UA18778U

UA18778U - Temperature-controlled device with a cryostat

Info

Publication number: UA18778U
Application number: UAU200606103U
Authority: UA
Inventors: Ivan Pavlovych Zharkov; Vitalii Viktorovych Safronov; Anatolii Hryhorovych Chmul
Original assignee: Inst Of Physics Of Nat Academy
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2006-11-15

Abstract

The proposed temperature-controlled device contains a cryostat, a vessel for cryogenic liquid with a valve for maintaining constant pressure in the vessel and switching valve, a heat exchanger, a temperature-controlled chamber, a pressure transducer for measuring pressure in the vessel with cryogenic liquid, and a evaporator of cryogenic liquid, which is coupled with the vessel via the switching valve.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель, що заявляється, відноситься до галузі фізико-технічних випробувань та досліджень 2 матеріалів і призначена для автоматичної стабілізації температури об'єкта випробувань в інтервалі 4,2-350К з точністю -0,02К.The claimed useful model belongs to the field of physical and technical testing and research of 2 materials and is intended for automatic stabilization of the temperature of the test object in the range of 4.2-350K with an accuracy of -0.02K.

Існуючим терморегульованим кріостатним системам, у яких використовується відкачка парів кріогенної рідини з термостатованої камери, необхідне постійно діюче виймальне відкачне устаткування. Це ускладнює конструкцію приладу та його експлуатацію. В цих приладах або неможлива заміна зразка без порушення режиму термостатування, або можлива тільки при повному його відігріванні.Existing temperature-controlled cryostat systems, which use the pumping of cryogenic liquid vapors from a thermostated chamber, require constantly operating removable pumping equipment. This complicates the design of the device and its operation. In these devices, it is either impossible to replace the sample without breaking the thermostat mode, or it is possible only when it is fully warmed up.

Відомий також оптичний комбі-кріостат оріІСКМО105 |проспект-каталог компанії РТІ, м.Черноголовка, ІФТТOriISKMO105 optical combi-cryostat is also known | RTI company prospectus, Chernogolovka, IFTT

РАН, с.6). Відповідно до його рішення всередині кріостата знаходяться гелієвий та азотний резервуари. Азотний резервуар призначений для охолодження теплового екрана. Рідкий кріоагент подається через капіляр з нижньої частини шахти й випаровується на теплообміннику. Температура газоподібного гелію/азоту регулюється за допомогою завдання електричного струму в теплообміннику. При температурах 4,2-300К зразки знаходяться в потоці кріогенного газу, спрямованого вгору. Потік кріогенного газу регулюється диференціальним регулятором тиску, розташованим у маностаті. Комбінована система регулювання потоку газу і температури теплообмінника дозволяє одержувати високу точність підтримання температури і низьку витрату рідкого кріоагента. Заміна зразка здійснюється через верхній фланець шахти.RAS, p. 6). According to his solution, helium and nitrogen tanks are located inside the cryostat. The nitrogen tank is designed to cool the heat shield. The liquid cryogenic agent is supplied through a capillary from the bottom of the mine and evaporates on the heat exchanger. The temperature of the helium/nitrogen gas is controlled by applying an electric current to the heat exchanger. At temperatures of 4.2-300K, the samples are in a flow of cryogenic gas directed upwards. The flow of cryogenic gas is regulated by a differential pressure regulator located in the manostat. The combined gas flow and heat exchanger temperature regulation system allows for high accuracy of temperature maintenance and low consumption of liquid cryoagent. The sample is replaced through the upper flange of the shaft.

Кріогенна рідина подається з внутрішнього резервуара до шахти, в якій знаходиться зразок, через капіляр.The cryogenic liquid is supplied from the internal reservoir to the shaft in which the sample is located through a capillary.

