КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к криогенной технике и может быть использована для охлаждения приемников инфракрасного излучения, лазеров, элементов радиоэлектронной аппаратуры и других объектов.
В технике известны различные криогенные системы, использующие как теплоту фазового перехода (испарительные системы), так и дросселирование. Например, в монографиях «Автономные криорефрижераторы малой мощности» (М.Ю.Боярский, А.Б.Грачев, Н.В.Калинин. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.) и «Микрокриогенная техника» (А.К.Грезин, В.С.Зиновьев. М., Машиностроение, 1977 г.) описаны подобные криогенные системы.
Для испарительных систем в качестве сосуда, содержащего криоагент в сжиженном состоянии, используются термосы и криогенные емкости низкого давления (до 0,5 МПа), а для дроссельных систем рабочее тело в газообразном состоянии содержится в баллонах высокого давления (до 60 МПа).
Недостатками известных систем являются: потери низкопотенциального тепла, невозможность длительного хранения криоагента без дренажа (испарительные системы); применение массивных высокопрочных баллонов, обеспечивающих высокое давление и значительный расход сжатого газа (дроссельные системы).
В (А.с. №966448 «Разомкнутая система охлаждения» (МПК F 25 В 9/02, опубл. БИ №38, 1982 г.), выбранном в качестве прототипа, представлена система охлаждения, содержащая баллон высокого давления, внутри которого находится емкость переменного объема, например, складывающийся сильфон, а полость между емкостью и внутренними стенками баллона заполняется другим компонентом, охладитель с дросселем и теплообменником-регенератором, трубопроводы и запорно-регулирующую арматуру.
Недостатками этой системы являются непредусмотренность использования рабочего тела в криогенно-жидком состоянии и невозможность использования теплоты фазового перехода.
Поставлена задача - разработать систему охлаждения с повышенной эффективностью, увеличенным временем работы и уменьшенным временем заправки.
Поставленная задача решается за счет того, что камера охладителя снабжена испарительной камерой охлаждения, емкость переменного объема помещена в теплоизолированный сосуд, внутренняя полость которого посредством трубопровода соединена через регулируемый вентиль с входом испарительной камеры охлаждения, выход из которой трубопроводом с запорным вентилем сообщен с газовой полостью баллона, а сама газовая полость через управляемый вентиль и трубопроводы соединена с охладителем.
К трубопроводу криогенной заправки сильфона подсоединена дополнительная магистраль, которая через регулирующий вентиль-клапан и газификатор сообщается с газовой полостью баллона, снабженной дренажным и предохранительным клапанами.
Соотношение объемов внутренней полости сильфона в растянутом состоянии при заполнении его криогенной жидкостью и общего объема баллона, включая внутренний объем сильфона в сложенном состоянии, таково, что при полной газификации криогенного компонента и его прогреве до максимально допустимой температуры давление в баллоне не превышает максимально допустимого значения.
Технический результат совокупности существенных признаков предложенного изобретения состоит в обеспечении возможности заправки и работы системы как при использовании сжиженного, так и газообразного криоагента, что делает систему универсальной, а при заправке сжиженным компонентом уменьшает время и снижает энергетические затраты процесса заправки, причем при работе системы существенно увеличивается время ее активного функционирования.
Важным для эксплуатации (по сравнению с обычной баллонной дроссельной системой) является то обстоятельство, что при наличии жидкой фазы во внутреннем сосуде баллона давление в баллоне будет значительно ниже максимального значения. Это означает, что при эксплуатации циклы нагружения баллона по давлению могут быть в несколько раз ниже, чем при заправке компримированием, что в свою очередь увеличивает ресурс последнего.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема криогенной системы охлаждения.
