Установка для получения низких температур

Установка для получения низких температур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

On ИСАН И Е ц54)078

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22.09.72 (21) 1830390/26 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опуоликовано 30.12.76. Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 03.01.77 (51) М. Кл. - Г 25J 1, 00

F 25D 3/10

Государственный комитет

Совета Миныстрав СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.59(088.8) (72) Авторы изобретения

В. И. Пелипейченко и А. Д. Швец (71) Заявитель

Физико-технический институт низких температур

АН Украинской ССР (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к конструированию установок для получения температур до нескольких сотых градусов Кельвпна путем растворения изотопа гелия-3 в гелии-4, и может быть использовано при проведении различных исследований для охлаждения различных устройств.

Известна установка для получения низких температур (11, взятая за прототип, содержа- 1о щая криостат и размещенные в нем ванну жидкого гелия, камеру испарения, камеру смещения изотопов гелия-3 и сверхтекущего гелия-4, соединенную .с теплообменником, и устройство для отбора и возврата гелия-3, вы- 15 полненное в виде двух попеременно работающих адсорбционных насосов.

Недостатком известной установки является большое изменение температуры гелия-3 в процессе циркуляции. Если процесс адсорб- 20 ции гелия-3 происходит при температурах, близких к температуре жидкого гелия, то для регенерации адсорбента насос необходимо прогреть до комнатной температуры. Таким образом, в процессе циркуляции происходит э5 изменение температуры гелия-3 на 300 К, что приводит к дополнительному испарению криогенных жидкостей из криостата, связанному с охлаждением гелия-3 от комнатной температуры (температуры десорбцип) до температу- 30 ры, при которой начинается конденсация, с отнятием теплоты конденсации и охлаждением жидкости.

Значительное изменение температуры гелия-3 в процессе циркуляции ухудшает экономичность установки и время ее непрерывной работы, снижает холодопропзводительность.

Целью изобретения является повышение экономичности установки для получения низких температур.

Это достигается тем, что устройство для отбора и возврата гелия-3 выполнено в виде двух камер разделения изотопов гелия-3 н сверхтекучего гелия-4, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 и снабженных камерами охлаждения, подключенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 к ванне жидкого гелия, а трубопроводы циркуляции на входе и выходе сверхтекучего гелия-4 снабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на входе, установлены нагревателии.

Принципиальная схема установки для получения низких температур путем растворения гелия-3 в гелии-4 изображена на чертеже.

Установка состоит из крпостата 1, в вакуумной рубашке 2 которого расположена ванна 3 с жидким гелием, камера смешения 4, теплообменник 5, камеры разделения 6 п 7, 541078 пористые фильтры (трубки, заполненные спрессованным порошком) 8, 9, 10, 11, 12 и 13 с нагревателями 14, 15, 16, 17, камеры охлаждения 18, 19, вентили 20, 21, 22 и 23.

Установка работает следующим образом.

При открытых вентилях 20, 21, 22 и 23 в камеру смешения и обе камеры разделения 6 и 7 по трубопроводу, который проходит через ванну 3 с жидким гелием, охлажденным до температуры ниже Х-точки (обычно 1,0 — 10

1,5 К), поступает сконденсированная смесь гелия-3 и гелия-4 (трубопровод и баллон со смесью на чертеже не показаны.

Включают нагреватели 14 и 15. При этом на пористых фильтрах, один конец которых 15 находится в тепловом контакте с ванной 3, появляется, разница температур. В ванне 3 находится гелий -4, охлажденный ниже температуры Х-точки, т. е. в сверхтекучем состоянии. При наличии разницы температур на по- 20 ристых фильтрах 8 и 9 будет проявляться термомеханический эффект в сверхтекучем гелии-4, сущность которого состоит в том, что возникает движение жидкости через пористую перегородку (фильтр) со стороны низ- 25 кой температуры в сторону высокой.

При включенных нагревателях 14 и 15 сверхтекучий гелий-4 п роходит через фильтры

8 и 9, несколько нагревается на нагревателях

14 и 15, где жидкий гелий переходит в нор- 30 мальное состояние, и поэтому не может возвратиться в ванну 3, а затем вновь охлаждается в ванне 3, где температура жидкого гелия будет ниже температуры Х-точки.

Поскольку вследствие термомеханического 35 эффекта давление в трубопроводе циркуляции, соединяющем между собой соответственно фильтры 8 и 10, 9 и 11, несколько превышает давление в ванне 3, а температура жидкости в трубопроводе вблизи фильтров 10 и 11 40 равна температуре в ванне 3, будет иметь место механокалорический эффект, т. е. под действием перепада давлений сверхтекучий гелий-4 продавливается через фильтры 10 и

11 в камеры охлаждения. Температура его 45 при этом понижается. Таким образом происходит постепенное снижение температуры в камерах охлаждения, а затем в камерах разделения и в камере смешения, а при температуре ниже 0,87 К наступает расслоение рас- 50 твора изотопов гелия в камере смешения 4 так, что в нижней части камеры находится фаза, богатая тяжелым изотопом гелия (гелием-4), а в верхней ее части, в теплообменнике 5 и в камерах разделения 6 и 7, нахо- 55 дится фаза, богатая легким изотопом — гелием-3.

