RU2117883C1 - Способ получения очень низких температур - Google Patents
Способ получения очень низких температур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2117883C1 RU2117883C1 RU96102156A RU96102156A RU2117883C1 RU 2117883 C1 RU2117883 C1 RU 2117883C1 RU 96102156 A RU96102156 A RU 96102156A RU 96102156 A RU96102156 A RU 96102156A RU 2117883 C1 RU2117883 C1 RU 2117883C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- mixture
- joule
- expansion
- point
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 13
- 239000001307 helium Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-BJUDXGSMSA-N helium-3 atom Chemical compound [3He] SWQJXJOGLNCZEY-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
Способ предназначен для получения очень низких температур и может быть использован в продолжительных экспериментах, например в космосе. Для достижения температур 0,2 К или ниже 3He и 4He раздельно подают в смесительную камеру (5), размещенную в корпусе (3), в котором поддерживают температуру примерно 2 К. Эндометрическое растворение 3He в 4He обеспечивает необходимый холод. Образовавшаяся смесь (М) выходит из смесительной камеры и корпуса, охлаждая подаваемые текучие среды помощью теплообменников (12.4). Кроме того, для компенсации термических потерь смесь (М) подвергают расширению Джоуля-Томсона в зоне (12) с последующим необязательным испарением в зоне (13). Эти операции проводят предпочтительно при температуре между примерно 1,5 и 2,5 К. Полученный холод служит для понижения температуры входящих текучих сред от температуры подачи, значительно превышающей 4 К, до 1,5 - 2,5 К, близкой к той, которая превалирует в кожухе 13, содержащем самую холодную точку (6) контура. Способ позволяет избежать необходимость использования ванны переохлажденного гелия, что позволяет упростить конструкцию. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к способу и устройству для получения сверхнизких температур, ниже примерно 1 К, а именно 0,1 К.
В Европейской заявке на патент ЕР-А-0327457, которая соответствует патенту США 4991401 и в которой в качестве изобретателя указан один из авторов настоящей заявки, описан криостат, который содержит точку смешивания, в которой находится двухфазная система, состоящая из фазы раствора 3Не в жидком 4Не и жидкой фазы, образованной чистым 3Не. В точку смешивания непрерывно раздельно подают 3Не и жидкий 4Не и отводят из точки смешивания раствор с такой скоростью, которая предотвращает возврат 3Не в точку смешивания, чтобы содержание 3Не в 4Не не повышалось и, следовательно, чтобы он не становился менее пригодным для растворения вводимого жидкого 3Не. Точка смешивания расположена в корпусе, имеющем температуру ниже 2 К.
Более конкретно в точке смешивания две жидкости, смешиваясь, создают двухфазную систему, состоящую из фазы, обогащенной 3Не, и разбавленной фазы, причем энергия разбавления или растворения используется для охлаждения, а последовательность двух фаз в трубе для вывода смеси препятствует диффузии растворенного 3Не противотоком в холодную часть системы, тогда как при более высокой температуре (выше 0,5 К) растворимость 3Не в 4Не возрастает, а смесь состоит только из одной фазы, и скорость должна быть достаточной, чтобы 3Не не мог диффундировать противотоком.
Этот криостат обладает тем преимуществом, что он может функционировать в отсутствии силы тяжести, т.к. он не содержит дистиллятора, что делает его особенно пригодным для использования в космосе. При таком использовании криостат может функционировать, выбрасывая в пространство незначительные количества смеси 4Не и 3Не, которую он производит. В том случае, когда носитель должен вернуться на Землю, можно также сохранить эту смесь в резервуаре, чтобы разогнать ее на Земле. Если криостат используют на Земле, то он, разумеется, может быть соединен с перегонной установкой, и в этом случае комплекс функционирует в замкнутом контуре.
Недостаток, встречающийся при использовании этого криостата, заключается в том, что необходимо иметь резервуар с переохлажденным гелием для поддержания корпуса при температуре ниже 2 К, что усложняет конструкцию. Известно, что такое хранилище накладывает определенные ограничения, например, его трудно заполнять на борту космического корабля.
