Устройство для получения низких температур

Устройство для получения низких температур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сокээ Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.07.74 (21) 2042982/28-26 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.04.78. Бюллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 10.05.78 (51) М. Кл.а Г 25В 3/10

F 25В 27/ОО

Государственный комитет

Совета Министров СССР ао делам иэобретений и открытий (53) УДК 621.59 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. П. Бабийчук, А. A. Голуб и И. А. Сербии (71) Заявитель Физико-технический институт низких температур AH Украинской ССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Изобретение относится к устройствам с применением тел, аккумулирующих холод, например с применением сжиженных газов, предназначено для получения температур в интервале десятые — сотые градусы Кельвина и может быть использовано для эффективного охлаждения различных объектов, устройств, для проведения научных исследований, Известно устройство для получения низких температур путем адиабатического растворения гелия-3 в гелий-4, в котором контур циркуляции гелия-3 выполнен в виде замкнутой цепи, содержащей камеру смещения, противоточный теплообменник, испаритель и конденсатор.

Недостатком данного устройства является то, что для осуществления циркуляции гелия-3 необходимы диффузионные и форвакуумные насосы, потребляющие значительную электрическую мощность.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее криостат и размещенные в нем ванну для сверхтекучего гелия-4, камеру смешения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия-4, соединенную с теплообменником, и устройство для отбора и возврата гелия-3, причем устройство для возврата гелия-3 выполнено в виде двух камер разделения изотопов, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелия-4 и снабженных камерами охлаждения, подключенных автономными трубопроводами циркуляции гелия-4 к ванне сверхтекучего гелия-4, а трубопроводы циркуляции на входе и

5 выходе сверхтекучего гелия снабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на входе, установлены нагреватели.

Установка работает путем попеременного

10 опорожнения камер разделения. Ка ждая камера снабжена двумя вентилями. Верхний вентиль регулирует поток паровой фазы, а нижний — поток жидкой. Для опорожнения камеры разделения закрывают нижний ее

15 вентиль, открывают верхний и начинают отогрев камеры. Гелий-3 испаряется, конденсируется в камере охлаждения и стекает в камеру смешения, а сверхтекучий гелий-4 через трубопровод циркуляции отсасывается и посту20 пает во вторую камеру разделения, у которой верхний вентиль закрыт, а нижний — открыт.

Гелий-3 проходит поверхность раздела фаз в камере смешения и поступает во вторую камеру разделения через открытый нижний ее

25 вентиль. При переходе через поверхность разделения фаз гелий-3 поглощает тепло от охлаждаемого объекта. Когда вторая камера наполнена, а первая опорожнена, положение вентилей камер меняют на протнвоположныс

30 и начинают охлаждать первую камеру, а вто605062

65 рую греть, и процесс повторяется. Для управления тепловым режимом камер разделения служат камеры охлаждения с трубопроводами циркуляции гелия-4. Когда включены нагреватели фильтров трубопроводов, возникает поток сверхтекучего гелия-4, охлаждающий камеры охлаждения до -0,7 К, когда нагреватели выключены, камеры охлаждения имеют температуру ванны сверхтекучего гелия.

Однако это устройство имеет существенные недостатки: циркуляция гелия-3 в нем циклическая, т. е. не постоянная во времени, так как для ее создания повышают давления в камерах разделения с помощью их поочередного отогрева и значит циркуляция гелия-3, пропорциональная разности давлений между камерами разделения и смешения, не остается постоянной во времени. Следует также отметить большую сложность конструкции и низкую надежность некоторых ее элементов (низкотемпературные вентили) .

Целью изобретения является обеспечение стационарного режима работы установки.

Это достигается тем, что контур циркуляции гелия-3 снабжен испарителем с подогревателем, который сообщается с камерой конденсации и камерой смешения.

На чертеже изображена предлагаемая установка, общий вид.

