Способ работы криогенной установки

Способ работы криогенной установки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

А. N. Колесников, Ю. Н. Килимник и В. И. Пискарев (72) Авторы изобретения

1

l (7! ) Заявитель (S4) СПОСОБ РАБОТЫ КРИОГЕННОЙ

УСТАНОВКИ

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к способам работы дроссельных криогенных установок замкнутого типа, предназначенных преимущественно для криостатирования приемников излучения и различных радиоэлектрон5 ных устройств.

Дроссельная криогенная установка замкнутого типа содержит замкнутый контур, включающий компрессор, подключен16 . ный линией нагнетания к микрохолодильдику и усреднительную емкость. Иикрохолодильник представляет собой теплообменник, например, в виде трубки, навитой на от жень, снабженный дросселиt5 руюшим узлом.

Известен способ работы криогенной установки, включающий процессы ее захолаживания и последующего криостатирования объекта охлаждения $1(.

Согласно этому способу криоагент сжимают в компрессоре и подают в микрохолодильник, где он сначала охлаждается .обратным потоком, затем дросселируется в дросселирующем узле, и, проходя межтрубное пространство теплообменника, нагревается прямым потоком криоагента.

Холодопроизводительность установки, работающей по этому способу, необходи- мая для криостатирования объекта, обычно незначительна. Если установка обладает такой холодопроизводительностью, она обладает значительным периодом эахолаживания. Для сокрашения периода эахолаживания увеличивают холодопроизводительность установки, что приводит к значительному увеличению ее габаритов, веса и энергопотребления.

Более короткий пусковой период обеспечивает способ работы криогенной ус« тановки путем ее эахолаживания, криостатирования объекта охлаждения и вывода части криоагента из замкнутого контура установки перепуском из линии наг|нетания компрессора в баллон j2)e

Работа установки по этому способу характеризуется форсированием работы компрессора в период захолаживания.

8423

30

35 форсирование достигается увеличением количества криоагента, циркулирующего в замкнутом контуре. Благодаря этому в период захолаживания давление на входе в компрессор увеличивается и соответственно возрастают давление нагнетания и производительность компрессора, а следовательно, и хоподопроиэводитепьность установки. При этом время захолаживания ее до температуры, соответствующей 10 повышенному давлению всасывания, резко сокращается. Дпя получения заданной температуры криостатирования часть криоагента после этого перепускают в . баллон через электромагнитный клапан. 15

Сигнал на открытые этого клапана посту- . пает от блока управления.После заверше- „, ния цикла работ выключают компрессор, криоагент в баллоне хранится при высо-. ком давлении. Клапан, соединяющий бал- I 2p лон с замкнутым контуром, закрыт.

Установка дпя реализации известного способа из-за наличия дополнительных элементов (электромагнитные клапаны и др.)„ реле времени, специального блока управления, датчиков давления и многих линий связи между ними имеет большую массу и нызкую эксплуатационную надежность Эксплуатационная надежность также снижается из-ва необходимости хранения в баллоне в работающей и неработающей установке сжатого криоагента с давлением, отличающимся от давления в замкнутом контуре установки.

Цель изобретения - снижение массы и повышение эксплуатационной надежности.

Поставленная цель достигается тем, что вывод части криоагента из замкнутого контура осуществляют путем его дросселирования в течение всего времени захощикивания до выравнивания давлений в нем и в линии нагнетания компрессора, а после выключения компрессора криоагент: 45 возвращают из баллона в замкнутый контур до выравнивания давления во всех частях установки.

На фиг. l изображена схема установки, реализующей предлагаемый способ; на .фиг; 2 — дроссель,, через который производят дросселирование газа на входе в баллон, продольный разрез.

Устройство содержит замкнутый контур

1, включающий компрессор 2, подключенный линией 3 нагнетания к микрохолодильнику 4, и баллон 5, соединенный с линией 3 нагнетания компрессора линией 6 связи. На линии 6 связи установлен дрос

55 4.

) сель 7. Микрохоподильник 4 имеет контакт с охлаждаемым устройством 8 и содержит линию 9 прямого потока, дросселирующее устройство 10 и линию ll обратного потока. Замкнутый контур l также может включать концевой теплообменник 12 и фильтр 13 тонкой очист ки криоагента, установленные на линии 3 нагнетания компрессора 2 и усреднительную емкость 14.

Йроссепь, согласно данному изобретению, может содержать корпус 15, в котором выполнено дроссельное устройство в виде отверстия 16. Это дроссельное отверстие 16 частично перекрывается иглой 17, установленной в корпусе

15 с помощью винта 18. Положение иглы

l7 относительно корпуса жестко фиксируется стопорным винтом 19. Корпус 15 имеет штуцеры 20 и 21 для входа и выхода криоагента. Внутренняя полость корпуса герметиэируется с помощью крышки 22.

