RU2063589C1

RU2063589C1 - Device for maintaining desired liquid temperature in cryostat

Info

Publication number: RU2063589C1
Authority: RU
Inventors: Борис Дмитриевич Тимофеев
Original assignee: Институт проблем энергетики АН Республики Беларусь
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1996-07-10

Abstract

FIELD: cryogenics. SUBSTANCE: device has cryostat-mounted evaporating coil communicating through piping with Dewar vessel, electric heater and temperature sensor placed within the latter, temperature sensor being coupled with temperature controller; it also has power supply, additional electric heater placed within cryostat. Both heaters are separately connected to power supply through normally closed and normally open contacts linked with temperature controller relay. EFFECT: improved reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, преимущественно технологических, теплофизических и физико-химических исследований. The invention relates to the field of cryogenic engineering, mainly technological, thermophysical and physico-chemical studies.

Известны устройства подачи жидкого азота из сосуда Дьюара в змеевик-испаритель криостата, предназначенные для получения низких температур. Known devices for supplying liquid nitrogen from a Dewar vessel to a cryostat coil-evaporator, designed to obtain low temperatures.

Устройства имеют сосуд Дьюара с жидким азотом, вакуумный насос для создания разряжения, трубопровод с регулируемым вентилем и электрическим нагревателем для создания избыточного давления паров азота в сосуде Дьюара и подачи из него жидкого азота в криостат /1/. Однако данное устройство громоздко за счет применения дополнительного термостата и вакуумного насоса и при этом точность поддержания температуры в основном криостате недостаточна. The devices have a Dewar vessel with liquid nitrogen, a vacuum pump to create a vacuum, a pipe with an adjustable valve and an electric heater to create an excess pressure of nitrogen vapor in the Dewar vessel and supply liquid nitrogen to the cryostat / 1 /. However, this device is cumbersome due to the use of an additional thermostat and a vacuum pump, while the accuracy of maintaining the temperature in the main cryostat is insufficient.

Известно также устройство для программируемого замораживания биообъектов, содержащее теплоизоляционную камеру для промежуточного теплоносителя и контейнеров c биообъектом, размещенных в ней теплообменником для хладоагента, сообщенной с сосудом Дьюара, дополнительный теплообменник, размещенный на выходе из камеры, блок регулирования температуры в камере, содержащий последовательно соединенные датчики температуры и преобразователь, подсоединенный к одному блоку сравнения, задатчик программы, подсоединенный к другому входу блока сравнения и блок регулирования подачи хладоагента в камеру, включающий установленный на выходе из дополнительного теплообменника электромагнитный клапан, который установлен после дополнительного наружного теплообменника /2/. A device is also known for programmable freezing of biological objects, comprising a heat-insulating chamber for an intermediate coolant and containers with a biological object placed in it by a heat exchanger for a coolant in communication with a Dewar vessel, an additional heat exchanger located at the outlet of the chamber, a temperature control unit in the chamber, containing sensors connected in series temperature and a converter connected to one unit of comparison, a program unit connected to another input of the unit cp sake of compari- son and regulating unit for supplying a coolant chamber, comprising mounted on the outlet of the additional coil solenoid valve, which is set after an additional outdoor heat exchanger / 2 /.

