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 гелиевого криостата, который имеет азотную рубашку и общий вакуумный объем. Гелиевый резервуар криостата соединяется со съемным гелиевым стаканом посредством шлифа, смазываемого вакуумной смазкой [Кулаков В.В. Оптический стеклянный гелиевый криостат. - Приборы и техника эксперимента, 1976, №6, с.187-188].
Недостатком данной конструкции является ненадежность указанного соединения, высокие механические напряжения в нем. Что может приводить как к утечке гелия в атмосферу, так и к разрушению криостата.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция криостата, состоящая из стеклянных цилиндрических сосудов Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия [RU 2304745 С1, кл. F25D 3/10, F17C 3/00, опубл. 20.08.2007]. Сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток. В верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота.
Недостаток данной конструкции заключается в том, что гелий испаряется в атмосферу и безвозвратно теряется, при том что гелий является весьма дорогостоящим криоагентом.
Техническим результатом изобретения является экономия криогенных ресурсов, повышение эксплуатационных характеристик криостата для низкотемпературных исследований в интервале температур от гелиевой до комнатной.
Технический результат достигается тем, что в криостате, содержащем стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия, причем сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток, а в верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота, новым является то, что он содержит капку, которая оснащена штуцером для подсоединения криогенной вставки, штуцером для подсоединения переливного устройства для жидкого гелия и патрубком для возврата газообразного гелия, уплотнительное кольцо, фланец и амортизационную прокладку, причем капка и фланец изготовлены из коррозионностойкого металла либо сплава с низкой теплопроводностью, в капке выполнены две выточки, во фланце выполнена выточка, уплотнительное кольцо изготовлено из эластичного газонепроницаемого материала, расположено между капкой и фланцем, частично заходя в первую выточку капки и выточку фланца, и охватывает внешнюю стенку сосуда Дьюара для жидкого гелия выше патрубка, при этом посадка выполнена с натягом, амортизационная прокладка изготовлена из материала с низкой твердостью, расположена между верхним торцом сосуда Дьюара для жидкого гелия и капкой во второй выточке последней, вакуумно-плотное соединение сосуда Дьюара для жидкого гелия с капкой обеспечивается путем стягивания между собой капки и фланца.
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 чертежей. На фиг.1 представлено устройство криостата. На фиг.2 дана схема подключения криостата к откачным и газовым коммуникациям.
Криостат состоит из сосуда Дьюара 1 для жидкого азота, сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия, капки 3, уплотнительного кольца 4, фланца 5, амортизационной прокладки 6. Сосуды Дьюара 1, 2 изготовлены из стекла и имеют цилиндрическую форму. Поверхности стенок, образующих вакуумное пространство сосудов Дьюара, посеребрены. Сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия размещен внутри сосуда Дьюара 1 для жидкого азота.
У сосуда Дьюара 1 на нижнем торце его внешней стенки имеется технологический отросток 7, оставшийся после отпайки откачного патрубка. Пространство 8 между двойными стенками сосуда Дьюара 1 откачано до высокого вакуума при изготовлении сосуда.
В верхней части сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок 9, который припаян к внешней стенке 10 выше верхнего края сосуда Дьюара 1 для жидкого азота. Через патрубок 9 перед каждой заливкой в криостат криоагентов - жидкого азота 11 и жидкого гелия 12 - производится откачка пространства 13 между двойными стенками сосуда Дьюара 2 до высокого вакуума. Тем самым обеспечивается высокая степень теплоизоляции между азотным экраном и объемом с жидким гелием.
Капка 3 и фланец 5 изготовлены из коррозионностойкого материала с низкой теплопроводностью, в частности из нержавеющей стали. В капке 3 выполнены выточки 14, 15, а во фланце 5 выполнена выточка 16. Уплотнительное кольцо 4 расположено между капкой 3 и фланцем 5, частично заходя в выточки 14, 16, и охватывает внешнюю стенку 10 сосуда Дьюара 2 выше патрубка 9. Уплотнительное кольцо 4 изготовлено из эластичного газонепроницаемого материала, в частности из вакуумной резины. Внутренний диаметр уплотнительного кольца 4 выполняется несколько меньшим, чем внешний диаметр сосуда Дьюара 2, для того чтобы обеспечить натяг соединения и соответственно надежное вакуумное уплотнение.
