная диаграмма гелия 4, на которой представлены основные точки схемы по фиг. 2.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства, функционирующего в соответствии с Европейской заявкой на патент ЕР-А-0327457, приведенной выше.

Чистые газы 4Не и 3Не нагнетают под давлением (примерно 3 бар) и при комнатной температуре, каждый - в теплообменник 1, осуществляя при этом контакт с запасом переохлажденного гелия, обозначенного позицией 2, который поддерживает требуемую температуру в корпусе 3 криостата, и охлаждают до примерно 2 К. Обе текучие среды затем охлаждают в теплообменнике 4, после чего тепло, поглощенное их смесью в камере 5 смешивания, позволяет охладить опору 6 до температуры порядка 0,1 К. Смесь М поглощает тепло в теплообменнике 4 перед ее выходом из криостата при давлении на выходе, поддерживаемом равным примерно 2 бар. Разность давления с давлением на входе создается благодаря потере напора в теплообменниках.

На практике теплообменник 4 состоит из двух частей, при этом горячая часть (0,5-2 К) длиной 1 м состоит из трех труб с внутренним диаметром 0,03 мм, сваренных вместе, тогда как холодная часть (0,1-0,5 K образована тремя трубами диаметром 0,02 мм и длиной 3 м, сваренными вместе.

На фиг. 1 представлен схематический вид устройства по фиг. 2, модифицированного согласно изобретению. На обоих чертежах одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы.

Чистые газы 4Не и 3Не нагнетают под давлением (между 2 и 20 бар) при комнатной температуре. Затем их охлаждают до температуры в диапазоне между 4 и 10 K с помощью теплообменников 10, которые соединены с дополнительной машиной 11 для предварительного охлаждения. Поступая во внешний корпус 13, текучие среды охлаждаются до температуры порядка 2 K с помощью теплообменников 12, которые соединены с промежуточным корпусом 3. При этом точка смешивания (5) и прилегающий к ней теплообменник (4) размещены в корпусе (13), поддерживаемом при температуре ниже 2,5 К. Внутренняя часть этого корпуса (3) идентична его внутренней части по фиг. 2.

На выходе из теплообменника 4 смесь теряет напор и находится в теплообменнике 14 при низком давлении, где жидкость испаряется, создавая большую охлаждающую мощность, которую используют для охлаждения экрана, ограничивающего наружный корпус 13, таким образом, что жидкости поступают через теплообменники 12. Затем смесь 11 выходит из криостата при низком давлении (между 1 и 50 мбар по трубопроводу 15.

На фиг. 3, которая представляет собой энтальпийную диаграмму гелия 4, поясняется физический аспект явлений, которые происходят внутри устройства. Эта диаграмма относится к чистому гелию 4, тогда как на практике используют гелий 4 и гелий 3 либо раздельно, либо в смеси. На практике количество гелия 3 по отношению к гелию 4 является относительно малым, примерно 20%, так что диаграмма на фиг. 3 представляет собой, тем не менее, наглядную общую иллюстрацию происходящих процессов.

При давлении на входе 9 бар и температуре 4 К, например, точка А, энтальпия составляет 50 Дж/моль. Если давление на выходе зафиксировано на уровне 30 мбар, жидкость сохраняет свою энтальпию и возвращается в точку В при температуре 2 К в виде двухфазной смеси, состоящей наполовину из пара, наполовину из жидкости. Доступная мощность охлаждения задается разностью энтальпий между точками В и С, т.е. равной примерно 50 Дж/моль. При обычном расходе 10 мкмоль/с доступная мощность в корпусе 3 составляет, следовательно, 0,5 мВт. Рассуждая аналогично, при температуре на входе выше 7 K получают нулевую доступную мощность. В этом случае необходимо добавить непрерывный теплообменник между входными трубами, соединяющими теплообменники 10 и 12, и выходной трубой 15. Использование такого теплообменника, спаренного с детандером Джоуля-Томсона, хорошо известно, благодаря чему можно осуществить такое расширение с высокой исходной температурой (до 10 или 20 К).

При заданных расходах (1,5 мкмоль/с для 3Не и 6 мкмоль/с для 4Не) необходимые количества газа составляют 1000 л для гелия 3 и 4000 л для гелия 4. Если используют стандартные баллоны высокого давления (объем 5 л, давление 200 бар, масса 6,7 кг), то для криостата требуется только один баллон гелия 3 и четыре баллона гелия 4 в год, что соответствует 33,5 кг в год. Эта масса может быть легко уменьшена при использовании баллонов высокого давления, изготовленных из более прочных материалов.

Поскольку все жидкости заключены в маленьких трубках и не имеется свободной поверхности отделения основы, система является нечувствительной к силе тяжести.

Простота системы обеспечивает очень простое управление путем регулирования расходов двух жидкостей на входе в криостат. Это позволяет остановить и возобновить растворение для оптимизации расхода газообразного гелия.

При такой конструкции можно охлаждать детекторы, например, до температуры 0,1 K, в космическом спутнике, используя криогенератор малого размера, потребляющий мощность несколько милливатт при температуре 5 К. Способ является очень надежным, не содержит механических узлов, и для его использования требуется порядка 5000 л газа в год. Устройство, следовательно, особенно пригодно для продолжительных экспериментов, например, в космосе.

Формула изобретения

1. Способ получения сверхнизких температур, согласно которому 4He и 3He, которые охлаждают с помощью теплообменников до температуры порядка 0,2 К или ниже, непрерывно вводят в точку (5), где их смешивают для поглощения тепла растворения 3He в 4He, производя таким образом охлаждение образовавшейся двухфазной смеси, при этом смесь (М) отводят по трубопроводу для предотвращения диффузии 3He противотоком и уменьшения растворения 3He, причем теплообменник (4) вблизи точки (5) смешивания используют для охлаждения жидкостей, направляемых к самой холодной точке, с помощью отведенной смеси (М), циркулирующей в противоположном направлении, отличающийся тем, что 4He и 3He, предназначенные для смешивания, охлаждают от температуры их подачи до температуры ниже 2,5 К при теплообмене с отведенной смесью, при этом мощность поглощается при использовании расширения Джоуля-Томсона этой смеси, что позволяет таким образом этой системе функционировать с температурой подачи выше 4 К.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширения Джоуля-Томсона осуществляют путем понижения давления до примерно 1 - 50 мбар, а давление подачи 4He и 3He составляет примерно 2 - 15 бар.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расширение и возможное последующее испарение смеси проводят при температуре между примерно 1,5 и 2,5 К.

4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что точка смешивания (5) и прилегающий к ней теплообменник (4) размещены в корпусе (13), поддерживаемом при температуре ниже 2,5 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3