RU2482381C1

RU2482381C1 - Cryostat

Info

Publication number: RU2482381C1
Application number: RU2011149439/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Великанов
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-05-20
Also published as: EA020501B1; EA201200639A1

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: cryostat includes cylindrical glass Dewar vessels for liquid nitrogen and liquid helium. Dewar vessel for liquid helium is arranged in Dewar vessel for liquid nitrogen. In upper part of Dewar vessel for liquid helium there is a glass connection pipe soldered to external wall above an upper edge of Dewar vessel for liquid nitrogen. Cryostat also includes a cap that is equipped with a nozzle for connection of a cryogenic insert, a nozzle for connection of an overflow device for liquid helium and a return nozzle of gaseous helium, an O-ring, a flange and a shock-absorbing gasket. In the cap there are two grooves, and in the flange there is one groove. O-ring is made from elastic gas-tight material, located between the cap and the flange and partially enters the first groove of the cap and the groove of the flange, and encloses the external wall of Dewar vessel for liquid helium above the nozzle; at that, the fitting is made with tension. The shock-absorbing gasket is located between upper end face of Dewar vessel for liquid helium and the cap in the second groove of the latter. Leak-proof connection of Dewar vessel for liquid helium with the cap is provided by tightening the cap and the flange between each other.

EFFECT: economy of cryogenic resources and improvement of operating characteristics of cryostat.

2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для охлаждения с применением сжиженных газов и может быть использовано при проведении низкотемпературных исследований в следующих областях: физика низких температур, электрические и магнитные измерения, биофизика, медицина.The invention relates to devices for cooling using liquefied gases and can be used when conducting low-temperature studies in the following areas: low-temperature physics, electrical and magnetic measurements, biophysics, medicine.

Известна конструкция гелиевого криостата, который имеет азотную рубашку и общий вакуумный объем. Гелиевый резервуар криостата соединяется со съемным гелиевым стаканом посредством шлифа, смазываемого вакуумной смазкой [Кулаков В.В. Оптический стеклянный гелиевый криостат. - Приборы и техника эксперимента, 1976, №6, с.187-188].A known design of a helium cryostat, which has a nitrogen jacket and a total vacuum volume. The helium reservoir of the cryostat is connected to a removable helium cup by means of a thin section lubricated with vacuum grease [V. Kulakov Optical glass helium cryostat. - Instruments and experimental equipment, 1976, No. 6, p.187-188].

Недостатком данной конструкции является ненадежность указанного соединения, высокие механические напряжения в нем. Что может приводить как к утечке гелия в атмосферу, так и к разрушению криостата.The disadvantage of this design is the unreliability of the specified connection, high mechanical stresses in it. Which can lead both to the leakage of helium into the atmosphere, and to the destruction of the cryostat.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция криостата, состоящая из стеклянных цилиндрических сосудов Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия [RU 2304745 С1, кл. F25D 3/10, F17C 3/00, опубл. 20.08.2007]. Сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток. В верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота.The closest technical solution to the claimed device is the design of a cryostat, consisting of glass cylindrical Dewar vessels for liquid nitrogen and liquid helium [RU 2304745 C1, cl. F25D 3/10, F17C 3/00, publ. 08/20/2007]. The Dewar vessel for liquid helium is placed in the Dewar vessel for liquid nitrogen, which has a process. In the upper part of the Dewar vessel for liquid helium there is a glass tube soldered to the outer wall above the upper edge of the Dewar vessel for liquid nitrogen.

Недостаток данной конструкции заключается в том, что гелий испаряется в атмосферу и безвозвратно теряется, при том что гелий является весьма дорогостоящим криоагентом.The disadvantage of this design is that helium evaporates into the atmosphere and is irretrievably lost, while helium is a very expensive cryoagent.

Техническим результатом изобретения является экономия криогенных ресурсов, повышение эксплуатационных характеристик криостата для низкотемпературных исследований в интервале температур от гелиевой до комнатной.The technical result of the invention is the saving of cryogenic resources, increasing the operational characteristics of the cryostat for low-temperature studies in the temperature range from helium to room temperature.

