SU1139945A1 - Method of obtaining superfluid helium under pressure exceeding equilibrium pressure - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫШЕ РАВНОВЕСНОГО, включающий подачу жидкого гели  в емкость с последующим охлаждением гели , отличающийс  тем, что, с целью понижени  температуры гели  и повыщени  экономичности процесса, охлаждение осуществл ют жидким гелием и подачу жидкого гели  в емкость осуществл ют до достижени  давлени , обспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждени  и затем понижают давление в емкости. СА: ;о :о 4 сдA method for producing superfluid helium under a pressure higher than equilibrium, which involves supplying liquid helium to a container followed by cooling the gel, characterized in that, in order to reduce the temperature of the gel and increase the efficiency of the process, cooling is performed by liquid helium and supplying liquid helium to the container. pressure, ensuring its crystallization, and temperatures below the critical one, after which the supply and the cooling process are stopped and then the pressure in the vessel is lowered. SA:; o: o 4 cd

Description

Изобретение относитс  к криогенной технике , а именно к области применени  сверхнизких температур, и может быть использовано дл  эффективного охлаждени  различных объектов, усройств, а также при проведении научных исследований.The invention relates to a cryogenic technique, namely to the field of application of ultra low temperatures, and can be used for effective cooling of various objects, devices, as well as in scientific research.

Известен способ получени  сверхтекучего гели  под давлением, включащий закачку жидкого гели  в емкость с последующим процессом теплообмена с охлаждающим гелием 1.A known method for producing superfluid gels under pressure involves the injection of liquid gels into a container followed by heat exchange with cooling helium 1.

Недостатками данного способа  вл ютс  невозможность получени  температуры, близкой к 1 К и ниже, и низка  экономичность. Указанные недостатки обусловлены тем, что к емкости со сверхтекучим гелием при температуре 2 К имеетс  непрерывный теплоприток с гелием, подаваемым из ванны, где его температура выще 2,17 К, а дл  получени  сверхтекучего гели  с температурой К необходимо бесконечное вакуумирование или установка рефрижератора растворени , что нереально из-за большой сложности и малой холодопроизводительности, а также невозможности при этом получить сверхтекучий гелий под давлением.The disadvantages of this method are the impossibility of obtaining a temperature close to 1 K and below, and low efficiency. These drawbacks are due to the fact that a tank with superfluid helium at a temperature of 2 K has a continuous heat input with helium supplied from the bath, where its temperature is higher than 2.17 K, and to obtain a superfluid helium with temperature K, infinite evacuation or the installation of a dissolution refrigerator is necessary, which is unrealistic because of the high complexity and low cooling capacity, as well as the impossibility of obtaining superfluid helium under pressure.

Известен способ получени  сверхтекучего гели  под давлением, включащий закачку жидкого гели  в емкость с последующим его охлаждением 2.A method of producing superfluid gels under pressure is known, which involves the injection of liquid gels into a container followed by its cooling 2.

Недостатками этого способа также  вл ютс  невозможность получени  гели  с температурой в 1 К и низка  экономичность, что обусловлено ограниченными возможност ми вакуумного оборудовани , производительность которого должна быть при этом чрезвычайно -велика с больщим потреблением энергии, что невозможно осуществить, а колебани  давлени  и вибрации системы, св занные с работой насоса, нарушают услови  эксперимента.The disadvantages of this method are also the impossibility of obtaining gels with a temperature of 1 K and low efficiency, which is due to the limited capabilities of the vacuum equipment, the performance of which must be extremely large with a large energy consumption, which is impossible to implement, and the pressure and vibration fluctuations of the system associated with the operation of the pump violates the conditions of the experiment.

Цель изобретени  - понижение темпепературы сверхтекучего гели  под давлением и повышение экономичности процесса.The purpose of the invention is to reduce the temperature of superfluid gels under pressure and increase the efficiency of the process.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу получени  сверхтекучего гели  под давлением выше равновесного, включающему подачу жидкого гели  в емкость с последующим охлаждением гели , охлаждение осуществл ют жидким гелием и подачу жидкого гели  в емкость осуществл ют до достижени  давлени , обеспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждени , затем понижают давление в емкости.This goal is achieved in that according to the method of producing superfluid gels under a pressure higher than the equilibrium one, which involves supplying liquid gels to a container followed by cooling the gels, cooling is carried out with liquid helium and supplying liquid gels to the container to achieve a temperature below the critical level, after which the supply and the cooling process are stopped, then the pressure in the tank is lowered.

