БЛОК УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА ПОДАЧИ ХЛАДАГЕНТА
COOLANT SUPPLY DEVICE CONTROL UNIT

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве блока управления устройствами перекачки, заправки жидкого азота, а также для заморозки вакуумных ловушек.
Известно «Устройство для подачи хладагента в морозильную камеру», авторское свидетельство СССР №964380, опубл. 07.10.1982. Бюл. №37. Устройство содержит емкость, представляющую собой металлический стакан и помещенную в нижнюю часть сосуда Дьюара. Дно емкости снабжено шариковым клапаном, а сверху в нее вставлены, заподлицо с крышкой, трубопровод подачи воздуха, и, с минимальным зазором с дном, трубопровод подачи хладагента. Оба указанных трубопровода негерметично пропущены через крышку сосуда Дьюара, в которой имеется отверстие для заливки хладагента в сосуд Дьюара и выхода его естественных паров. Другим концом трубопровод подачи хладагента заведен в морозильную камеру. На трубопроводе подачи воздуха установлен электромагнитный воздушный клапан, регулируемый блоком управления. Электромагнитный воздушный клапан соединен последовательно с ресивером, влагоотделителем и компрессором.
При поступлении команды из блока управления электромагнитный клапан прекращает связь трубопровода с атмосферой и соединяет его с ресивером, обеспечивая тем самым подачу сжатого осушенного воздуха из компрессора через влагоотделитель и ресивер в емкость, из которой хладагент выдавливается по трубопроводу в морозильную камеру.
Недостатком данного устройства является то, что для создания в емкости давления, вытесняющего жидкий азот, необходимо много дополнительного оборудования (ресивер, влагоотделитель и компрессор), а блок управления в ключевом режиме коммутирует электромагнитный клапан. При использовании сосудов Дьюара небольшой емкости, например АСД-15 с узкой горловиной, разместить в нем емкость достаточного объема проблематично. Блок управления с каждым первоначальным включением будет давать сбой. Азота, находящегося в емкости, будет недостаточно для заморозки, например, (теплых) вакуумных, продувных азотных ловушек, применяемых в экспериментальном научном оборудовании, поэтому электромагнитный клапан отключаться не будет и через трубопровод подачи азота в камеру холода пойдет воздух. Заложенная в блок управления коммутация электромагнитного клапана исключает возможность плавной регулировки подачи жидкого азота в камеру холода. При окончании азота в сосуде Дьюара, в блоке управления не предусмотрены команды отключения компрессора и включения индикации-сигнализации.
Известно «Устройство для подачи хладагента в камеру холода», авторское свидетельство СССР №350216, опубл. 04.09.1972. Бюл. №26. Устройство представляет собой питатель в виде трубки, в нижней части которой снаружи расположен нагреватель малой мощности (20 Вт), герметично закрытый кожухом. В месте выхода трубки из горловины сосуда Дьюара расположено уплотнительное устройство. Конец трубки снаружи сосуда имеет накидную гайку для присоединения к штуцеру рабочей камеры.
При подаче на нагреватель электрической мощности происходит его нагревание, испарение жидкого азота, и создавшееся давление в сосуде Дьюара вытесняет жидкий азот по трубке в рабочую камеру.
Блок управления данного устройства, содержащий регулятор мощности, соединенный с нагревателем малой мощности (20 Вт), размещенным в сосуде Дьюара, является наиболее близким аналогом заявленному техническому решению, поэтому выбран в качестве прототипа.
Недостатками блока управления данного устройства является:
малая регулируемая мощность;
не предусмотрена индикация-сигнализация окончания жидкого азота в работающем сосуде Дьюара;
не предусмотрено отключение нагревателя при окончании жидкого азота в работающем сосуде Дьюара (в газообразной среде нагреватель перегревается и перегорает).
Поставленной задачей данного технического решения является создание блока управления устройства подачи хладагента, обеспечивающего:
возможность плавной регулировки мощности, выделяемой электрическим нагревателем в работающем сосуде Дьюара;
индикацию-сигнализацию отсутствия жидкого азота в сосуде Дьюара;
автоматическое отключение нагревателя при окончании жидкого азота в работающем сосуде Дьюара.