Технический результат достигается тем, что в криостате, содержащем стеклянные цилиндрические сосуды Дьюара для жидкого азота и жидкого гелия, причем сосуд Дьюара для жидкого гелия размещен в сосуде Дьюара для жидкого азота, который имеет отросток, а в верхней части сосуда Дьюара для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок, припаянный к внешней стенке выше верхнего края сосуда Дьюара для жидкого азота, новым является то, что он содержит капку, которая оснащена штуцером для подсоединения криогенной вставки, штуцером для подсоединения переливного устройства для жидкого гелия и патрубком для возврата газообразного гелия, уплотнительное кольцо, фланец и амортизационную прокладку, причем капка и фланец изготовлены из коррозионностойкого металла либо сплава с низкой теплопроводностью, в капке выполнены две выточки, во фланце выполнена выточка, уплотнительное кольцо изготовлено из эластичного газонепроницаемого материала, расположено между капкой и фланцем, частично заходя в первую выточку капки и выточку фланца, и охватывает внешнюю стенку сосуда Дьюара для жидкого гелия выше патрубка, при этом посадка выполнена с натягом, амортизационная прокладка изготовлена из материала с низкой твердостью, расположена между верхним торцом сосуда Дьюара для жидкого гелия и капкой во второй выточке последней, вакуумно-плотное соединение сосуда Дьюара для жидкого гелия с капкой обеспечивается путем стягивания между собой капки и фланца.The technical result is achieved in that in a cryostat containing glass cylindrical Dewar vessels for liquid nitrogen and liquid helium, and the Dewar vessel for liquid helium is placed in a Dewar vessel for liquid nitrogen, which has a process, and in the upper part of the Dewar vessel for liquid helium there is a glass the pipe soldered to the outer wall above the upper edge of the Dewar vessel for liquid nitrogen, new is that it contains a cap, which is equipped with a fitting for connecting a cryogenic insert, a fitting for connecting ne a filling device for liquid helium and a nozzle for returning gaseous helium, an o-ring, a flange and a cushioning pad, the cup and flange made of a corrosion-resistant metal or alloy with low thermal conductivity, two grooves are made in the cup, a groove is made in the flange, and the sealing ring is made of elastic gas-tight material, located between the cup and the flange, partially going into the first groove of the cup and the groove of the flange, and covers the outer wall of the Dewar vessel for liquid gel I am above the nozzle, while the fit is tightened, the cushion pad is made of material with low hardness, located between the upper end of the Dewar vessel for liquid helium and the cup in the second recess of the latter, the vacuum-tight connection of the Dewar vessel for liquid helium with the cup is ensured by tightening between each other cups and flanges.

Перечисленные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».These signs allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».When studying other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype are not identified, and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. На фиг.1 представлено устройство криостата. На фиг.2 дана схема подключения криостата к откачным и газовым коммуникациям.The invention is illustrated using the drawings. Figure 1 shows the device cryostat. Figure 2 shows the connection diagram of the cryostat to the pumping and gas communications.

Криостат состоит из сосуда Дьюара 1 для жидкого азота, сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия, капки 3, уплотнительного кольца 4, фланца 5, амортизационной прокладки 6. Сосуды Дьюара 1, 2 изготовлены из стекла и имеют цилиндрическую форму. Поверхности стенок, образующих вакуумное пространство сосудов Дьюара, посеребрены. Сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия размещен внутри сосуда Дьюара 1 для жидкого азота.The cryostat consists of a Dewar vessel 1 for liquid nitrogen, a Dewar vessel 2 for liquid helium, a cap 3, an o-ring 4, a flange 5, a cushion pad 6. The Dewar vessels 1, 2 are made of glass and have a cylindrical shape. The surfaces of the walls forming the vacuum space of the Dewar vessels are silvered. The Dewar vessel 2 for liquid helium is placed inside the Dewar vessel 1 for liquid nitrogen.

У сосуда Дьюара 1 на нижнем торце его внешней стенки имеется технологический отросток 7, оставшийся после отпайки откачного патрубка. Пространство 8 между двойными стенками сосуда Дьюара 1 откачано до высокого вакуума при изготовлении сосуда.At the Dewar vessel 1 at the lower end of its outer wall there is a technological process 7 remaining after the desoldering of the pumping nozzle. The space 8 between the double walls of the Dewar vessel 1 is evacuated to a high vacuum in the manufacture of the vessel.

