Микрокриогенный рефрижератор

Микрокриогенный рефрижератор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (iii 691646

Союз Советскик

Соцкалистнческик республик (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)ЗаЯвлено 20,06.77 (21)2498203/23 06 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51) М. Кл.

F 25 В 9/02

Гвсудврствнннье нвтетнт

СССР нн днлам нзнбрвтеннй н аткрмтнй

Опубликовано 15. 10.79. Бюллетень М38 (53) УДК621.565. .3(088. 8) Дата опубликования описания 18. 10.79 (72) Авторы изобретения

Н. Н. Макаренков, А. Н. Сеньковский, А, g. Суслов т и В. Б, Поптараус

II (7! ) Заявитель (54) МИКРОКРИОГЕННЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР

Изобретение относится к криогенной технике и касается технических устройств охлаждения, созданных на базе газовых холодильных машин, реапизуюших цикпы

Стирпинга, Гиффорда, Такониса и др., дпя

5 термостатирования миниатюрных обьектов в области черезвычайно низких температур.

Подобные микрокриогенные устройства могут применяться как в наземных условиях, так и на летательных аппаратурах дпя терто мостатирования чувствительных элементов и блоков электронных и радиотехнических ус тро йс тв.

Известен микрокриогенный рефрижератор с уровнем термостатирования 4,2 К, хоподопроизводитепьностью до 5 Вт, содержаший компрессор, каскадные теппообменники между прямым и обратным потоками, например гелия, газовую холодильную машину с теппообменниками — охпадитепями прямого потока, концевой теппообменник дроссельного контура, дроссепь и хоподипьную камеру, к которой ипи подводится теппо от объекта термостатирования ипи отводится часть жидкого хпадагента (1).

При всей простоте и надежности в работе известный микрокриогенный рефрижератор имеет сушественный недостаток— дпитепьный пусковой период, а спедоватепьно, и более значительное энергопотребпение. Зго обстоятепьство объясняется значитепьной массой охпаждаемых детапей в нижнем каскаде рефрижератора и тормозяшим действием концевого теппообменника, в результате которого замедпяетссй процесс охлаждения дросселя и холодильной камеры. Последнее объясняется тем, что, как правило, в рефрижераторах глубокого охлаждения используются трудноконденсируюшиеся хпадагенты, имеющие отрицатель ° ный дроссепь-эффект вплоть до очень низких температур. Таким образом, дпя того, чтобы начал работать нижний каскад рефрижератора необходимо снизить температуру хпадагента в зоне дросселя ниже температуры точки инверсии. Во время пускового периода, когда верхние каскады

691646

3 дроссельного контура уже практически вышли на режим, элементы нижнего каскада имеют еще более высокую температуру. В результате этого прямой поток хладагента, охлаждаемый ниже точки инверсии в верхних каскадах цикла, по пути к дросселю нижнего каскада нагревается выше температуры инверсии, вследствие чего. процесс дросселирования происходит с повышением температуры хладагента обратно- 10 го потока, который далее охлаждается прямым потоком концевого теплообменника.

Кроме того, в подобных рефрижераторах дроссель выполнен регулируемым (вручную либо с помо пью автоматического привода, . 5

Однако, несмотря на то, что создается возможность поддерживать расчетный расход газа в любом каскаде дроссельного контура по мере снижения температуры, пусковой период рефрижераторов значителен и составляет более 3 ч. На практике известные конструктивные решения регулируемых дросселей являются неудовлетво- . рительными с точки зрения надежной работы микрокриогенных рефрижераторов с большим ресурсом работы, предназначенных для большого числа циклов включения. B связи с этим часто применяются более надежные нерегулируемые дроссели -дюзы, что однако приводит к снижению З0 эффективности работы теплообменников дроссельного контура в пусковом режиме по мере достижения рабочей температуры так как сопровождается увеличением расхода хладагента в контуре, в десятки раз превышающего значение расхода в начале пуска рефрижератора.