На чертеже изображена схема устройства , реализующего предлагаемый способ.The drawing shows a diagram of the device that implements the proposed method.

Ванна 1 с жидким гелием соединена линией закачки 2 с запорным вентилем 3 с емкостью 4, снабженной вакуумной рубащкой 5, котора  соединена с криосорбционным устройством б, содержащим нагревательныйBath 1 with liquid helium is connected to the injection line 2 with a shut-off valve 3 with a tank 4, equipped with a vacuum jacket 5, which is connected to a cryo-sorption device b containing a heating

элемент 7 и изол цию 8. Емкость 4 и криосорбционное устройство 6 размещены в емкости 9, заполненной охлаждающим гелием , и все это находитс  в криостате 10. Емкость 4 соединена с дроссельным вентилем 11, а емкость 9 соединена с вакуумным насосом 12.element 7 and insulation 8. Capacity 4 and cryosorption device 6 are placed in a tank 9 filled with cooling helium, and all this is in a cryostat 10. Capacity 4 is connected to the throttle valve 11, and capacity 9 is connected to a vacuum pump 12.

Способ осуществл етс  следующим образом .The method is carried out as follows.

Жидкий гелий из ванны 1 закачивают по линии 2 через вентиль 3 в емкость 4 до такого давлени , которое обспечивает его кристаллическое состо ние после охлаждени  ниже критической температуры. Температуру охлаждающего гели  в емкости 9 понижают откачкой паров, равновесных этому гелию, вакуумным насосом 12, при этом интенсифицируют теплообмен между гелием в емкости 4 и 9 путем нагрева нагревательного элемента 7 криосорбционного устройства б,что снижает степень вакуума в вакуумной рубашке 5 и создает возможность совершенного процесса теплообмена. Жидкий гелий в емкости 4 кристаллизируетс , а вентилем 3 отсекают закачку гели  в емкость 4, что прекращает теплопритоки с поступающим гелием. Затем выключают нагревательный элемент 7, криосорбционное устройство 6 охлаждаетс , повыша  степень вакуумировани  в вакуумной рубашке 5, размыкаетс  тепловой мост между гелием в емкост х 4 и 9, снима  процесс теплообмена междуLiquid helium from bath 1 is pumped through line 2 through valve 3 to tank 4 to a pressure that ensures its crystalline state after cooling below the critical temperature. The temperature of the cooling gels in the tank 9 is reduced by pumping out vapors, which are in equilibrium with this helium, by a vacuum pump 12, while the heat exchange between helium in the tanks 4 and 9 is intensified by heating the heating element 7 of the cryosorption device b, which reduces the degree of vacuum in the vacuum jacket 5 and creates the possibility of perfect heat transfer process. The liquid helium in the vessel 4 crystallizes, and the valve 3 cuts off the injection of helium into the vessel 4, which stops the heat influx from the incoming helium. Then the heating element 7 is turned off, the cryosorption device 6 is cooled, increasing the degree of evacuation in the vacuum jacket 5, the thermal bridge between helium in containers 4 and 9 opens, removing the heat exchange process between

ним. Открывают дроссельный вентиль 11 и понижают давление в емкости 4 кристаллический гелий испар етс  и плавитс . За счет скрытой теплоты плавлени  гели  температура его понижаетс  до 1 К-0,8 К, а давление гели  в емкости 4 выше равновеского , что очень важно дл  проведени  исследований. При этом всю систему отключают , закрывают вентиль 11 и провод т эксперимент без посторонних искажений. Пример. Внутри криостата 10 располагают специальный металлический сосуд емкостью 10 л с вакуумной рубащкой 5. Если обеспечить, возможность подачи во внутреннюю полость этого сосуда жидкого гели  по линии закачки 2 с вентилем 3, то така  система может обеспечить проведениеby him. The throttle valve 11 is opened and the pressure in the tank 4 is lowered. Crystalline helium is evaporated and melted. Due to the latent heat of fusion of the gels, its temperature decreases to 1 K-0.8 K, and the pressure of the gels in the tank 4 is higher than the equilibrium, which is very important for research. In this case, the entire system is turned off, the valve 11 is closed, and the experiment is carried out without extraneous distortion. Example. Inside the cryostat 10 have a special metal vessel with a capacity of 10 liters with a vacuum jack 5. If ensured, the ability to supply liquid gel to the internal cavity of this vessel along the injection line 2 with valve 3, then such a system can provide