В верхней части сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия имеется стеклянный патрубок 9, который припаян к внешней стенке 10 выше верхнего края сосуда Дьюара 1 для жидкого азота. Через патрубок 9 перед каждой заливкой в криостат криоагентов - жидкого азота 11 и жидкого гелия 12 - производится откачка пространства 13 между двойными стенками сосуда Дьюара 2 до высокого вакуума. Тем самым обеспечивается высокая степень теплоизоляции между азотным экраном и объемом с жидким гелием.In the upper part of the Dewar vessel 2 for liquid helium there is a glass tube 9, which is soldered to the outer wall 10 above the upper edge of the Dewar vessel 1 for liquid nitrogen. Through the pipe 9, before each filling of cryoagents — liquid nitrogen 11 and liquid helium 12 — into the cryostat, the space 13 is pumped out between the double walls of the Dewar vessel 2 to a high vacuum. This ensures a high degree of thermal insulation between the nitrogen screen and the volume with liquid helium.

Капка 3 и фланец 5 изготовлены из коррозионностойкого материала с низкой теплопроводностью, в частности из нержавеющей стали. В капке 3 выполнены выточки 14, 15, а во фланце 5 выполнена выточка 16. Уплотнительное кольцо 4 расположено между капкой 3 и фланцем 5, частично заходя в выточки 14, 16, и охватывает внешнюю стенку 10 сосуда Дьюара 2 выше патрубка 9. Уплотнительное кольцо 4 изготовлено из эластичного газонепроницаемого материала, в частности из вакуумной резины. Внутренний диаметр уплотнительного кольца 4 выполняется несколько меньшим, чем внешний диаметр сосуда Дьюара 2, для того чтобы обеспечить натяг соединения и соответственно надежное вакуумное уплотнение.The cup 3 and the flange 5 are made of a corrosion-resistant material with low thermal conductivity, in particular stainless steel. Grooves 14, 15 are made in the cup 3, and groove 16 is made in the flange 5. The sealing ring 4 is located between the cup 3 and the flange 5, partially entering the grooves 14, 16, and covers the outer wall 10 of the Dewar vessel 2 above the nozzle 9. The sealing ring 4 is made of a flexible gas-tight material, in particular of vacuum rubber. The inner diameter of the O-ring 4 is slightly smaller than the outer diameter of the Dewar vessel 2 in order to ensure a tightness of the connection and, accordingly, a reliable vacuum seal.

Вакуумно-плотное соединение сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия с капкой 3 обеспечивается путем стягивания между собой капки 3 и фланца 5, например, с помощью винтов 17, под которые в деталях 3, 5 предусмотрены соответствующие отверстия. Перед сборкой криостата на уплотнительное кольцо 4 наносится вакуумная смазка. При затяжке соединения эластичное уплотнительное кольцо 4 частично выдавливается в кольцевые зазоры 18 между элементами конструкции. Тем самым предотвращается возникновение разрушающих внешнюю стенку 10 механических напряжений.A vacuum-tight connection of the Dewar vessel 2 for liquid helium with the cap 3 is provided by tightening the cups 3 and the flange 5 together, for example, using screws 17, under which corresponding holes are provided in parts 3, 5. Before assembling the cryostat, a vacuum lubricant is applied to the o-ring 4. When tightening the connection, the elastic sealing ring 4 is partially extruded into the annular gaps 18 between the structural elements. This prevents the occurrence of destroying the outer wall 10 of mechanical stress.

Амортизационная прокладка 6 изготовлена из материала с низкой твердостью, в частности из пенополистирола, и расположена между верхним торцом 19 сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия и капкой 3 в выточке 15. Прокладка 6 выполняет сразу две функции. Во-первых, сминаясь под воздействием торца 19, она предохраняет торец 19 от возникновения в нем разрушающих механических напряжений. Во-вторых, прокладка 6 препятствует току испаряющегося гелия 12 к уплотнительному кольцу 4, защищая последнее тем самым от охлаждения до низкой температуры, при которой происходит отвердевание материала кольца 4 и, как следствие, может происходить разгерметизация вакуумного соединения.The cushion pad 6 is made of a material with low hardness, in particular polystyrene foam, and is located between the upper end 19 of the Dewar vessel 2 for liquid helium and the cap 3 in the undercut 15. The pad 6 performs two functions at once. Firstly, crushing under the influence of the end face 19, it protects the end face 19 from the occurrence of destructive mechanical stresses in it. Secondly, the gasket 6 prevents the current of evaporating helium 12 from flowing to the sealing ring 4, thereby protecting the latter from cooling to a low temperature at which the material of the ring 4 hardens and, as a result, depressurization of the vacuum connection can occur.

