SU763649A1 - Device for overflowing cryogenic liquid - Google Patents

Description

(54) ПЕРЕЛИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ(54) TRANSFORMATION DEVICE FOR CRYOGENIC LIQUID

Предлагаемое устройство относитс  к области криогенной техники и может быть использовано в системах автоматической дозаливки криостатов, требующих определенной скорости охлаждени  криостатируемых объектов, т.е. оно может найти применение в криогенной радиоэлектронике, экспериментальной физике низких температур,энергетике .The proposed device relates to the field of cryogenic technology and can be used in systems of automatic charging of cryostats, which require a certain cooling rate of cryostatted objects, i.e. It can be used in cryogenic electronics, experimental low-temperature physics, and power engineering.

При захолаживании объектов большой массы, имеющих малую поверхность контакта с испаривщимс  хладагентом, отход щие пары, в случае использовани  переливных устройств с неизменным проходным сечением , выход т из криостата с температурой, значительно более низкой, чем температура окружающей среды. Уменьщение скорости прохождени  газа через криостат и увеличение за счет этого времени контакта испаривщегос  хладагента с объектом, что приводит к увеличению теплосъема единицей массы газа, можно осуществить введением в переливное устройство узла, обеспечивающего изменение проходного сечени переливного канала.When cooling large objects that have a small contact surface with evaporating refrigerant, the exhaust vapor, in the case of using overflow devices with a constant flow area, leaves the cryostat with a temperature significantly lower than the ambient temperature. Reducing the rate of gas passing through the cryostat and increasing the contact time of the evaporating refrigerant with the object, which leads to an increase in heat removal in units of mass of gas, can be done by introducing into the overflow device a node that provides a change in the flow area of the overflow channel.

Известен переливной сифон с запорным устройством, позвол ющим проводить захолаживание объекта на малом раскрытии регулирующего вентил  и переходить на полное сечение переливного канала на этапе накапливани  жидкости в криостате, так как сокращаетс  врем  контакта хладагенJ та с окружающей средой через изол цию переливного сифона, в которой, в отличие от криостата, отсутствует азотное экранирование 1.The overflow siphon with a shut-off device is known, which allows the object to be cooled down at a small opening of the control valve and go to the full cross section of the overflow channel at the stage of liquid accumulation in the cryostat, since the time of contact of the refrigerant with the environment is reduced through the isolation of the overflow siphon, in which unlike the cryostat, there is no nitrogen shielding 1.

К недостаткам известного переливного сифона следует отнести наличие ручного регулировани  сечени  переливного канала, отсутствие устройства дл  подачи хладагента на этапе захолаживани  в нижнюю часть криостата, а также неизбежность усложнени  конструкции при применении его в системах автоматической дозаливки за счет введени  датчика уровн , устанавливаемого у дна криостата дл  определени  момента перехода от захолаживани  к накапливанию жидкости.The disadvantages of the known overflow siphon are the presence of manual adjustment of the cross section of the overflow channel, the lack of a device for supplying refrigerant at the cooling stage to the bottom of the cryostat, and the inevitability of design complexity when using it in automatic re-filling systems by introducing a level sensor installed at the bottom of the cryostat for determine the moment of transition from cooling to liquid accumulation.

