СТАЦИОНАРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ХЛАДАГЕНТА В КАМЕРУ ХОЛОДА
STATIONARY DEVICE FOR SUPPLY OF COOLANT IN COLD CHAMBER

Изобретение относится к области криогенной техники, в частности к устройствам перекачки и заправки жидкого азота, а также для заморозки вакуумных ловушек.
Известно устройство для перелива жидкого азота из сосуда Дьюара (патент на изобретение РФ №2359167, опубл. 20.06.2009, Бюл. №17), выбранное в качестве аналога. Устройство снабжено пробкой с отверстием, в которое герметично вставлена заправочная трубка. Пробка герметично закрывает горловину сосуда Дьюара. Один конец заправочной трубки снабжен теплообменником-испарителем, размещенным в сосуде Дьюара, свободный конец трубки опускается в заправляемую емкость.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования подачи азота в процессе работы.
Наиболее близким аналогом заявленному техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для подачи хладагента в камеру холода (авт. св. СССР №350216, опубл. 04.09.1972, Бюл. №26). Устройство содержит питатель в виде трубки, один конец которой снабжен нагревателем, размещенным в сосуде Дьюара, а другой соединен с камерой холода. В месте выхода трубки из горловины сосуда Дьюара расположено уплотнительное устройство.
Недостатками данного устройства являются:
- невозможность применения данного устройства для массивных холодильных камер, требующих большого расхода азота;
- малая емкость используемого сосуда Дьюара;
- малое время работы при большом расходе азота;
- малая мощность нагревателя (20 Вт);
- возможность размораживания камеры холода во время работы при окончании жидкого азота в сосуде Дьюара, вследствие отсутствия датчика предельного уровня жидкого азота; при работе с вакуумными азотными ловушками это приводит к потере вакуума и соответственно к срыву эксперимента.
Задачей данного технического решения является создание стационарного устройства для подачи хладагента в камеру холода с обеспечением возможности непрерывного режима работы в течение длительного времени с большим расходом жидкого азота (10 л/ч) и установкой датчика, позволяющего заблаговременно сигнализировать об окончании жидкого азота в работающем сосуде Дьюара.
Решение технической задачи в предлагаемом стационарном устройстве для подачи хладагента в камеру холода, содержащем питатель в виде трубки, один конец которой и электрический нагреватель размещены в сосуде Дьюара на расстоянии 0-10 мм от дна, и штуцер, верхняя резьбовая часть которого предназначена для подсоединения к трубопроводу камеры холода, достигается тем, что стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода содержит как минимум один стационарный сосуд Дьюара, каждый из которых снабжен фланцем и герметизирующей кольцеобразной прокладкой, расположенной между торцом горловины сосуда Дьюара и посадочным местом во фланце, выполненном с двумя патрубками, расположенными вертикально над горловиной сосуда Дьюара, оба патрубка выполнены с внутренней резьбой в верхней их части, один из патрубков является заправочным и герметично соединен резьбой с предохранительным клапаном, выполненным съемным, второй патрубок герметично соединен резьбой с заглушкой, которая также выполнена съемной, средняя часть второго патрубка выполнена с внутренней резьбой и посадочным местом для верхней резьбовой части питателя, выполненного съемным, и расположенным коаксиально второму патрубку, верхний торец питателя выполнен со шлицевыми прорезями, под заглушкой и выше верхней резьбовой части питателя во втором патрубке выполнен отвод под камеру шарикового клапана, верхняя часть камеры выполнена с внутренней резьбой и герметично соединена с нижней резьбовой частью штуцера, нижний торец которого выполнен со шлицевыми прорезями, фланец винтовым соединением прикреплен к ручкам сосуда Дьюара и снабжен герметичными токовводами, соединенными проводами с нагревателем и датчиком уровня жидкого азота, размещенным на расстоянии 30-50 мм выше нагревателя.
Стационарный сосуд Дьюара - сосуд с дополнительными элементами, который является частью конструкции (стационарного устройства для подачи хладагента в камеру холода); при эксплуатации не предусмотрено его отсоединение (перемещение) для заправки жидким азотом.