Известен также микрокриогенный рефрижератор, содержашйй основной контур, включающий компрессор, ресивер, теплооб.<0 менники между прямыми и обратными пото ками, газовую холодильную машину с теп-, лообменником-охладителем прямого потока, нерегулируемый рабочий дроссель и холодильную камеру, и вспомогательный кон45 тур с последовательно включенными по ходу криоагента пусковым нерегулируемым дросселем, вентилем, автоматически открывающимся в пусковом режиме, теплообменником воздушного охлаждения и

50 охладителем, имеющим тепловой контакт с корпусом рабочего дросселя и холодильной камерой j2). Подключение вспомогательного контура, который в пусковой пе55 риод пропускает большую долю расхода (80-904 от общего расхода компрессора), интенсивное охлаждение рабочего дросселя и холодильной камеры, в результате

4 компенсирования отрицательного дроссельэффекта на уровне окружающей среды позволило снизить пусковой ttepHoll микрокриогенного рефрижератора до 60 мин.

При всех значительных достоинствах известная конструкция микрокриогенного рефрижератора имеет ряд недостатков.

Сложная конструкция, так как требуется постановка автономного теплообменника, в результате чего появляется дополнительная масса, которую необходимо охлаждать только на время пуска рефрижератора, Несмотря на высокую эффективность автономного теплообменника, темп расхолаживания нижнего каскада дроссельного контура всегда отстает от темпа р схолаживания ГХМ за счет тепловой инерции дополнительного теплообменного аппйрата. llayкратное охлаждение и нагрев большой массы хпадагента при самых эффективных теплообменных аппаратах всегда идет с потерями, что в конечном счете приводит к увеличению времени выхода на рабочий режим из-за необходимости . стабилизации дроссельного и вспомогательного контуров.

Целью настоящего изобретения является сокращение времени выхода íà рабочий режим.

Поставленная цель. достигается тем, что в известном рефрижераторе (2) вспомогательный контур дополнительно содержит пусковой теплообменник, установленный между теплообменником воздушного охлаждения и охладителем и имеющий тепловой контакт с газовой холодильной машиной, а вспомогательный контур подключен к выходу компрессора основного кон« тура и к холодильной камере. Пусковой теплообменник вспомогательного контура целесообразно выполнять в виде змеевика капиллярного сечения, навитого на стенку газовой холодильной машины.

На чертеже представлена принципиальная схема микрокриогенного рефрижератора, выполненного согласно данному изобретению.

Рефрижератор содержит основной контур 1, включающий компрессор 2, ресивер

3, теплообменники 4 между прямым и обратными потоками, газовую холодильную машину 5 с теплообменником - охладителем 6 прямого потока, нерегулируемый рабочий дроссель 7 и холодильную камеру

8, и вспомогательный копутр 9 с последовательно включенными ло ходу хладагента пусковым нерегулируемым дросселем

6916

10, вентилем 11, автоматически открываюшимся в пусковом режиме, теплообменником 12 воздушного охлаждения и охладителем 13, нмеюшем тепловой .контакт с корпусом рабочего дросселя 7 н холодильной камерой 8. Вспомогательный контур дополнительно содержят пусковой теплообменник 14, установленный между теплообменником 12 воздушного охлаждения иохладителем 13 и имеюший тепловой кон-< 10 такт с газовой холодильной машиной 5.

Вспомогательный контур подключен к выходу компрессора 2 основного контура 1 и к холодильной камере 8.

Во время пуска микрокриогенного ре15 фрижератора пусковой вентиль 11 открыт, поэтому хладагент высокого давления после компрессора 2 раздваивается на два потока: большая часть хладагента посту20 пает во вспомогательный контур, а незначительная часть (5-10%) течет по теплообменной арматуре основного контура, так как после пуска рефрижератора неохлажденный рабочий дроссель 7 пропускает не

25 более 10-20% расчетного потока хладагента на рабочем режиме. Попадая во вспомогательный контур хладагент высокого давления дросселируется практически до давления, близкого к давленню в обратном потоке дроссельного контура в пусковом нерегулируемом дросселе 10, затем охлаждается до температуры окружающей среды в теплообменнике 12 воздушного охлаждения. Далее пусковой поток низкого . 35 давления поступает в пусковой теплообменник 14, где охлаждается за счет теплового контакта со,стенками цилиндра газовой холодильной машины, после чего отбирает тепло от элементов дроссельно- 4О го контура (дросселя 7 н холодильной камеры 8) в охладителе 13, и попадает в холодильную камеру 8, где смешивается с обратным потоком основного контура, подогревается в теплообменниках 4 и по- 45 падает через резистор 3 на всасывание в компрессор 2.

