КРИОСТАТ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ПРИ ЗАДАННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ МАССИВНЫХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к криогенной технике, а именно к криостатным устройствам и может быть использована для охлаждения и поддержания при низкой температуре устройств с массой более одной тонны, например, детекторов элементарных частиц на жидких благородных газах.
Известны криогенные сосуды, состоящие из внутреннего сосуда и внешнего сосуда (кожуха), между которыми находится вакуум в качестве изоляции. Как правило, внутренний сосуд закреплен внутри кожуха при помощи подвесных цепей (патент RU 2338118, 10.11.2008). Недостатком устройства известной конструкции является то, что внутренний сосуд контактирует с внешним кожухом через металлические элементы, обладающие высокой теплопроводностью, что резко ухудшает качество теплоизоляции между сосудами.
Наиболее близким по техническим характеристикам (прототипом) является криостат, состоящий из внутреннего сосуда и внешнего кожуха, соединенных друг с другом тепловыми опорами (патент RU 2021555, 15.10.1994). Опора представляет собой кольцо и стеклопластиковые стяжки, расположенные тангенциально относительно этого кольца и под углом к плоскости опоры. Каждая пара стяжек, расположенная под углом одна к другой, одними концами закреплена на общих осях, а другими поочередно, с помощью шарниров - на внешнем кожухе и внутренней емкости. Стяжки расположены равномерно по окружности, а общие оси установлены на опорном кольце с возможностью радиального перемещения, при этом опорное кольцо расположено между внешним кожухом и внутренним сосудом.
К недостаткам данного устройства относится низкая прочность крепления, вызванная тем, что стеклопластиковые стяжки находятся в постоянном напряжении при растяжении под весом криостатируемого устройства, а также существенный тепловой поток между внутренним сосудом и внешним кожухом из-за значительного общего сечения фиксирующих стяжек.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в уменьшении теплового потока с одновременным увеличением прочности крепления.
Для реализации указанного технического результата предложен криостат, состоящий из внешнего кожуха и внутреннего сосуда, между которыми находится вакуум в качестве изоляции, и жестко соединенных между собой как минимум двумя тепловыми опорами, при этом каждая из тепловых опор состоит из двух металлических П-образных кронштейнов и теплоизоляционного стержня, причем кронштейны расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом один из них соединен с крышкой внешнего кожуха, а второй соединен с крышкой внутреннего сосуда, а стержень вертикально закреплен между кронштейнами вдоль оси симметрии, кроме того оба конца стержня находятся в зажимах, соединенных с обоими кронштейнами.
В частности, теплоизоляционный стержень может иметь цилиндрическую форму, как наиболее простую для реализации.
Кроме того, теплоизоляционный стержень может быть изготовлен из полиимидного пластика с коэффициентом теплопроводности не более 0,35 Вт/м×К, обладающим высокой прочностью при работе на сжатие и легко поддающимся механической обработке.
В предложенной конструкции внутренний криогенный сосуд контактирует с внешним кожухом только через теплоизоляционный стержень, что позволяет уменьшить тепловой поток между внешним кожухом и внутренним сосудом. Статическая нагрузка внутреннего сосуда с помещенным в него массивным устройством передается на поддерживающий теплоизоляционный стержень, таким образом работающим на сжатие, что значительно увеличивает прочность крепления.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 представлен пример конкретной реализации предлагаемого устройства. На фиг. 1 изображен криостат для охлаждения и поддержания при заданной температуре массивных устройств, общий вид; на фиг. 2 - узел А на фиг. 1, представляющий собой тепловую опору; на фиг. 3 - разрез узла А по В-В на фиг. 2.
Устройство, представленное на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, состоит из внутреннего сосуда 1 и внешнего кожуха 2, соединенных одной из тепловых опор 3. Тепловая опора состоит из кронштейнов 4 и 5, которые соответственно крепятся к крышке внешнего кожуха криостата 6 и верхней крышке внутреннего сосуда 7, и цилиндрического теплоизоляционного стержня 8, изготовленного из полиимидного пластика, который с одной стороны закреплен в зажиме 9 и соединен с кронштейном 4, а с другой стороны закреплен в зажиме 10 и соединен с кронштейном 5.
Устройство работает следующим образом.
Массивное охлаждаемое устройство помещается во внутренний сосуд 1 криостата и охлаждается до заданной температуры. Основной тепловой поток от внешнего кожуха 2 к внутреннему сосуду 1 проходит через теплоизоляционный стержень 8. Количество переданной теплоты от внешнего кожуха 2 к внутреннему сосуду 1 значительно понижено вследствие высокого термического сопротивления теплоизоляционного стержня 8. Статическая нагрузка внутреннего сосуда 1 с массивным устройством передается на крышку внешнего кожуха 6 через стержень 8, работающий на сжатие.
Таким образом, полезная модель позволяет уменьшить тепловой поток с одновременным увеличением прочности крепления, что особенно важно для охлаждения и поддержания при заданной низкой температуре массивных устройств.