Данное устройство, принятое за прототип, не может обеспечить высокой точности поддержания температуры жидкости в теплоизоляционной камере, которая выполняет функцию криостата. Это вызвано тем, что в сосуде Дьюара отсутствуют устройства для создания и поддержания необходимого постоянного избыточного давления паров азота, а установленное реле давления только ограничивает величину первоначального давления паров азота в сосуде Дьюара. Таким образом, рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара в прототипе переменное. Установленный электромагнитный клапан после дополнительного теплообменника не может обеспечить необходимую дозировку жидкого азота в теплообменник камеры охлаждения для поддержания заданной температуры, так как после его закрытия по команде от системы программирования температуры в систему охлаждения, включающую теплообменник камеры охлаждения и дополнительный теплообменник, продолжает поступать жидкий азот из сосуда Дьюара за счет выхода паров азота через отводную трубку перемешивателя. В холодильной камере отсутствует электрический нагреватель, который бы мог уменьшить возможную величину охлаждения хладоагента относительно установленной задатчиком программы температуры. This device, taken as a prototype, cannot provide high accuracy of maintaining the temperature of the liquid in the heat-insulating chamber, which performs the function of a cryostat. This is because there are no devices in the Dewar vessel to create and maintain the necessary constant overpressure of nitrogen vapor, and the installed pressure switch only limits the value of the initial nitrogen vapor pressure in the Dewar vessel. Thus, the working pressure of nitrogen vapor in the Dewar vessel in the prototype is variable. The installed solenoid valve after the additional heat exchanger cannot provide the necessary dosage of liquid nitrogen to the heat exchanger of the cooling chamber to maintain the set temperature, since after its closure, the liquid nitrogen continues to flow from the temperature programming system to the cooling system, including the cooling chamber heat exchanger and additional heat exchanger. Dewar vessel due to the release of nitrogen vapor through the bypass tube of the mixer. There is no electric heater in the refrigerator that could reduce the possible amount of refrigerant cooling relative to the temperature program set by the master.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение точности поддержания температуры жидкости в криостате и экономичности за счет нового устройства, обеспечивающего регулируемую подачу жидкого азота в теплообменник криостата. The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of maintaining the temperature of the liquid in the cryostat and economy due to a new device that provides an adjustable supply of liquid nitrogen to the cryostat heat exchanger.

Для достижения этой задачи в известном устройстве подачи жидкого азота из сосуда Дьюара в теплообменник вместо запирающего вентиля установлен нормально закрытый электромагнитный клапан, который одновременно выполняет функцию запирающего вентиля. Исключен дополнительный наружный теплообменник. В сосуде Дьюара и криостате установлены электрические нагреватели, которые подключены через разделительные трансформаторы к источнику питания с регулируемым напряжением на каждый разделительный трансформатор. Вместо реле давления установлен регулятор давления "до себя", который дополнительно выполняет функцию предохранительного клапана для сосуда Дьюара. Исключен перемешиватель хладоагента в криостате в виде отводной трубки паров азота из дополнительного холодильника, а его функцию выполняет установленная в криостате электромеханическая мешалка. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает регулируемую автоматическую подачу жидкого азота в змеевик-испаритель криостата в соответствии с заданной температурой и ее поддержание с высокой точностью и экономным расходом жидкого азота. To achieve this, in the known device for supplying liquid nitrogen from a Dewar vessel to a heat exchanger, instead of a shut-off valve, a normally closed solenoid valve is installed, which simultaneously functions as a shut-off valve. Excluded additional external heat exchanger. Electric heaters are installed in the Dewar vessel and the cryostat, which are connected through isolation transformers to a voltage-regulated power source for each isolation transformer. Instead of a pressure switch, a “to-do” pressure regulator is installed, which additionally acts as a safety valve for the Dewar vessel. The refrigerant mixer in the cryostat in the form of a nitrogen vapor exhaust pipe from an additional refrigerator is excluded, and its function is performed by an electromechanical mixer installed in the cryostat. Thus, the proposed technical solution provides a controlled automatic supply of liquid nitrogen to the cryostat coil-evaporator in accordance with the set temperature and its maintenance with high accuracy and economical consumption of liquid nitrogen.