Целью изобретения является создание криостата, функционирующего в соответствии со способом, описанным в Европейской заявке на патент ЕР-А-0327457, и который имеет простую конструкцию, т.е. менее громоздкую и потребляющую мало энергии, и более конкретно - создание криостата, в котором отсутствует необходимость производства и/или хранения переохлажденного гелия для охлаждения корпуса до 2 К или ниже.
Для решения этой задачи по изобретению предложен способ получения сверхнизких температур, согласно которому 4Не и 3Не, которые охлаждают с помощью теплообменников до температуры порядка 0,2 К или ниже, непрерывно вводят в точку, где их смешивают для поглощения тепла растворения 3Не в 4Не, осуществляя таким образом охлаждение образовавшейся двухфазной смеси, эту смесь отводят через трубопровод, для предотвращения диффузии 3Не противотоком и уменьшения растворения 3Не, причем в этом способе теплообменник, находящийся рядом с точкой смешивания, используют для охлаждения жидкостей, направляемых в самую холодную точку, с помощью отведенной смеси, циркулирующей в противоположном направлении, при этом существенным отличием этого способа является то, что 4Не и 3Не, предназначенные для смешивания, охлаждают от температуры их подачи до температуры ниже 2,5 К, предпочтительно 1,5 -2,5 К, путем теплообмена с отведенной смесью, причем мощность поглощается при использовании расширения по Джоулю-Томсону этой смеси, позволяя таким образом системе работать при температуре подачи выше 4 К.
Мощность охлаждения при расширении по Джоулю-Томсону зависит только от давлений на входе и выходе смеси. Наилучшие эксплуатационные характеристики получают при давлениях порядка 2-15 бар на входе и 1-50 мбар на выходе.
Было установлено, что при соответствующем использовании расширения по Джоулю-Томсону применяемых жидкостей в способе охлаждения до сверхнизких температур можно предварительно охлаждать жидкости, входящие в систему, начиная с намного более высокой температуры, порядка 4-10 К, что позволяет избежать необходимости использования вспомогательных установок предварительного охлаждения, которые применяют в уровне техники, и, в частности, позволяет избежать необходимости использования ванны переохлажденного гелия. Температуры 4 - 10 К можно легко получить с помощью криогенной машины Стирлинга с последующей классической стадией Джоуля-Томсона с жидким 4Не.
Далее изобретение более подробно поясняется с помощью примеров выполнения и приложенных чертежей, на которых изображено:
на фиг. 1 - принципиальная схема устройства согласно изобретению;
на фиг. 2 - принципиальная схема известного из уровня техники устройства;
на фиг. 3 - энтальпийная диаграмма гелия 4, на которой представлены основные точки схемы по фиг. 2.
на фиг. 1 - принципиальная схема устройства согласно изобретению;
на фиг. 2 - принципиальная схема известного из уровня техники устройства;
на фиг. 3 - энтальпийная диаграмма гелия 4, на которой представлены основные точки схемы по фиг. 2.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема устройства, функционирующего в соответствии с Европейской заявкой на патент ЕР-А-0327457, приведенной выше.
Чистые газы 4Не и 3Не нагнетают под давлением (примерно 3 бар) и при комнатной температуре, каждый - в теплообменник 1, осуществляя при этом контакт с запасом переохлажденного гелия, обозначенного позицией 2, который поддерживает требуемую температуру в корпусе 3 криостата, и охлаждают до примерно 2 К. Обе текучие среды затем охлаждают в теплообменнике 4, после чего тепло, поглощенное их смесью в камере 5 смешивания, позволяет охладить опору 6 до температуры порядка 0,1 К. Смесь М поглощает тепло в теплообменнике 4 перед ее выходом из криостата при давлении на выходе, поддерживаемом равным примерно 2 бар. Разность давления с давлением на входе создается благодаря потере напора в теплообменниках.
На практике теплообменник 4 состоит из двух частей, при этом горячая часть (0,5-2 К) длиной 1 м состоит из трех труб с внутренним диаметром 0,03 мм, сваренных вместе, тогда как холодная часть (0,1-0,5 K образована тремя трубами диаметром 0,02 мм и длиной 3 м, сваренными вместе.