экспериментов при температурах ниже 1 К. Дл  этого заправл ют жидким гелием при атмосферном давлении как сам криостат 10, так и размещенный внутри него сосуд 4. Последний можно заправл ть через отдельный трубопровод, способный выдерживатьexperiments at temperatures below 1 K. For this, liquid helium is charged at atmospheric pressure with both the cryostat 10 itself and the vessel 4 placed inside it. The latter can be charged through a separate pipeline capable of withstanding

давление 4,0 МПа (такое же давление должна выдерживать емкость 4). Давление в вакуумной изол ции емкости 4 может измен тьс  тем или иным способом - нагревом или охлаждением криосорбционного устройства 6 или другим вакуумным устройством . После заполнени  гелием криостата 10 и емкости 4 в вакуумной изол ции последнего устанавливаетс  давление 10 торр, что обеспечивает эффективный теплообмен между гелием в емкости 4 и омывающим его гелием, заполн ющим криостат 10. После этого давление в емкЬсти 4 поднимают до 3,0 МПа за счет наддува через трубку малого сечени  с вентилем 11, соедин ющую внутреннюю полость емкость 4 с источником газообразного гели  высокого давлени . Перед наддувом вентиль 3 закрывают. Затем начинают откачку паров гели  насосом 12 из паровой подущки криостата 10, что приводит к понижению в нем температуры. В результате теплообмена понижаетс  также и температура гели  внутри специального сосуда в то врем , как давление в нем остаетс  посто нным и равным 3,0 МПа, так как вентиль наддува 11 на трубопроводе остаетс  открытым. По достижении в емкости 4 температуры 1,76 К начинаетс  кристаллизаци  (замерзание) гели  в нем. По окончании кристаллизации идет дальнейшее понижение температуры как гели  в криостате 10, так и гелиевого льда в емкости 4. Qxлаждение проводитс  до тех пор, пока температура не стабилизируетс  на некотором уровне, определ емом с одной стороны объемной производительностью насоса 12, а с другой теплопритоками из окружающей среды , дл  насоса НВЗ-150 и криостата КГ-60/300 в хорошем состо нии эта температура -1,3 К-. По достижении этой температуры давление в вакуумной рубашке 5 понижают до в результате чего твердый гелий в специальной емкости 4 оказываетс  теплоизолированным от гели  в криостате 10. Затем снижают давление над твердым гелием до желаемой величины 1,0 МПа, что осуществл етс  путем снижени  давлени  на входе в трубопровод наддува. В результате твердый гелий внутри специальной емкости 4 оказываетс  в услови х, когда он не может существовать в твердом виде и должен перейти в жидкое состо ние, покольку при давлении ниже 2,5 МПа и сколь угодно низких температурах может существовать только жидкий гелий. С другой стороны, гелий в емкости 4 после понижени  давлени  изолирован в тепловом отношении, так что теплота плавлени  может отниматьс  лищь от самого этого гели . Таким образом, в результате плавлени  гели  температура образовавщейс  жидкости и оставшегос  льда непрерывно понижаетс  до тех пор, пока не расплавитс  весь лед. Снижение температуры при плавлении льда тем больще, чем больше теплота плавлени  и ниже теплоемкости системы. Теплоемкость жидкого гели  и теплота плавлени  гелиевого льда в области температур ниже 2,17 К в очень сильной степени завис т от температуры, причем обе эти величины с понижением температуры резко падают . Таким -образом, дл  определени  температуры при плавлении или иной части льда необходимо весь диапазон темперйтур разбить на достаточно малые отрезки, на которых теплоемкость и теплоту плавлени  можно прин ть посто нной, в данном примере дл  простоты ограничимс  разбивкой на участки в 0,1 К и примем теплоемкость льда равной теплоемкости жидкости. Тогда долю льда, который должен быть расплавлен дл  достижени  температуры на ,1 К ниже исходной, можно определить, исход  из услови  MQ , где М - исходна  массла льда; Cj - теплоемкость жидкого гели  (теплоемкость твердого и жидкого гели  принимают равными, так что М в правой части уравнени  не зависит от соотношени  льда и жидкости на данном этапе плавлени ); г - теплота плавлени  льда; X - дол  льда, котора  должна .