Криостат
Иллюстрации
Реферат
Изобретение относится к технике низких температур и может быть использовано при проведении физических экспериментов преимущественно при оптических исследованиях разных образцов. Целью изобретения является повышение удобства при эксплуатации. Размещают в корпусе 1 гелиевый сосуд (ГС) 5 и азотный сосуд (АС) 2, выводя их горловинные трубки (ГТ) 11, 12 через отверстия в крышке 8 и соединяя со съемными патрубками 9, 10. При этом N-1 горловинная трубка АС 2 и M-1 горловинная трубка ГС 5 соединены с соответствующими патрубками 9, 10 через гибкие элементы 13. Легкость замены гелиевых сосудов в корпусе 1 обеспечивает съемность патрубков 9, 10 и размещение их фланца 14 с внутренней стороны крышки 8, а также установку большей ступени тепловых мостов 25 по отношению к стенкам АС 2 по посадке с зазором. Нанесенные на поверхность этой ступени полосы из материала с коэффициентом теплового расширения цилиндра, обеспечивают при понижении температуры деформацию этой ступени теплового моста и посадку с натягом относительно стенок АС 2. 6 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
Ш 4 F 25 D 3/10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
»»»».1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4386856/3! 13 (22) 01.03.88 (46) 30.12.89. Бюл. № 48 (71) Институт физики АН ЭССР, Институт общей физики АН СССР и Специальное конструкторское бюро АН ЭССР (72) А. Э. Лыхмус, P. А. Кинк, К. А. Прохоров, Э. А. Кургпыльд, В. Т. Михкельсоо и А. Ф. Хяммалова (53) 621.565 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 554454, кл. F 25 D 3/10, 1977.
Anashkin О. P., Keilin V. Е., Surin M. I..
Shleifman V. К. The develope and investigation of Superconducting macnetic systems for physical experiments. Cryogenics, v. 19, по 7. р. 405-4!О, 1979. (54) КРИОСТАТ (57) Изобретение относится к технике низких температур и может быть использовано при проведении физических экспериментов преимущественно при оптических исследованиях разных образцов. Целью.30 1532779 А1
2 изобретения является повышение удобства при эксплуатации. Размещают в корпусе 1 гелиевый сосуд (ГС) 5 и азотный сосуд (АС) 2, выводя их горловины трубки (ГТ) 11, 12 через отверстия в крышке 8 и соединяя со съемными патрубками 9, 10. При этом {п-! ) -я горловинная трубка
АС 2 и (m-1)-я горловинная трубка ГС 5 соединены с соответствующими патрубками 9, 10 через гибкие элементы 13.
Легкость замены гелиевых сосудов в корпусе 1 обеспечивает съемность патрубков
9, 10 и размещение их фланца 14 с внутренней стороны крышки 8, а также установку большей ступени тепловых мостов 25 по отношению к стенкам АС 2 по посадке с зазором. Нанесенные на поверхность этой ступени полосы из материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения цилиндра,обеспечивают при понижении температуры деформацию этой ступени теплового моста и посадку с натягом относительно стенок AC 2. 6 ил.
Изобретение относится к технике низих температур и может быть использо-! ,ва но при проведении физических экспериментов, преимущественно при оптических исследованиях разных образцов.
Цель изобретения — повышение удобст ва при эксплуатации.
На фиг. 1 изображен криостат с разными гелиевыми сосудами, разрез; на фиг. 2—
4 — варианты выполнения криоста га; на фиг. 5 — работа теплового моста; на фиг. 6 — разрез А — А на фиг. l.
