PL233586B1 - Glowica niskotemperaturowa do stabilizacji temperatur ponizej 4,2 K w ukladach wykorzystujacych ciekly hel - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest głowica niskotemperaturowa do stabilizacji temperatur poniżej 4,2 K w układach wykorzystujących ciekły hel. Głowica według wynalazku ma zastosowanie w niskotemperaturowych badaniach materiałowych przemian fazowych, w badaniach ciekłych mieszanek helowych He3 i He4, w układach do wzbogacania koncentracji izotopu helu He3 w helu He4, w temperaturach poniżej 4,2 K, a więc również w helu nadciekłym, w temperaturach poniżej T. =2,1768 K, w dużej objętości cieczy kriogenicznej, której temperaturę można precyzyjnie zmieniać i stabilizować.

Znany i powszechnie stosowany jest sposób obniżenia temperatury wrzącej cieczy kriogenicznej, polegający na obniżeniu ciśnienia par nad wrzącą powierzchnią cieczy za pomocą pomp próżniowych. Dla ciekłego helu He4 można tą metodą osiągnąć temperaturę 0,7 K, a dla izotopu helu He3 temperaturę 0,3 K. W procesie obniżania temperatury ciekłego helu He4 w temperaturze T. = 2,1768 K, zwanej temperaturą lambda, następuje przemiana fazowa i hel He4 przechodzi do fazy nadpłynnej, zwanej też nadciekłą. Poniżej tej temperatury zanika lepkość i wrzenie objętościowe, hel paruje wyłącznie na powierzchni. Obniżanie ciśnienia par nad dużą powierzchnią cieczy kriogenicznej powoduje duże odparowanie i ubytek cieczy kriogenicznej, a także zmniejszenie koncentracji izotopu helu He3 w helu He4 ze względu na większą prężność par izotopu helu He3 w stosunku do helu He4. Ciekły hel ma małe ciepło parowania. Stąd odpompowywane zimne pary opuszczają przestrzeń wewnętrzną zbiornika (dewara) helowego, bez dobrej wymiany ciepła.

Celem wynalazku jest rozwiązanie pozwalające na zaoszczędzenie zużycia cieczy kriogenicznej w układach wykorzystujących ciekły hel oraz zachowanie lub zwiększenie wyjściowej koncentracji izotopu helu He3 w helu He4 do najniższych temperatur.

Głowica niskotemperaturowa do stabilizacji temperatur poniżej 4,2 K w układach wykorzystujących ciekły hel według wynalazku charakteryzuje się tym, iż ma postać zanurzanego w zamkniętym zbiorniku helowym wymiennika ciepła, który składa się z parownika utworzonego ze spiralnie zwiniętej wężownicy, której wlot poprzez powierzchnię stożkową zespolony jest z kapilarą, w której prześwicie umiejscowiony jest element dławiący przepływ, a wylot zespolony jest z kolektorem przyłączanym do pompy próżniowej, oraz zespolonej z parownikiem stycznie płytkowej powierzchni wymiany ciepła na całej długości wężownicy.

Zastosowanie zanurzanego w zbiorniku helowym wymiennika ciepła z kapilarą ze zwiększonym oporem przepływu pozwala na chłodzenie i stabilizację dużej objętości ciekłego helu z optymalnym, niskim zużyciem tej cieczy, oraz zachowanie lub zwiększenie wyjściowej koncentracji izotopu helu He3 w helu He4 do najniższej temperatury.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zbiornik helowy w przekroju osiowym wraz z umiejscowioną w nim głowicą według wynalazku ukazaną również w przekroju, fig. 2 wymiennik ciepła od góry w widoku wzdłuż linii B-B z fig. 1 a fig. 3 kapilarę w przekroju osiowym wzdłuż linii A-A z fig. 2.

Głowica niskotemperaturowa do stabilizacji temperatur poniżej 4,2 K w układach wykorzystujących ciekły hel w przykładzie wykonania według wynalazku ma postać zanurzanego w zamkniętym zbiorniku helowym 1 wymiennika ciepła 2, który składa się z parownika 2a, który utworzony jest ze spiralnie zwiniętej wężownicy, której wlot poprzez powierzchnię stożkową 2b zespolony jest z kapilarą 3, w której prześwicie umiejscowiony jest element 4 dławiący przepływ w postaci drutu ze stali nierdzewnej, a wylot z przyłączanym do pompy próżniowej kolektorem 5 w postaci rury ze stali nierdzewnej; oraz zespolonej z parownikiem 2a stycznie, na całej długości tworzącej go wężownicy, płytkowej powierzchni wymiany ciepła 2c. Płytkowa powierzchnia wymiany ciepła 2c wykonana jest z miedzi.

Zastosowanie zanurzonej w ciekłym helu w zbiorniku helowym 1 niskotemperaturowej głowicy według wynalazku, zwiększa wymianę ciepła i zmniejsza zużycie ciekłego helu przy obniżaniu temperatury. Ciekły hel pobierany jest przez cienką kapilarę 3, wewnątrz której umiejscowiony jest element 4 dławiący, którego zadaniem jest zmniejszenie przepływu, a przez to strat, chłodzonej cieczy kriogenicznej. Kolejno hel przepływa przez powierzchnię stożkową 2b do wężownicy, w której odparowuje. Wężownica połączona jest z płytkową powierzchnią wymiany ciepła 2c odbierającą energię od znajdującego się w zbiorniku helowym 1 ciekłego helu, co obniża jego temperaturę. Pary helu z parownika 2a odpompowywane są za pomocą obniżającej ciśnienie w parowniku 2a pompy próżniowej. Pary opuszczają parownik 2a poprzez kolektor 5.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Głowica niskotemperaturowa do stabilizacji temperatur poniżej 4,2 K w układach wykorzystujących ciekły hel znamienna tym, że ma postać zanurzanego w zamkniętym zbiorniku helowym (1) wymiennika ciepła (2), który utworzony jest z parownika (2a), który składa się ze spiralnie zwiniętej wężownicy, której wlot poprzez powierzchnię stożkową (2b) zespolony jest z kapilarą (3), w której prześwicie umiejscowiony jest element (4) dławiący przepływ, a wylot zespolony jest z kolektorem (5) przyłączanym do pompy próżniowej; oraz zespolonej z parownikiem (2a) stycznie, na całej długości wężownicy, płytkowej powierzchni wymiany ciepła (2c).