Изобретение относится к области криогенной техники, конкретно к устройствам для подачи и откачки сверхтекучего гелия, и может найти применение как при проведении физических экспериментов, так и в практических целях, требующих управления направлением и скоростью подачи сверхтекучего гелия для охлаждения детекторов, нагревателей, оперативным управлением работой испарителей.The invention relates to the field of cryogenic technology, specifically to devices for supplying and pumping superfluid helium, and can find application both in physical experiments and for practical purposes, requiring control of the direction and feed rate of superfluid helium for cooling detectors, heaters, operational control of operation evaporators.
Известны конструкции термомеханических насосов (thermomechanical pump или fountain pump в англоязычной литературе) для сверхтекучего гелия, представляющие собой трубку-капилляр и нагреватель, находящийся внутри заполняемой емкости [С.М.Lyneis, М.S.McAshan, H.A.Schwettman, High Energy Physics Laboratory Report, 1968, P.52-58; G.L.Mills; A.R.Urbach, Performance of a thermomechanical pump. Cryogenics, V.30, 1990, P.206-210]. Особенностями таких насосов является отсутствие движущихся механических частей и работы исключительно при температурах ниже 2.17 К (только со сверхтекучим гелием).There are known designs of thermomechanical pumps (thermomechanical pump or fountain pump in the English literature) for superfluid helium, which are a capillary tube and a heater inside a filled tank [S.M. Lyneis, M.S. McAshan, HASchwettman, High Energy Physics Laboratory Report, 1968, P.52-58; G.L. Mills; A.R. Urbach, Performance of a thermomechanical pump. Cryogenics, V.30, 1990, P.206-210]. The peculiarity of such pumps is the absence of moving mechanical parts and operation exclusively at temperatures below 2.17 K (only with superfluid helium).
Принцип действия известного термомеханического насоса для сверхтекучего гелия основан на термомеханическом эффекте возникновения потока сверхтекучего гелия через узкие щели или капилляры под влиянием разности температур (на концах капилляра) [J.F.Alien, H.Jones, Nature, V.141, 1938, Р.243-244]: в сверхтекучей жидкости возникает разность давлений, обусловленная разностью температур, и происходит выравнивание концентрации сверхтекучей компоненты, свободно протекающей через щель в направлении нагретой части жидкости. В то же время поток нормальной компоненты в обратном направлении невозможен из-за проявления сил вязкости в узкой щели.The principle of operation of the known thermomechanical pump for superfluid helium is based on the thermomechanical effect of the flow of superfluid helium through narrow slits or capillaries under the influence of a temperature difference (at the ends of the capillary) [JFAlien, H. Jones, Nature, V.141, 1938, P.243- 244]: in a superfluid liquid, a pressure difference arises due to the temperature difference, and the concentration of the superfluid component freely flowing through the gap in the direction of the heated part of the liquid is equalized. At the same time, the flow of the normal component in the opposite direction is impossible due to the manifestation of viscosity forces in a narrow gap.
К недостаткам конструкции известных термомеханических насосов для сверхтекучего гелия следует отнести однонаправленность переноса гелия (в сторону заполняемой емкости) и сложность реализации герметичного ввода электрических проводов нагревателя во внутренний объем насоса при температурах ~1 К, принимая во внимание сверхтекучесть гелия-4. Кроме того, ряд конструкций термомеханического насоса предполагает использование стеклянных деталей, что делает такие насосы не пригодными для ремонта (со временем порошок с размером частиц порядка 1-15 мкм, несмотря на использование специальных фильтров, вымывается, что приводит к понижению эффективности работы насоса, а затем и выходу насоса из строя).The design flaws of the well-known thermomechanical pumps for superfluid helium include the unidirectional transport of helium (towards the filled tank) and the difficulty of imperviously introducing the heater electric wires into the pump’s internal volume at temperatures of ~ 1 K, taking into account the superfluidity of helium-4. In addition, a number of designs of the thermomechanical pump involves the use of glass parts, which makes such pumps unsuitable for repair (over time, powder with a particle size of the order of 1-15 μm is washed out, despite the use of special filters, which reduces the efficiency of the pump, and then the failure of the pump).
