Устройство для криогенного охлаждения открытым потоком испаренного хладагента

 

Устройство для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента состоит из криостата, сопла, сосуда Дьюара и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга. Сопло выходит из криостата и формирует коаксиально расположенные потоку “холодного” (внутри) и “теплого” (снаружи) газа. Система нагнетания снабжена электронагревателем для испарения жидкого хладагента, размещенным в сосуде Дьюара, датчиком газообразного хладагента и вентилем, регулирующим скорость поступления газообразного хладагента в криостат, подключенными к блоку регулирования температуры. Использование изобретения позволит упростить конструкцию, уменьшить материальные затраты и понизить минимально достижимую температуру охлажденного образца. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проведении экспериментальных физических исследований в области низких температур.

Известно устройство для криогенного охлаждения исследуемого образца открытым потоком хладагента (см. описание патента US 6334314), в котором поток хладагента окружен потоком газа (например, испаренного хладагента), имеющего температуру окружающей среды. В этом устройстве образец должен располагаться внутри оптически прозрачного экрана или прозрачного для рентгеновских лучей, что накладывает ограничения на размеры образца и затрудняет доступ к образцу.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является устройство для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента, состоящее из криостата, сопла, выходящего из криостата и формирующего коаксиально расположенные потоки “холодного” (внутри) и “теплового” (снаружи) газа, сосуда Дьюара для хранения жидкого хладагента и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга (см. патент US 6003321 А, F 25 B 19/00, 1999).

Недостатком системы является громоздкость и высокие материальные затраты на эксплуатацию, возникающие из-за использования при нагнетании жидкого и газообразного хладагента баллонов с газообразным хладагентом, оборудованных необходимыми редукторами, клапанами и т.п.

Другим недостатком данного устройства является отсутствие эффективной регулировки температуры газообразного хладагента. Здесь имеется в виду следующее. Данное устройство охлаждает исследуемый образец потоком “холодного” хладагента из сопла криостата. Поток холодного хладагента окружен потоком “теплового” хладагента. Тем самым предотвращается образование льда из влаги и других компонентов окружающего воздуха на сопле и образце. При этом происходит нежелательный подогрев “холодного” хладагента “тепловым”, а возможность уменьшить это подогрев и понизить тем самым минимально возможную температуру образца отсутствует.

Сущность предлагаемого изобретения в использовании системы испарения жидкого хладагента электронагревателем непосредственно в сосуде Дьюара, в слежении за давлением испаренного хладагента (газа) с помощью датчика давления, управляемом подогреве испаренного хладагента (газа) и регулировании скорости поступления подогретого газа в криостат.

Технический результат, полученный при осуществлении настоящего изобретения, выражается в упрощении конструкции и уменьшении материальных затрат на устройство и эксплуатацию за счет устранения баллонов с газом, редуктором, клапанов для этих баллонов, при одновременном понижении минимально достижимой температуры охлажденного образца.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента, состоящем из криостата, сопла, выходящего из криостата и формирующего коаксиально расположенные потоки “холодного” (внутри) и “теплового” (снаружи) газа, сосуда Дьюара для хранения жидкого хладагента и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга, согласно изобретению, система нагнетания снабжена электронагревателем для испарения жидкого хладагента, размещенным в сосуде Дьюара, датчиком давления газообразного хладагента в сосуде Дьюара, электронагревателем газообразного хладагента и вентилем, регулирующим скорость поступления газообразного хладагента в криостат, подключенными к блоку регулирования температуры.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного устройства. Основными узлами устройства является криостат 3, сосуд Дьюара для хранения жидкого хладагента 13, система нагнетания жидкого и испаренного хладагента в криостат 3 (блоки 10, 11, 12 и блок регулирования температуры (на схеме не показан)). Криостат 3 имеет вводы для трубопроводов 4 и 5, по которым, соответственно, поступают в криостат жидкий хладагент и газ, полученный испарением этого хладагента, на корпусе находится герметичный электрический разъем 1 для подключения криостата к блоку регулирования температуры (на схеме не показан). Изнутри криостата к разъему 1 подсоединены датчик температуры в криостате и нагреватель сопла 2; 6 - это аварийный клапан, который срабатывает при аварийном повышении давлении внутри криостата; 7 - штуцер для подсоединения криостата к вакуумному насосу; 2 - сопло, формирующее коаксиальный поток “холодного” хладагента внутри потока “теплового” хладагента. Трубопровод 4 для подвода жидкого хладагента конструктивно выполнен из двух труб, наружной и внутренней. Для теплоизоляции проходящего по внутренней трубе жидкого хладагента внутренняя полость наружной трубы вакуумирована. На нижнем конце трубы 4, находящемся около дна сосуда Дьюара, расположен электронагреватель 14, испаряющий жидкий хладагент. Электронагреватель 14 подключен к блоку регулирования температуры (не показан) через герметичный электрический разъем 9. Датчик давления 10 непрерывно измеряет давление Р испаренного хладагента (газа).

Электронагреватель 12 подогревает поступающий в криостат газ. Вентиль 11 регулирует расход и скорость поступления газа в криостат. Все подключенные к разъемам блоки управляются блоком регулирования температуры.

Устройство работает следующим образом. Блок регулирования температуры (на схеме не показан) включает нагреватель 14. Давление Р внутри сосуда Дьюара начинает повышаться и постепенно выталкивать жидкий хладагент по трубопроводу 4 в криостат. Давление Р, необходимое для работы устройства при заданной температуре, поддерживает блок регулирования температуры (на схеме показан) путем оптимального сочетания мощности, подводимой к нагревателю 14, степени открытия вентиля 11 и мощности, подводимой к нагревателю сопла 2. Для достижения предельно низкой температуры блок регулирования температуры (не показан) минимизирует подводимую к нагревателю 12 мощность, открывает вентиль 11 настолько, чтобы приблизить скорость потока “теплового” газа и скорость потока “холодного” газа, выходящего из сопла 2. Выравнивание скоростей “теплового” и “холодного” потоков из сопла 2 обеспечит ламинарность обоих потоков. В результате нежелательный подогрев охлаждаемого образца “теплым” потоком будет почти устранен и температура охлаждаемого образца опустится до температуры “холодного” потока.

Формула изобретения

Устройство для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента, состоящее из криостата, сопла, выходящего из криостата и формирующего коаксиально расположенные потоки “холодного” (внутри) и “теплого” (снаружи) газа, сосуда Дьюара для хранения жидкого хладагента и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга, отличающееся тем, что система нагнетания снабжена электронагревателем для испарения жидкого хладагента, размещенным в сосуде Дьюара, датчиком давления газообразного хладагента в сосуде Дьюара, электронагревателем газообразного хладагента и вентилем, регулирующим скорость поступления газообразного хладагента в криостат, подключенными к блоку регулирования температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1