Зразок перебуває в потоці газоподібного гелію чи азоту. Його температура регулюється за допомогою двоконтурної системи регулювання, призначеної для регулювання температури теплообмінника і потоку кріогенного газу. Гелієвий кріостат при заливанні азоту до гелієвого резервуару може бути використаний як азотний. Недоліком кріостату є неможливість ефективного терморегулювання у випадку застосування кріогенних рідин, пари яких мають невелику теплоємність порівняно з гелієм, наприклад, азоту, неону, кріптону та ін., 8 тому що створюваний тиск парів рідини в цьому випадку є недостатнім для спонукання витрати кріогенної рідини через камеру термостатування кріостата.The sample is in a flow of gaseous helium or nitrogen. Its temperature is regulated using a two-circuit regulation system designed to regulate the temperature of the heat exchanger and the flow of cryogenic gas. A helium cryostat can be used as a nitrogen cryostat when nitrogen is poured into the helium tank. The disadvantage of the cryostat is the impossibility of effective thermoregulation in the case of the use of cryogenic liquids, the vapors of which have a small heat capacity compared to helium, for example, nitrogen, neon, krypton, etc., 8 because the created pressure of liquid vapors in this case is insufficient to induce the flow of cryogenic liquid through cryostat thermostating chamber.

Найближчим за сукупністю ознак і технічним результатом до корисної моделі є ас. СРСР Мо436334 505023/30, 1974. 09The closest in terms of the set of features and technical result to the useful model is the ace. USSR Mo436334 505023/30, 1974. 09

У ньому регулювання і стабілізація температури об'єкта здійснюється в потоці теплообмінного середовища, - наприклад, рідкого чи газоподібного гелію, що надходить до термостатованої камери кріостата в кількостях, регульованих системою керування. Резервуар - живильник, що містить кріогенну рідину, забезпечений клапаном - постійного тиску, призначеним для підтримання як у резервуарі-живильнику, так і в термостатованій камері ее) постійного надлишкового тиску. Такий тиск необхідний для транспортування кріогенної рідини чи її парів, щоIn it, the regulation and stabilization of the temperature of the object is carried out in the flow of the heat exchange medium, for example, liquid or gaseous helium, which enters the thermostated chamber of the cryostat in quantities regulated by the control system. The reservoir - feeder containing cryogenic liquid is equipped with a constant pressure valve designed to maintain a constant overpressure both in the feeder tank and in the thermostated chamber ee). Such pressure is necessary for transporting cryogenic liquid or its vapors, which

Зо використовуються як теплообмінне середовище, через кріостатну систему. У порожнині резервуара-живильника - встановлений перемикальний вентиль, що має верхній і нижній забірні отвори і призначений для забирання з резервуара-живильника або кріогенної рідини (через нижній забірний отвір), або її парів (через верхній забірний отвір). Сідло клапана регулятора витрат, встановлене на лінії відводу відпрацьованих парів « кріогенної рідини з термостатованої камери, має перемінний перетин. Це дозволяє оптимізувати процес З7З 10 термостатування. Кріостат, що є одним із блоків пристрою, містить зйомний зовнішній кожух, порожнина якого с вакуумована, резервуар рідкого азоту зі зйомними радіаційними екранами, резервуар із кріогенною рідиною, що "з використовується для термостатування об'єкта, із відбірною трубкою, теплообмінником і прилеглої до нього форкамери з нагрівачем, термостатованою робочою камерою і трубою підвісу. Всі ці елементи (крім зйомних) нероз'ємні і герметично з'єднані між собою. з 75 Недоліком цього пристрою є неможливість ефективного терморегулювання у випадку застосування кріогенних рідин, пари яких мають невелику теплоємність порівняно з гелієм, наприклад, азоту, неону, кріптону (ее) та ін., тому що створюваний тиск парів рідини в цьому випадку є недостатнім для спонукання витрати кріогенної рідини через камеру термостатування кріостата. ї Задача, що вирішується корисною моделлю полягає в розширення області застосування терморегульованого -І 50 кріостатного пристрою за рахунок використання кріогенних рідин, зокрема з малою теплоємністю парів.They are used as a heat exchange medium through a cryostat system. In the cavity of the feeder tank - a switching valve is installed, which has upper and lower intake holes and is intended for taking cryogenic liquid (through the lower intake hole) or its vapors (through the upper intake hole) from the feeder tank. The valve seat of the flow regulator installed on the exhaust line of cryogenic liquid vapors from the thermostated chamber has a variable cross-section. This makes it possible to optimize the process of З7З 10 thermostating. The cryostat, which is one of the units of the device, contains a removable external casing, the cavity of which is vacuumed, a tank of liquid nitrogen with removable radiation shields, a tank of cryogenic liquid, which is used for temperature control of the object, with a sampling tube, a heat exchanger and adjacent to it has pre-chambers with a heater, a thermostated working chamber and a suspension pipe. All these elements (except removable ones) are inseparable and hermetically connected to each other. 75 The disadvantage of this device is the impossibility of effective temperature regulation in the case of using cryogenic liquids, the vapors of which have a small heat capacity compared to helium, for example, nitrogen, neon, krypton (ee), etc., because the created pressure of liquid vapors in this case is insufficient to encourage the flow of cryogenic liquid through the cryostat thermostating chamber. The problem solved by a useful model is to expand the area application of a thermoregulated -I 50 cryostat device due to the use of cryogenic liquids, with separate with low vapor heat capacity.