Корйус 15 выполнен иэ материала с небольшим коэффициентом линейного расширения, например стали, а игла 17 вы 1 попнена иэ материала с. большим коэф--, фициентом линейного расширения, например латуни или. пластмассы.

Перед запуском вся установка заполняется криоагентом до усредненного давления; необходимого для обеспечения заданных параметров. При этом в замкнутом контуре 1 установки и в баллоне 5 устанавливается одинаковое сравнительно невысокое давление..

Это давление усреднения устанавливают выше, чем давление усреднения известной установки (например,З ати).

Давление .усреднения в данной установке. выбирается из условия обеспечения достаточно большой величины всасывания компрессора.

При включении установки компрессор

2 подает сжатый криоагент в линию 3 нагнетания через концевой теплообменник

l2, где криоагент охлаждается окружающей средой, и фильтр 13, где он очищается от посторонних примесей.

Крыоагент из линиы 3 нагнетания по ступает в линию 9 прямого. потока микро-, холодильника 4, где . охлаждается. обрат- ,ным потоком, после чего дросселируется в дросселирующем устройстве 10 в линию

11 обратного потока микрохолодильника

4, где он нагревается прямым потоком криоагента. После выхода из микрохолодильника 4 криоагент через усреднитель8423

Кую емкость 14 подается на всасыввние в компрессор 2. При дросселироввыии криоагента в дросселирующем устройстве

1О происходит понижение его температуры и захолвживания микрохолодильника

4 и охлвждаемого устройства 8.

В течение времени эахолаживвния из.за увеличенного давления усреднения в замкнутом контуре l установки циркулирует дополнительное количество криоаген- 1о та и имеет место увеличенное давление всасыввыия компрессора. Благодаря увеличению давления всвсывания, производительность компрессора и давление нагнетания возрастают. 15

Холодопроизводительность установкй пропорциональна расходу криогеита через микрохолоаильник и величине давления на входе в него. Поэтому при увеличении последних в течение времени звхолвжи» щ ввния холодопроизводительность установки возрастает, в результате чего время захолвживаыия уменьшается.

В рабочем режиме криовгент, проходя дросселирующее устройство 10, час25 ткчно ожижается. Жидкая фаза крковгента омывает охлаждаемое устройство 8, обеспечивая его термостатирование. Температура криостатироввния определяется температурой кипения жидкого криоагента, которая возрастает с увеличением давле. ния. Давление кипения жидкого .криоагента в данной холодильной установке равно давлению всасыввния компрессора. Увеличение давления всасывания может при вести к увеличению температуры криостатирования. Чтобы понизить температуру криостатирования необходимо понизить давление всасывания компрессора. Это

4О достигается выведением части газа as замкнутого контура 1 установки. В начале захолаживвыкя после выхода компрессора

ыа режим, в линии нагнетания «омпрессора устанавливается высокое давление (например, 250 ати), а в баллоне 545 давление, незначительно отличающееся . от усредненного (3 ати). В результате перепада давлений в линии нагнетания компрессора и в баллоне, в течение време50 ни захолаживвния часть кркоагента из линии 3 нагнетания компрессора 2 поступает через дроссель 7 в баллон 5, постепенно заполняя его» Криоагент, заполняя баллон, повышает в нем давление.

Процесс заполнения баллона проистекает до выравнивания давления в нем и в линии 3 нагнетвыия компрессора» Дроссель 7 настраивается таким образом, 55 6 чтобы процесс заполнения баллона 5 завершался после завершения процесса захолвживания.

За счет того, что часть криоагента выводится из замкнутого контура 1 в баллон 5, количество циркулирующего криоагента в этом контуре 1 уменьшается.

При этом уменьшается давление всасывания компрессора 2:к, в результате этого в режиме криостатирования обеспечивает1 ся необходимая температура криостатирования охлвждаемого объекта 8.

В режиме криостатирования криовгент находится в баллоне 5. При давлении нагнетания компрессора 2 давление всасывания компрессора сохраняет неболыцое значение, такое, чтобы расход и давление нагнетания компрессора 2 поддерживались минимально возможными для поддержания необходимой температуры криостатировв ния, в результате чего компрессор 2 работает в облегченном режиме. В данной установке давление нагнетания в режиме криостатирования устанавливается на уровне 100-130 ати. После завершения цикла работ компрессор 2 установки выключают. За счет перетекания криоагента через дросселируюшее устройство 10 давление в линиях нагнетания компрес.сора и в линии всасыввния выравнивается на достаточно низком уровне {например, 1,3 вти). Гвз кз баллона 5, в котором он до этого находится под высоким давлением, начинает возвращаться ,в замкнутый контур 1, перетекая через дроссель 7. Этот процесс проистекает до выравнивания давлений во всех частях установки. После этого холодильная устаыовка готова к следующему форсированному запуску.

