Система криостатирования сверхтекучим гелием

(1 З) А 1 1 Ц3 ОО Г 250 3 10 51) 6 Г 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гепиевой техники(72) Филатов, ИА.; Леонова Г.М.; Мартынов ВА (55) , Цгоп, - Таб, М. 6 гагО е 1 о. Оевап апд дЕЧЕОРгПЕПт, 1 ЕВБ О 1 МРЕИО( ЬЕЦГП БРаСЕ аУОВа 1 (СВНЕЗЧЯ) - СЕС - 8, беиоча, 1980, р.189-195.(57) Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для криостатирования обьектов, расположенных вне криостата, гелием, подаваемым при атмосферном давлении и температурах как ниже, так и выше Л точки. Цель - повышение эффективности, расширение температурного диапазона криостатирования, облегчение дозаправки системы как на земле, так и орбитальных условиях - достигается тем, что в криостате в емкости с жидким Нерасположена теплоизолированная емкость с насыщенным Не , в которой в жидком Неразмещен теплообменник-переохпадитель Не , а над паровои ванной на линии откачки насыщенных паров Неразмещен теппоизолйрованный теплообменник контура охлаждения Джоуля-Томсона, трубное пространство которого с одной стороны соединено с емкостью жидкого Не , а с другой - с дроссельным клапаном, причем выход. паров иэ межтрубного пространства теплообменника соединен с полостью охлаждаемого экрана трубопровода подачи гелия и через клапан - с линией подачи гелия на обьект охлаждения. 4 з и. ф-лы, 5 ил,Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для криостатирования объектов, расположенных вне криостата, гелием, подаваемым при атмосферном давлении и температурах как ниже, так и выше Я;точки.Цель изобретения - повышение эффективностирасширение температурного диапазона криостатирования, облегчение возможности заправки системы как на земле, так и" в орбитальных. условиях,На фиг. 1 изображена система криостатирования,общий вид; на фиг. 2, 3 и 4 - стыковка объекта охлаждения с трубопроводом подачи посредством заглушек; на фиг.5- расположение теплообменника Джоуля- Томсона в вакуумной полости трубопровода подачи.Система состоит из вакуумно-изолиро ванного гелиевогокриостата с емкостью 1 для Нес экранами 2 и 3, охлаждаемыми отходящими через теплообменники 4 и 5 парами гелия,.и кожухом 6, теплоизолированной от емкости 1 криостата и расположенной в ней емкости 7 для Не ; трубопровода 8 подачи. гелия в объект охлаждения 9, защищенного от теплопритоков вакуумно-изолирующими 10 и 11 и охлаждаемой откачиваемыми из емкости 7 парами полостью 12; теплообменника-переохладителя 13 и теплоизолированного теплообменника Джоуля-Томсона 14, размещейных, соответственно, в нижней (в жидком Не И) и верхней (над паровым обьемом) части емкости 7, которые служат для охлаждения нормального гелия как в контуре Джоуля-Томсона, так и в линииосновного потока, идущего на охлаждение объекта; дроссельного клапана 15, снижающего давление гелия с давлением насыщения в емкости 1 с Некриостата до давления насыщения в емкости 7 с Не ; датчиков температуры 16, 17, 18, 19 и 20, контролируемых температуру, соответственно, в емкости 1, емкости 7, экрана 3 криостата, паров . на выходе охлаждающей полости 12, на выходе гелия из трубопровода подачи 8; датчиков давления 21, 22, 23 соответственно, в емкости 1 емкости 7 и трубопроводе 8; указателей уровня 24, 25 жидкости в емкости 1 криостата и емкостй 7; нагревателей 26, 27, 28 для подогрева жидкости, соответственно, в емкости 1, емкости 7 и на выходе гелия иэ трубопровода 8 в обьект охлаждения 9; штыковых разъемов 29, 30, сильфона 31, обратных клапанов 32; ЗЗ на линиях заправки криостата гелием и подачи хладагента в обьект охлаждения 9; регулирующих клапанов, например, электроклапанов 34, 35,.36, 37, 38 обеспечивающих как заправку емкости 1 трубопровода, подачи гелия к объекту охлаждения и запирание внутренних полостейкриостата и объекта охлаждения .9 после отстыковки переливного устройства от кри остата и трубопровода подачи 8 гелия отобьекта) производится сначала подсоедине ние объекта охлаждения 9 к трубопроводуподачи 8 и подстыковка транспортной емко- .