Для вирішення поставленої задачі в терморегульованому кріостатному пристрою, що містить кріостат з со резервуаром для кріогенної рідини з підвісними радіаційними екранами, що обхоплюють резервуар-живильник з клапаном постійного тиску і перемикальним вентилем, теплообмінну форкамеру, термостатовану камеру, а також систему терморегулювання і стабілізації температури, резервуар-живильник додатково забезпечений 59 датчиком тиску, і випарником кріогенної рідини, змонтованим на перемикальному вентилі у вигляді електричного с опору і оснащеним датчиком рівня, встановленим поруч, причому датчик тиску і випарник функціонально зв'язані між собою.To solve the given problem in a temperature-controlled cryostat device, which contains a cryostat with a reservoir for cryogenic liquid with suspended radiation screens, covering a feeder tank with a constant pressure valve and a switching valve, a heat-exchange pre-chamber, a thermostated chamber, as well as a thermoregulation and temperature stabilization system, the feeder tank is additionally equipped with a pressure sensor 59, and a cryogenic liquid evaporator mounted on a switching valve in the form of an electrical resistance and equipped with a level sensor installed next to it, and the pressure sensor and the evaporator are functionally connected to each other.

Додаткове забезпечення резервуара-живильника датчиком тиску і нагрівачем-випарником, які функціонально зв'язані між собою, забезпечує необхідний тепловий баланс у камері термостатування за рахунок надмірного 60 тиску, що дозволяє використовувати у запропонованому пристрою кріогенних рідин з малою теплоємністю парів, таких як азот, неон, кріптон; а постачання випарника датчиком рівня захистить випарник від перегріву при зниженні рівня кріоагента в резервуарі-живильнику.Additional supply of the feed tank with a pressure sensor and a heater-evaporator, which are functionally interconnected, ensures the necessary thermal balance in the thermostatic chamber due to excessive 60 pressure, which allows the use of cryogenic liquids with a low vapor heat capacity in the proposed device, such as nitrogen, neon, krypton; and supplying the evaporator with a level sensor will protect the evaporator from overheating when the cryoagent level in the feed tank drops.

Суть корисної моделі ілюструється кресленнями, де на Фіг.1 приведена функціональна схема пристрою; Фіг.2 - вертикальний розріз кріостата; ФігЗ - вертикальний розріз датчика тиску; Фіг.4 - нагрівач-випарник на бо перемикальному вентилі.The essence of the useful model is illustrated by the drawings, where Fig. 1 shows the functional scheme of the device; Fig. 2 - vertical section of the cryostat; Fig. 3 is a vertical section of the pressure sensor; Fig. 4 - a heater-evaporator on a switching valve.

Терморегульований кріостатний пристрій є двоконтурним, див. Фіг1 та складається з контура терморегулювання і стабілізації температури, і містить: кріостат 1, датчик температури 2, регулятор температури З, електронагрівач 4 на форкамері 5 кріостата, регулятор витрат б, і контура підтримки тиску парів кріогенної рідини, що містить кріостат 1, індуктивний датчик тиску 7, клапан постійного тиску 8, генератор-дискримінатор з підсилювачем 9, нагрівач-випарник 10.The temperature-controlled cryostat device is double-circuit, see Fig. 1 consists of a thermoregulation and temperature stabilization circuit, and contains: cryostat 1, temperature sensor 2, temperature regulator C, electric heater 4 on the prechamber 5 of the cryostat, flow regulator b, and a circuit for maintaining the pressure of vapors of cryogenic liquid, which contains cryostat 1, an inductive sensor pressure 7, constant pressure valve 8, generator-discriminator with an amplifier 9, heater-evaporator 10.

