Способ производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком
METHOD FOR PRODUCING COLD AT T>4.4 K BY A HELIUM REFRIGERATOR WITH AN EXCESS REVERSE FLOW

Изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком.
Известны гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком для производства холода на температурном уровне ~4,4 К, принцип действия которых и область применения наиболее полно отражены в монографии: В.П. Беляков Криогенная техника и технологии. М., Энергоиздат, 1982. Функциональная схема этого рефрижератора показана на фиг. 1 для двух способов охлаждения потребителя холода: прокачного, когда охлаждающий поток гелия прокачивается через каналы потребителя холода, фиг. 1а, и погружного, когда потребитель холода находится в сборнике жидкого гелия, фиг. 1б. Прямой поток сжатого гелия с расходом Х охлаждается в теплообменнике 2, затем дросселируется в вентиле 3 и поступает в виде парожидкостного потока либо в каналы потребителя холода 5 (фиг. 1а), либо в сборник жидкого гелия 4 (фиг. 1б). В сборник 4 через вентиль 6 также поступает жидкий гелий с расходом у.
Пары от парожидкостного потока и испаряющегося от тепловой нагрузки q жидкого гелия с общим расходом Х+y поступают в канал обратного потока теплообменника 2. Таким образом, расход обратного потока n превосходит расход прямого потока m на величину у, вследствие чего достигается положительный эффект Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле 3, обеспечивающий производство холодопроизводительности q. Температура производимого холода равна температуре кипения жидкого гелия в сборнике 4 и, как правило, равна примерно 4,4 К. так как давление гелия на входе в компрессор 1 равно атмосферному давлению, примерно 1 бар абс. Регулирование режимов работы рефрижератора с избыточным обратным потоком при стабильной работе компрессора 1 достаточно простое: вентиль подачи жидкого гелия 6 открывается в такое положение, при котором уровень жидкого гелия по уровнемеру L в сборнике 4 остается стабильным. Такое регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления.
Как видно из фиг. 1, гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком в отличие от классических гелиевых рефрижераторов не содержат детандеров в ступени предварительного охлаждения и поэтому просты как в устройстве, так и в управлении и имеют высокую степень надежности. Благодаря этим качествам гелиевые рефрижераторы с избыточным обратным потоком нашли широкое применение как в различных исследовательских и испытательных установках, использующих холод при гелиевых температурах, так и в крупных криогенных системах, например, в криогенном комплексе сверхпроводящего ускорителя «Теватрон» (США, национальная лаборатория им. Ферми). Рассматривается применение гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком и в новом мегапроекте сверхпроводящего ускорительного комплекса НИКА (Н.Н. Агапов и др. Развитие и реконструкция криогенной системы ЛФВЭ ускорительного комплекса NIKA (2012-2015). Препринт Р8 2012-14, ОИЯИ, Дубна, 2012).
3
Простота и надежность гелиевых рефрижераторов с избыточным обратным потоком обусловили их широкое применение в стендах по испытанию различных сверхпроводящих электрофизических устройств. При испытании некоторых сверхпроводящих устройств оказалось желательным повысить температуру производимого холода выше 4,4 К, до 6 К и выше, вплоть до критической температуры сверхпроводников: ~10 К для NbTi сверхпроводников и~20 К для сверхпроводников NbSn. Произвести холод при подобных температурах в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком в конфигурации по фиг. 1 невозможно хотя бы по той причине, что при температуре выше 5,18 К гелий находится только в газообразном состоянии и становится невозможным использование уровнемера L жидкого гелия для регулирования режимов работы рефрижератора.
Наиболее близким аналогом является гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода на двух температурных уровнях (RU2576768, опубликовано: 10.03.2016), содержащий компрессор, теплообменный блок с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока и криостат охлаждаемого устройства при гелиевой температуре ~4,4 К, отличающийся тем, что для охлаждения второго устройства при температурах выше 4,4 К часть прямого потока выводится из теплообменного блока на второе охлаждаемое устройство и после второго охлаждаемого устройства возвращается в теплообменный блок в дополнительный канал прямого потока, соединенный с криостатом первого охлаждаемого устройства дополнительным дроссельным вентилем.
Техническим результатом прототипа является наличие в гелиевом рефрижераторе с избыточным обратным потоком двух источников холода на различных температурных уровнях, что позволит использовать его и в тех случаях, когда по условиям техники безопасности запрещено применение жидкого азота для охлаждения экранов устройства, работающего при 4,4 К<Т<80 К.
Техническая проблема, присущая прототипу, заключается в следующем.
2
2
Потребители холода, работающие при гелиевых температурах криостатирования ~4,4 К имеют высокоэффективную экранно-вакуумную суперизоляцию, содержащую множество не охлаждаемых экранов с одним промежуточным охлаждаемым экраном при температуре ~80 К. При такой изоляции теплопритоки из окружающей среды к изделию составляют величину около 0,2 Вт/м. Если из этой суперизоляции убрать охлаждаемый экран, то теплопритоки из окружающей среды к потребителю холода возрастут до значения 3 Вт/м, что, как правило, недопустимо.
Обычно для охлаждения промежуточного экрана применяют жидкий азот, который кипит при температуре 77,4 К. Применение жидкого азота практически не усложняет криогенную установку, охлаждающую потребитель холода при Т=4,4 К. Но когда по условиям техники безопасности применение жидкого азота запрещено, то для охлаждения промежуточного экрана при Т≈70 К приходится в криогенную установку встраивать дополнительный детандер, который значительно усложняет и удорожает криогенную установку.
