Криостат

,ЯО,111 265 3(59 г7 С 3 00 13 08. Г 25 О 3 1 О ИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ низких ескимМал хника. ии разпусе геаемыми краном, сосуда,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Физико-технический институттемператур АН УССР(54) (57) 1. КРИОСТАТ, содержащмещенный в вакуумированном корлиевый сосуд, окруженный охлаждпарами гелия экранами и азотным эподвешенным к днищу азотного которыи расположен над гелиевым сосудом, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности за счет уменьшения испарения жидкого гелия, гелиевый сосуд посредством нетеплопроводных опорных элементов прикреплен к верхней и нижней частям охлаждаемого парами гелия внутреннего экрана; при этом верхние части всех охлаждаемых парами гелия экранов соединены при помощи теплопроводных опорных элементов с внутренней поверхностью верхней части азотного сосуда.2. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что опорные элементы гелиевого сосуда выполнены в виде, струнных растяжек, проходящих через гелиевый сосуд и закрепленных в нем, и опорные элементы охлаждае- Ф мых парами гелия экранОв выполнены в виде стеклопластиковых подвесов.5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к криогенной технике, более конкретно к криостатам, используемым для охлаждения и поддержания различных приборов и устройств (в том числе, сверхпроводящих резонансных систем)при криогенных температурах в течение длительного промежутка времени.Известны криостаты, содержащие размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемымпарами гелия экраном и/или азотным сосудом с экраном 1.Недостатками этих криостатов являются большая скорость испарения жидкогогелия за счет внешних теплопритоков и значительный расход жидкого азота.Наиболее близким к предлагаемому является гелиевый криостат, содержащий размещенный в вакуумированном корпусе гелиевый сосуд, окруженный охлаждаемымипарам гелия экранами и азотным экраном,подвешенным к днищу азотного сосуда,который расположен над гелиевым сосудом 12,Однако все элементы криостата прикреплены к верхней части корпуса, что создаетбольшой теплоприток по опорным элементам и приводит к увеличению испаренияжидкого гелия.Цель изобретения - повышение экономичности за счет уменьшения испаренияжидкого гелия.Поставленная цель достигается тем, чтов криостате, содержащем размещенные ввакуумированном корпусе гелиевый сосуд,окруженный охлаждаемыми парами гелияэкранами и азотным экраном, подвешенным к днищу азотного сосуда, который размешен над гелиевым сосудом, гелиевый сосуд посредством нетеплопроводных опорныхэлементов прикреплен к верхней и нижнейчастям охлаждаемого парами гелия внутреннего экрана, при этом верхние части всехохлаждаемых парами гелия экранов соединены при помощи нетеплопроводных опорных элементов с внутренней поверхностьюверхней части азотного сосуда.Опорные элементы гелиевого сосуда могут быть выполнены в виде струнных растяжек, проходящих через гелиевый сосуди закрепленных в нем, и опорные элементыохлаждаемых парами гелия экранов выполнены в виде стеклопластиковых подвесов.На чертеже схематически изображенкриостат, общий вид.Криостат содержит вакуумируемый герметичный корпус 1 с базовым верхним фланцем 2. Внутри корпуса 1 размещены цилиндрические теплоизолированный азотный сосуд 3 и гелиевый сосуд 4, по центру каждого из которых выполнены цилиндрическиеотверстия, через которые введена горловина 5 криостата. Таким образом, горловина. 5 окружена азотным 3 и гелиевым 4 сосудами, причем азотный сосуд 3 установлен над гелиевым сосудом 4. Базовый верхний фланец 2 вакуумно-плотно соединен с расположенной по вертикальной оси корпуса 1 горловиной 5 в виде сильфона, в которую помещен криостатируемый объект (на чертеже не показан). Гелиевый сосуд 4 окружен эквидистантно установленными четырьмя коаксиально расположенными цилиндрическими алюминиевыми радиационными экранами: тремя экранами 6 - 8 с одним змеевиковым теплообменником 9 для отходящих из гелиевого сосуда 4 паров гелия (экраны, охлаждаемые парами гелия) и одним азотным экраном 10. На нижней части азотного сосуда 3 укреплен азотный экран 1 О. К верхней части корпуса 1 азотный сосуд 3 прикреплен посредством двух заливочновыпарных азотных патрубков 11 и 12. К внутренней поверхности верхней части азотного сосуда 3 прикреплены верхние части экранов 6 - 8 посредством трех стеклопластиковых подвесов 13, размещенных на равных расстояниях по окружности азотного сосуда 3. К корпусу 2 азотный экран 10 подвешен на десяти струнных растяжках 14, пять из которых расположены в верхней части корпуса 1 и пять - в его нижней части. Гелиевый сосуд 4 посредством проходящихчерез него и укрепленных в нем трех струнных растяжек 15 прикреплен к верхней 16 и нижней 17 частям внутреннего экрана 6.