На фиг. 1 представлен схематический вид устройства по фиг. 2, модифицированного согласно изобретению. На обоих чертежах одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы.
Чистые газы 4Не и 3Не нагнетают под давлением (между 2 и 20 бар) при комнатной температуре. Затем их охлаждают до температуры в диапазоне между 4 и 10 K с помощью теплообменников 10, которые соединены с дополнительной машиной 11 для предварительного охлаждения. Поступая во внешний корпус 13, текучие среды охлаждаются до температуры порядка 2 K с помощью теплообменников 12, которые соединены с промежуточным корпусом 3. При этом точка смешивания (5) и прилегающий к ней теплообменник (4) размещены в корпусе (13), поддерживаемом при температуре ниже 2,5 К. Внутренняя часть этого корпуса (3) идентична его внутренней части по фиг. 2.
На выходе из теплообменника 4 смесь теряет напор и находится в теплообменнике 14 при низком давлении, где жидкость испаряется, создавая большую охлаждающую мощность, которую используют для охлаждения экрана, ограничивающего наружный корпус 13, таким образом, что жидкости поступают через теплообменники 12. Затем смесь 11 выходит из криостата при низком давлении (между 1 и 50 мбар по трубопроводу 15.
На фиг. 3, которая представляет собой энтальпийную диаграмму гелия 4, поясняется физический аспект явлений, которые происходят внутри устройства. Эта диаграмма относится к чистому гелию 4, тогда как на практике используют гелий 4 и гелий 3 либо раздельно, либо в смеси. На практике количество гелия 3 по отношению к гелию 4 является относительно малым, примерно 20%, так что диаграмма на фиг. 3 представляет собой, тем не менее, наглядную общую иллюстрацию происходящих процессов.
При давлении на входе 9 бар и температуре 4 К, например, точка А, энтальпия составляет 50 Дж/моль. Если давление на выходе зафиксировано на уровне 30 мбар, жидкость сохраняет свою энтальпию и возвращается в точку В при температуре 2 К в виде двухфазной смеси, состоящей наполовину из пара, наполовину из жидкости. Доступная мощность охлаждения задается разностью энтальпий между точками В и С, т.е. равной примерно 50 Дж/моль. При обычном расходе 10 мкмоль/с доступная мощность в корпусе 3 составляет, следовательно, 0,5 мВт. Рассуждая аналогично, при температуре на входе выше 7 K получают нулевую доступную мощность. В этом случае необходимо добавить непрерывный теплообменник между входными трубами, соединяющими теплообменники 10 и 12, и выходной трубой 15. Использование такого теплообменника, спаренного с детандером Джоуля-Томсона, хорошо известно, благодаря чему можно осуществить такое расширение с высокой исходной температурой (до 10 или 20 К).
При заданных расходах (1,5 мкмоль/с для 3Не и 6 мкмоль/с для 4Не) необходимые количества газа составляют 1000 л для гелия 3 и 4000 л для гелия 4. Если используют стандартные баллоны высокого давления (объем 5 л, давление 200 бар, масса 6,7 кг), то для криостата требуется только один баллон гелия 3 и четыре баллона гелия 4 в год, что соответствует 33,5 кг в год. Эта масса может быть легко уменьшена при использовании баллонов высокого давления, изготовленных из более прочных материалов.
Поскольку все жидкости заключены в маленьких трубках и не имеется свободной поверхности отделения основы, система является нечувствительной к силе тяжести.
Простота системы обеспечивает очень простое управление путем регулирования расходов двух жидкостей на входе в криостат. Это позволяет остановить и возобновить растворение для оптимизации расхода газообразного гелия.
При такой конструкции можно охлаждать детекторы, например, до температуры 0,1 K, в космическом спутнике, используя криогенератор малого размера, потребляющий мощность несколько милливатт при температуре 5 К. Способ является очень надежным, не содержит механических узлов, и для его использования требуется порядка 5000 л газа в год. Устройство, следовательно, особенно пригодно для продолжительных экспериментов, например, в космосе.