На чертеже изображено устройство для поддержания температуры жидкости в криостате 1, заполненном низкотемпературным хладоагентом 2, температура которого измеряется при помощи образцового термометра сопротивления 3 типа ПТС-10 с точностью ±0,005 град. Для равномерности температуры жидкости в криостате установлена электромеханическая мешалка 4. Датчиком для регулирования и поддержания температуры жидкости в криостате является термопара 5, сигнал от которой поступает на регулятор температуры 6, а от него подаются команды на катушку реле Р₁ с контактами К₁₁, K₁₂ и К₁₃, цепей питания нагревателей R₁ сосуда Дьюара, R₂- криостата и катушки Р₂ электромагнитного клапана, соответственно. При этом нагреватель сосуда Дьюара с катушкой электромагнитного клапана к соответствующим источникам питания подключены через нормально закрытые контакты К₁₁ и K₁₃, а нагреватель криостата через нормально открытые контакты K₁₂. В змеевик-испаритель 7 криостата жидкий азот поступает по трубопроводу 8 из сосуда Дьюара 9 при открытом электромагнитном клапане 10 и включенном нагревателе R₁. Необходимое минимальное количество выделяемого тепла от нагревателя R₁ подбирают опытным путем при помощи автотрансформатора типа PHO-5 по показанию вольтметра V₁ и амперметра А₁. Рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара устанавливаем регулятором давления 11 "до себя". Погружной электрический нагреватель R₂ также служит для увеличения точности поддержания температуры жидкости в криостате путем выравнивания периодов времени "охлаждение нагрев" реле Р₁ при помощи РНО-5 по показаниям вольтметра V₂ и амперметра A₂.The drawing shows a device for maintaining the temperature of a liquid in a cryostat 1 filled with a low-temperature refrigerant 2, the temperature of which is measured using an exemplary resistance thermometer 3 type PTS-10 with an accuracy of ± 0.005 degrees. For uniformity of the liquid temperature in the cryostat, an electromechanical mixer 4 is installed. The sensor for regulating and maintaining the liquid temperature in the cryostat is a thermocouple 5, the signal from which is supplied to the temperature controller 6, and commands are sent from it to the relay coil P ₁ with contacts K ₁₁ , K ₁₂ and K ₁₃ , the power circuits of the heaters R _{1 of the} Dewar vessel, R ₂ - cryostat and coil P _{2 of the} electromagnetic valve, respectively. In this case, the Dewar vessel heater with the solenoid valve coil is connected to the corresponding power sources through the normally closed contacts K ₁₁ and K ₁₃ , and the cryostat heater through the normally open contacts K ₁₂ . Liquid nitrogen enters the cryostat coil-evaporator 7 through a pipe 8 from a Dewar vessel 9 with the solenoid valve 10 open and the heater R ₁ turned _on . The required minimum amount of heat generated from the heater R _{1 is} selected empirically using a PHO-5 autotransformer according to the reading of a voltmeter V ₁ and ammeter A ₁ . The working pressure of the nitrogen vapor in the Dewar vessel is set by a pressure regulator 11 "to itself." Submersible electric heater R ₂ also serves to increase the accuracy of maintaining the temperature of the liquid in the cryostat by equalizing the “cooling heating” periods of the relay P ₁ using RNO-5 according to the readings of the voltmeter V ₂ and ammeter A ₂ .

Устройство для поддержания температуры жидкости в криостате работает следующим образом. Выводим криостат 1 на заданную температуру путем подачи жидкого азота в змеевик-испаритель 7 по трубопроводу 8 из сосуда Дьюара 9 при открытом электромагнитном клапане 10 и включенном нагревателе R₁. Необходимый расход жидкого азота устанавливаем при помощи РHO-5 по показаниям вольтметра V₁ и амперметра А₁. Регулятор давления 11 "до себя" устанавливаем на необходимое рабочее давление для заданного температурного режима. После ввода криостата на заданный температурный режим уменьшаем до минимума мощность на нагревателе R₁ по показаниям V₁ и А₁, устанавливаем необходимую мощность нагревателя R₂ по показаниям V₂ и A₂ до выравнивания с точностью до ±10% периодов времени "охлаждение нагрев" по показаниям времени включения соответствующих амперметров А₁ и A₂. А также уменьшаем до минимума рабочее давление паров азота в сосуде Дьюара при помощи регулятора давления 11 "до себя". Это в стационарном режиме приводит к значительному сокращению подачи жидкого азота в змеевик-испаритель и увеличению точности поддержания температуры жидкости в криостате.A device for maintaining the temperature of the liquid in the cryostat works as follows. We bring the cryostat 1 to a predetermined temperature by supplying liquid nitrogen to the coil-evaporator 7 through a pipe 8 from the Dewar vessel 9 with the solenoid valve 10 open and the heater R ₁ turned _on . The required flow rate of liquid nitrogen is set using PHO-5 according to the readings of a voltmeter V ₁ and ammeter A ₁ . We set the pressure regulator 11 "to ourselves" to the required working pressure for a given temperature regime. After entering the cryostat to the specified temperature, we reduce to a minimum the power on the heater R ₁ according to the readings V ₁ and A ₁ , set the required power of the heater R ₂ according to the readings V ₂ and A ₂ until equalization with an accuracy of ± 10% of the “cooling heating” time periods according to the readings of the on-time of the corresponding ammeters A ₁ and A ₂ . And also we reduce to a minimum the working pressure of nitrogen vapor in the Dewar vessel with the help of a pressure regulator 11 "to itself". This in stationary mode leads to a significant reduction in the supply of liquid nitrogen to the coil-evaporator and to an increase in the accuracy of maintaining the temperature of the liquid in the cryostat.