На фиг. 1 в качестве примера практической реализации показано стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода с двумя стационарными сосудами Дьюара (стационарный сосуд Дьюара справа показан в разрезе). На фиг. 2 показан вид А, на фиг. 3 - вид Б устройства, изображенного на фиг. 1.
Стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода (фиг. 1) содержит питатель 1 в виде трубки, один конец которой и электрический нагреватель 2 размещены в сосуде Дьюара 3 на расстоянии 0-10 мм от дна и штуцер 4, верхняя резьбовая часть которого предназначена для подсоединения к трубопроводу 5 камеры холода, согласно изобретению стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода содержит как минимум один стационарный сосуд Дьюара 3, каждый из которых снабжен фланцем 6 и герметизирующей кольцеобразной прокладкой 7, расположенной между торцом горловины сосуда Дьюара 3 и посадочным местом во фланце 6, выполненном с двумя патрубками, расположенными вертикально над горловиной сосуда Дьюара 3, оба патрубка выполнены с внутренней резьбой в верхней их части, один из патрубков является заправочным 8 и герметично соединен резьбой с предохранительным клапаном 9, выполненным съемным, второй патрубок 10 герметично соединен резьбой с заглушкой 11, которая также выполнена съемной, средняя часть второго патрубка 10 выполнена с внутренней резьбой и посадочным местом для верхней резьбовой части питателя 1, выполненного съемным, и расположенным коаксиально второму патрубку 10, верхний торец питателя 1 выполнен со шлицевыми прорезями, под заглушкой 11 и выше верхней резьбовой части питателя 1 во втором патрубке 10 выполнен отвод 12 под камеру 13 шарикового клапана 14, верхняя часть камеры 13 выполнена с внутренней резьбой и герметично соединена с нижней резьбовой частью штуцера 4, нижний торец которого выполнен со шлицевыми прорезями, фланец 6 винтовым соединением прикреплен к ручкам 15 сосуда Дьюара 3 и снабжен герметичными токовводами (не показано), соединенными проводами 16 с нагревателем 2 и датчиком 17 уровня жидкого азота, размещенным на расстоянии 30-50 мм выше нагревателя 2.
На фиг. 1 и 3 также показаны накидная гайка 18 и тройник 19 трубопровода 5 камеры холода.
Каждый стационарный сосуд Дьюара 3 устройства (фиг. 1) может быть укомплектован манометром 20, а при использовании более двух стационарных сосудов Дьюара 3 трубопровод камеры холода 5 должен комплектоваться соответствующим количеством тройников 19.
Нижняя тонкостенная часть второго патрубка 10 от средней резьбовой его части до места соединения с фланцем 6 выполняет функцию тепловой развязки фланца 6 и герметизирующей кольцеобразной прокладки 7 от охлаждаемых частей устройства.
Для наглядности на фиг 1 и 2 точками показан объем заполненный жидким азотом 21 и линией 22 - верхний уровень (фиг. 1) жидкого азота 21 в сосуде Дьюара 3.
Сосуды Дьюара 3 прикреплены к полу (не показано).
В качестве нагревателя 2 были использованы галогенные лампочки JC (цоколь G4), 12 В, мощностью 20-50 Вт. Они обладают малой инерционностью (тепловой инерционностью), а при использовании нескольких лампочек с параллельным или последовательным соединением,можно подобрать необходимую мощность (≥20 Вт).
Работает стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода следующим образом.