Система включает в себя: баллон высокого давления 1, в который помещена емкость изменяемого объема - например, складывающийся мембранный сильфон 2, расположенный внутри теплоизолированного сосуда 3. Внутренняя полость сильфона соединена трубкой 4 с заправочно-выпускным вентилем 5, а полость снаружи сильфона, являющаяся внутренней полостью теплоизолированного сосуда 3, сообщена с газовой полостью 6, образованной наружными стенками теплоизолированного сосуда 3 и внутренней поверхностью баллона 1, через отверстия 7. Заправочно-выпускной вентиль 5 соединен трубопроводом с регулируемым вентилем 8, который своим выходом сообщен с испарительной камерой 9 охладителя 10, причем выход испарительной камеры через теплообменник-подогреватель 11 и запорный вентиль 12 соединен трубопроводом с газовой полостью 6 баллона 1, в свою очередь газовая полость 6 баллона 1 трубопроводом соединена через управляемый вентиль 13 с захолаживаемым контуром теплообменника-регенератора 14, входящим в состав охладителя 10. Выход захолаживающего контура теплообменника-регенератора 14 снабжен дросселем 15, который расположен в камере 16 охладителя 10, выполненной в одном корпусе с испарительной камерой 9, причем полость камеры 16 соединена с входом захолаживающего контура теплообменника-регенератора 14, а выход захолаживающего контура теплообменника-регенератора 14 через дренажный клапан 17 сообщен с внешней средой.
Кроме указанных элементов, обеспечивающих работу охладителя 10, на баллоне установлены: запорно-регулирующий вентиль 18, соединенный своим входом с заправочным штуцером 19 для криогенной заправки баллона, а выходом - с газификатором 20, который далее сообщен трубопроводом с газовой полостью 6 баллона 1, а сама газовая полость 6 сообщается с атмосферой через дренажный вентиль 21 и предохранительный клапан 22 максимального давления.
Работа криогенной системы охлаждения осуществляется следующим образом.
При открытии вентиля 5 криогенная жидкость под давлением упругих сил сильфона вытесняется по трубопроводу через регулируемый вентиль 8 в испарительную камеру 9, где при постоянной температуре фазового перехода происходит подвод тепла от охлаждаемого объекта. В газообразном состоянии при низкой температуре хладагент поступает в теплообменник-подогреватель 11, находящийся на корпусе охладителя 10, при этом в результате захолаживания корпуса охладителя 10 и за счет внешних теплопритоков при прохождении по трубопроводу газ подогревается и поступает в газовую полость 6 баллона 1 при температуре, соответствующей минимально допустимому уровню температуры стенки баллона.
Давление в газовой полости баллона и давление криогенной жидкости во всем контуре начинает расти, причем оно воздействует и на сильфон. Однако давление внутри сильфона в любой момент времени независимо от общего уровня давления в баллоне будет больше вследствие действия упругих сил сильфона. Следует отметить, что собственная упругость сильфона подбирается таким образом, чтобы за время всего процесса вытеснения криогенной жидкости давление вытеснения было больше или равным общему гидравлическому сопротивлению жидкостного контура.
После выработки жидкой фазы и полном складывании сильфона 2 вентили 8 и 12 перекрываются, открывается вентиль 13, в результате чего хладагент в газообразном состоянии поступает из баллона в захолаживающий
контур (прямой поток) теплообменника-регенератора 14, на выходе из которого после дросселирования газ частично сжижается и в процессе испарения в камере 16 отводит тепло от объекта охлаждения и в газообразном состоянии при температуре термостатирования направляется в захолаживаемый контур (обратный поток) теплообменника-регенератора 14, где захолаживает газ, входящий в теплообменник, после чего через дренажный клапан 17 выбрасывается в окружающую среду.
Заправка баллона криогенной жидкостью осуществляется при отсоединенном охладителе. Криоагент нагнетается через открытый вентиль 5 во внутреннюю полость сильфона 2, при этом последний растягивается и давление в газовой полости возрастает. Для устранения этого явления газовая полость сообщается с окружающей средой (или системой вакуумирования) через открытый дренажный вентиль 21.
Заправка баллона компримированием осуществляется через штуцер 23, при этом сильфон находится в сложенном состоянии, давление газа внутри него и в газовой полости баллона одинаково за счет открытия вентиля 18 и сообщения их полостей.
При хранении баллона в криогенно-заправленном состоянии за счет теплопритоков извне жидкость может испаряться и давление внутри сильфона, а также в газовой полости меняется, причем перепад давления может привести к потере устойчивости сильфона (он растянут) или к его разрушению. С целью предотвращения этой ситуации хранение баллона осуществляется при открытом и настроенном на определенный перепад давления запорно-регулирующем вентиле 18. При давлении жидкости в сильфоне, превышающем максимально допустимый уровень, запорно-регулирующий вентиль 18 перепускает порцию жидкости (или газа) через газификатор 20 в газовую полость 6 баллона 1 и давление выравнивается, либо перепад устанавливается в пределах настройки вентиля 18.