Решение по прототипу предлагает устройство именно для охлаждения промежуточного экрана без усложнения криогенной установки и технически в этом патенте гелиевый поток, охлаждающий промежуточный экран, не может быть направлен на криотатирование потребителя холода при температуре 4,4 К и выше.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является нахождение такого способа работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, при котором бы этот рефрижератор производил холод и при температуре выше 4,4 К.
В отличие от патента RU2576768 предлагаемое изобретение описывает способ повышения заданной температуры криостатирования испытываемого потребителя холода выше 4.4 К.
Новый результат, недостижимый в прототипе – это возможность получать температуру выше 4,4 К не только на промежуточном экране испытываемого потребителя холода, но и на непосредственно испытываемом потребителе холода.
Причем новый результат не зависит от того, как охлаждается промежуточный экран: жидким азотом, детандером или устройством по патенту RU2576768.
Технический результат заявленного изобретения - расширение арсенала способов производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, при котором регулирование подачи жидкого гелия в сборник криогенного продукта производится по показаниям термодатчика испытываемого потребителя холода, что ранее в гелиевых рефрижераторах с избыточным обратным потоком не применялось.
Также техническим результатом является возможность производства гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком холода на температурном уровне выше Т>4,4 К, требуемым для полноценных испытаний сверхпроводящих и иных устройств.
отличающийся тем, что
Указанный технический результат достигается тем, что заявлен способ производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком, содержащим компрессор, теплообменник с каналами прямого и обратного потоков, дроссельный вентиль прямого потока, сборник криогенного продукта, вентиль подачи жидкого гелия и термодатчик потребителя холода,  степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия определяется значением температуры термодатчика, размещенного на потребителе холода, причем в ручном или автоматическом режиме обеспечивают соблюдение условий:
- когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывают;
- когда эта температура выше заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия приоткрывают.
Осуществление изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия, которым регулируется режим работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком при Т>4,4 К, определяется значениями температуры от термодатчика, установленного непосредственно на потребителе холода.
Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на фиг. 2. Гелиевый рефрижератор с избыточным обратным потоком для производства холода при Т>4,4 К содержит компрессор 1, теплообменник 2 с каналами прямого потока гелия высокого давления m и обратного потока n при давлении 1 бар абс., дроссельный вентиль 3, сборник холодного гелия 4, потребитель холода 5, вентиль подачи жидкого гелия 6, и термодатчик 7 для измерения температуры потребителя холода 5, где термодатчик 7 размещен на потребителе холода 5.
Когда требуется охлаждение потребителя холода при температуре кипения жидкого гелия в сборнике 4, Т≈4,4 К, то регулирование режимов работы рефрижератора осуществляется вентилем 6 так, чтобы уровень жидкого гелия по уровнемеру L (фиг. 1) в сборнике 4 оставался стабильным.
А в случае повышения температуры производимого холода выше 4,4 К степень открытия/закрытия вентиля подачи жидкого гелия 6 определяется значением температуры термодатчика 7 (фиг. 2) потребителя холода:
- когда эта температура ниже заданного значения, то вентиль 6 подачи жидкого гелия прикрывается;
- когда эта температура выше заданного значения, то вентиль 6 подачи жидкого гелия приоткрывается.
Это регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления.
При этом, если заданная температура производимого холода будет находится в диапазоне значений 4,4–5,18 К, то возможно наличие небольшого количества жидкого гелия в нижней части сборника 4.
Таким образом, при заданной температуре производимого холода выше 5,18 К в сборнике 4 будет находится только холодный газообразный гелий.
Способ согласно изобретения может применяться в работе рефрижератора следующим образом.
Сжатый в компрессоре 1 гелий поступает в канал прямого потока теплообменника 2, в котором охлаждается и далее дросселируется в вентиле 6 и затем поступает на охлаждение потребителя холода 5.
После охлаждения потребителя холода 5 этот гелий вместе с добавленным жидким гелием поступает в канал обратного потока теплообменника, где нагревается, охлаждая при этом прямой поток гелия. После теплообменника 2 большая часть обратного потока гелия в количестве Х направляется на сжатие в компрессор 1, а другая часть количеством у – на ожижение. Регулирование режимов работы рефрижератора с обратным потоком осуществляется открытием/закрытием вентиля 6 подачи жидкого гелия по сравнению температуры потребителя холода 5 с заданной температурой охлаждения. Открытие/закрытие вентиля 6 может осуществляться в ручном или автоматическом режиме.
Опытные испытания на гелиевых рефрижераторах с избыточным обратным потоком для производства холода при Т>4,4 К, проведенные 24 июня 2022 г. на основе схемы фиг.2(б), подтвердили возможность регулирования подачи жидкого гелия в сборник криогенного продукта по показаниям термодатчика испытываемого потребителя холода.
В ходе испытаний в Институте физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» была проверена возможность производства гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком холода на температурных уровнях 10 К и затем 5 К с нулевой холодопроизводительностью и с холодопроизводительностью 12 Вт, требуемыми для полноценных испытаний сверхпроводящих и иных устройств. Графики указанных температурных уровней испытываемого объекта показаны на фиг.3, фиг.4. На фиг.3 показан график термодатчика 7 при температурном уровне 10 К. Холодопроизводительность рефрижератора 0 Вт с 13-08 до 13-30 и 12 Вт с 13-30 до 13-48 24 июня 2022 г. На фиг.4 показан график термодатчика 7 при температурном уровне 5 К. Холодопроизводительность рефрижератора 0 Вт с 14-20 до 14-40 и 12 Вт с 14-40 до 15-10 24 июня 2022 г.
Из приведенных графиков следует, что заданные температуры криостатирования стабильны достаточно долгое время при различных холодопроизводительностях, что показывает работоспособность способа производства холода при Т>4,4 К гелиевым рефрижератором с избыточным с избыточным обратным потоком.