RU2226657C2

RU2226657C2 - Device for cryogenic cooling by open flow of evaporated refrigerant

Info

Publication number: RU2226657C2
Application number: RU2002107927/06A
Authority: RU
Inventors: Е.И. Демихов; Ю.А. Туфлин; В.А. Каржавин
Original assignee: Зао "Рти, Технологии, Приборы, Материалы"
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2004-04-10

Abstract

FIELD: cryogenic cooling of specimen by open flow of evaporated refrigerant. SUBSTANCE: device has cryostat, nozzle, Dewar flask, and system for separate delivery of liquid and gaseous refrigerants from Dewar flask to cryostat. Nozzle emerges from cryostat and organizes coaxially disposed cold (inner) and hot (outer) gas flows. Delivery system is provided with electric heater for evaporating liquid refrigerant accommodated in Dewar flask, gaseous refrigerant sensor, and valve that functions to control gaseous refrigerant delivery to cryostat and is connected to temperature control unit. EFFECT: simplified design, reduced cost and minimal attainable cooling temperature of specimen. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при проведении экспериментальных физических исследований в области низких температур.The invention relates to cryogenic technology and can be used in experimental physical research in the field of low temperatures.

Известно устройство для криогенного охлаждения исследуемого образца открытым потоком хладагента (см. описание патента US 6334314), в котором поток хладагента окружен потоком газа (например, испаренного хладагента), имеющего температуру окружающей среды. В этом устройстве образец должен располагаться внутри оптически прозрачного экрана или прозрачного для рентгеновских лучей, что накладывает ограничения на размеры образца и затрудняет доступ к образцу.A device is known for cryogenic cooling of a test sample with an open refrigerant stream (see US Pat. No. 6,343,314), in which the refrigerant stream is surrounded by a gas stream (for example, vaporized refrigerant) having an ambient temperature. In this device, the sample must be located inside an optically transparent screen or transparent for x-rays, which imposes restrictions on the size of the sample and makes it difficult to access the sample.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является устройство для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента, состоящее из криостата, сопла, выходящего из криостата и формирующего коаксиально расположенные потоки “холодного” (внутри) и “теплового” (снаружи) газа, сосуда Дьюара для хранения жидкого хладагента и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга (см. патент US 6003321 А, F 25 B 19/00, 1999).The closest analogue of the claimed invention is a device for cryogenic cooling of a sample by an open stream of evaporated refrigerant, consisting of a cryostat, a nozzle emerging from the cryostat and forming coaxially arranged streams of “cold” (inside) and “thermal” (outside) gas, a Dewar vessel for storing liquid refrigerant and systems for injecting liquid refrigerant and gaseous refrigerant from the Dewar vessel, entering the cryostat separately from each other (see patent US 6003321 A, F 25 B 19/00, 1999).

Недостатком системы является громоздкость и высокие материальные затраты на эксплуатацию, возникающие из-за использования при нагнетании жидкого и газообразного хладагента баллонов с газообразным хладагентом, оборудованных необходимыми редукторами, клапанами и т.п.The disadvantage of the system is the cumbersomeness and high material operating costs arising from the use of gas cylinders with gaseous refrigerant when pumping liquid and gaseous refrigerant, equipped with the necessary gearboxes, valves, etc.

Другим недостатком данного устройства является отсутствие эффективной регулировки температуры газообразного хладагента. Здесь имеется в виду следующее. Данное устройство охлаждает исследуемый образец потоком “холодного” хладагента из сопла криостата. Поток холодного хладагента окружен потоком “теплового” хладагента. Тем самым предотвращается образование льда из влаги и других компонентов окружающего воздуха на сопле и образце. При этом происходит нежелательный подогрев “холодного” хладагента “тепловым”, а возможность уменьшить это подогрев и понизить тем самым минимально возможную температуру образца отсутствует.Another disadvantage of this device is the lack of effective temperature control of the gaseous refrigerant. Here we have in mind the following. This device cools the test sample with a stream of “cold” refrigerant from the nozzle of the cryostat. The cold refrigerant stream is surrounded by a “thermal” refrigerant stream. This prevents the formation of ice from moisture and other components of the surrounding air at the nozzle and sample. In this case, an undesirable heating of the “cold” refrigerant by “thermal” occurs, and there is no possibility to reduce this heating and thereby lower the minimum possible temperature of the sample.