Циркуляцию сверхтекучего гелия-4 продолжают до понижения температуры раствора до

0,7 — 0,8 К, закрывают вентили 21 и 22 и вы- 60 ключают нагреватель 14.

При этом циркуляция сверхтекучего гелия-4 через фильтры 8 и 10 прекращается, температура жидкого гелия в камере охлаждения 18, а следовательно, и температура раствора изо- 65 топов в камере 6 повышается до температуры в ванне 3. Одновременно с выключением нагревателя 14 включается нагреватель 16 (нагреватель 17 при этом выключен), начинается процесс разделения изотопов гелия, который происходит следующим образом.

При включении нагревателя 16 к нему через фильтр 12 из камеры разделения 6 устремляется сверхтекучий гелий-4. Это приводит к обогащению раствора и пара над ним гелием-3, который из камеры 6 через вентиль

20 поступает в теплообменник, находящийся в камере охлаждения 19, конденсируется там и через теплообменник 5 поступает в верхнюю фазу расслоившегося в камере смешения раствора.

Отсасываемый из камеры разделения чистый гелий-4 по трубопроводу циркуляции сверхтекучего гелия-4 поступает во вторую камеру разделения 7, снижая концентрацию гелия-3 в камере 7, и в связанной с ней через теплообменник 5 нижней части камеры смешения 4. Таким образом, создается существенный градиент концентрации гелия-3 между верхней и нижней фазой расслоившегося в камере смешения раствора, что приводит к непрерывно му переходу гелия-3 из верхней фазы в нижнюю и существенному охлаждению камеры смешения (до нескольких сотых градуса Кельвина) . Циркуляция гелия-3 продолжается до тех пор, пока не произойдет опустошение камеры разделения 6 и наполнение камеры разделения 7. После этого выключают нагреватель 15 и включают нагреватель

14, обеспечивая охлаждение камеры разделения 6, закрывают вентили 20 и 23, открывают вентили 21 и 22, выключают нагреватель

16 и включают нагреватель 17. При этом гелий-3 из паровой подушки камеры разделения

7 через вентиль 21, охлаждаясь и конденсируясь при низкой температуре в камере охлаждения 18, поступает через теплообменник 5 в верхнюю часть камеры смешения 4.

Гелий-4 всасывается из камеры разделения 7 через фильтр 13, охлаждается в ванне 3» через фильтр 12 поступает в камеру разделе ния 6. При этом температура в камере разде ления 6 понижается как за счет работы камеры охлаждения 18, так и за счет того, что в камеру разделения поступает сверхтекучий гелий-4 (сверхтекучий гелий-4 обладает нулевой энтропией и температурой, поэтому увеличение содержания сверхтекучего гелия-4 в камере приводит к снижению температуры).

Недостаток гелия-3 в камере разделения 6 восполняется за счет его диффузии из нижней фазы, расслоившегося раствора в камере смешения 4 через теплообменник 5 и открытый вентиль 22. Таким образом, циркуляция гелия-3 продолжается теперь уже до опустошения камеры разделения 7 и наполнения камеры разделения 6. Количество гелия-3, циркулирующего в системе, а следовательно, и холодопроизводительность регулируется соответствующими нагревателями. Температура

541078

Формула изобретения

II ((Составитель Г, Ольшанская

Текред Е. Петрова

Редактор T. Пилипенко

Корректор Л. Котова

Заказ 2887/11 Изд. № 1901 Тираж 690 Подписное

ЦНИИГ1И Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, К-З5, Раушская иаб., д. 4/5

Типография, ир. Сапунова, 2 циркулирующего в системе гелия-3 нигде нс поднимается выше температуры в ванне 3 с жидким гелием, т. е. 1,0 — 1,5 К.

Выполнение устройства для отбора и возврата гелия-3 в виде двух камер термомеханического разделения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, размещенных в том же криостате, что и камера смешения, и работающих при температурах не выше 2 К, позволяет существенно снизить тепловые потери и повысить экономичность установки.

Установка для получения низких температур, содержащая криостат и размещенные в нем ванну жидкого гелия, камеру смешения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, сосдпненную с теплообменником, и устройство для отбора и возврата гелия-3, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения ее экономичности, устройство для отбора и возврата гелия-3 выполнено в виде двух камер разделения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 и снабженных камерами охлаждения, подключенных трубопро1о водом циркуляции сверхтекучего гелия-4 к ванне жидкого гелия, а трубопроводы циркуляции на входе и выходе сверхтекучего гелия-4 снабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на

15 входе, установлены нагреватели.

Источники, принятые во внимание при экспертизе.

1. Лвт. св. № 330785, кл. F 25В 27/00, 1969.