Криостат содержит корпус 1, установленые в нем азотный сосуд 2 с внутренним экраном 3 и наружным азотным эк раном 4, размещенным вокруг гелиевого, сосуда 5. Азотные экраны 3 и 4 могут иметь биметаллическую посадку 6 и 7 или другую известную разборную конструкцию относительно азотного сосуда 2. Корпус 1 имеет крышку 8 с отверстиями и патрубками 9, 10. Азотный сосуд 2 имеет горловинную трубку 11, а гелиевый сосуд
5 — горлови иную трубку 12. Трубка 12 соединена с патрубком 9 через гибкий элемент, например сильфон 13. Горловин,ная трубка 11 азотного сосуда 2 жестко
;соединена с патрубком 10. Патрубки 9 и 10 выполнены съемными и каждый из них имеет фланец 14, расположенный на крышке 8 с ее внутренней стороны., Патрубки 9 .и 10 уплотнены относитель но крышки 8 через прокладку. Последнюю фиксируют вращающимся на резьбу фланцем 15 и прижимают винтами 16. И пользование такого типа уплотнения обосновано тем, что, оно не образует крутильный момент на тонкостенных горловинных трубках 11 и 12. При необходимости размещения исследуемого образца
17 в пазах гелия в крышке 8 фиксируется иммерсионная шахта 18 с теплообменником 19 и печкой 20 на ее нижнем конце. Температура паров регулируется равновесным продувом холодных паров гелия через теплообменник 19 и печкой 20 на теплообменнике. Шахта 18 имеет патрубок
19 с фланцем, расположенным с внутренней стороны крышки 8, и прокладкой, фланец 21, винты 22:
Гелиевый сосуд 5 может иметь m горловинных трубок, например еще и трубку
23, а азотный сосуд 2 может иметь и горловинных трубок, например еще трубку
24. При этом (и-1) -я горловинная трубка азотного сосуда 2 и (m-1) -я горловинная трубка гелиевого сосуда 5 соединены с соответствующими патрубками через гибкий элемент. Поскольку трубка 12 соединена с патрубком 9 сильфоном 13, то трубка 23 соединена с патрубком 9 жестко, а так как трубка 11 соединена с патрубком 10 жестко, то трубку 24 следует соединять с соответствующим патрубком !0 посреддолжна иметь азотную температуру, что гарантируется проволокой 31, прикрепленной к азотному сосуду 2 для обеспечения надежного теплопереноса в вакууме.
Криостат снабжен набором гелиевых сосудов 32 — 34, обеспечивающих или разные типы охлаждения образца 17 (фиг. 1, 2). или другой тип криостата, например магни30 тоогтического (фиг. 3), или крионасоса (фиг. 4). Гелиевый сосуд 32 имеег разборное дно 35 с пробкой 36, а гелиевый сосуд 33 — оптические окна 37 и заглушку 38 в днище с индиевой прокладкой 39. Такие же окна прн таком типе криостата выполняют на наружном азотном экране 4 и корпусе 2. Гелиевый сосуд 34 может быть выполнен в виде охлаждаемого змеевика, а криостат в этом случае имеет сопло 40.
Пи работе с криостатом при замене иммерсионного типа охлаждения, например на контактное охлаждение образца 17 извлекают из корпуса 1 гелиевый сосуд 5, шахту 18 и внутренний азотный экран 3 и устанавливают другой гелиевый сосуд 32, фиксируя его на крышке 8 корпуса 1 посредством патрубка 9 и прокладки.
Заслонку 29 поворачивают в такое положение, что она закрывает отверстия в азотном сосуде 2.
Для получения другого типа криостата, например магнитооптического (фиг. 3), устанавливают в гелиевом сосуде ЗЗ свсрхпроводящий соленоид, закрывают дно заглушкой 38. Для получения крионасоса ством сильфона. Между горловинной трубкой 12 гелиевого сосуда 5 и стенками азотного сосуда 2, а также между иммер. сионной шахтой 18 и стенками азотного сосуда 2 укреплены тепловые мосты 25, каждый из которых выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, одна из ступеней которого (меньшая ступень) размещена на трубке, а другая (большая) установлена по отношению к стенкам азот1О ного сосуда 2 по посадке с зазором.
На поверхность 26 этой ступени моста нанесены полосы 27 из материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения цилиндра. При комнатной температуре тепловой мост 25 имеет относительно стенок азотного сосуда 2 свободную посадку с зазором. Для горизонтальной стабильности служат втулки 28 и 29 из теплоизоляционного материала. На азотном сосу2О де 2 размещены поворотные заслонки 29, выполняющие только функцию закрытия отверстия 2 от излучательного теплопереноса от комнатной температуры на гелиевый сосуд 5. Заслонки выполнены в виде
2 сферических пластин, поворачивающихся вокруг оси 30. При этом заслонка 29
1532779
5 (фиг. 4) мощных газовых струй удаляют сосуд 33 и устанавливают вместо него сосуд 34 в виде змеевика при открытой верхней и закрытой нижней заслонках
29, а через нижний торец корпуса 1 вводят сопла 40. В таком случае вся система представляет собой крионасос для откачки мощных газовых струй, например сверхзвуковой струи инертного газа.
Такая замена гелиевого сосуда и изменение типа криостата возможны благодаря ко1гсTpvKTiliiHo lk Bl>loo,iíeiièio патрубков 9, 10, наличию и выполнению заслонок 29.
Тепловые мосты 25 обеспечивают уменьшение теплопритока по горловинной трубке
11 в гелиевый сосуд от комнатной температуры. При понижении температуры происходит деформация большего цилиндра из-за разного коэффициента теплового расширения поверхности 26 этой ступени теплового моста и нанесенных на него полос
27. При этом образуется посадка с натягом.