Решение технической задачи предлагаемого блока управления устройства подачи хладагента, содержащего регулятор мощности, соединенный с электрическим нагревателем, предназначенным для размещения в сосуде Дьюара на расстоянии 0-10 мм от дна, достигается тем, что регулятор мощности снабжен входным выводом, предназначенным для подключения к первому выводу источника питания переменного напряжения и выходным выводом, соединенным через первую группу контактов разъемного соединителя с первым выводом нагревателя, второй вывод которого является выводом, предназначенным для подключения ко второму выводу источника питания переменного напряжения через вторую группу контактов разъемного соединителя, блок управления устройства подачи хладагента дополнен световым индикатором, узлом слежения и датчиком уровня жидкого азота, предназначенным для размещения в сосуде Дьюара, на 10-30 мм выше нагревателя, при этом первый вывод датчика уровня, через третью группу контактов разъемного соединителя, соединен с входным выводом узла слежения, узел слежения также снабжен выводами для подключения индикатора, соединенными с выводами светового индикатора, и двумя выводами, предназначенными для подключения к источнику питания стабилизированного напряжения - плюсовым и минусовым, последний из которых, через вторую группу контактов разъемного соединителя, подсоединен к точке соединения вторых выводов датчика уровня и нагревателя, соединение выводов, предназначенных для подключения ко второму выводу источника питания переменного напряжения и минусовому выводу источника питания стабилизированного напряжения является для схемы электропитания блока управления общим.
На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого блока управления устройства подачи хладагента с ключевыми элементами технического решения. Электрические соединения показаны линиями, места контактов точками, передача управляющих сигналов стрелками, электрические выводы, предназначенные для подключения к клеммам источников питания кружками.
На фиг. 2 показана электрическая схема соединений узлов и деталей блока управления устройства подачи хладагента.
На фиг. 3 показана электрическая принципиальная схема предлагаемого блока управления.
Блок управления устройства подачи хладагента (фиг. 1) содержит регулятор мощности 1, соединенный с электрическим нагревателем 2, предназначенным для размещения в сосуде Дьюара 3 на расстоянии 0-10 мм от дна, отличающийся тем, что регулятор мощности 1 снабжен входным выводом, предназначенным для подключения к первому выводу источника питания переменного напряжения и выходным выводом, соединенным через первую группу контактов разъемного соединителя 4 с первым выводом нагревателя 2, второй вывод которого является выводом, предназначенным для подключения ко второму выводу источника питания переменного напряжения через вторую группу контактов разъемного соединителя 4, блок управления устройства подачи хладагента дополнен световым индикатором 5, узлом слежения 6 и датчиком уровня 7 жидкого азота, предназначенным для размещения в сосуде Дьюара 3, на 10-30 мм выше нагревателя 2, при этом первый вывод датчика уровня 7, через третью группу контактов разъемного соединителя 4 соединен с входным выводом узла слежения 6, узел слежения 6 также снабжен выводами для подключения индикатора, соединенными с выводами светового индикатора 5, и двумя выводами, предназначенными для подключения к источнику питания стабилизированного напряжения - плюсовым и минусовым, последний из которых, через вторую группу контактов разъемного соединителя 4, подсоединен к точке соединения вторых выводов датчика уровня 7 и нагревателя 2, соединение выводов, предназначенных для подключения ко второму выводу источника питания переменного напряжения и минусовому выводу источника питания стабилизированного напряжения является для схемы электропитания блока управления общим.
В качестве примера конкретной реализации на фиг. 2 показана электрическая схема соединений элементов и узлов предлагаемого блока управления устройства подачи хладагента.