Кріостат 1 (Фіг.2) складається з зовнішнього кожуха 11, порожнина якого вакуумована, резервуара рідкого азоту 12 з підвісними радіаційними екранами 13, що обхоплюють резервуар-живильник 14 із кріогенною рідиною, й інші деталі, що охолоджуються до найнижчого температурного рівня. Частина трубопроводу 15, яка виходить з 7/0 перемикального вентиля 16, також оточена радіаційним екраном 17. Теплообмінна форкамера 5 розділена на дві секції: перша заповнена масивною насадкою 18 і забезпечена нагрівачем 4, а друга - дрібною насадкою 19, що розсікає і перемішує потік газу. Термостатована камера 20 підвішена до тонкостінної труби підвісу 21, виготовленої з нержавіючої сталі. У верхній її частині знаходиться шлюзова камера 22, що забезпечує можливість зміни зразка, введення маніпуляторів тощо, без порушення роботи системи терморегулювання, шток /5 23 для введення зразка чи прилада в термостатовану камеру 20, заглушка 24, поплавковий покажчик рівня 25.Cryostat 1 (Fig. 2) consists of an external casing 11, the cavity of which is evacuated, a liquid nitrogen tank 12 with suspended radiation screens 13, which surround the feed tank 14 with cryogenic liquid, and other parts that are cooled to the lowest temperature level. The part of the pipeline 15 that comes out of the 7/0 switching valve 16 is also surrounded by a radiation screen 17. The heat exchange pre-chamber 5 is divided into two sections: the first is filled with a massive nozzle 18 and is equipped with a heater 4, and the second is a small nozzle 19 that cuts and mixes the flow gas The thermostatic chamber 20 is suspended from a thin-walled suspension pipe 21 made of stainless steel. In its upper part, there is a sluice chamber 22, which provides the possibility of changing the sample, inserting manipulators, etc., without disturbing the operation of the thermoregulation system, a rod /5 23 for introducing a sample or device into the thermostated chamber 20, a plug 24, a float level indicator 25.

Датчик температури 2 змонтований на штоку 23.Temperature sensor 2 is mounted on rod 23.

Датчик тиску 7 (Фіг.3) складається з 2-х фланців 26 і 28, між якими затиснена гумова мембрана 27. На мембрані закріплена втулка 29 з феритовим сердечником 30. Натягування мембрани регулюється гвинтом 31 через сталеву пружину 32. Сердечник 30 розташований всередині котушки індуктивності 33, виводи якої припаяні до роз'єму 34. Патрубками 35 датчик тиску з'єднаний із кріостатом 1 і клапаном постійного тиску 8, фланці 26, 28, втулка 29, гвинт 31 і патрубки 35 виготовлені з алюмінієвого сплаву Д16ЄТ.The pressure sensor 7 (Fig. 3) consists of 2 flanges 26 and 28, between which a rubber membrane 27 is clamped. A sleeve 29 with a ferrite core 30 is attached to the membrane. The tension of the membrane is regulated by a screw 31 through a steel spring 32. The core 30 is located inside the coil inductance 33, the terminals of which are soldered to the connector 34. The pressure sensor is connected to the cryostat 1 and the constant pressure valve 8 by nozzles 35, flanges 26, 28, sleeve 29, screw 31 and nozzles 35 are made of aluminum alloy D16ET.