Сущность предлагаемого изобретения в использовании системы испарения жидкого хладагента электронагревателем непосредственно в сосуде Дьюара, в слежении за давлением испаренного хладагента (газа) с помощью датчика давления, управляемом подогреве испаренного хладагента (газа) и регулировании скорости поступления подогретого газа в криостат.The essence of the invention in the use of a liquid refrigerant vaporization system by an electric heater directly in a Dewar vessel, in monitoring the pressure of the vaporized refrigerant (gas) using a pressure sensor, is controlled by heating the vaporized refrigerant (gas) and controlling the rate of heated gas entering the cryostat.

Технический результат, полученный при осуществлении настоящего изобретения, выражается в упрощении конструкции и уменьшении материальных затрат на устройство и эксплуатацию за счет устранения баллонов с газом, редуктором, клапанов для этих баллонов, при одновременном понижении минимально достижимой температуры охлажденного образца.The technical result obtained by the implementation of the present invention is expressed in simplifying the design and reducing material costs for the device and operation by eliminating gas cylinders, a reducer, valves for these cylinders, while lowering the minimum achievable temperature of the cooled sample.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для криогенного охлаждения образца открытым потоком испаренного хладагента, состоящем из криостата, сопла, выходящего из криостата и формирующего коаксиально расположенные потоки “холодного” (внутри) и “теплового” (снаружи) газа, сосуда Дьюара для хранения жидкого хладагента и системы нагнетания жидкого хладагента и газообразного хладагента из сосуда Дьюара, поступающих в криостат отдельно друг от друга, согласно изобретению, система нагнетания снабжена электронагревателем для испарения жидкого хладагента, размещенным в сосуде Дьюара, датчиком давления газообразного хладагента в сосуде Дьюара, электронагревателем газообразного хладагента и вентилем, регулирующим скорость поступления газообразного хладагента в криостат, подключенными к блоку регулирования температуры.The technical result is achieved in that in a device for cryogenic cooling of a sample by an open stream of evaporated refrigerant, consisting of a cryostat, a nozzle emerging from the cryostat and forming coaxially arranged flows of “cold” (inside) and “thermal” (outside) gas, a Dewar vessel liquid refrigerant and a system for injecting liquid refrigerant and gaseous refrigerant from a dewar vessel entering the cryostat separately from each other, according to the invention, the discharge system is equipped with an electric heater for I evaporate the liquid refrigerant, placed in the Dewar vessel, the gaseous refrigerant pressure sensor in the Dewar vessel, an electric heater and the gaseous refrigerant valve regulating the speed of the refrigerant gas entering the cryostat connected to a temperature control unit.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного устройства. Основными узлами устройства является криостат 3, сосуд Дьюара для хранения жидкого хладагента 13, система нагнетания жидкого и испаренного хладагента в криостат 3 (блоки 10, 11, 12 и блок регулирования температуры (на схеме не показан)). Криостат 3 имеет вводы для трубопроводов 4 и 5, по которым, соответственно, поступают в криостат жидкий хладагент и газ, полученный испарением этого хладагента, на корпусе находится герметичный электрический разъем 1 для подключения криостата к блоку регулирования температуры (на схеме не показан). Изнутри криостата к разъему 1 подсоединены датчик температуры в криостате и нагреватель сопла 2; 6 - это аварийный клапан, который срабатывает при аварийном повышении давлении внутри криостата; 7 - штуцер для подсоединения криостата к вакуумному насосу; 2 - сопло, формирующее коаксиальный поток “холодного” хладагента внутри потока “теплового” хладагента. Трубопровод 4 для подвода жидкого хладагента конструктивно выполнен из двух труб, наружной и внутренней. Для теплоизоляции проходящего по внутренней трубе жидкого хладагента внутренняя полость наружной трубы вакуумирована. На нижнем конце трубы 4, находящемся около дна сосуда Дьюара, расположен электронагреватель 14, испаряющий жидкий хладагент. Электронагреватель 14 подключен к блоку регулирования температуры (не показан) через герметичный электрический разъем 9. Датчик давления 10 непрерывно измеряет давление Р испаренного хладагента (газа).The drawing shows a functional diagram of the proposed device. The main units of the device are a cryostat 3, a dewar vessel for storing liquid refrigerant 13, a system for injecting liquid and vaporized refrigerant into a cryostat 3 (blocks 10, 11, 12 and a temperature control unit (not shown in the diagram)). The cryostat 3 has inputs for pipelines 4 and 5, through which, respectively, liquid refrigerant and gas received by the evaporation of this refrigerant are fed into the cryostat; the casing contains a sealed electrical connector 1 for connecting the cryostat to the temperature control unit (not shown in the diagram). Inside the cryostat, a temperature sensor in the cryostat and a nozzle heater 2 are connected to connector 1; 6 is an emergency valve that is triggered when an emergency increase in pressure inside the cryostat; 7 - fitting for connecting a cryostat to a vacuum pump; 2 - nozzle forming a coaxial stream of “cold” refrigerant inside a stream of “thermal” refrigerant. The pipeline 4 for supplying liquid refrigerant is structurally made of two pipes, external and internal. To insulate the liquid refrigerant passing through the inner pipe, the inner cavity of the outer pipe is evacuated. At the lower end of the pipe 4, located near the bottom of the Dewar vessel, there is an electric heater 14, evaporating liquid refrigerant. An electric heater 14 is connected to a temperature control unit (not shown) through a sealed electrical connector 9. A pressure sensor 10 continuously measures the pressure P of the evaporated refrigerant (gas).