Узел слежения 6 также содержит реле 8, полярный конденсатор 9, первый управляемый ключевой элемент 10, оптронное реле 11 и цепь последовательно соединенных резистора 12, светодиода оптронного реле 11 с соблюдением полярности, подстроечного резистора 13, второй вывод которого является входным выводом узла слежения 6, точка соединения плюсового вывода полярного конденсатора 9, первого вывода обмотки реле 8 и первого вывода резистора 12 является плюсовым выводом питания узла слежения 6, управляющий вывод первого управляемого ключевого элемента 10 соединен с выводом скользящего контакта подстроечного резистора 13, первый вывод замыкающей контактной группы оптронного реле 11 подсоединен в точку соединения второго вывода обмотки реле 8 и минусового вывода полярного конденсатора 9, а второй вывод замыкающей контактной группы оптронного реле 11 соединен с первым выводом первого управляемого ключевого элемента 10, второй вывод которого является минусовым выводом питания узла слежения 6, первый вывод первой (размыкающей) группы контактов 14 реле 8 соединен с плюсовым выводом питания узла слежения 6, а второй является первым выводом подключения индикатора, а вторым выводом подключения индикатора является минусовой вывод питания узла слежения 6, световой индикатор 5, в качестве которого используется светодиод 5, с соблюдением полярности подсоединен к выводам подключения индикатора узла слежения 6, регулятор мощности 1 содержит управляющий ключевой элемент, в качестве которого используется симистор 15, а также оптосимистор 16, выпрямительный мост 17, генератор импульсов, состоящий из второго управляемого ключевого элемента 18, в качестве которого используется однопереходный транзистор в фазосдвигающей цепи последовательно соединенных конденсатора 19, резистора 20 и переменного резистора 21, у которого вывод скользящего контакта подсоединен в точку соединений его первого вывода и второго вывода резистора 20 фазосдвигающей цепи, первый вывод конденсатора 19 фазосдвигающей цепи подсоединен к точке соединений минусового вывода выпрямительного моста 17 и катода светодиода оптосимистора 16, первая база однопереходного транзистора 18 подсоединена в точку соединения плюсового вывода выпрямительного моста 17 и второго вывода переменного резистора 21 фазосдвигающей цепи, вторая база однопереходного транзистора 18 подсоединена к аноду светодиода оптосимистора 16, управляющий вывод симистора 15 соединен с выводом первого анода оптосимистора 16, первый вывод переменного тока выпрямительного моста 17 соединен с выводом первого анода симистора 15, являющегося входным выводом регулятора мощности, а второй вывод переменного тока выпрямительного моста 17 соединен с первым выводом второй (замыкающей) группы контактов 22 реле 8, второй вывод замыкающей группы контактов 22 реле 8 подсоединен в точку соединений выводов вторых анодов оптосимистора 16 и симистора 15, последний из которых является выходным выводом регулятора мощности 1.
Рассмотрим работу блока управления устройства подачи хладагента по функциональной схеме, показанной на фиг. 1.
Допустим, что сосуд Дьюара 3 заправлен жидким азотом, и блок управления подачи хладагента подключен к источникам электрического питания.
Разность потенциалов на выводах датчика уровня 7, находящегося в жидком азоте, достаточна для срабатывания узла слежения 6, и он находится в режиме слежения, световой индикатор 5 не светится и с узла слежения 6 в регулятор мощности 1 подается сигнал, приводящий его в состояние готовности к работе. При подаче максимального тока (определяется номинальной мощностью нагревателя 2) с регулятора мощности 1 на нагреватель 2 происходит нагрев нагревателя 2, испарение азота, создающего давление на поверхность жидкого азота в сосуде Дьюара 3, выдавливающего его в камеру холода. Максимальная мощность обеспечивает минимальное время для создания максимального давления (определяется давлением срабатывания предохранительного клапана устройства подача хладагента) и выхода на рабочий режим камеры холода. После выхода на рабочий режим мощность, подаваемая на нагреватель 2, регулируется в режиме поддержания необходимых параметров в камере холода. При расходе жидкого азота в сосуде Дьюара 3 наступаем момент, когда датчик уровня 7 оказывается в газообразной среде (выше уровня жидкого азота). Датчик уровня 7 начинает нагреваться током, проходящим через него, это вызывает уменьшение разности потенциалов на выводах датчика уровня 7 и переход узла слежения 6 в режим ожидания. При переходе узла слежения 6 в режим ожидания загорается световой индикатор 5, являющийся индикатором отсутствия азота, и в регулятор мощности 1 поступает сигнал на его отключение. При необходимости продолжения работы необходимо перейти на резервный сосуд Дьюара, подсоединенный к камере холода. Для этого из розетки соединительного разъема 4 отсоединяется вилка отработанного сосуда Дьюара и подсоединяется вилка резервного сосуда Дьюара. Описанный рабочий цикл повторяется на резервном сосуде Дьюара.