Таким. образом, по мере расхолаживания газовой холодильной машины 5, пуско50 вой поток хладагента низкого давления охлаждается втеплообменниках 14 до все более низких температур; Причем, так как через вспомогательный контур течет большой поток газа, создаются благоприятные ус55 ловия для расхолаживания каскада tlpocсельного контура. Практически температура последнего отслеживает температуру нижней ступени охлаждения газовой холо46 6 дильной машины 5.. Поэтому температура нерегулируемого дросселя 7 быстро снижается до температуры ниже точки инверсии хладагента. Пусковой режим считается законченным при стабилизации температуры и нижних каскадах газовой холодильной машины S основного контура, В это время автоматически закрывается пусковой вентиль 11 н весь поток хладаген» та высокого давления направляется в основной контур. Наступает вторая стадия пускового периода — процесс непосредственного расхолаживання нижнего каскада дроссельного контура.

Момент перехода от первой ко второй стадии пускового периода такм е характеризуется резким изменением параметров в цикле мнкрокриогенного рефрижератора: в первый момент величина расхода газа в дроссельном контуре снижается, однако несмотря на это циркуляция хладагента остается весьма значительной, что было предопределено предварительным охлаждением корпуса дросселя 7 и холодильной камеры 8 газом вспомогательного контура.. Так как благоприятные условия работы дросселя 7 созданы, то вторая стадия пускового режима протекает самопроизвольно и зависит от величины дроссельэффекта, эксплуатационных условий и конструктивных параметров. Практически в течение которого времени температура холодильной камеры 8 падает до рабочего значения, определяемого перепадом давлений на компрессоре и и гидравликой теплообменной аппаратуры и коммутаций.

Таким образом, подключение вспомогательного контура, в котором охлаждение пускового потока хладагента осушествляется в пусковом теплообменнике эа счет теплового контакта со стенкой цилиндра, позволяет значительно уменьшить время первой стадии пускового режима и довести его практически до такового в газовой холодильной машине. Малое гидравлическое

I сопротивление вспомогательного контура позволяет пропустить большой parxon хладагента. Предлагаемый змеевиковый теплообменник, в качестве которого используется капиллярнля трубка, навитая и припаянная к стенке цилиндра холодильной машины, достаточно высокоэффективен, имеет малую охлаждаемую,массу, незначительно влияет на работу самой холодильной машины и практически не вносит дополнительных тепловых потерь из окружаюшей среды в рефрижератор.

Формула !. М

7 6916 изобретения

1. Микрокриогенный рефрижератор, содержашйй основной контур, включаюший ком трессор, ресивер, теплообменники между прямым и обратным потоками, газовую холодильную машину с теплообменникомохладителем прямого потока, нерегулируемый рабочий дроссель и холодильную камеру, и вспомогательный контур с последовательно включенными по ходу криоагента пусковым нерегулируемым дросселем, вентилем, автоматически открываюшимся в пусковом режиме, теплообменником воздушного охлаждения и охладителем; имею- шим тепловой контакт с корпусом рабочего"дросселя и холодильной камерой, о тл и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью со фашения времени выхода на рабочий режим, вспомогательный контур дополниI

46 тельно с,,держит пусковой теплообменник, установленный между теплообменником воздушного охлаждения и охладителем и имеющий тепловой контакт с газовой холодильной машиной, а вспомогательный контур подключен к выходу компрессора основного контура и к холодильнои камере.

2. Рефрижератор по и, 1, о т л и ч аю ш и и с я тем, что пус,ковой теплообменник вспомогательного контура выполнен в виде, змеевика капиллярного сечения, навитого на стенку, газовой холодильной машины.

Ис точи ики информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США No 296603ф, кл. 62-6, 1959.

2. Авторское свидетельство ио заявке

Мо 2171038/06, кл. F- 25 В 9/О2, 1975, Составитель Ю. Килимник

Реда ктор О. Волков Тех ред М. Кел емеш Корректор М. И!ароши

Заказ 6191/28 Тираж 607 Подпи<:ное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4