Электронагреватель 12 подогревает поступающий в криостат газ. Вентиль 11 регулирует расход и скорость поступления газа в криостат. Все подключенные к разъемам блоки управляются блоком регулирования температуры.The electric heater 12 heats the gas entering the cryostat. Valve 11 controls the flow rate and rate of gas entry into the cryostat. All units connected to the connectors are controlled by a temperature control unit.

Устройство работает следующим образом. Блок регулирования температуры (на схеме не показан) включает нагреватель 14. Давление Р внутри сосуда Дьюара начинает повышаться и постепенно выталкивать жидкий хладагент по трубопроводу 4 в криостат. Давление Р, необходимое для работы устройства при заданной температуре, поддерживает блок регулирования температуры (на схеме показан) путем оптимального сочетания мощности, подводимой к нагревателю 14, степени открытия вентиля 11 и мощности, подводимой к нагревателю сопла 2. Для достижения предельно низкой температуры блок регулирования температуры (не показан) минимизирует подводимую к нагревателю 12 мощность, открывает вентиль 11 настолько, чтобы приблизить скорость потока “теплового” газа и скорость потока “холодного” газа, выходящего из сопла 2. Выравнивание скоростей “теплового” и “холодного” потоков из сопла 2 обеспечит ламинарность обоих потоков. В результате нежелательный подогрев охлаждаемого образца “теплым” потоком будет почти устранен и температура охлаждаемого образца опустится до температуры “холодного” потока.The device operates as follows. The temperature control unit (not shown in the diagram) includes a heater 14. The pressure P inside the Dewar vessel begins to rise and gradually expel the liquid refrigerant through line 4 to the cryostat. The pressure P required for the device to operate at a given temperature is supported by the temperature control unit (shown in the diagram) by optimally combining the power supplied to the heater 14, the degree of opening of the valve 11 and the power supplied to the heater of the nozzle 2. To achieve an extremely low temperature, the control unit temperature (not shown) minimizes the power supplied to the heater 12, opens the valve 11 so as to approximate the flow rate of “thermal” gas and the flow rate of “cold” gas, exiting from the nozzle 2. The equalization of the speeds of the “heat” and “cold” flows from the nozzle 2 will ensure the laminarity of both flows. As a result, the unwanted heating of the cooled sample with a “warm” stream will be almost eliminated and the temperature of the cooled sample will drop to the temperature of the “cold” stream.

Claims

A device for cryogenic cooling of a sample by an open stream of evaporated refrigerant, consisting of a cryostat, a nozzle emerging from the cryostat and forming coaxially arranged flows of “cold” (inside) and “warm” (outside) gas, a Dewar vessel for storing liquid refrigerant and a liquid refrigerant injection system and gaseous refrigerant from the Dewar vessel, entering the cryostat separately from each other, characterized in that the discharge system is equipped with an electric heater for evaporation of the liquid refrigerant located in Dewar’s condemnation, the pressure sensor of the gaseous refrigerant in the Dewar vessel, the electric heater of the gaseous refrigerant and the valve regulating the rate of entry of the gaseous refrigerant into the cryostat connected to the temperature control unit.