сти с гелием не показана) к криостату по-.55 средством переливного устройства (непоказано), а затем захолаживание емкости 1 криостата, внутренней емкости 7, трубопровода 8, объекта охлаждения 9, экранов 2 и 3 криостата и охлаждаемой полости 12 трубопровода 8 подачей в них гелия приоткрытых клапанах 15, 34, 35, 36, 37, 38. С появлением жидкости в емкости 1 криостата, фиксируемой датчиком уровня 24, дроссельный клапан 15 и клапан 37 перекрываются, и жидкость из транспортной емкости заливается до верхнего предельного уровня емкости 1 криостата, после чего к линии с регулирующим электроклапаном 36 подсоединяется вакуумное оборудование (на фиг. 1 не показано), и при перекрытом блоке 45, закрытых клапанах 37, 38, 34 и открытых клапанах 35 и 36 производится откачка внутренней полости емкости 7 с одновременным заливом ее жидкостью из емкости 1 криостата через дроссельный электроклапан 15 до необхо: димого уровня, фиксируемого датчиком уровня 25, и требуемой температуры, определяемой по датчику 17. После достижения , необходимых температуры и уровня в емко сти 7 производится дозаправка емкости 1криостата до верхнего уровня со сбросом избыточных паров из емкости 1 через клапан 35, после чего клапаны 15, 36 перекрываются, вакуумные средства откачки и средства заправки отстыковываются от си-.стемы.Избыточное давление в емкости 1, фиксируемое датчиком давления 21, сбрасывается через клапан 35. В случае повышения давления в емкости 7 во время подготовки к старту или во время выхода системы на орбиту избыток паров гелия сбрасывается либо через клапан 15 либо через клапан 36, открываемый по сигналу с блока контроля и управления 46, получаемому от датчика давления 22.Охлаждение объекта 9 может осуществляться при отключенных вакуумных средствах как в период. предшествующий старту, так и во время старта, При этом Не 1, забираемый под небольшим избыточным (выше атмосферного) давлением, создаваемым за счет теплопритока или нагревателем 26, че рез клапан 37 направляется в трубопровод 8 и охлаждаемое изделие 9,При этом следует отметить, что поддержание требуемого режима как заправки емкости 1 криостата и емкости 7 жидким гелием, так и криостатирования объекта 9 производится по сигналам от первичных датчиков температуры 16, 17, 18, 19, 20 и , давления 21, 22, 23, а также датчиков уровня 24 и 25, поступающим через блок контроля и управления 46 на соответствующие органы: электроклапаны 34, 35, 36, 37, 38, нагреватели 26, 27, 28 и блок регулирования расхода 45.Функционирование системы может осуществляться как в наземных условиях, так и в условиях космического полета (при дО).Работа системы в условиях космического полета складывается из предварительной заправки криостата хладагентом.на земле, запуска системы на орбиту и работы в орбитальных условиях.После выхода системы на орбиту функ 10 . ционирование системы осуществляется следующим образом. При открытых клапанах 35 и 36 по командам блока 46 производится одновременно как понижение температуры насыщенной жидкости в емкости 7 путем откачки паров из нее в космос через фазо 15 вый разделитель 40, межтрубное пространство теплообменника 14 и охлаждаемую жидкость 12, так и долив жидкости в емкость 7 из емкости 1 криостата через капиллярнопористый фитиль 42, трубопровод 44, труб 20 ное пространство теплообменника 14 и дроссельный клапан 15 до уровня, при котором теплообменник-переохладитель 13 погружен в жидкость, При достижении заданных параметров по температуре (ТТЯ и уровню открывается клапан 37 и производится подача гелия из емкости 1 через капиллярно-пористый фитиль 43 в теплообменник 13, где он охлаждается до 30 требуемой температуры (ТТД) и по трубопроводу 8 подается в криостатируемый объект 9, а затем через блок регулирования расхода 45 выбрасывается за борт. Движение гелия по указанному тракту происхо дит за счет перепада давлений в криостате(Р =1 кгс/см ) и за бортом (Р =0 кгс/см ).Расположенный в полости 12 теплообменник цикла Джоуля-Томсона 14, тепло- изолированный с обеих сторон вакуумными 40 полостями 10 и 11 (см. фиг, 5), используетхолод отходящих паров из емкости 7, охлаждает жидкий гелий Неиз емкости 1 до минимально низкой температуры с тем, чтобы при дросселировании через клапан 15 45 образовалось максимальное количествожидкого Не П и тем самым увеличивалось время работы системы между заправками.Конструктивно теплообменник 14 может быть выполнен в виде спирально навитой 50 трубки, по всей длине которой для обеспечения прохода холодных паров гелия из емкости 7 и повышения эффективности теплообмена спирально навита и припаяна к трубке, например, медная проволока ма лого диаметра.