Капка 3 криостата оснащена штуцером 20 для подсоединения криогенной вставки 21, штуцером 22 для подсоединения переливного устройства 23 для жидкого гелия и патрубком 24 для возврата газообразного гелия (фиг.2).The cap 3 of the cryostat is equipped with a fitting 20 for connecting a cryogenic insert 21, a fitting 22 for connecting an overflow device 23 for liquid helium, and a nozzle 24 for returning gaseous helium (FIG. 2).

Работа с криостатом производится следующим образом. Криостат посредством шлангов 25, 26 из вакуумной резины, вакуумных вентилей 27, 28, 29 и тройника 30 подсоединен к вакуумной магистрали 31 и к возвратной магистрали 32. Вакуумный насос 33 через вентиль 34 подключен к вакуумной магистрали 31, а через вентиль 35 соединен с атмосферой. Возвратная магистраль 32 через обратный клапан 36 подключена к газгольдеру 37. К возвратной магистрали 32 через вентиль 38 с помощью шланга 39 подсоединяется транспортный сосуд Дьюара 40 для жидкого гелия. Переливное устройство 23 для жидкого гелия имеет вентиль 41. Оно одним концом 42 вставляется в криостат в сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия, а другим концом 43 - в транспортный сосуд Дьюара 40. Герметичность соединений достигается уплотнениями в штуцере 22 и в горловине транспортного сосуда Дьюара 40.Work with a cryostat is as follows. The cryostat through hoses 25, 26 of vacuum rubber, vacuum valves 27, 28, 29 and a tee 30 is connected to the vacuum pipe 31 and to the return pipe 32. The vacuum pump 33 through the valve 34 is connected to the vacuum pipe 31, and through the valve 35 is connected to the atmosphere . The return line 32 through the check valve 36 is connected to the gas tank 37. To the return line 32 through the valve 38 using a hose 39 connects the transport vessel Dewar 40 for liquid helium. The overflow device 23 for liquid helium has a valve 41. It is inserted at one end 42 into a cryostat into a Dewar vessel 2 for liquid helium, and at the other end 43 into a transport Dewar vessel 40. The tightness of the joints is achieved by seals in the nozzle 22 and in the neck of the Dewar transport vessel 40 .

Изначально вентили 35, 38 открыты, а все остальные вентили закрыты. После монтажа криостата необходимо из сосуда Дьюара 2 для жидкого гелия удалить воздух и заполнить его газообразным гелием. Для этого вентиль 35 закрывают, включают вакуумный насос 33 и открывают вентили 34, 28. После откачки вентиль 28 закрывают, затем открывают вентиль 29, при этом сосуд Дьюара 2 заполняется газообразным гелием.Initially, valves 35, 38 are open, and all other valves are closed. After mounting the cryostat, it is necessary to remove air from the Dewar vessel 2 for liquid helium and fill it with gaseous helium. To do this, the valve 35 is closed, the vacuum pump 33 is turned on and the valves 34, 28 are opened. After pumping, the valve 28 is closed, then the valve 29 is opened, and the Dewar vessel 2 is filled with gaseous helium.

Для откачки вакуумного пространства 13 открывают вентиль 27. Откачка производится до высокого вакуума, после чего из транспортного сосуда Дьюара для жидкого азота в сосуд Дьюара 1 заливают жидкий азот, например, через воронку 44. После этого вентили 27, 34 закрывают, насос 33 выключают и открывают вентиль 35 для напуска в насос воздуха.To evacuate the vacuum space 13, open the valve 27. Pumping is carried out to a high vacuum, after which liquid nitrogen is poured into the Dewar vessel 1 from the Dewar transport vessel for liquid nitrogen, for example, through a funnel 44. After this, the valves 27, 34 are closed, the pump 33 is turned off and open the valve 35 for inlet into the air pump.