Если Т)Т. и ц ;,) ц ;, то полученный при контакте поверхности и полос 27 биметалл деформирует тепловой мост по вертикальному эллипсу, а если Т(Т» и 112 (ц т, то деформация теплового моста идет по горизонтальному эллипсу, при этом Т вЂ” температура теплового моста, Т. — комнатная температура, ц — коэффициент теплового расширения.
Отметим, что посадка с натягом образуется не только при охлаждении, но и при повышении температуры за счет биметаллического эффекта.
Азотный сосуд был выполнен из нержавеющей стали 12Х8Н9Т. На поверхность 26 (фиг. 5) из бериллиевой бронзы БрБ2 нанесен гальванический стой никеля в виде полосы 27.
Тепловой контакт в вакууме на границе двух тел не зависит от плошали контакта и обратно пропорционален сжимающей силе.
Но в данном случае сжимающая сила зависит от площади биметаллической части теплового моста.
Теплоперенос на азотный сосуд 2 происходит тепловым мостом 25, соприкасающимся площалью в 20 см с азотным сосудом 2. Мост был выполнен из бериллиевой бронзь1 толщиной 0,8 мм и покрыт гальванически никелем толщиной 0,35 мм, имея свободную посадку с .зазором. При комнатной температуре жидкого азота образуется за счет биметаллического эффекта посадка с натягом, требующая для смещения деталей около 25 Н, обеспечивающая теплоперенос не хуже, чем пайка (с точностью
10О4) . После монтажа откачивают воздух через вентили (не показаны), заливают жидкий азот в сосуд 2, гелий — в гелиевый сосуд или охлаждают змеевик сосуда 34 парами гелия, регулируют температуру по методу Свенсона и осуществляют нужные б лабораторные исследования при низких температурах. А соединение (и-l)-й горловинной трубки азотного сосуда и (ги-1)-й горловинной трубки гелиевого сосуда с соответствующим патрубком через гибкий элемент обеспечивает компенсацию перегиба, а жесткая связь с патрубком одной горловины гелиевого и одной горловины азотного сосуда обеспечивает вертикальную стабильность всех узлов криостата.
10 Представленное вы попнение тепловых мостов, кроме уменьшения теплопритока, позволяет при комнатных температурах легко осуществлять монтаж и демонтаж криостата благодаря свободной посадке с зазором относительно стенки азотного сосуда 2.
Предложенное устройство обеспечивает возможность сборки более 80 реально нужных разнотипных криостатов. Фактически лля нужд одной лаборатории столько разнотипных криостатов не требуется, но благо20 ларя том :, что, например, в одном корпусе криостата можно использовать три гелиевых сосуда, отличающихся по принципу охлаждения, расходы на лабораторную криогенную технику уменьшаются не менее, чем на 50 (,. Все это повышает улобство при эксплуатации криостата. При этом увеличивается долговечность не менее, чем в
2 раза за счет улучшения условий ремонта готовых узлов и возможности доработки конструкции при появлении новых
30 задач при охлаждении. Настолько же увеличивается и интенсивность эксплуатации прибора. формула изобретения
Криостат, содержац ий корпус, крышку с отверстиями и патрубками, азотный сосуд с ll горловинными трубками и гелиевый сосул с си горловинными трубками, каждая из которых соединена через соответствующий патрубок с крышкой криостата, азотный экран, размегценный вокруг гелиевого сосуда, тепловые мосты, укрепленные между горловинными трубками и стенками азотного сосуда, отличающийся тем, что, с целью повышения удобства в эксплуатации, патрубки выполнены съемными и каждый из них имеет фланец. расположенный на крышке с ее внутренней стороны, а каждый тепловой мост выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра, олна из ступеней которого размещена на горловинной трубке, а другая установлена по отношению к стенкам азотного сосуда по посадке с зазором и на поверхность ее нанесены полосы из материала с коэффициентом теплового расширения, отличным от коэффициента теплового расширения цилиндра, при этом (и-1) -я горловинная трубка азотного сосуда и (си-1) -я горловинная трубка гелиевого сосуда соединены с соответствующими патрубками через гибкие элементы.! 532779
1532779 о 1гк
T> Tn гг л юг.5!
532779
Составитель И. Шабалина
Редактор М. Келемеш Техред И. Верес Корректор Л. Патай
Заказ 8088/46 Тираж 462 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москв а, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат «Патент», r Ужгород, ул. Гагарина, 101