Кроме того, гелиевый сосуд 4 соединен с внутренней полостью горловины 5 в ее нижней части через соединительную трубку 18 в виде змеевика. В вакуумируемом пространстве между азотным сосудом 3 и гелиевым сосудом 4 размещен змеевиковый теплообменник 9, прикрепленный по всей поверхности верхних частей 16, 19 и 20 трех экранов 6 - 8, охлаждаемых парами ге лия. Змеевиковый теплообменник 9 соединен на входе с верхней частью гелиевого сосуда 4 и выведен наружу через азотный сосуд 3. При этом на выходе он соединен с выпарным гелиевым патрубком 21, установленным на верхней части корпуса 1. Между радиационными экранами 6, 7, 8 и 10 и между корпусом 1 и экраном 10. а также между корпусом 1 и азотным сосудом 3 размещена экранно-вакуумная теплоизоляция 22, выполненная в виде алюминизированной полиэтилентерофталатной перфорированной пленки. В пространстве между азотным сосудом 3 и горловиной 5 расположен азотный медный перехват 23, верхний конец которого соединен с азотным сосудом 3, а нижний - с горловиной 5 на уровне верхних частей 19 и 20 экранов 7 и 8. Вакуумирование криостата осуществляется через откачной вентиль 24, расположенный на верхней части корпуса 1.1116265 Соста витель Г. Ольшанская Редактор К. Волощук Техред И. Верес Корректор М. Демчик Заказ 6907/30 Тираж 470 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4Регулировка скорости испарения жидкого гелия через горловину 5 осуществляется системой вентилей 25, также расположенных на верхней части корпуса 1. С верхней частью горловины 5 система вентилей 25 соединена посредством трубки 26, укрепленной во фланце 2, вакуумно-плотно соединенном с горловиной 5.Криостат работает следующим образом.После вакуумирования внутренней полости криостата откачной вентиль 24 перекрывается. В горловину 5 помещается криостатируемый объект, и базовый верхний фланец 2 герметизируется. Гелиевый сосуд 4 через змеевиковый теплообменник 9 отка. чивается до давления 2 - 3 мм рт. ст. и наполняется газообразным гелием. После этого азотный сосуд 3 наполняется жидким азотом через заливочно-выпарные азотные патрубки 1 и 12. Через 5 в 10 ч в гелиевый сосуд 4 заливается жидкий гелий (выдержка криостата во времени необходима для уменьшения потерь жидкого гелия при его заливке в гелиевый сосуд 4) через горловину 5. После. этого трубка 26 для заливки жидкого гелия в горловину 5 соединяется с системой регулировочных вентилей 25. В дальнейшем жидкий гелий из гелиевого сосуда 4 испаряется либо через змеевиковый теплообменник 9, либо через горловину 5 и систему регулировочных вентилей 25. С помощью регулировочных вентилей 25 удается регулировать уровень жидкого гелия в горловине 5 в зависимости от требований эксперимента:- криостатируемый объект полностью погружен в жидкий гелий;- криостатируемый объект находится над поверхностью жидкого гелия в горловине;- жидкого гелия в горловине 5 нет, т. е. дежурный режим: жидкий гелий испаряется только через змеевиковый теплообменник 9. В данном случае криостат используется только как хранилище жидкого гелия. При этом скорость его испарения снижается, так как жидкий гелий в горловине 5 отсутствует.Независимо от требований эксперимента, перечисленных выше, криостат работает в режиме отрицательной обратной связи: чем большая тепловая мощность поступает на жидкий гелий, тем интенсивнее его испарение и тем сильнее охлаждаются отходящими из гелиевого сосуда 4 парами гелия экраны 6 - 8, Это ведет к снижению об 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 шей испаряемости жидкого гелия из сосуда 4. Процесс теплообмена продолжается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие системы в целом.Во многих случаях при работе с различными сверхпроводящими устройствами очень важно создать криостат, длительное время поддерживающий гелиевые температуры (несколько месяцев и более) при единоразовой заливке гелия,Предлагаемая конструкция криостата позволяет уменьшить испарение жидкого гелия и, тем самым, увеличить время его длительной работы от одного заполнения криоагентами. Объясняется это тем, что снижение теплопритоков к жидкому гелию обеспечивается жестким последовательным креплением: азотный сосуд - стеклопластиковый подвес - металлический диск экрана - струнная растяжка - гелиевый сосуд. Этому способствуют не только малые коэффициенты теплопроводности материалов этих элементов, но и малая площадь поперечного сечения струнных растяжек 15, ведущая к увеличению сопротивления материала растяжек 15 потоку тепла. Кроме того, поскольку при этом стеклопластиковые подвесы 13 (крепления экранов 6 - 8) прикреплены к верхней части азотного сосуда 3, а не к верхней части корпуса 1 (как в прототипе), в криостате не создается довольно большой перепад температур от комнатной (293 К) до гелиевой (4,2 К) по этим подвесам. В данном случае перепад температур по стеклопластику к жидкому гелию гораздо меньше 78 К,2 К. За счет этого также уменьшаются теплопритоки к гелиевому сосуду 4 за счет теплопроводности стеклопластиков, а значит снижается выкипание жидкого гелия.Предлагаемое изобретение обеспечивает снижение расхода дорогостоящего жидкого гелия и увеличение времени его длительной работы с тепловой нагрузкой (от одного заполнения криоагентами), в течение длительного времени (3 мес) стабильную и устойчивую работу высокочувствительных и высокоточных сверхпроводящих и охлаждающих приборов и устройств (например, сверхпроводящих резонансных систем, находящих широкое применение в ускорителях элементарных частиц, в высокостабильных генераторах и др.), которые по своим параметрам на несколько порядков превосходят существующие неохлаждаемые устройства.