3
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАТА He ИЗ ПРИРОДНОГО ГЕЛИЯ

3
3
Заявляемая полезная модель относится к области получения Не из природного гелия, в частности к получению концентрата Не из природного гелия.
3
3
3
Существующий уровень техники относительно решений, связанных с получением Не сопровождается определенным рядом технических трудностей, обусловленных устареванием существующих технологий, основанных на получении Не как продукта распада трития [Патент на изобретение RU №2225352, МПК С01В 6/00, С01В 23/00 B01D 59/00, дата публикации 10.03.2004; Патент на изобретение RU №2322713, МПК G21F 9/00, G21D 3/08, дата публикации 20.04.2008; Патент на изобретение US №9455056, МПК G21C 19/32, G21C 23/00, G21G 1/00, G21G 1/02, дата публикации 27.09.2016], а также высокими энергозатратами на альтернативные методы, основанные на получении Не из почвы Луны [Патент на изобретение RU №2353775, МПК Е21С 51/00, дата публикации 27.04.2008; Заявка на изобретение US №2002066288, МПК С01В 23/00, дата публикации 06.06.2002; Патент на изобретение RU №2055206, МПК Е21С 51/00, E02F 1/00, Е21С 41/00, дата публикации 27.02.1996].
3
Также из уровня техники известно, что возможно получение Не из природного гелия, путем ректификации. [I.F. Kuzmenko and L.В. Lebedev, "Separation of a 3He-4He mixture by low-temperature rectification," Chem. Pet. Eng., 31,119-122, год публикации 1995].
3
3
3
Из уровня техники известно устройство для получения Не из природного гелия, которое содержит ректификационную колонну, разделенную на верхнюю секцию меньшего диаметра и нижнюю секцию большего диаметра, причем нижняя секция снабжена каналом ввода природного гелия и каналом отвода природного гелия с уменьшенной концентрацией Не, а верхняя секция снабжена каналом отвода концентрата Не. Также ректификационная колонна снабжена конденсатором, расположенным в верхней части нижней секции. [Патент на изобретение US №8671715, МПК F25J 1/00, F25J 3/00, дата публикации 18.03.2014].
3
Недостатком данного решения являются высокие энергозатраты, что обусловлено использованием в качестве сырья природного гелия, концентрация Не в котором составляет 0,00001-0,0002%, что приводит к необходимости многократной ректификации, вследствие чего возрастают удельные энергетические затраты.
3
3
4
3
3
4
Из уровня техники известно устройство для получения концентрата Не, которое содержит криостат, внутри которого расположены две емкости, полости которых соединены между собой фильтром, причем первая емкость соединена с каналом ввода природного гелия и каналом отвода концентрата Не, а вторая емкость соединена с каналом отвода Не и снабжена нагревателем. [А.М. Архаров, В.В. Барышников и др., Низкотемпературный метод повышения концентрации легкого изотопа Не в смеси Не-Не природной концентрации, год публикации 1993]
4
3
Недостатком прототипа является низкая производительность, вследствие ограниченности средств, обеспечивающих большую интенсивность извлечения Не из природного гелия в процессе получения концентрата Не.
3
Техническая задача - повышение производительности устройства для получения концентрата Не.
4
3
Технический результат - повышение интенсивности извлечения Не в процессе получения концентрата Не.
3
3
4
Устройство для получения концентрата Не содержит криостат, внутри которого расположены две емкости, полости которых соединены между собой фильтром, причем первая емкость соединена с каналом ввода природного гелия и каналом отвода концентрата Не, а вторая емкость соединена с каналом отвода Не и снабжена нагревателем. В отличие от прототипа устройство снабжено средством нагнетания давления, оказываемого на фильтр природным гелием.
Средство нагнетания давления, оказываемого на фильтр природным гелием, может быть представлено в виде известных средств, например, в виде криогенного насоса, сопла, канала отвода испарений криоагента с нагнетателем. Криогенный насос может быть расположен в канале ввода природного гелия и обеспечивать повышение скорости перемещения потока жидкого природного гелия по каналу ввода природного гелия. Сопло может быть выполнено на выходе канала ввода природного гелия, обеспечивая повышение выходной скорости потока жидкого природного гелия. Канал отвода испарений криоагента с нагнетателем может быть выполнен на криостате с возможностью его соединения с источником подачи природного гелия для транспортировки испарений криоагента, содержащегося в криостате, в емкость сосуда источника природного гелия, обеспечивая наддув испарений криоагента в сосуд источника подачи природного гелия, что приведет к нагнетанию давления в сосуде и повышению выходного давления, подаваемого в первую емкость природного гелия, причем нагнетатель представляет собой последовательно соединенные вакуумный насос и компрессор.