быть расплавлена дл  снижени  темпепературы на ,1 К. Исходна  температура, при которой весь гелий находитс  в твердом состо нии 1,3 К, дл  определени  доли льда, которую необходимо расплавить дл  получени  температуры 1,2 К, в уравнение подставл ютс  теплота плавлени  при 1,25 К ,2 кДж/кг и теплоемкости жидкости при той же температуре ,3 кДж/кг X,,l4i- 0,15 , IJjfc Таким образом, при плавлении 15% льда образуетс  льдо-жидкостна  смесь с температурой 1,2 К. Дл  снижени  температуры до 1,1 К дополнительно необходимо расплавить ,1, ,2, zЧ1 где Cs2 и Га - теплоемкость и теплота плавлени  при 1,15 К. Дл  снижени  температуры до 0.9 К потребуетс  еще дополнительно расплавить долю льда, равную 0,5 (AT дл  сокращени  возьмем 0,2 К). ,2, 0,5, где Cs3 и Гз - теплоемкость и теплота плавлени  при 1 К. Таким образом, расплавив 85% льда. получают смесь сверхтекучего гели  со льдомpressure 4.0 MPa (the same pressure must withstand the capacity of 4). The pressure in the vacuum insulation of the container 4 can be varied in one way or another - by heating or cooling the cryosorption unit 6 or another vacuum device. After helium filling the cryostat 10 and the tank 4 in the vacuum insulation of the latter, a pressure of 10 Torr is established, which ensures effective heat exchange between helium in the tank 4 and the helium washing it, filling the cryostat 10. After that, the pressure in tank 4 is raised to 3.0 MPa a blowdown through a small section tube with a valve 11, which connects the internal cavity of the container 4 with a source of high pressure gaseous gels. Before pressurized valve 3 is closed. Then begin pumping vapors of the helium by pump 12 from the steam liner of the cryostat 10, which leads to a decrease in its temperature. As a result of the heat exchange, the temperature of the gels inside the special vessel also decreases while the pressure in it remains constant at 3.0 MPa, since the boost valve 11 on the pipeline remains open. When the temperature reaches 1.76 K in the tank 4, crystallization (freezing) of gels in it begins. At the end of the crystallization, the temperature in the cryostat 10 and the helium ice in the tank 4 further decreases. Qx is cooled until the temperature stabilizes at a certain level, determined by the volume capacity of the pump 12 on one side, and environment, for the NVZ-150 pump and the KG-60/300 cryostat in good condition, this temperature is -1.3 K-. When this temperature is reached, the pressure in the vacuum jacket 5 is lowered and, as a result, the solid helium in the special tank 4 is thermally insulated from the helium in the cryostat 10. Then the pressure on solid helium is reduced to the desired value of 1.0 MPa, which is done by reducing the inlet pressure in the pipeline boost. As a result, solid helium inside the special tank 4 is in conditions when it cannot exist in a solid form and must become liquid, since only liquid helium can exist at a pressure below 2.5 MPa and at arbitrarily low temperatures. On the other hand, the helium in vessel 4, after a decrease in pressure, is thermally insulated, so that the heat of fusion can be removed from this helium itself. Thus, as a result of the melting of the helium, the temperature of the resulting liquid and the remaining ice continuously decreases until all the ice has melted. The lower the temperature during the melting of ice, the greater, the greater the heat of melting and the lower the heat capacity of the system. The heat capacity of liquid helium and the heat of fusion of helium ice in the temperature range below 2.17 K depend very strongly on temperature, and both of these values drop sharply with decreasing temperature. Thus, to determine the temperature during melting or another part of the ice, the entire temperature range must be divided into fairly small segments, in which the heat capacity and heat of fusion can be taken constant, in this example, for simplicity, we will limit the breakdown into sections of 0.1 K and let's take the heat capacity of ice equal to the heat capacity of the liquid. Then the proportion of ice that must be melted to reach a temperature of, 1 K below the initial one, can be determined based on the condition MQ, where M is the initial ice mass; Cj is the heat capacity of liquid gels (the heat capacity of solid and liquid gels is assumed to be equal, so M in the right side of the equation does not depend on the ratio of ice and liquid at this melting stage); g is the heat of ice melting; X is the fraction of ice that must be melted to decrease the temperature by 1 K. The initial temperature at which all helium is in a solid state of 1.3 K is used to determine the fraction of ice that must be melted to obtain a temperature of 1.2 K , the heat of melting at 1.25 K, 2 kJ / kg and the heat capacity of the liquid at the same temperature, 3 kJ / kg X ,, l4i-0.15, IJjfc are substituted into the equation. Thus, melting 15% of ice forms ice. liquid mixture with a temperature of 1.2 K. To reduce the temperature to 1.1 K, it is additionally necessary to melt, 1,, 2, zЧ1 where Cs2 and Ha are the heat capacity and heat of melting at 1.15 K. To reduce the temperature to 0.9 K, it will still be necessary to further melt the ice fraction equal to 0.5 (AT for reducing we will take 0.2 K). , 2, 0.5, where Cs3 and Gz are the heat capacity and heat of fusion at 1 K. Thus, melting 85% of ice. get a mixture of superfluid gels with ice