Далее закрывают вентиль 38, вентиль 41 открывают и заливают из транспортного сосуда Дьюара 40 жидкий гелий в сосуд Дьюара 2. После заливки вентиль 38 открывают, а вентиль 41 закрывают. Криостат готов к работе. Низкотемпературные физические исследования проводят внутри криогенной вставки 21.Next, close valve 38, valve 41 open and pour liquid helium from the Dewar transport vessel 40 into the Dewar vessel 2. After filling, valve 38 is opened and valve 41 is closed. The cryostat is ready for use. Low-temperature physical studies are carried out inside the cryogenic insert 21.

По ходу времени испарившийся гелий из криостата, а также из транспортного сосуда Дьюара 40 по возвратной магистрали 32 поступает в газгольдер 37. Обратный клапан 36 предотвращает обратный ток гелия. По мере наполнения газгольдера 37 периодически открывают вентиль 45, и через него гелий с помощью компрессора закачивают в баллоны высокого давления.In the course of time, evaporated helium from the cryostat, as well as from the Dewar transport vessel 40, enters the gas tank 37 via the return line 32. The check valve 36 prevents the reverse flow of helium. As the gas tank 37 is filled, the valve 45 is periodically opened, and through it, helium is pumped into the high-pressure cylinders by means of a compressor.

ПримерExample

Сосуд Дьюара 1 для жидкого азота имеет внешний диаметр 125 мм, внутренний диаметр 105 мм, длину 600 мм. Сосуд Дьюара 2 для жидкого гелия имеет внешний диаметр 80 мм, внутренний диаметр 60 мм, длину 650 мм. Использованы транспортный сосуд Дьюара для жидкого азота типа АСД-15, транспортный сосуд Дьюара для жидкого гелия типа СТТ-40, стандартное переливное устройство для жидкого гелия, вакуумный пластинчато-роторный насос типа 2НВР-5Д, сильфонные вакуумные вентили типа Н-Д22/2.The Dewar vessel 1 for liquid nitrogen has an outer diameter of 125 mm, an inner diameter of 105 mm, and a length of 600 mm. The Dewar vessel 2 for liquid helium has an external diameter of 80 mm, an internal diameter of 60 mm, a length of 650 mm. The Dewar transport vessel for liquid nitrogen type ASD-15, the Dewar transport vessel for liquid helium type CTT-40, a standard overflow device for liquid helium, a vacuum rotary vane type 2NVR-5D pump, and bellows type N-D22 / 2 bellows were used.

Заявляемое устройство является частью экспериментальной установки, предназначенной для измерения магнитной восприимчивости. Расход жидкого гелия на одну заливку составляет 4-5 л.The inventive device is part of an experimental setup designed to measure magnetic susceptibility. The flow rate of liquid helium per fill is 4-5 liters.

Claims

A cryostat containing glass cylindrical Dewar vessels for liquid nitrogen and liquid helium, wherein the Dewar vessel for liquid helium is placed in the Dewar vessel for liquid nitrogen, which has a process, and in the upper part of the Dewar vessel for liquid helium there is a glass tube soldered to the outer wall above the upper edge of the Dewar vessel for liquid nitrogen, characterized in that it contains a cap, which is equipped with a fitting for connecting a cryogenic insert, a fitting for connecting an overflow device for liquid helium and a nozzle m for the return of gaseous helium, an o-ring, flange and cushioning pad, and the cup and flange are made of corrosion-resistant metal or alloy with low thermal conductivity, two grooves are made in the cup, a groove is made in the flange, the sealing ring is made of elastic gas-tight material, located between the cup and the flange, partially entering the first groove of the cup and the groove of the flange, and covers the outer wall of the Dewar vessel for liquid helium above the nozzle, while landing Gom, cushioning pad made of a material with low hardness, between the upper end of the Dewar vessel for liquid helium and kapok in the second recess of the latter, a vacuum-tight connection to a dewar of liquid helium kapok achieved by a constriction between the flange and kapok.