Также средства нагнетания давления может быть выполнено рядом с источником подачи природного гелия, например, в качестве таких средств может быть использован дополнительный баллон с газообразным природным гелием или нагреватель. Баллон с газообразным природным гелием обеспечит наддув газообразного природного гелия над зеркалом жидкого природного гелия в сосуде источника подачи природного гелия, что приведет к нагнетанию давление в сосуде и повышению выходного давления подаваемого в первую емкость природного гелия. При этом в качестве баллона могут быть использованы известные сосуды под избыточным давлением, предназначенные для транспортировки и хранения газов. Нагреватель обеспечит нагрев и испарение части жидкого природного гелия в источнике подачи природного гелия, что также позволит повысить давление в сосуде и увеличить выходное давление подаваемого в первую емкость природного гелия.
4
Первая и вторая емкости могут иметь различную форму и размеры, но при этом должна обеспечиваться их герметичность, что необходимо для исключения риска утечки сверхтекучего Не в процессе фильтрации.
4
4
2
3
Фильтр выполнен в виде пористого материала, с размерами пор от 0,1 до 20 мкм, что обусловлено характеристикой движения сверхтекучего Не, и снабжен оболочкой, предназначенной для предотвращения взаимодействия фильтруемого материала с окружающей средой. В случае выполнения размера пор меньше, чем 0,1 мкм движение сверхтекучего Не через фильтр будет затруднено, а в случае выполнения пор размером больше, чем 20 мкм через фильтр будут проходить другие вещества, содержащиеся в природном гелии. Фильтр может быть выполнен из спрессованного угля, спеченной оксидной пудры AlO или SiC. Фильтр расположен между первой и второй емкостями, тем самым, образуя соединение между ними и обеспечивая возможность перетекания фильтруемого материала.
Нагреватель расположен во второй емкости и предназначен для ее нагрева, что необходимо для возникновения термомеханического эффекта. Нагреватель может быть выполнен в виде любого известного элемента сопротивления, например, трубчатого электронагревателя, высокоомной спирали, нагревательного кабеля.
3
4
Криостат исполняет роль корпуса устройства для получения концентрата Не, и выполнен с возможностью поддержания температуры достаточной для перехода Не в сверхтекучее состояние. В качестве него могут быть использованы криостаты с известными криоагентами и средствами охлаждения, например, в качестве криоагента может быть использован гелий, а в качестве средств охлаждения криостата может быть использован магнитный рефрижератор, каскад холодных вакуумных нагнетателей или средства, обеспечивающие вакуумную откачку паров насыщенной жидкости.
3
Источник природного гелия может быть выполнен в виде известных устройств, предназначенных для хранения и транспортировки криогенных жидкостей и газов. Возможно выполнение источника природного гелия в виде сосуда Дьюара, либо в виде комплекса устройств, состоящего из баллонов с газообразным природным гелием и ожижителя. При этом во время работы устройства для получения концентрата Не источник природного гелия соединен с каналом ввода природного гелия, что необходимо для подачи природного гелия в устройство.
4
3
3
Заявляемая полезная модель обладает новым отличительным существенным признаком, который заключается в том, что устройство снабжено средством нагнетания давления, оказываемого на фильтр природным гелием. Это приводит к возникновению механокалорического эффекта, что позволяет ускорить процесс разделения природного гелия, ввиду более интенсивного введения природного гелия в фильтр, а также его перемещения в нем, что обеспечивает достижение технического результата, который заключается в повышении интенсивности извлечения Не в процессе получения концентрата Не, благодаря чему повышается производительность устройства для получения концентрата Не.
Наличие нового отличительного существенного признака свидетельствует о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемая полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами:
3
Фиг. 1 - Устройство для получения концентрата Не, которое в качестве средства нагнетания давления снабжено криогенным насосом.
3
Фиг. 2 - Устройство для получения концентрата Не, которое в качестве средства нагнетания давления снабжено каналом отвода испарений криоагента с нагнетателем.
3
3
4
Устройство для получения концентрата Не содержит криостат 1, внутри которого расположены две емкости, полости которых соединены между собой фильтром 2, причем первая емкость 3 соединена с каналом 4 ввода природного гелия и каналом 5 отвода концентрата Не, а вторая емкость 6 соединена с каналом 7 отвода Не и снабжена нагревателем 8, причем устройство снабжено средством 9 нагнетания давления.
Полезная модель работает следующим образом.
4
В первую емкость 3 подают природный гелий по каналу 4 ввода природного гелия, причем средство 9 нагнетания давления обеспечивает повышение давления, оказываемого на фильтр 2 природным гелием. Во второй емкости 6 производят нагрев при помощи нагревателя 8. Совокупное повышение давления, оказываемого на фильтр 2 природным гелием, с повышением температуры во второй емкости 6, приводит к перетеканию сверхтекучего Не через фильтр 2 из первой емкости 3 во вторую емкость 6.
4
4
3
3
В процессе работы устройства производят постоянную подачу природного гелия по каналу 4 ввода природного гелия, откачку Не из второй емкости 6 по каналу 7 отвода Не, а также отбор концентрата Не из первой емкости 3 по каналу 5 отвода концентрата Не.