Нагрівач-випарник 10 (Фіг.4) змонтований на корпусі перемикального вентиля 16 у вигляді ніхромової спіралі. На корпусі вентиля 16 встановлений також датчик рівня кріогенної рідини 36, що є одним з елементів захисту кріосистеми від перегріву, і виключає підсилювач 9 при зниженні рівня рідкого кріосагента нижче об допустимого. Зв'язок нагрівача-випарника і датчика рівня з генератором дискримінатором і підсилювачем здійснюється кабелем через роз'єм 37. тThe heater-evaporator 10 (Fig. 4) is mounted on the body of the switching valve 16 in the form of a nichrome spiral. A cryogenic liquid level sensor 36 is also installed on the valve body 16, which is one of the elements of cryosystem protection against overheating, and turns off the amplifier 9 when the level of liquid cryogenic agent drops below the permissible level. The connection of the heater-evaporator and the level sensor with the generator, the discriminator and the amplifier is carried out by a cable through the connector 37. t

Пристрій працює у такий спосібThe device works in the following way

Заповнюють резервуар рідкого азоту 12, який підвісними радіаційними екранами 13, що обхоплюють резервуар-живильник 14, й інші деталі, охолоджує їх до найнижчого температурного рівня. Частина со зо трубопроводу 15, яка виходить з перемикаючого вентиля 16, також оточена радіаційним екраном 17.The liquid nitrogen tank 12 is filled, which cools them to the lowest temperature level with the suspended radiation screens 13, which cover the feeder tank 14 and other parts. The part of the pipeline 15, which comes out of the switching valve 16, is also surrounded by a radiation screen 17.

Заповнюють резервуар-живильник кріогенною рідиною. Рівень кріогенної рідини в резервуарі-живильнику - визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня 25. ї-The feed tank is filled with cryogenic liquid. The level of the cryogenic liquid in the feed tank - is determined visually using a float level indicator 25.

Зразок чи прилад вводяться в термостатовану камеру 20 за допомогою штока 23, виконаного у вигляді особливо тонкостінної трубки з матеріалу з низькою теплопровідністю. Шток пропущений через заглушку 24, соThe sample or device is introduced into the thermostated chamber 20 using a rod 23 made in the form of a particularly thin-walled tube made of material with low thermal conductivity. The rod is passed through the plug 24, so

Зз5 Встановлену на верхньому зрізі труби підвісу. «-Зз5 Installed on the upper section of the suspension pipe. "-

Датчик 2 системи терморегулювання змонтований на штоку 23 і вводиться до термостатованої камери 20 разом з об'єктом дослідження.Sensor 2 of the thermoregulation system is mounted on the rod 23 and is introduced into the thermostated chamber 20 together with the research object.

Кріогенна рідина чи її пари, що знаходяться в резервуарі-живильнику 14 кріостата під тиском, який підтримується клапаном постійного тиску 8, надходять через теплообмінну форкамеру 5 до термостатованої « камери 20. Керування цим потоком здійснюється регулятором витрат 6, який є виконавчим механізмом контура в с терморегулювання і стабілізації температури.The cryogenic liquid or its vapors, which are in the feed tank 14 of the cryostat under the pressure maintained by the constant pressure valve 8, flow through the heat exchange forechamber 5 to the thermostatic chamber 20. This flow is controlled by the flow regulator 6, which is the executive mechanism of the circuit in thermoregulation and temperature stabilization.

Термостатування камери 20 здійснюється у спосіб регулювання потоку газоподібного кріоагента через неї і ;» нагрівання форкамери 5 електронагрівачем 4.The thermostating of the chamber 20 is carried out in the manner of regulating the flow of gaseous cryoagent through it and ;" heating of the prechamber 5 by an electric heater 4.

Регулятор температури З є приладом, у якому вимірювана напруга на датчику 2 температури перетворюється на сигнали керування виконавчими пристроями: електронагрівачем 4, встановленим у кріостаті - 1, і регулятором витрат газу 6.The temperature regulator C is a device in which the measured voltage on the temperature sensor 2 is converted into control signals of the executive devices: the electric heater 4 installed in the cryostat - 1, and the gas flow regulator 6.

При заданому зниженні температури в камері термостатування регулятор температури 3 максимально со відкриває регулятор витрат газу б, при цьому збільшується потік газу через камеру 20, що приводить до -І зниження тиску в резервуарі 14.At a given drop in temperature in the thermostatic chamber, the temperature regulator 3 opens the gas flow regulator b as much as possible, while the gas flow through the chamber 20 increases, which leads to a decrease in the pressure in the tank 14.