Что касается упомянутых выше фазовыхразделителей 39 и 40 и капиллярно-пористых фитилей 41, 42 и 43; то их назначение заключается в том, чтобы в условиях невесомости соответственно исключить выброс жидкости из емкости 1 и емкости 7 и обеспечить подтягиваниЕ жидкости за счет ка-пиллярных сил на линиях входа жидкости в трубное пространство теплообменников 13 и 14, а также к наружной поверхности теплообменника 13,Регулирование температуры перед объ. ектом охлаждения 9 осуществляется по показаниям датчика температуры 20, установленного на конце трубопровода подачи 8. При этом корректировка температуры производится либо нагревателем 27, если температура ниже заданной, либо путем увеличения интенсивности откачки паров из емкости 7 при помощи клапана 36 и соответствующего снижения температуры, поступающей в объект охлаждения жидкости, если эта температура выше требуемой, либо изменение расхода хладагента, пропу. скаемого блоком регулирования расхода 45,Работа системы в наземных условиях 20 ничем на отличается от работы в космичеподсоединенного к линии с регулирующим электроклапаном 36.Предлагаемая система криостатирования с охлаждающей емкостью 7 с Не И, погруженной в емкость 1 криостата для хранения Непод атмосферным давлением, и с раздельными потоками жидкого Не атмосферного давления, переохлаждаемого в емкости 7 до сверхнизких температур и направляемого в криостатируемое изделие, и парообразного гелия, направляемого на зкранирование основного потока Не И в трубопроводе 8, не только лишена ряда недостатков, которые имеют аналогичное 30 35 по назначению устройство с экраном в виде40ванны с.Не и емкостью с насыщенным Не 11, подаваемым на криостатируемый объект, но имеет ряд преимуществ.В предложенной системе криостатирование можно производить не только во вре. мя вывода системы на орбиту, но и во время дозаправки криостата на орбите от транспортной емкости, так как дозаправка заметно не влияет на изменение давления и 50 температуры в криостате, из которого хладагент поступает в объект. Указанное обстоятельство позволяет осуществлять функционирование охлаждаемого объектабез перерывов; начиная с момента заправкихладагентом на земле и кончая полным расходованием гелия на орбите.Поскольку емкость 7 с вакуумметрическим давлением погружена в емкость 1 криостата с гелием, находящимся под небольшим избыточным. давлением, а во ских условиях за исключением наличия дополнительного вакуумного оборудования, 25 всем тракте подачи хладагента в изделиетакже поддерживается давление, избыточное по сравнению с окружающей средой, тоисключается забивка отдельных участковсистемы и арматуры конденсируемыми газами, что повышает надежность системы.Кроме того, предложенную системуможно использовать для охлаждения обьекта 9 как парами, откачиваемыми из емкости7, так и жидким Неиз емкости 1 криостата при отсутствии откачки емкости 7. В первомслучае при закрытом клапане 37 открываются клапаны 36 и 38 и регулятор расхода 45 и производится откачка насыщенных паров из емкости 7 через трубопровод 8, объектохлаждения 9 и регулятор расхода 45, а также через охлаждаемую полость 12 трубопровода подачи 8. Необходимый расходнасыщенных паров через объект охлаждения 9 и экранирующую полость 12 обеспечивается соответствующим регулированием клапанами 36, 38, блоком 45 и нагревателем27 по сигналам от датчиков температуры 19, 20 через блок контроля и регулирования 46, Во втором случае жидкий гелий из емкости 1 криостата через клапан 37 подается потрубопроводу 8 .в объект 9 под давлением, близким к атмосферному, и одновременночерез клапаны 36 и 38 направляется на экранирование трубопровода 8, Охлаждение экранов 2 и 3 криостата производится вовсех случаях через клапан 35,Помимо этого система криостатирования позволяет производить охлаждение иэделия как сверхтекучим гелием Не И, Не 1,так и сверхкритическим гелием в условияхзаправки криостата сверхкритическим гели. ем при повышенных давлении и температуре, Емкость 1 криостата может бытьзаполнена Не 1, имеющим пониженную температуру, вплоть до А-точки. При этом откачка криостата должна осуществляться через,., клапан 35 при закрытых клапанах 15, 34, 37,а охлаждение экрана 12 трубопровода 8 исамого обьекта 9 после заполнения емкости.1 переохлажденным Не 1 может временнопроизводиться насыщенными парами, Образуемыми за счет испарения нагревателем27 нормального Не, накопленного в ейкости7 перед стартом. Регулирование количестваподаваемых паров производится блоком ре-гулирования расхода 45, электроклапанами 36, 38 и нагревателем 27 по сигналам через блок 46 от соответствующих датчиков температуры 17, 19, 20.