Различные объекты 8 охлаждения могут иметь сушествеыно отличающиеся охлвждаемые массы и в результате этого время их эахолаживания может значительно отличаться друг от друга. Поскольку время заполнения баллона 5 должно соответствовать времени захолвживания, . :для обеспечения работоспособности установки при работе ее с различными охлаждаемыми объектами 8, дроссельное устройство 10 снабжают регулятором его проходного сечении, для чего его выполняют и виде регулирующего вентиля. Площадь проходного сечения дроссельного отверстия 16 дросселя 10 изменяют путем перемещения иглы 17 с помощью виыта 18. Стоцорным винтом 19 фиксируют положение иглы 17.

Формула изобретения

7 8423

Продолжительность вре мени захолаживания установки с объектом охлаждения

8 изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. При повышенной температуре время захолаживания больше, а при.пониженной меньше. Для обеспечения равенства времени заполнения баллона 5 с продолжительностью захолаживания при различных температурах окружающей среды, дроссель снабжен дилатометри-10 ческим регулятором, представляющим собой совокупность двух элементов с различными коэффициентами линейного расширения. Этими элементами в данной конструкции дроссельного устройства явля- 15 ются корпус 15, выполненный из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например, стали, и игла 17 из материала с большим коэффициентом линейного расширения, например, латуни. 20

При повышенной температуре окружающей среды за счет разницы в коэффициентах линейного расширения, игла удлиняется на большую величину, чем корпус, в результате чего перекрытие иглой 17 дроссельного отверстия 15 увеличивается и время заполнения баллона 5 увеличивается, а при пониженной температуре окружающей среды перекрытие уменьшается, обеспечивая более быстрое заполнение баллона 5.

Таким образом, данная холодильная установка обеспечивает форсированный выход на рабочий режим только за счет процессов, самопроизвольно проистекаю- 35 щих в ней самой, без каких-либо элементов системы регулирования. Кроме того, эта установка обладает универсальностью, т.е. способностью работы ее с различными по величине охлаждаемой массы охлаждае-40 мыми объектами и самоподстройкой для отслеживания температуры окружающей среды. Поскольку все указанные преимущества обеспечиваются введением сравнительыо простого устройства — дросселя, 4> отпадает необходимость в тяжелой, аорогостоящей и приводящей к снижению надежности системе управления работой установки. В результате этого вес и стоимость установки снижаются, а эксплуатационная 50 надежность при этом повышается.

Повышение эксплуатационной надежности также достигается тем, что в режиме криостатирования компрессор работает

55 8 с пониженным давлением нагнетания, что приводит к уменьшению нагрузки на все

его элементы и возрастанию ресурса.

Надежность работы холодильной установки в значительной степени определяется забиваем остью дросселирующего устройства микрохолодильника. С увеличением площади проходного сечения отверстия этого дросселирующего устройства забиваемость его уменьшается.

В данной установке за счет снижения в режиме криостатирования давления нагнетания компрессора, являющегося давле-. нием входа в микрохолодильник,.оптимальная величина площади проходного сечения отверстия дросселирующего устройства микрохолодильника может быть значительно увеличено. В результате этого снижается его забиваемость и повышается эксплуатационная надежность установки в целом.

Использование изобретения позволяет снизить массу, габариты и энергопотребление по сравнению с известными способами на 20-ЗОУо и существенно повысить при этом эксплуатационную надежность.

Способ работы криогенной установки путем ее захолаживания, криостатирования объекта охлаждения и вывода части криоагента из замкнутого контура установки перепуском из линии нагнетания компрессора в баллон, отличающийся тем, что, с целью снижения массы и повышения эксплуатационной надежности, вывод части криоагента из замкнутого контура бсуществляют путем его дросселирования в течение всего времени захолаживания до выравнивания давлений в нем и в линии нагнетания компрессора, а после выключения. компрессора крио,агент возвращают из баллона в замкнутый контур до выравнивания давления во всех частях установки.

Ъ

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Хадсон P. Инфракрасные системы

М., "Мир", 1972, с. 306309.

2. Грезин А. К. и Зиновьев В. С.

Микрокриогенная техника. М., "Машиностроение, 1977, с, 96.

842355 ф иа.2

Составитель Ю. Килимник

Редактор E. Папп Техред Д. Ач Корректор Л. Иван

Заказ 5026/37 Тираж 566 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3O35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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