Способ понижения температуры охлаждаемого объекта гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком
METHOD FOR LOWERING TEMPERATURE OF A COOLED OBJECT USING HELIUM REFRIGERATOR WITH AN EXCESS REVERSE FLOW

Настоящее изобретение относится к криогенной технике, а более конкретно к гелиевым рефрижераторам с избыточным обратным потоком и может быть преимущественно использовано для испытания/исследования электрофизических устройств при гелиевых температурах (~4,5 К).
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.
Известный способ осуществляется следующим образом: в стационарном режиме охлаждения прямой поток сжатого гелия с относительным расходом, равным 1, охлаждается в теплообменнике, затем дросселируется в вентиле и поступает в виде холодного потока гелия при Т≈4,4 К в каналы охлаждаемого объекта. В сборник рефрижератора через вентиль также поступает жидкий гелий с относительным расходом у<1.
Пары от парожидкостного потока и испаряющегося от тепловой нагрузки q жидкого гелия с общим относительным расходом 1+у поступают в канал обратного потока теплообменника. Таким образом, расход обратного потока превосходит расход прямого потока на величину у, вследствие чего достигается положительный эффект Джоуля-Томсона на дроссельном вентиле, обеспечивающий производство холодопроизводительности q. Температура производимого холода равна температуре кипения жидкого гелия в сборнике рефрижератора и, как правило, равна примерно 4,4 К, так как давление гелия на входе в компрессор равно атмосферному давлению, примерно 1 бар абс.
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).
Перед стационарным режимом охлаждения при Т≈4,4 К температуру объекта необходимо понизить с температуры окружающей среды до 4,4 К. Если объект имеет специальные демпфирующие устройства, исключающие возникновения критических термических усилий в конструкции, то понижение температуры объекта достигается подачей жидкого гелия непосредственно на вход объекта.
Если по каким-либо причинам в охлаждаемом объекте нет демпфирующих устройств, то понижение его температуры производится потоком гелия, температура которого изменяется по закону, исключающему возникновения критических механических напряжений в конструкции объекта. (А. Агеев и др. Криогенные аспекты сверхпроводящего квадрупольного магнита FFS. Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения: Третья международная научно-практическая конференция (Москва, 19-20 ноября 2019 г), материалы конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. Стр. 26-33).
Недостатком известного способа для получения гелиевого потока с заданным законом изменения температуры является использование дополнительного дорогостоящего криогенного оборудования, в котором смешиваются потоки газообразного и жидкого гелия. Как правило, такое оборудование серийно не выпускается.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является нахождение такого способа работы гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, при котором бы этот гелиевый рефрижератор обеспечивал понижение температуры охлаждаемого объекта по заданному закону изменения температуры, исключающему появление в объекте критических механических напряжений без привлечения дополнительного криогенного оборудования.
Техническим результатом настоящего изобретения является возможность понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до 4,4 К непосредственно гелиевым рефрижератором с избыточным обратным потоком.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в режиме понижения температуры гелий после охлаждаемого объекта через атмосферный теплообменник подается непосредственно на вход компрессора рефрижератора, а температура на входе охлаждаемого объекта регулируются количеством жидкого гелия, подаваемого в сборник рефрижератора с избыточным обратным потоком.
Во время процесса понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до ~5 К гелий из охлаждаемого объекта с относительным расходом, равным 1, направляется в атмосферный теплообменник, где за счет атмосферного тепла нагревается до температуры окружающей среды и после атмосферного теплообменника направляется непосредственно на вход компрессора. Жидкий гелий с относительным расходом у через вентиль поступает в сборник рефрижератора, где за счет теплового контакта с теплообменником сборника испаряется и в газообразном состоянии поступает в рефрижераторный теплообменник.
После компрессора поток гелия с относительным расходом, равным 1, охлаждается в теплообменниках рефрижератора до заданной температуры гелия на входе в охлаждаемый объект Ti. Закон изменения температуры Ti от температуры на выходе из охлаждаемого объекта То задается уравнением Ti=f(To), полученным из анализа механических напряжений в объекте при его охлаждении от температуры окружающей среды до значения ~5 К. Значение температуры Ti, равной заданной, достигается подачей необходимого количества жидкого гелия в сборник через вентиль: когда температура Ti ниже заданного значения, то вентиль подачи жидкого гелия прикрывается и когда эта температура выше заданного значения, то вентиль приоткрывается. Это регулирование достаточно легко исполняется как в ручном режиме управления, так и в режиме с использованием автоматизированной системы управления. После достижения То значения ~5 К гелиевый рефрижератор работает в стационарном режиме охлаждения объекта при температуре 4,4 К.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 изображена функциональная схема гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, работающим в стационарном режиме охлаждения, когда испытываемый/исследуемый объект 5 уже имеет температуру ~4,4 К. Здесь 1 - компрессор, 2 - теплообменник с каналами прямого m и обратного n потоков, 3 - дроссельный вентиль прямого потока, 4 - сборник жидкого гелия, 5 - охлаждаемый объект, 6 - вентиль подачи жидкого гелия, 7 - теплообменник сборника, L - уровнемер жидкого гелия, Ti и То - соответственно входная и выходная температуры охлаждаемого объекта. Относительный расход прямого потока равен 1, относительный расход жидкого гелия равен у, относительный расход обратного потока равен 1+у, количества тепла, отводимое от охлаждаемого объекта равно q.
На фиг. 2 изображена функциональная схема гелиевого рефрижератора с избыточным обратным потоком, с помощью которой реализуется заявляемый способ понижения температуры охлаждаемого объекта от температуры окружающей среды до гелиевой температуры ~5 К. Здесь 1 - компрессор, 2 - теплообменник с каналами прямого m и обратного n потоков, 3 - дроссельный вентиль прямого потока, 4 - сборник жидкого гелия, 5 - охлаждаемый объект, 6 - вентиль подачи жидкого гелия, 7 - теплообменник сборника, 8 - атмосферный теплообменник, L - уровнемер жидкого гелия, Ti и То - соответственно входная и выходная температуры потока гелия охлаждаемого объекта. Относительный расход прямого потока равен 1, относительный расход жидкого гелия равен у, относительный расход обратного потока равен у, относительный расход через атмосферный теплообменник равен 1.
В Институте физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» создана криогенная установка для испытания/исследования различных электрофизических устройств при гелиевых температурах. Эта установка позволяет «собирать» различные конфигурации рефрижераторов с избыточным обратным потоком, в том числе и конфигурацию, изображенную на фиг. 2 описания изобретения. На этой установке в процессе наладочных пусков 26.11.2019, 02.12.2020 и 07.12.2021 было успешно осуществлено охлаждение объекта по закону Ti=f(To) (фиг. 3), полученному для создаваемого сверхпроводящего квадрупольного магнита FFS.