Кроме того, данную систему можно использовать для контактного охлаждения объекта (т,е. без расхода хладагента через изделие), для чего необходимо на теплом конце трубопровода подачи 8 поставить заглушку 47 (см. фиг. 2) из высокотеплопро. водного материала, которая своей торцевой поверхностью пристыковывается к охлаждаемому элементу объекта 9. При перекрытом клапане 37 тракт от заглушки 47, включающий трубопровод 8 и теплообменник-переохладитель 13 до клапана 37, заполненный сверхтекучим переохлаждаемым гелием Не 11, представляет собой тепловую трубу, в которой, благодаря сверх. теплопроводности Не ., тепло, выделенноев объекте 9, через заглушку 47 и Не 11, замкнутый в трубопроводе 8, передается в теплообменник-переохладитель 13, гдеснимается насыщенным Не 11 через стенкутеплообменника-переохладителя 13 за счет откачки паров Не И из емкости 7.Давление в замкнутом пространстветепловой трубы может поддерживаться по :; сигналам от датчика давления 23 на частичное приоткрытие клапана 37.Для более эффективного и быстрого захолаживания заглушки и заполнения трубопровода 8 сверхтекучим Не 1 на теплом концетрубопровода может быть установлена заглушка 48 (см. фиг. 3) с каналом 50 и отверстием 49, на котором установлен газосбросный клапан 51. При открытии клапана 51 идет интенсивное захолаживание трубопровода и заглушки.Последний вариант (см, фиг. 4), но сзаглушкой 52, имеющей сквозное осевое от верстие 53, и электроклапаном 51, перекрывающим проход хлада гента из трубопровода через заглушку в объект 9, йозволяетосуществлять криостатирование объекта 9 как по расходной схеме подачиформула изобретения1. СИСТЕМА КРИОСТАТИРОВАНИЯСВЕРХТЕКУЧИМ ГЕЛИЕМ, содержащая объект охлаждения и криостат с экран- но-вакуумной изоляцией и охлаждаемыми экранами, в котором размещены емкости для Неи Не 11 и охлаждающий контур Джоуля-Томсона, включающий дроссельный клапан, теплообменник и испаритель, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, расширения температурного диапазона криостатирования и облегчения возможности ее заправки как на земле, так и в орбитальных условиях, объект охлаждения расположен снаружи криостата и соединен с ним посредством экранированного и теплоизолированного трубопровода подачи гелия, емкость для Невыполнена теплоиэолированной, разме:щена в емкости для Неи снабженахладагента через объект, так и контактным способом передачи тепла от обьекта через заглушку 52 (при перекрытом клапане 51) к сверхтеплопроводному Не 1, заключенному в трубопроводе 8, что значительно повышает функциональные возможности и маневренность работы системы.Возрастанию ресурса функционирования системы способствует то обстоятельство, что емкость сосуда 7 может быть значительно меньше емкости 1 криостата, так как объем сосуда 7 определяется, в ос 5 10 новном, объемом жидкого гелия, необходимого для погружения в него 15 теплообменника-переохладителя 13, В связи с этим объем расходуемого гелия будет определяться, главным образом, емкостью 1 криостата, Заложенная в данной системе указанная выше возможность использования хладагента в различных состояниях (сверхтекучий Не 1 под давлением, насыщенные пары Не 1, нормальный гелий Не 1, сверхкритический Не) повышает маневренность и функциональность системы, а также расширяет температурный диапазон кри 20 25 остатирования,Дополнительным достоинством предложенной системы является то, что с целью, увеличения запаса холода, расходуемого на30 охлаждение экранов криостата и самого объекта в период ожидания перед стартом(при отстыкованной наземной системе заправки) и во время выхода системы на орбиту, криостат может быть заполнен Не 1, имеющим пониженную температуру, вплоть до Л-точки,40 линиями откачки паров насыщенного Не11 и теплообменником-переохладителем Не 1, расположенным в ее жидкостном пространстве, при этом теплообменник охлаждающего контура установлен над 45 паровым пространством емкости для Нена линии откачки, трубное пространство теплообменника с одной стороны сообщено с емкостью для Не 1, а с другой - с дроссельным клапаном, и 50 выход из межтрубного пространстваподключен к экрану трубопровода подачи гелия и через клапан - к трубопроводу подачи гелия.2, Система по и, 1, отличающаяся. тем, что, с целью повышения эффективности использования холода отходящих.паров при заправке, трубопровод подачи гелия соединен посредством клапа:на с паровым пространством криостата,3, С истема по и, 1, отличающаяся тем, что. с целью расширения функцио. нальных возможностей, трубопровод подачи гелия снабжен высокотеплопроводной заглушкой, контактирующей с 5 обьектом охлаждения,4. Система по и, 3, отличающаясяХО . 8 12 11 тем, что заглушка имеетсквозное от-, верстие, сообщающее трубопровод с; объектом и клапаном,5, Система по и. 3, отличающаяся тем, что заглушка имеет канал с клапаном, соединяющим внутреннюю полость трубопровода с полостью его экрана.