Техническим результатом изобретения является устранение недостатков известных технических решений путем упрощения конструкции нагревателя и реализации возможности управления скоростью и направлением потока сверхтекучего гелия через насос - реверсивности.The technical result of the invention is to eliminate the disadvantages of the known technical solutions by simplifying the design of the heater and realizing the ability to control the speed and direction of flow of superfluid helium through the pump - reversibility.
Указанный технический результат достигается за счет использования двух нагревательных элементов, располагающихся снаружи металлической трубки-корпуса таким образом, что реализуется возможность управлять как величиной, так и направлением потока потока сверхтекучего гелия через насос. Кроме того, расположение нагревателей снаружи корпуса позволяет решить проблему герметичного ввода вовнутрь корпуса проводов к нагревателям. Для эффективной работы насоса необходима надежная теплоизоляция нагревателей от окружающего насос сверхтекучего гелия, иначе джоулево тепло, выделяемое нагревателем при прохождении по нему тока, будет отводиться во внешний объем гелия и не создаст локального нагрева внутри насоса. Теплоизоляция нагревателей выполняется плотной намоткой на нагреватели тефлоновой пленки, имеющей низкую теплопроводность и хорошие механические свойства для использования при гелиевых температурах. Тонкая стальная стенка трубки-корпуса имеет низкую теплопроводность и поэтому основной поток тепла поступает внутрь корпуса (теплопередача вдоль стенки минимальна).The specified technical result is achieved through the use of two heating elements located outside the metal tube-casing in such a way that it is possible to control both the magnitude and direction of the flow of superfluid helium through the pump. In addition, the location of the heaters on the outside of the housing allows you to solve the problem of sealed entry inside the housing of wires to the heaters. For efficient operation of the pump, reliable heat insulation of the heaters from superfluid helium surrounding the pump is required, otherwise the Joule heat generated by the heater when current flows through it will be removed to the external volume of helium and will not create local heating inside the pump. Thermal insulation of heaters is carried out by tightly winding Teflon film heaters, which have low thermal conductivity and good mechanical properties for use at helium temperatures. The thin steel wall of the tube-casing has low heat conductivity and therefore the main heat flow enters the casing (heat transfer along the wall is minimal).
Технический результат достигается за счет следующей сборки насоса (фиг.1). Трубка подачи-откачки сверхтекучего гелия 1 впаивается в трубку-корпус насоса 2, после чего в корпус насоса плотно вдавливается диск-фильтр 3, предотвращающий вымывание запрессованного в корпусе порошка. Диск может быть собран из нескольких слоев, вырезаннных из плотной ткани (стеклоткани), и для жесткости усилен металлической сеткой. Затем в корпус насоса засыпается порошок 4 (из материала, не впитывающего воду, например Al2O3) с размером гранул несколько мкм и плотно утрамбовывается до заполнения всего необходимого объема. Трубка-корпус насоса затыкается вторым диском-фильтром 5, который фиксируется диском-заглушкой с отверстиями для сверхтекучего гелия 6. Диск-заглушка припаивается к корпусу насоса. На корпус насоса наматываются нагреватели 7 и изолируются тефлоновой лентой 8. При подаче напряжения на один из нагревателей, представляющих собой несколько витков провода непосредственно на трубке-корпусе на насоса, происходит его нагрев и, благодаря теплопередаче через тонкую стенку корпуса насоса, повышается температура сверхтекучего гелия в области насоса, определяемой длиной нагревателя и мощностью тепловыделения, в результате в данной области происходит рост давления, обусловленный притоком сверхтекучей компоненты гелия. При этом вязкая, нормальная, компонента выдавливается в направлении наименьшего сопротивления - в сторону ближайшего конца трубки. Данное сопротивление определяется длиной, которую нормальной компоненте необходимо преодолеть сквозь спрессованный (для максимального сопротивления течению обычной жидкости) порошок. Таким образом, направление течения сверхтекучего гелия будет определяться положением на корпусе нагревателя, на который подается напряжение: жидкость будет вытекать из ближайшего к нему конца трубки. Помимо реверсивности (т.