Устройство имеет ванну 1 для сверхтекучего гелия-4, отвакуумированную оболочку 2, в которой размещены конденсатор 3 с охлаждающей полостью, испаритель 4 с подогревателем, противоточный теплообменник 5, камера 6 растворения, первый пористый фильтр (сверхщель) 7, нагреватель 8 системы охлаждения конденсатора, трубопровод 9 соединительный, второй пористый фильтр (сверхщель) 10, возвратный трубопровод 11 и теплообменник 12 системы охлаждения, который вынесен из вакуумной оболочки в ванну для гелия-4.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент все элементы установки имеют температуру ванны 1. Для запуска установки выделяют тепло в нагревателе 8 системы охлаждения конденсатора. Давление в нагревателе нарастает, за счет термомеханического эффекта возникает течение сверхтекучей жидкости из ванны 1 через первый фильтр

7, нагреватель 8, трубопровод 9, теплообменник 12, второй фильтр 10, охлаждающую полость конденсатора 3, возвратный трубопровод 11 в ванну 1. Проходя теплообменник 12, жидкий гелий-4 охлаждается до температуры ванны 1 без заметного уменьшения давления.

Через второй фильтр 10 ввиду отсутствия вязкости проходит только сверхтекучая компонента потока, которая поступает в охлаждающую полость конденсатора. Падение давления на фильтре определяется только разностью температур на его концах в силу специфической гидродинамики сверхтекучей жидкости, причем, когда разность температур равна О, то и перепад давлений равен 0 (механокало5

3О

50 рический и термомеханический эффекты). Поскольку в момент запуска установки температура охлаждающей полости конденсатора 3 равна температуре ванны 1, то перепад давлений на втором фильтре 10 равен 0 и созданное нагревателем 8 давление целиком передается в охлаждающую полость конденсатора и выталкивает содержащуюся в ней нормальную компоненту гелия-4. Наличие в сверхтекучем потоке вихрей создает силы взаимного трения между нормальной и сверхтекучей компонентами, что усиливает эффект выбрасывания. Содержание нормальной компоненты в охлаждающей полости падает, что термодинамически означает понижение температуры. Понижение температуры охлаждающей полости конденсатора приводит к появлению разности температур на фильтре 10 и, следовательно, к появлению перепада давлений, что уменьшает давление в охлаждающей полости конденсатора, и в стационарном режиме на возвратном трубопроводе 11 остается небольшой перепад давлений, определяемый теплопритоком к охлаждающей полости. Этим способом достигается охлаждение полости конденсатора до температуры 0,6 — 0,7 К.

Пары рабочего раствора гелий-3 и гелий-4 конденсируются на холодной поверхности конденсатора 3, образующаяся жидкость охлаждается до температуры конденсатора и, стекая вниз, в камеру растворения 6 и испаритель 4 охлаждает рабочий раствор до тех пор, пока он не примет температуру конденсатора и расслоится на фазы. После расслоения раствора включают подогреватель испарителя 4, образующийся пар обогащается гелием-3, конденсируется и, пройдя теплообменник 5, жидкость, богатая гелием-3, поступает в верхнюю фазу раствора. Гелий-3 переходит границу раздела фаз и поглощает тепло, выделяемое охлаждаемым объектом. Камера растворения охлаждается до температуры, определяемой величиной тепловыделения в камере и значением скорости циркуляции гелия-3 в этой системе. Под действием осмотического давления гелий-3 снова поступает в испаритель, замыкая цикл.

В предлагаемом устройстве постоянная во времени циркуляция гелия-3 осуществляется за счет гидростатического давления, создаваемого неизменной для установившегося режима работы разностью уровней гелия в камере конденсации и в испарителе.

Формула изобретения

Устройство для получения низких температур, содержащее ванну жидкого гелия, контур циркуляции гелия-3, включающий камеру смешения изотопов гелия-3 и сверхтекучего гелия 4, теплообменник, камеру конденсации, и контур циркуляции сверхтекучего гелия-4, включающий камеру конденсации и пори стые фильтры, один из которых снабжен нагревателем, отл и ча ющееся тем, что, с

605062

7 1

Составитель Г. Ольшанская

Тсхред И. Михайлова

Редактор Т, Пилипенко

Корректор О. Тюрина

Заказ 69!/10 И зи. „,Го 437 Тираж 680

11ПО Государственного кох1итста Совета Министров СССР по дслаги изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раугпская HHO., д. 4/5

Подписное

Типография, пр. Сапунова, 2 целью обеспечения стационарного режима работы, контур циркуляции гелия-3 снабжен сообщающимся с камерой конденсации и камерой смешения нспаригелем с подогревателем.