КРИОСТАТ
CRYOSTAT

Изобретение относится к устройствам для охлаждения с применением сжиженных газов и может быть использовано при проведении низкотемпературных исследований в следующих областях: физика низких температур, электрические и магнитные измерения, биофизика, медицина.
Известна конструкция криостата, состоящая из двух стеклянных цилиндрических сосудов Дьюара, вложенных один в другой [RU 2304745 С1, кл. F25D 3/10, F17C 3/00, опубл. 20.08.2007]. В верхней части внутреннего сосуда Дьюара имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края наружного сосуда Дьюара.
Недостаток данной конструкции состоит в появлении высоких механических напряжений в месте сочленения патрубка и сосуда Дьюара в ходе подсоединения криостата к вакуумной системе, что может приводить к поломке сосуда Дьюара.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция криостата, содержащая наружный и внутренний стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара, капку, уплотнительные (распорные) кольца, амортизирующие прокладки [SU 1666840 А 1, кл. F17C 3/00, F25D 3/10, опубл. 30.07.1991]. Внутренний сосуд Дьюара состоит из наружной и внутренней оболочек. Для обеспечения тепловой развязки между криоагентами пространство между оболочками герметизируется с помощью уплотнительных колец, а затем откачивается вакуум-насосом.
Недостаток данной конструкции состоит в нарушении теплоизоляции между оболочками внутреннего сосуда Дьюара, которое происходит из-за потери эластичности внутренних уплотнительного кольца и амортизирующей прокладки вследствие переохлаждения парами исследуемой криогенной жидкости во время заливки, последующей разгерметизации пространства между оболочками и натекания между ними паров криогенной жидкости.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, эксплуатационных характеристик криостата для низкотемпературных исследований.
Технический результат достигается тем, что в криостате, содержащем наружный и внутренний стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара, капку, уплотнительные кольца и амортизирующую прокладку, новым является то, что внутренний сосуд Дьюара выполнен в виде жесткой неразборной конструкции с отверстием во внешней стенке, капка состоит из трех расположенных друг над другом цилиндрических частей, имеющих внутренние фаски, средняя часть капки имеет сквозной боковой канал с патрубком, уплотнительные кольца выполнены с внешними фасками, охватывают внешнюю стенку внутреннего сосуда Дьюара, причем первое уплотнительное кольцо расположено ниже, а второе - выше отверстия во внешней стенке, и примыкают своими фасками к фаскам частей капки, первое уплотнительное кольцо - к нижней и средней частям, а второе - к средней и верхней частям капки, амортизирующая прокладка расположена между верхним торцом внутреннего сосуда Дьюара и верхней частью капки, вакуумноплотное соединение внутреннего сосуда Дьюара с капкой обеспечивается путем стягивания между собой верхней и нижней частей капки с помощью промышленных метизов.
Перечисленные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется с помощью графических материалов. На фиг.1 изображено устройство криостата. На фиг.2 представлена схема подключения криостата к откачным и газовым коммуникациям.
Криостат состоит из наружного сосуда Дьюара 1, внутреннего сосуда Дьюара 2, капки, состоящей из трех раздельных частей 3-5, уплотнительных колец 6,7, амортизирующей прокладки 8. Сосуды Дьюара 1,2 изготовлены из стекла, имеют цилиндрическую форму и выполнены в виде жестких неразборных конструкций. Поверхности стенок, образующих вакуумное пространство сосудов Дьюара, посеребрены.
У наружного сосуда Дьюара 1 на нижнем торце его внешней стенки имеется технологический отросток 9, оставшийся после отпайки откачного патрубка. Пространство 10 между двойными стенками сосуда Дьюара 1 откачано до высокого вакуума при изготовлении сосуда.
Во внешней стенке 11 внутреннего сосуда Дьюара 2 имеется отверстие 12, через которое перед каждой заливкой в криостат криоагентов - экранирующей криогенной жидкости 13 и рабочей криогенной жидкости 14 - производится откачка пространства 15 между двойными стенками сосуда Дьюара 2 до высокого вакуума. Тем самым обеспечивается высокая степень теплоизоляции между объемами с криогенными жидкостями 13, 14.
Капка криостата состоит из трех расположенных друг над другом цилиндрических частей 3-5, которые имеют внутренние фаски 16-19. В верхней части 3 капки также выполнена выточка 20. Средняя часть 4 капки имеет сквозной боковой канал 21 с патрубком 22, предназначенным для откачки пространства 15. Детали капки изготовлены из коррозионностойкого материала с низкой теплопроводностью.
Уплотнительные кольца 6, 7 изготовлены из эластичного газонепроницаемого материала и выполнены с внешними фасками 23-26. Уплотнительные кольца 6, 7 охватывают внешнюю стенку 11 внутреннего сосуда Дьюара 2. Уплотнительное кольцо 6 расположено ниже отверстия 12 во внешней стенке 11, кольцо 6 примыкает своей фаской 23 к фаске 19 нижней части 5 капки, а фаской 24 к фаске 18 средней части 4 капки. Уплотнительное кольцо 7 расположено выше отверстия 12, кольцо 7 примыкает своей фаской 25 к фаске 17 средней части 4 капки, а фаской 26 к фаске 16 верхней части 3 капки.