Теперь рассмотрим работу блока управления устройства подачи хладагента по электрической схеме, показанной на фиг. 3.
Допустим, что сосуд Дьюара заправлен жидким азотом, и блок управления устройства подачи хладагента подключен к источникам электрического питания.
По цепи последовательно соединенных резистора 12, светодиода оптронного реле 11, подстроечного резистора 13 и датчика уровня 7 начинает течь ток, вызывающий свечение светодиода оптронного реле 11, приводящее к уменьшению сопротивления (до минимального) на его замыкающей группе контактов. Разность потенциалов на выводах датчика уровня 7, находящегося в жидком азоте, достаточна для открытия первого управляемого ключевого элемента 10. Регулировка порога срабатывания производится подстроечным резистором 13. Через цепь последовательно соединенных первого управляемого ключевого элемента 10, замыкающую группу контактов оптронного реле 11 и обмотку реле 8 начинает течь ток, вызывающий срабатывание последнего. Размыкаются контакты 14 первой группы и замыкаются контакты 22 второй группы реле 8. Замкнутые контакты 22 реле 8 приводят в рабочее состояние регулятор мощности 1, являющийся фазовым регулятором мощности. Во время работы, перемещением скользящего контакта переменного резистора 21 фазосдвигающей цепи фазового регулятора мощности 1, регулируется тепловая мощность, выделяемая нагревателем 2. Работа фазового регулятора мощности и автоматизация процесса поддержания температуры известна [1]. По мере расхода жидкого азота в сосуде Дьюара 3 наступает момент, когда датчик уровня 7 оказывается в газообразной среде. Ток, проходящий через него, начинает его нагревать, что в свою очередь приводит к уменьшению разности потенциалов на его выводах. Уменьшение потенциала на управляющем выводе первого управляемого ключевого элемента 10 приводит к его отключению и отключению реле 8. Замыкаются контакты первой группы 14 реле 8. Зажигается светодиод 5, сигнализируя, что азот в сосуде Дьюара 3 кончился. Размыкаются контакты второй 22 группы реле 8, отключая фазовый регулятор мощности 1. При необходимости продолжения работы необходимо перейти на резервный сосуд Дьюара, подсоединенный к камере холода. Для этого из розетки соединительного разъема 4 отсоединяется вилка отработанного сосуда Дьюара 3 и подсоединяется вилка резервного сосуда Дьюара 3. Описанный рабочий цикл повторяется на резервном сосуде Дьюара 3. При окончании работ из розетки соединительного разъема 4 вилка отсоединяется.
При обрыве цепи датчика уровня 7 оптронное реле 11 разрывает цепь включения реле 8, которое не позволяет включить регулятор мощности 1.
На фиг. 3 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого блока управления, где в качестве светового индикатора 5 HL использовался светодиод L5313URC, в качестве датчика уровня 7 жидкого азота используется диод КД520А. В качестве первого управляемого ключевого элемента 10 VD2 используется прецизионный параллельный стабилизатор напряжения TL431. В качестве регулирующего ключевого элемента 15 VS2, фазового регулятора мощности 1, используется симистор ВТА12-600. Данный симистор позволяет регулировать ток нагревателя 2 в пределах 0-12 А.
Для максимальной выработки жидкого азота в сосуде Дьюара 3 нагреватель 2 должен располагаться как можно ближе ко дну сосуда Дьюара 3 (0-10 мм). Нагреватель 2 также может располагаться и на дне сосуда Дьюара 3. Во избежание перегрева нагревателя 2 повышенной мощности (≥20 Вт) и его перегорания датчик уровня 7 располагается на 10-30 мм выше. Благодаря такому расположению, включение нагревателя 2 происходит только в среде жидкого азота.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемый блок управления устройства подачи хладагента обладает расширенными функциональными возможностями:
применять нагреватели мощностью ≥20 Вт;
плавной регулировки мощности, выделяемой электрическим нагревателем;
индикации-сигнализации отсутствия жидкого азота в сосуде Дьюара;
автоматического отключения нагревателя при окончании жидкого азота в работающем сосуде Дьюара.
Список цитируемой литературы
1. Фазовый регулятор мощности. Патент РФ на изобретение №2298217, опубл. 27.04.2007, Бюл. №12.