Claims (4)
1. Способ получения сверхнизких температур, согласно которому 4He и 3He, которые охлаждают с помощью теплообменников до температуры порядка 0,2 К или ниже, непрерывно вводят в точку (5), где их смешивают для поглощения тепла растворения 3He в 4He, производя таким образом охлаждение образовавшейся двухфазной смеси, при этом смесь (М) отводят по трубопроводу для предотвращения диффузии 3He противотоком и уменьшения растворения 3He, причем теплообменник (4) вблизи точки (5) смешивания используют для охлаждения жидкостей, направляемых к самой холодной точке, с помощью отведенной смеси (М), циркулирующей в противоположном направлении, отличающийся тем, что 4He и 3He, предназначенные для смешивания, охлаждают от температуры их подачи до температуры ниже 2,5 К при теплообмене с отведенной смесью, при этом мощность поглощается при использовании расширения Джоуля-Томсона этой смеси, что позволяет таким образом этой системе функционировать с температурой подачи выше 4 К.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширения Джоуля-Томсона осуществляют путем понижения давления до примерно 1 - 50 мбар, а давление подачи 4He и 3He составляет примерно 2 - 15 бар.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расширение и возможное последующее испарение смеси проводят при температуре между примерно 1,5 и 2,5 К.
4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что точка смешивания (5) и прилегающий к ней теплообменник (4) размещены в корпусе (13), поддерживаемом при температуре ниже 2,5 К.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR93/08201 | 1993-07-05 | ||
FR9308201A FR2707375B1 (fr) | 1993-07-05 | 1993-07-05 | Procédé d'obtention de très basses températures. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96102156A RU96102156A (ru) | 1998-05-20 |
RU2117883C1 true RU2117883C1 (ru) | 1998-08-20 |
Family
ID=9448906
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96102156A RU2117883C1 (ru) | 1993-07-05 | 1994-07-04 | Способ получения очень низких температур |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5657635A (ru) |
EP (1) | EP0706632B1 (ru) |
JP (1) | JP3304978B2 (ru) |
AT (1) | ATE164441T1 (ru) |
DE (1) | DE69409236T2 (ru) |
FR (1) | FR2707375B1 (ru) |
RU (1) | RU2117883C1 (ru) |
WO (1) | WO1995002158A1 (ru) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB0421111D0 (en) * | 2004-09-22 | 2004-10-27 | Oxford Instr Superconductivity | Cryogenic flow valve system |
FR2934674A1 (fr) * | 2008-07-31 | 2010-02-05 | Air Liquide | Refrigerateur et procede de production de froid a tres basse temperature |
DE102009025544B3 (de) * | 2009-06-19 | 2010-09-23 | Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH | Lösungskältemaschine |
US8991150B2 (en) | 2012-07-27 | 2015-03-31 | Board Of Trustees Of Northern Illinois University | High specific impulse superfluid and nanotube propulsion device, system and propulsion method |
US10240875B2 (en) * | 2014-07-09 | 2019-03-26 | The Regents Of The University Of California | Active cryogenic electronic envelope |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2322337A1 (fr) * | 1975-08-26 | 1977-03-25 | Air Liquide | Dispositif d'alimentation de refrigerant d'un refrigerateur a circuit ouvert, et systeme de refrigeration comportant un tel dispositif |
US4080802A (en) * | 1976-07-14 | 1978-03-28 | International Telephone And Telegraph Corporation | Hybrid gas cryogenic cooler |
DE3435229A1 (de) * | 1984-09-26 | 1986-04-03 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe | Kryostat fuer den betrieb einer (pfeil hoch)3(pfeil hoch)he-(pfeil hoch)4(pfeil hoch)he-mischeinheit |
SU1229528A1 (ru) * | 1984-10-15 | 1986-05-07 | Всесоюзный научно-исследовательский институт гелиевой техники | Способ пуска рефрижератора @ - @ |
US4697425A (en) * | 1986-04-24 | 1987-10-06 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Oxygen chemisorption cryogenic refrigerator |