Вакуумноплотное соединение внутреннего сосуда Дьюара 2 и капки обеспечивается путем стягивания между собой верхней части 3 и нижней части 5 капки с помощью промышленных метизов 27, расположенных по периметру криостата. Под метизы 27 в частях 3, 5 выполнены соответствующие отверстия. Перед сборкой криостата на уплотнительные кольца 6, 7 наносится вакуумная смазка. При затяжке соединения эластичные уплотнительные кольца 6,7 поджимаются к внешней стенке 11 сосуда Дьюара 2 и частично выдавливается в кольцевые зазоры 28 между элементами конструкции. Тем самым предотвращается возникновение разрушающих внешнюю стенку 11 механических напряжений.
Амортизирующая прокладка 8 изготовлена из материала с низкой твердостью и расположена между верхним торцом 29 внутреннего сосуда Дьюара 2 и верхней частью 3 капки в выточке 20. Прокладка 8 выполняет сразу две функции. Во-первых, сминаясь под воздействием торца 29, она предохраняет торец 29 от возникновения в нем разрушающих механических напряжений. Во-вторых, прокладка 8 препятствует току испаряющейся криогенной жидкости 14 к уплотнительному кольцу 7, защищая тем самым последнее от охлаждения до низкой температуры, при которой происходит отвердевание материала кольца 7 и, как следствие, может происходить разгерметизация вакуумного соединения.
Верхняя часть 3 капки оснащена штуцером 30 для подсоединения криогенной вставки 31, штуцером 32 для подсоединения переливного устройства 33 для криогенных жидкостей и возвратным патрубком 34 (фиг.2).
Работа с криостатом производится следующим образом. Криостат посредством шлангов 35, 36 из вакуумной резины, вакуумных вентилей 37, 38, 39 и тройника 40 подсоединен к вакуумной магистрали 41 и к возвратной магистрали 42. Вакуум-насос 43 через вентиль 44 подключен к вакуумной магистрали 41, а через вентиль 45 соединен с атмосферой. Возвратная магистраль 42 через обратный клапан 46 подключена к газгольдеру 47. К возвратной магистрали 42 через вентиль 48 с помощью шланга 49 подсоединяется транспортный сосуд Дьюара 50 с рабочей криогенной жидкостью. Переливное устройство 33 имеет вентиль 51. Оно одним концом 52 вставляется в криостат во внутренний сосуд Дьюара 2, а другим концом 53 - в транспортный сосуд Дьюара 50. Герметичность соединений достигается уплотнениями в штуцере 32 и в горловине транспортного сосуда Дьюара 50.
Изначально вентили 45, 48 открыты, а все остальные вентили закрыты. После монтажа криостата необходимо из внутреннего сосуда Дьюара 2 удалить воздух и заполнить его парами рабочей криожидкости. Для этого вентиль 45 закрывают, включают вакуум-насос 43 и открывают вентили 44, 38. После откачки вентиль 38 закрывают, затем открывают вентиль 39, при этом внутренний сосуд Дьюара 2 заполняется парами рабочей криогенной жидкости.
Для откачки вакуумного пространства 15 открывают вентиль 37. Откачка производится до высокого вакуума, после чего из транспортного сосуда Дьюара для экранирующей криогенной жидкости в наружный сосуд Дьюара 1 заливают экранирующую криогенную жидкость 13, например, через воронку 54. После этого вентили 37, 44 закрывают, вакуум-насос 43 выключают и открывают вентиль 45 для напуска в насос воздуха.
Далее закрывают вентиль 48, вентиль 51 открывают и по переливному устройству 33 заливают из транспортного сосуда Дьюара 50 рабочую криогенную жидкость 14 во внутренний сосуд Дьюара 2. После заливки вентиль 48 открывают, а вентиль 51 закрывают. Криостат готов к работе. Низкотемпературные физические исследования проводят внутри криогенной вставки 31.
По ходу времени пары криожидкости из криостата, а также из транспортного сосуда Дьюара 50, по возвратной магистрали 42 поступают в газгольдер 47. Обратный клапан 46 предотвращает обратный ток газа. По мере наполнения газгольдера 47 периодически открывают вентиль 55, и через него газ с помощью компрессора закачивают в баллоны высокого давления.
Пример
Наружный сосуд Дьюара 1 имеет внешний диаметр 125 мм, внутренний диаметр 105 мм, длину 600 мм. Внутренний сосуд Дьюара 2 имеет внешний диаметр 80 мм, внутренний диаметр 60 мм, длину 650 мм. Отверстие 12 имеет диаметр 6 мм и выполнено на расстоянии 50 мм от верхнего торца 29. Части 3-5 капки, патрубок 22 изготовлены из нержавеющей стали. Уплотнительные кольца 6,7 изготовлены из вакуумной резины. Фаски 16-19, 23-26 выполнены под углом 45°. Амортизирующая прокладка 8 изготовлена из пенополистирола. В качестве промышленных метизов 27 использованы болты М6 (6 шт.). В качестве экранирующей криогенной жидкости 13 и рабочей криогенной жидкости 14 использованы жидкий азот и жидкий гелий соответственно.
В качестве сосуда Дьюара 50 использован транспортный сосуд Дьюара для жидкого гелия типа СТГ-40, также был задействован транспортный сосуд Дьюара для жидкого азота типа СК-16. В качестве переливного устройства 33 использовано стандартное переливное устройство для жидкого гелия. В качестве вакуум-насоса 43 использован вакуумный пластинчато-роторный насос типа 2НВР-5Д. Использованы сильфонные вакуумные вентили типа Н-Д22/2.
Заявляемое устройство является частью экспериментальной установки, предназначенной для измерения магнитной восприимчивости, - магнитометра со сверхпроводящим квантовым интерферометрическим датчиком. Расход жидкого гелия на одну заливку составляет 4-5 л.