Одночасне застосування цих керуючих впливів забезпечує необхідний тепловий баланс у камеріThe simultaneous application of these controlling influences ensures the necessary thermal balance in the chamber

Ш- термостатування 20 кріостата і високу стабільність підтримки заданої температури. с Відмінною рисою даного терморегульованого кріостатного пристрою є те, що до контура підтримки тиску парів кріогенної рідини, крім клапана постійного тиску 8, входить індуктивний датчик тиску "17, генератор-дискримінатор з підсилювачем 9 і нагрівач-випарник 10. Сигнал керування на випарник 10 подається ов Від датчика тиску 7 через підсилювач сигналу. Для захисту випарника від перегріву при зниженні рівня кріоагента в резервуарі поруч з випарником встановлений датчик рівня 36, що відключає нагрівання випарника у с випадку зниження рівня нижче припустимого.Sh- thermostatic control of 20 cryostats and high stability of maintaining the set temperature. c A distinctive feature of this thermoregulated cryostat device is that, in addition to the constant pressure valve 8, the circuit for maintaining the pressure of cryogenic liquid vapors includes an inductive pressure sensor "17, a generator-discriminator with an amplifier 9 and a heater-evaporator 10. The control signal to the evaporator 10 is supplied ов From the pressure sensor 7 through the signal amplifier To protect the evaporator from overheating when the cryoagent level drops, a level sensor 36 is installed in the tank next to the evaporator, which turns off the heating of the evaporator in case the level drops below the acceptable level.

Зі зниженням тиску газу зменшується натягування мембрани 27 датчика тиску 8, переміщується феритовий сердечник 30 усередині котушки 33, від чого збільшується Її індуктивність, зменшується частота генератора і во збільшується вихідна напруга дискримінатора 9, яка підсилюється за потужністю і підводиться до нагрівача-випарника 10. По мірі підходу до заданої температури регулятор температури З прикриває регулятор витрат газу б, тиск у резервуарі 14 підвищується і, як наслідок, зменшується потужність, що підводиться до нагрівача-випарника 10. Після виходу системи термостатування в режим підтримки заданої температури тиск у резервуарі 14 підтримується на попередньо встановленому рівні клапаном 8 постійного тиску. Таким чином 65 утворюється додатково надлишок тиску, який дозволяє застосовувати у пристрої кріогенних рідин, тіари яких мають невелику теплоємність порівняно з гелієм, наприклад, азоту, неону, кріптону та ін. При зниженні рівня рідкого крісагента нижче припустимого зменшується зниження напруги на датчику рівня 26, що приводить до вимикання підсилювача потужності випару.As the gas pressure decreases, the tension of the membrane 27 of the pressure sensor 8 decreases, the ferrite core 30 moves inside the coil 33, as a result of which its inductance increases, the frequency of the generator decreases, and the output voltage of the discriminator 9 increases, which is amplified by power and fed to the heater-evaporator 10. as the set temperature is approached, the temperature regulator Z covers the gas flow regulator b, the pressure in the tank 14 increases and, as a result, the power supplied to the heater-evaporator 10 decreases. After the thermostat system enters the mode of maintaining the set temperature, the pressure in the tank 14 is maintained at to the preset level by valve 8 of constant pressure. In this way, an additional excess of pressure is formed, which allows the use of cryogenic liquids in the device, the tiaries of which have a small heat capacity compared to helium, for example, nitrogen, neon, krypton, etc. When the liquid chrysagent level drops below the acceptable level, the voltage drop on the level sensor 26 decreases, which leads to the shutdown of the vapor power amplifier.

Claims

2 Formula of the invention

1. A thermo-regulated cryostat device, containing a cryostat with a reservoir for cryogenic liquid with hanging radiation shields covering a feeder tank with a constant pressure valve and/or switching valve, a heat exchange forechamber, a thermostated chamber, as well as a thermoregulation and temperature stabilization system, which differs which is additionally equipped with a pressure sensor, which is connected to the feed tank, and a cryogenic liquid evaporator, which is mounted on a switching valve, in the form of an electrical resistance, and the pressure sensor and the evaporator are functionally connected to each other.

2. The device according to claim 1, which is characterized by the fact that a cryoagent level sensor is installed in the tilting tank next to the evaporator.

3. The device according to claims 1, 2, which differs in that the functional connection between the pressure sensor and the evaporator is made electrical. that 2 s u u s e

- and? - (ee) -i -i IR e) 60 b5