Вакуумно-плотное соединение сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия с капкой 3 обеспечивается путем стягивания между собой капки 3 и фланца 5, например, с помощью винтов 17, под которые в деталях 3, 5 предусмотрены соответствующие отверстия. Перед сборкой криостата на уплотнительное кольцо 4 наносится вакуумная смазка. При затяжке соединения эластичное уплотнительное кольцо 4 частично выдавливается в кольцевые зазоры 18 между элементами конструкции. Тем самым предотвращается возникновение разрушающих внешнюю стенку 10 механических напряжений.
Амортизационная прокладка 6 изготовлена из материала с низкой твердостью, в частности из пенополистирола, и расположена между верхним торцом 19 сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия и капкой 3 в выточке 15. Прокладка 6 выполняет сразу две функции. Во-первых, сминаясь под воздействием торца 19, она предохраняет торец 19 от возникновения в нем разрушающих механических напряжений. Во-вторых, прокладка 6 препятствует току испаряющегося гелия 12 к уплотнительному кольцу 4, защищая последнее тем самым от охлаждения до низкой температуры, при которой происходит отвердевание материала кольца 4 и, как следствие, может происходить разгерметизация вакуумного соединения.
Капка 3 криостата оснащена штуцером 20 для подсоединения криогенной вставки 21, штуцером 22 для подсоединения переливного устройства 23 для жидкого гелия и патрубком 24 для возврата газообразного гелия (фиг.2).
Работа с криостатом производится следующим образом. Криостат посредством шлангов 25, 26 из вакуумной резины, вакуумных вентилей 27, 28, 29 и тройника 30 подсоединен к вакуумной магистрали 31 и к возвратной магистрали 32. Вакуумный насос 33 через вентиль 34 подключен к вакуумной магистрали 31, а через вентиль 35 соединен с атмосферой. Возвратная магистраль 32 через обратный клапан 36 подключена к газгольдеру 37. К возвратной магистрали 32 через вентиль 38 с помощью шланга 39 подсоединяется транспортный сосуд Дьюара 40 для жидкого гелия. Переливное устройство 23 для жидкого гелия имеет вентиль 41. Оно одним концом 42 вставляется в криостат в сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия, а другим концом 43 - в транспортный сосуд Дьюара 40. Герметичность соединений достигается уплотнениями в штуцере 22 и в горловине транспортного сосуда Дьюара 40.
Изначально вентили 35, 38 открыты, а все остальные вентили закрыты. После монтажа криостата необходимо из сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия удалить воздух и заполнить его газообразным гелием. Для этого вентиль 35 закрывают, включают вакуумный насос 33 и открывают вентили 34, 28. После откачки вентиль 28 закрывают, затем открывают вентиль 29, при этом сосуд Дьюара 2 заполняется газообразным гелием.
Для откачки вакуумного пространства 13 открывают вентиль 27. Откачка производится до высокого вакуума, после чего из транспортного сосуда Дьюара для жидкого азота в сосуд Дьюара 1 заливают жидкий азот, например, через воронку 44. После этого вентили 27, 34 закрывают, насос 33 выключают и открывают вентиль 35 для напуска в насос воздуха.
Далее закрывают вентиль 38, вентиль 41 открывают и заливают из транспортного сосуда Дьюара 40 жидкий гелий в сосуд Дьюара 2. После заливки вентиль 38 открывают, а вентиль 41 закрывают. Криостат готов к работе. Низкотемпературные физические исследования проводят внутри криогенной вставки 21.
По ходу времени испарившийся гелий из криостата, а также из транспортного сосуда Дьюара 40 по возвратной магистрали 32 поступает в газгольдер 37. Обратный клапан 36 предотвращает обратный ток гелия. По мере наполнения газгольдера 37 периодически открывают вентиль 45, и через него гелий с помощью компрессора закачивают в баллоны высокого давления.
Пример
Сосуд Дьюара 1 для жидкого азота имеет внешний диаметр 125 мм, внутренний диаметр 105 мм, длину 600 мм. Сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия имеет внешний диаметр 80 мм, внутренний диаметр 60 мм, длину 650 мм. Использованы транспортный сосуд Дьюара для жидкого азота типа АСД-15, транспортный сосуд Дьюара для жидкого гелия типа СТТ-40, стандартное переливное устройство для жидкого гелия, вакуумный пластинчато-роторный насос типа 2НВР-5Д, сильфонные вакуумные вентили типа Н-Д22/2.
Заявляемое устройство является частью экспериментальной установки, предназначенной для измерения магнитной восприимчивости. Расход жидкого гелия на одну заливку составляет 4-5 л.