При пропускании электрического тока через нагреватель 2 (фиг. 1) происходит испарение жидкого азота 21 и в сосуде Дьюара 3 создается давление на поверхность жидкого азота 21. Минимального давления (определяемого весом шарика 14) достаточно чтобы открыть шариковый клапан 14. Под напором струи азота шарик 14 поднимается и жидкий азот 21, обтекая его и проходя через шлицевые прорези, выполненные на торце нижней резьбовой части штуцера 4, проходное отверстие в штуцере 4 и трубопровод 5 попадает в камеру холода. При использовании регулируемого источника электрического питания нагревателя 2, обладающего повышенной мощностью (≥20 Вт), можно сократить время выхода устройства на рабочий режим, подав на нагреватель 2 максимальную мощность. В процессе работы мощность регулируют в зависимости от показаний манометра 20. По достижению критического давления, определяемого жесткостью пружины предохранительного клапана 9, предохранительный клапан 9 срабатывает автоматически. Наличие в устройстве датчика 17 уровня жидкого азота, расположенного выше нагревателя 2, позволяет предусмотреть в электрической схеме устройства световой индикатор и(или) звуковую сигнализацию при окончании жидкого азота 21 в работающем сосуде Дьюара 3. Заблаговременная сигнализация позволяет, например, отключить экспериментальную установку, которую обслуживает предлагаемое устройство без срыва эксперимента.
При наличии второго стационарного сосуда Дьюара 3 возможно автоматическое переключение. Наличие двух сосудов Дьюара 3 в предлагаемом устройстве, например, СК-40 и при расходе жидкого азота 10 л/ч позволят довести рабочее время устройства до 8 ч, а возможность заправки пустого сосуда Дьюара 3 во время работы с резервного (второго) дает возможность круглосуточной работы устройства. Заправка сосуда Дьюара 3 производится через заправочный патрубок 8 после отсоединения предохранительного клапана 9. Во время заправки пустого сосуда Дьюара 3 его шариковый клапан 14 закрыт и препятствует прохождению в него жидкого азота из работающего сосуда Дьюара 3.
После окончания работы питание нагревателя 2 отключается, давление в сосуде Дьюара 3 сбрасывается частичным выкручиванием предохранительного клапана 9. В резьбовой части предохранительного клапана 9 ниже фторопластовой прокладки предусмотрено отверстие диаметром 3 мм (не показано). После этого выкручивается и снимается заглушка 11 и вынимается питатель 1. При необходимости производится заправка сосуда Дьюара 3, затем заглушка 11 и предохранительный клапан 9 возвращаются на свои места и закручиваются. Естественного испарения азота 21 достаточно для образования давления поднимающего шарик 14 (открытия шарикового клапана 14). Газообразный азот, проходящий по трубопроводу камеры холода 5, вытесняет из него атмосферный воздух и препятствует образованию конденсата на охлажденных (во время работы) стенках.
Для максимальной выработки жидкого азота 21 в сосуде Дьюара 3 нагреватель 2 и входное отверстие питателя 1 должны располагаться как можно ближе ко дну сосуда Дьюара 3 (0-10 мм). Чтобы дно сосуда не закрывало входное отверстие питателя 1, торцевой срез последнего рекомендуется делать под углом. Нагреватель 2 может располагаться на дне сосуда Дьюара 3. Во избежание перегрева нагревателя 2 и его перегорания датчик 17 уровня располагается на 30-50 мм выше. При автоматическом отключении нагревателя 2 остаточное давление в сосуде Дьюара 3 продолжает вытеснять жидкий азот 21 в камеру холода. Остановка данного процесса определяется остатками жидкого азота 21 (30-50 мм) или временем выхода на рабочее давление подключенного резервного сосуда Дьюара 3. Благодаря остатку жидкого азота 21 (30-50 мм) переходной процесс происходит практически без изменения температуры в камере холода.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое стационарное устройство для подачи хладагента в камеру холода обеспечивает следующий технический результат:
обеспечение непрерывного режима работы в течение длительного времени с большим расходом жидкого азота (10 л/ч);
заблаговременная сигнализация окончания азота в работающем сосуде Дьюара;
при использовании в устройстве двух (равнозначных) сосудов Дьюара обеспечение возможности автоматического переключения с пустого сосуда Дьюара на полный;
заправка жидким азотом пустого сосуда Дьюара во время работы с резервного;
осуществление продувки трубопровода камеры холода после окончания работы с целью исключения образования в нем конденсата из атмосферы.