РЕВЕРСИВНЫЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ НАСОС ДЛЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ
REVERSIBLE THERMOMECHANICAL PUMP FOR SUPERFLUID HELIUM

Изобретение относится к области криогенной техники, конкретно к устройствам для подачи и откачки сверхтекучего гелия, и может найти применение как при проведении физических экспериментов, так и в практических целях, требующих управления направлением и скоростью подачи сверхтекучего гелия для охлаждения детекторов, нагревателей, оперативным управлением работой испарителей.
Известны конструкции термомеханических насосов (thermomechanical pump или fountain pump в англоязычной литературе) для сверхтекучего гелия, представляющие собой трубку-капилляр и нагреватель, находящийся внутри заполняемой емкости [С.М.Lyneis, М.S.McAshan, H.A.Schwettman, High Energy Physics Laboratory Report, 1968, P.52-58; G.L.Mills; A.R.Urbach, Performance of a thermomechanical pump. Cryogenics, V.30, 1990, P.206-210]. Особенностями таких насосов является отсутствие движущихся механических частей и работы исключительно при температурах ниже 2.17 К (только со сверхтекучим гелием).
Принцип действия известного термомеханического насоса для сверхтекучего гелия основан на термомеханическом эффекте возникновения потока сверхтекучего гелия через узкие щели или капилляры под влиянием разности температур (на концах капилляра) [J.F.Alien, H.Jones, Nature, V.141, 1938, Р.243-244]: в сверхтекучей жидкости возникает разность давлений, обусловленная разностью температур, и происходит выравнивание концентрации сверхтекучей компоненты, свободно протекающей через щель в направлении нагретой части жидкости. В то же время поток нормальной компоненты в обратном направлении невозможен из-за проявления сил вязкости в узкой щели.
К недостаткам конструкции известных термомеханических насосов для сверхтекучего гелия следует отнести однонаправленность переноса гелия (в сторону заполняемой емкости) и сложность реализации герметичного ввода электрических проводов нагревателя во внутренний объем насоса при температурах ~1 К, принимая во внимание сверхтекучесть гелия-4. Кроме того, ряд конструкций термомеханического насоса предполагает использование стеклянных деталей, что делает такие насосы не пригодными для ремонта (со временем порошок с размером частиц порядка 1-15 мкм, несмотря на использование специальных фильтров, вымывается, что приводит к понижению эффективности работы насоса, а затем и выходу насоса из строя).
Техническим результатом изобретения является устранение недостатков известных технических решений путем упрощения конструкции нагревателя и реализации возможности управления скоростью и направлением потока сверхтекучего гелия через насос - реверсивности.
Указанный технический результат достигается за счет использования двух нагревательных элементов, располагающихся снаружи металлической трубки-корпуса таким образом, что реализуется возможность управлять как величиной, так и направлением потока потока сверхтекучего гелия через насос. Кроме того, расположение нагревателей снаружи корпуса позволяет решить проблему герметичного ввода вовнутрь корпуса проводов к нагревателям. Для эффективной работы насоса необходима надежная теплоизоляция нагревателей от окружающего насос сверхтекучего гелия, иначе джоулево тепло, выделяемое нагревателем при прохождении по нему тока, будет отводиться во внешний объем гелия и не создаст локального нагрева внутри насоса. Теплоизоляция нагревателей выполняется плотной намоткой на нагреватели тефлоновой пленки, имеющей низкую теплопроводность и хорошие механические свойства для использования при гелиевых температурах. Тонкая стальная стенка трубки-корпуса имеет низкую теплопроводность и поэтому основной поток тепла поступает внутрь корпуса (теплопередача вдоль стенки минимальна).
2
3
Технический результат достигается за счет следующей сборки насоса (фиг.1). Трубка подачи-откачки сверхтекучего гелия 1 впаивается в трубку-корпус насоса 2, после чего в корпус насоса плотно вдавливается диск-фильтр 3, предотвращающий вымывание запрессованного в корпусе порошка. Диск может быть собран из нескольких слоев, вырезаннных из плотной ткани (стеклоткани), и для жесткости усилен металлической сеткой. Затем в корпус насоса засыпается порошок 4 (из материала, не впитывающего воду, например AlO) с размером гранул несколько мкм и плотно утрамбовывается до заполнения всего необходимого объема. Трубка-корпус насоса затыкается вторым диском-фильтром 5, который фиксируется диском-заглушкой с отверстиями для сверхтекучего гелия 6. Диск-заглушка припаивается к корпусу насоса. На корпус насоса наматываются нагреватели 7 и изолируются тефлоновой лентой 8. При подаче напряжения на один из нагревателей, представляющих собой несколько витков провода непосредственно на трубке-корпусе на насоса, происходит его нагрев и, благодаря теплопередаче через тонкую стенку корпуса насоса, повышается температура сверхтекучего гелия в области насоса, определяемой длиной нагревателя и мощностью тепловыделения, в результате в данной области происходит рост давления, обусловленный притоком сверхтекучей компоненты гелия. При этом вязкая, нормальная, компонента выдавливается в направлении наименьшего сопротивления - в сторону ближайшего конца трубки. Данное сопротивление определяется длиной, которую нормальной компоненте необходимо преодолеть сквозь спрессованный (для максимального сопротивления течению обычной жидкости) порошок. Таким образом, направление течения сверхтекучего гелия будет определяться положением на корпусе нагревателя, на который подается напряжение: жидкость будет вытекать из ближайшего к нему конца трубки. Помимо реверсивности (т.е. двунаправленности - такой насос позволяет перемещать сверхтекучий гелий в обоих направлениях) данный насос позволяет надежно блокировать поток гелия подачей напряжения сразу на оба нагревателя: на практике встречаются случаи самопроизвольного подлива сверхтекучего гелия в зону более высокой температуры, и известный термомеханический насос не позволяет остановить самоподлив гелия.
3
Реверсивный термомеханический насос был успешно опробован для заполнения/опустошения замкнутого герметичного объема, подключенного к насосу. При сопротивлении нагревателей 30 Ом для работы насоса было достаточно подать напряжение 2 В, чтобы обеспечить скорость подачи/откачки жидкого гелия ~0.1 см/с. В случае самопроизвольного опустошения данного объема скорость ухода гелия из объема будет сильно зависеть от температуры (выше температура - больше плотность нормальной компоненты - ниже скорость протекания жидкого гелия через корпус насоса), но даже при низкой температуре 1.4 К на 2-3 порядка ниже скорости откачки жидкого гелия.
3
3
Полученные в результате исследований опытные данные показали, что конструкция реверсивного насоса оказалась успешной: скорости потоков гелия при заполнении/опустошении замкнутого объема были примерно одинаковы при подаче одинаковых мощностей на нагреватели и сравнимы со скоростями подачи сверхтекучего гелия традиционными термомеханическими насосами, имеющимися в нашем распоряжении. Более того, по сравнению с известными конструкциями насосов конструкция реверсивного насоса не только проще, но и заметно (примерно на порядок) меньше (менее 1 см по сравнению с 3÷10 см).