FR2626658B1 (fr) * | 1988-02-03 | 1990-07-20 | Centre Nat Etd Spatiales | Procede et appareillage pour l'obtention de tres basses temperatures |
DE3941314A1 (de) * | 1989-12-14 | 1991-06-20 | Bodenseewerk Geraetetech | Kuehlvorrichtung |
US5063747A (en) * | 1990-06-28 | 1991-11-12 | United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration | Multicomponent gas sorption Joule-Thomson refrigeration |
US5119637A (en) * | 1990-12-28 | 1992-06-09 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Ultra-high temperature stability Joule-Thomson cooler with capability to accommodate pressure variations |
-
1993
- 1993-07-05 FR FR9308201A patent/FR2707375B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-07-04 RU RU96102156A patent/RU2117883C1/ru not_active IP Right Cessation
- 1994-07-04 WO PCT/FR1994/000818 patent/WO1995002158A1/fr active IP Right Grant
- 1994-07-04 JP JP50385195A patent/JP3304978B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1994-07-04 AT AT94921676T patent/ATE164441T1/de not_active IP Right Cessation
- 1994-07-04 EP EP94921676A patent/EP0706632B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1994-07-04 DE DE69409236T patent/DE69409236T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1994-07-04 US US08/578,656 patent/US5657635A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2707375B1 (fr) | 1995-09-22 |
EP0706632B1 (fr) | 1998-03-25 |
ATE164441T1 (de) | 1998-04-15 |
DE69409236D1 (de) | 1998-04-30 |
EP0706632A1 (fr) | 1996-04-17 |
JPH08512398A (ja) | 1996-12-24 |
WO1995002158A1 (fr) | 1995-01-19 |
JP3304978B2 (ja) | 2002-07-22 |
FR2707375A1 (fr) | 1995-01-13 |
US5657635A (en) | 1997-08-19 |
DE69409236T2 (de) | 1998-11-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3950958A (en) | Refrigerated underground storage and tempering system for compressed gas received as a cryogenic liquid | |
EP2196722B1 (en) | Device for re-liquefaction of liquefied gas, liquefied gas storage facility and liquefied gas carrying vessel equipped with the device, and method of re-liquefaction of liquefied gas | |
CA2481230C (en) | Thermo-siphon method for providing refrigeration | |
US3848427A (en) | Storage of gas in underground excavation | |
JP2006100275A (ja) | バックアップ極低温冷却装置 | |
US3613387A (en) | Method and apparatus for continuously supplying refrigeration below 4.2 degree k. | |
US5193349A (en) | Method and apparatus for cooling high temperature superconductors with neon-nitrogen mixtures | |
CN100467976C (zh) | 用脉冲管制冷的低温容器系统和向其提供制冷作用的方法 | |
BRPI0612403A2 (pt) | aparelho de tanque criogênico, e, método para operar um sistema de tanque criogênico | |
US3299646A (en) | Cryogenic joule-thomson helium liquefier with cascade helium and nitrogen refrigeration circuits | |
US3864926A (en) | Apparatus for liquefying a cryogen by isentropic expansion | |
RU2117883C1 (ru) | Способ получения очень низких температур | |
KR102282181B1 (ko) | 직냉식 액화장치 | |
Croft | Cryogenic laboratory equipment | |
JP5313348B2 (ja) | 冷凍器、および非常に低い温度の冷熱を作り出す方法 | |
Benoit et al. | New types of dilution refrigerator and space applications | |
SU330785A1 (ru) | Установка дл получени сверхнизких температур | |
RU96102156A (ru) | Способ получения очень низких температур | |
US3990265A (en) | Joule-Thomson liquifier utilizing the Leidenfrost principle | |
GB2166535A (en) | Cryostat for operation of a <3>He <4>He mixing unit | |
US3470065A (en) | Production of cold neutrons | |
RU2193740C1 (ru) | Аппарат сжижения газа | |
VanSant et al. | Cryogenic system for the mirror fusion test facility | |
Arend et al. | Cooling of a system of superconducting magnets by means of pumped subcooled liquid helium | |
RU2028560C1 (ru) | Установка для получения низких температур |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030705 |