Установка для получения низких температур

ОПИСАНИЕ ю 54 Ю 78ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик.(22) Заявлено 22.09.72 (21) 1830390/26 25,1 1,00 25 Р 3/10 М, Кл. с присоединением явкиГосударственный комите 3) Приорите Совета Миныстрав СССРпо делам изобретений Опуоликовано 30.12.7 Дата опубликования УДК 621.59(088.8 нь 4 Бюллеписания отк ь 77. Пелипейченко ве 1) Заявител итут низких температурской ССР изико-техническии ин АН УкраиА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР(54) У чин ается конденсация, конденсации и охлажд Изобретение относится к криогенной технике, в частности к конструированию установок для получения температур до нескольких сотых градусов Кельвпна путем растворения изотопа гелияв гелии, и может быть ис пользовано при проведении различных исследований для охлаждения различных устройств.Известна установка для получения низких температур 11, взятая за прототип, содержа щая криостат и размещенные в нем ванну жидкого гелия, камеру испарения, камеру смещения изотопов гелияи сверхтекущего гелия, соединенную .с теплообменником, и устройство для отбора и возврата гелия, вы полненное в виде двух попеременно работающих адсорбционных насосов.Недостатком известной установки является большое изменение температуры гелияв процессе циркуляции, Если процесс адсорб ции гелияпроисходит при температурах, близких к температуре жидкого гелия, то для регенерации адсорбента насос необходимо прогреть до комнатной температуры. Таким образом, в процессе циркуляции происходит 25 изменение температуры гелияна 300 К, что приводит к дополнительному испарению криогенных жидкостей из криостата, связанному с охлаждением гелияот комнатной температуры (температуры десорбцип) до температу ры, при которои на с отнятием теплоты ением жидкости.Значительное изменение температуры гелияв 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 гелиявыполнено в виде двух камер разделения изотопов гелияи сверхтекучего гелия, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелияи снабженных камерами охлаждения, подключенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелияк ванне жидкого гелия, а трубопроводы циркуляции на входе и выходе сверхтекучего гелияснабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на входе, установлены нагреватели.Принципиальная схема установки для получения низких температур путем растворения гелияв гелииизображена на чертеже,Установка состоит из крпостата 1, в вакуумной рубашке 2 которого расположена ванна 3 с жидким гелием, камера смешения 4, теплообменик 5, камеры разделения 6 п 7,пористые фильтры (трубки, заполненныеспрессованным порошком) 8, 9, 10, 11, 12 и 13с нагревателями 14, 15, 16, 17, камеры охлаждения 18, 19, вентили 20, 21, 22 и 23,Установка работает следующим образом. 5При открытых вентилях 20, 21, 22 и 23 вкамеру смешения и обе камеры разделения 6и 7 по трубопроводу, который проходит черезванну 3 с жидким гелием, охлажденным дотемпературы ниже Х-точки (обычно 1,0 - 101,5 К), поступает сконденсированная смесьгелияи гелия(трубопровод и баллон сосмесью на чертеже не показаны.Включают нагреватели 14 и 15. При этомна пористых фильтрах, один конец которых 15находится в тепловом контакте с ванной 3,появляется, разница температур, В ванне 3находится гелий -4, охлажденный ниже температуры Х-точки, т. е. в сверхтекучем состоянии. При наличии разницы температур на пористых фильтрах 8 и 9 будет проявлятьсятермомеханический эффект в сверхтекучемгелии, сущность которого состоит в том, чтовозникает движение жидкости через пористую перегородку (фильтр) со стороны низкой температуры в сторону высокой.При включенных нагревателях 14 и 15сверхтекучий гелийпроходит через фильтры8 и 9, несколько нагревается на нагревателях14 и 15, где жидкий гелий переходит в нормальное 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 35эффекта 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 40равна температуре в ванне 3, будет иметь место механокалорический эффект, т. е. поддействием перепада давлений сверхтекучийгелийпродавливается через фильтры 10 и11 в камеры охлаждения, Температура его 45при этом понижается, Таким образом происходит постепенное снижение температуры вкамерах охлаждения, а затем в камерах разделения и в камере смешения, а при температуре ниже 0,87 К наступает расслоение раствора изотопов гелия в камере смешения 4так, что в нижней части камеры находитсяфаза, богатая тяжелым изотопом гелия (гелием), а в верхней ее части, в теплообменнике 5 и в камерах разделения 6 и 7, находится фаза, богатая легким изотопом - гелием-З.Циркуляцию сверхтекучего гелияпродолжают до понижения температуры раствора до0,7 - 0,8 К, закрывают вентили 21 и 22 и выключают нагреватель 14.При этом циркуляция сверхтекучего гелия через фильтры 8 и 10 прекращается, температура жидкого гелия в камере охлаждения 18,а следовательно, и температура раствора изо 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. Это приводит к обогащению раствора и пара над ним гелием-З, 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 гелийпо трубопроводу циркуляции сверхтекучего гелияпоступает во вторую камеру разделения 7, снижая концентрацию гелияв камере 7, и в связанной с ней через теплообменник 5 нижней части камеры смешения 4, Таким образом, создается существенный градиент концентрации гелиямежду верхней и нижней фазой расслоившегося в камере смешения раствора, что приводит к непрерывному переходу гелияиз верхней фазы в нижнюю и существенному охлаждению камеры смешения (до нескольких сотых градуса Кельвина). Циркуляция гелияпродолжается 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 гелийиз 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. Гелийвсасывается из камеры разделения 7 через фильтр 13, охлаждается в ванне 3 и 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(сверхтекучий гелийобладает нулевой энтропией и температурой, поэтому увеличение содержания сверхтекучего гелияв камере приводит к снижению температуры).Недостаток гелияв 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 гелияпродолжается теперь уже до опустошения камеры разделения 7 и наполнения камеры разделения 6, Количество гелия-З, циркулирующего в системе, а следовательно, и холодопроизводительность регулируется соответствующими нагревателями. Температура541078 Формула изобретения Составитель Г, Ольшанскаяедактор Т. Пилипенко Текред Е. Петрова Корректор Л Кот Заказ 288(/11ЦИ И 11 П Изд.190Государственно по делам из3035, Москва,Тираж 690комитета Совета Министретений и открытий35, Раушская иаб д. 4/5 ПодписноеСССР ипография, пр. Сапунова,циркулирующего в системе гелиянигде нс поднимается выше температуры в ванне 3 с жидким гелием, т. е. 1,0 - 1,5 К.Выполнение устройства для отбора и возврата гелияв виде двух камер термомеханического разделения изотопов гелияи сверхтекучего гелия, 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 гелияи сверхтекучего гелия, сосдпненную с теплообменником, и устройство для отбора и возврата гелия, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения ее экономичности, устройство для отбора и возврата гелиявыполнено в виде двух камер разделения изотопов гелияи сверхтекучего гелия, соединенных трубопроводом циркуляции сверхтекучего гелияи снабженных камерами охлаждения, подключенных трубопро О водом циркуляции сверхтекучего гелиякванне жидкого гелия, а трубопроводы циркуляции на входе и выходе сверхтекучего гелияснабжены пористыми фильтрами, причем на пористых фильтрах, размещенных на 15 входе, установлены нагреватели.Источники, принятые во внимание при экспертизе.1. Лвт. св,330785, кл. Р 25 В 27/00, 1969.