5five

при 0,9 К и 1,0 МПа. При этом оставшиес оставшиес  15% состав т 0,2 кг, т. е. вat 0.9 K and 1.0 MPa. In this case, the remaining remaining 15% of the composition is 0.2 kg, i.e.

15% льда позвол ют провести в этих уело-эксперименте может быть выделено 4 Дж.15% of the ice makes it possible to carry out 4 J in this well experiment.

ВИЯХ эксперименты с общим тепловыделе-Использование предлагаемого способаVIEH experiments with common heat-Use of the proposed method

нием, равным теплоте плавлени  этого льда.позвол ет получать сверхтекучий гелий подequal to the heat of fusion of this ice. allows to obtain superfluid helium under

Теплота плавлени  при 0,9 К равнадавлением значительно выше равновесногоThe heat of fusion at 0.9 K equals the pressure much higher than the equilibrium

0,02 кДж/кг, Если располагают 10-литро-5 и при 1 К и ниже, исключает вли ниеколебавым сосудом 4, то исходное количество льда вни  давлени  и вибрации от вакуума насоса,0.02 kJ / kg. If one has 10-liter-5 and at 1 K and below, excludes the influence of a shaky vessel 4, then the initial amount of ice is due to pressure and vibration from the pump vacuum,

нем должно быть равно 1,4 кг, так чтоповышает экономичность процесса.it should be equal to 1.4 kg, so that increases the efficiency of the process.

11399451139945

Claims (1)

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЫШЕ РАВНОВЕСНОГО, включающий подачу жидкого гелия в емкость с последующим охлаждением гелия, отличающийся тем, что, с целью понижения температуры гелия и повышения экономичности процесса, охлаждение осуществляют жидким гелием и подачу жидкого гелия в емкость осуществляют до достижения давления, обспечивающего его кристаллизацию, и температуры ниже критической, после чего прекращают подачу и указанный процесс охлаждения и затем понижают давление в емкости.METHOD FOR PRODUCING SUPERFLUID HELIUM UNDER EQUILIBRIUM PRESSURE, comprising supplying liquid helium to a container with subsequent cooling of helium, characterized in that, in order to lower the temperature of helium and increase the efficiency of the process, cooling is carried out with liquid helium and the supply of liquid helium to the tank is achieved until pressure is reached, securing its crystallization, and temperatures below critical, after which they stop the flow and the specified cooling process and then lower the pressure in the tank. >>