е. двунаправленности - такой насос позволяет перемещать сверхтекучий гелий в обоих направлениях) данный насос позволяет надежно блокировать поток гелия подачей напряжения сразу на оба нагревателя: на практике встречаются случаи самопроизвольного подлива сверхтекучего гелия в зону более высокой температуры, и известный термомеханический насос не позволяет остановить самоподлив гелия.The technical result is achieved due to the following pump assembly (figure 1). The supply-pumping tube of superfluid helium 1 is soldered into the tube-casing of the pump 2, after which the filter disk 3 is tightly pressed into the pump casing, preventing the washing out of the powder pressed into the casing. The disk can be assembled from several layers cut from a dense fabric (fiberglass), and reinforced with a metal mesh for rigidity. Then, powder 4 is poured into the pump casing (from a material that does not absorb water, for example, Al 2 O 3 ) with a grain size of several microns and is densely packed until all the required volume is filled. The tube-casing of the pump is closed by a second filter disk 5, which is fixed by a dummy disk with holes for superfluid helium 6. The dummy disk is soldered to the pump casing. Heaters 7 are wound on the pump casing and insulated with Teflon tape 8. When a voltage is applied to one of the heaters, which are several turns of wire directly on the pump casing, it heats up and, thanks to heat transfer through the thin wall of the pump casing, the temperature of superfluid helium rises in the pump region, which is determined by the length of the heater and the heat release power, as a result, pressure increases in this region due to the influx of the superfluid component of helium. In this case, the viscous, normal component is extruded in the direction of least resistance - towards the nearest end of the tube. This resistance is determined by the length that the normal component must overcome through the pressed (for maximum resistance to the flow of ordinary liquid) powder. Thus, the direction of flow of superfluid helium will be determined by the position on the body of the heater to which voltage is applied: the liquid will flow from the end of the tube closest to it. In addition to reversibility (i.e., bi-directional - this pump allows you to move superfluid helium in both directions), this pump allows you to reliably block the helium flow by supplying voltage to both heaters at once: in practice, there are cases of spontaneous pouring of superfluid helium into a higher temperature zone, and the well-known thermomechanical the pump does not allow to stop helium self-fueling.
Реверсивный термомеханический насос был успешно опробован для заполнения/опустошения замкнутого герметичного объема, подключенного к насосу. При сопротивлении нагревателей 30 Ом для работы насоса было достаточно подать напряжение 2 В, чтобы обеспечить скорость подачи/откачки жидкого гелия ~0.1 см3/с. В случае самопроизвольного опустошения данного объема скорость ухода гелия из объема будет сильно зависеть от температуры (выше температура - больше плотность нормальной компоненты - ниже скорость протекания жидкого гелия через корпус насоса), но даже при низкой температуре 1.4 К на 2-3 порядка ниже скорости откачки жидкого гелия.The reversible thermomechanical pump has been successfully tested to fill / empty the closed sealed volume connected to the pump. When the resistance of the heaters was 30 Ohms, it was sufficient to supply a voltage of 2 V for the pump to provide a feed / pumping speed of liquid helium of ~ 0.1 cm 3 / s. In the event of a spontaneous emptying of this volume, the rate of helium escape from the volume will strongly depend on temperature (higher temperature — higher density of the normal component — lower rate of liquid helium flowing through the pump casing), but even at a low temperature of 1.4 K it is 2-3 orders of magnitude lower than the pumping speed liquid helium.
Полученные в результате исследований опытные данные показали, что конструкция реверсивного насоса оказалась успешной: скорости потоков гелия при заполнении/опустошении замкнутого объема были примерно одинаковы при подаче одинаковых мощностей на нагреватели и сравнимы со скоростями подачи сверхтекучего гелия традиционными термомеханическими насосами, имеющимися в нашем распоряжении. Более того, по сравнению с известными конструкциями насосов конструкция реверсивного насоса не только проще, но и заметно (примерно на порядок) меньше (менее 1 см3 по сравнению с 3÷10 см3).The experimental data obtained as a result of the studies showed that the design of the reversible pump turned out to be successful: the helium flow rates when filling / emptying the closed volume were approximately the same when applying the same power to the heaters and were comparable to the flow rates of superfluid helium by traditional thermomechanical pumps that we have at our disposal. Moreover, in comparison with the known pump designs, the design of the reversible pump is not only simpler, but also noticeably (about an order of magnitude) smaller (less than 1 cm 3 compared with 3 ÷ 10 cm 3 ).