По предложенному техническому решению был модернизирован импортный ультратермостат типа NBE для низкотемпературных измерений в интервале температур -50. +25^oС. По показанию образцового термометра сопротивления типа ПТС-10 с учетом погрешности регулирования и поддержания температуры ультратермостата случайная погрешность температуры, установленная задатчиком, не превышала ±0,07 град /3/, что более чем в 10 раз выше точности поддержания температуры по отношению к прототипу. При этом расход жидкого азота в модернизированном криостате с объемом хладоагента 12 л в стационарных условиях не превышал 1,5 кг/ч. Максимальная мощность электрического нагревателя R₁ в сосуде Дьюара30 Вт, электрического нагревателя R₂ в криостате20 Вт. Тепло, выделяемое электрической мешалкой,30 Вт. Для электробезопасной эксплуатации устройства электронагреватели сосуда Дьюара R₁, криостата R₂ и катушка P₂ запорного электромагнитного клапана запитаны через низковольтные источники питания.According to the proposed technical solution, an imported ultra-thermostat type NBE was modernized for low-temperature measurements in the temperature range of -50. +25 ^o С. According to the testimony of an exemplary resistance thermometer of the PTS-10 type, taking into account the error in regulating and maintaining the temperature of the ultra-thermostat, the random temperature error set by the setter did not exceed ± 0.07 deg / 3 /, which is more than 10 times higher than the accuracy of maintaining the temperature in relation to the prototype. Moreover, the flow rate of liquid nitrogen in a modernized cryostat with a refrigerant volume of 12 l under stationary conditions did not exceed 1.5 kg / h. The maximum power of an electric heater R ₁ in a Dewar vessel is 30 W, of an electric heater R ₂ in a cryostat ₂₀ W. The heat generated by the electric mixer, 30 watts. For electrically safe operation of the device, the electric heaters of the Dewar vessel R ₁ , cryostat R ₂ and the coil P _{2 of the} shut-off solenoid valve are powered through low-voltage power sources.

Намечено изготовление по отдельным заказам криостатов по предлагаемому изобретению. Таким образом, предлагаемое устройство для поддержания температуры жидкости в криоcтате по сравнению с прототипом позволяет в десятки раз увеличить точность поддержания температуры жидкости в криостате, уменьшить удельный расход жидкого азота в криостате, увеличить надежность работы системы подачи жидкого азота за счет использования одного реле с раздельными контактами на нагреватели сосуда Дьюара, криостата и электромагнитного клапана. It is planned to manufacture cryostats according to the invention according to individual orders. Thus, the proposed device for maintaining the temperature of the liquid in the cryostat in comparison with the prototype allows tens of times to increase the accuracy of maintaining the temperature of the liquid in the cryostat, to reduce the specific consumption of liquid nitrogen in the cryostat, to increase the reliability of the liquid nitrogen supply system by using a single relay with separate contacts on heaters of the Dewar vessel, cryostat and electromagnetic valve.

Claims

A device for maintaining the temperature of a liquid in a cryostat, containing a coil-evaporator located in the cryostat, connected by a pipeline to a Dewar vessel, an electric heater located in the latter and a temperature sensor connected to a temperature regulator, a power source, characterized in that the device is equipped with an additional electric heater placed in the cavity of the cryostat, while both heaters are separately connected to the power source through the normally closed normally open contacts, the connection nnye with temperature controller relays.