На этапе захолаживани  криостируемогоAt the stage of cooling of the cryostir

20 объекта целесообразно подавать хладагенты в нижнюю часть криостата, что обычно достигаетс  удлинением центральной трубки переливного сифона до дна криостата. Экономи  жидкого хладагента, расходуемого на охлаждение, может составить при этом 20- 25/о. Однако при дозаливках криостата в процессе эксплуатации, за врем  между которыми переливной сифон нагреваетс  за счет теплопритоков извне, будет происходить дополнительное выпаривание оставшейс  в криостате жидкости парами, образовавшимис  в теплом переливном устройстве, во врем  поступлени  в него первых порций жидкого хладагента. Этого можно избежать, если пары отдел ть от жидкости в верхней части криостата. Известно устройство дл  перелива хладагента , в котором пары отдел ютс  от жидкости в сепараторе и отвод тс  в газгольдер, а жидкость подаетс  в нижнюю часть криостата 2. К недостаткам устройства следует отнести наличие неизменного сечени  переливного канала, что не позвол ет вести режим захолаживани  объекта, обеспечивающий теплообмен с парами, при котором их температура приближаетс  к температуре окружающей среды. Известно также переливное устройство дл  криогенной жидкости, содержащее сифон , состо щий из наружной трубки и внутренней трубки, присоединенной к пароотделителю , вентиль, включающий концевую трубку, подключенную к наружной трубке, седло, затвор, закрепленный на установленной с возможностью вертикального перемещени  подвижной трубке, посто нные магниты , один из которых закреплен на концевоу трубке, а другой - на подвижной, и магнитной экран, размещенный между полюсами магнитов и выполненный из сверхпровод щего материала 3. Недостатком устройства  вл етс  больщой расход хладагента при применении его дл  захолаживани  объектов больщой массы с недостаточно развитой поверхностью теплообмена. В устройстве не предусмотрена также подача хладагента в период захолаживани  в нижнюю часть криостата. Целью изобретени   вл етс  экономи  хладагента. Поставленна  цель достигаетс  тем, что переливное устройство дл  криогенной жидкости снабжено дополнительной трубкой, размещенной коаксиально между подвижной и внутренней трубками, один конец которой укреплен на сифоне, а противоположный - на седле, при этом концева , подвижна  и дополнительна  трубки в верхней части выполнены с отверсти ми, а затвор выполнен с отверсти ми в центре и по окружности . Кроме того, магнитный экран выполнен в виде сло  сверхпровод щего материала , нанесенного на поверхность магнита, закрепленного на концевой трубке. Введение в известную конструкцию дополнительной трубки с седлом, перекрывающим периферийные отверсти  затвора вентил , выполнение отверстий дл  отвода паров в трубках позволило осуществить режим перелива хладагента, при котором на этапе захолаживани  хладагент подаетс  в нижнюю часть криостата с малой скоростью, а на этапе накапливани  с большой скоростью , после автоматического переключени  вентил  на полное проходное сечение, при по влении сло  жидкости на дне криостата парова  фаза отдел етс  от жидкости и отводитс  в верхней части криостата. На чертеже изображено переливное устройство криогенной жидкости. Переливное устройство содержит сифон, состо щий из наружной и внутренней трубок 1 и 2, пароотделитель 3.. и вентиль, состо щий из концевой, дополнительной и подвижной трубок 4, 5 и 6, седла 7, затвора 8, посто нных магнитов 9 и 10 магнитного экрана И. Трубка 4 соединена с трубкой 1, пароотделитель 3 - с трубкой 2, трубка 5 - с сифоном. Седло 7 закреплено на трубке 5, магнит 9 - на трубке 4, затвор 8 и магнит 10 - на трубке 6. Трубка 5 расположена коаксиально между трубками 2 и 6 и служит , кроме того, направл ющей дл  трубки 6, установленной с возможностью вертикаль ного перемещени . В верхней части трубок 4, 5 и 6 выполнены отверсти  в радиальном направлении, а в центре и по периферии затвора 8 - в вертикальном направлении. Последние расположены по окружности, диааметр которой больше проходного сечени  трубки 5. Экран 11 представл ет собой спой сверхпроводника, нанесенного на поверхности магнита 9 Трубка 5 в нижней своей части выполнена двустенной, с вакуумной изол цией, обеспечиваемой активированным углем, расположенным в межстенном пространстве. Устройство работает следующим образом . При отсутствии хладагента в криостате сверхпроводниковый экран 11 находитс  в нормальном состо нии и не преп тствует прохождению магнитного потока между магнитами 9 и 10, обращенными друг к другу разноименными полюсами. Магнит 10 прит нут к магниту 9, затвор 8 находитс  в верхнем положении, трубка 6 перекрывает отверсти  выхода паров, выполненные в трубке 5 (это положение -изображено на чертеже). Хладагент, подаваемый из сосуда Дьюара или транспортной емкости (на чертеже не показано), проходит в нижнюю часть криостата через центральное отверстие затвора 8, ограничивающее количество хладагента, поступающего в криостат в единицу времени . Диаметр центрального отверсти  выбираетс  в зависимости от массы криостатируемого объекта, его теплообменной поверхности , требуемой скорости понижени  температуры . В случае необходимости криостатировани  объектов различной массы и конфигурации изготавливаетс  набор затворов с различными диаметрами центральных отверстий и предусматриваетс  резьбовое крепление их в трубке 6.20 of the facility, it is advisable to supply refrigerants to the lower part of the cryostat, which is usually achieved by lengthening the central tube of the overflow siphon to the bottom of the cryostat. The economy of the liquid coolant spent for cooling at the same time can make 20-25 / o. However, during the operation of the cryostat during operation, during which time the overflow siphon is heated by external heat influx, additional evaporation of the liquid remaining in the cryostat by the vapor formed in the warm overflow device will occur during the first portions of the liquid refrigerant. This can be avoided if the vapor is separated from the liquid at the top of the cryostat. A device for refrigerant overflow is known, in which the vapor is separated from the liquid in the separator and discharged into the gas tank, and the liquid is fed to the lower part of the cryostat 2. The device’s drawbacks include the constant cross section of the overflow channel, which does not allow for cooling the object, providing heat exchange with the vapors at which their temperature approaches ambient temperature. It is also known an overflow device for cryogenic liquid containing a siphon consisting of an outer tube and an inner tube connected to the steam separator, a valve including an end tube connected to the outer tube, a saddle, a shutter fixed on a movable tube mounted with the possibility of vertical movement, These magnets, one of which is mounted on the end tube of the tube, and the other on the movable, and magnetic screen placed between the poles of the magnets and made of superconducting material 3. Failure com device is bolschoy coolant flow when it is applied for the mass of cooling objects bolschoy with underdeveloped heat exchange surface. The device also does not provide a coolant supply during the cooling down period to the lower part of the cryostat. The aim of the invention is to save refrigerant. The goal is achieved by providing an overflow device for cryogenic liquid with an additional tube placed coaxially between the movable and inner tubes, one end of which is fixed on the siphon and the opposite end on the saddle, while the end, movable and additional tubes in the upper part are made with an opening and the shutter is made with holes in the center and around the circumference. In addition, the magnetic screen is made in the form of a layer of superconducting material deposited on the surface of a magnet attached to an end tube. Introduction to the known design of an additional tube with a saddle that overlaps the peripheral orifices of the valve gate, making holes for evacuating the vapor in the tubes, allowed the refrigerant to overflow, in which at the cooling stage the refrigerant is fed to the lower part of the cryostat at low speed , after automatic switching of the valve to the full flow area, when a layer of liquid appears at the bottom of the cryostat, the vapor phase separates from the liquid and is discharged in the upper part STI cryostat. The drawing shows a cryogenic liquid overflow device. The overflow device contains a siphon consisting of outer and inner tubes 1 and 2, a steam trap 3. .. and a valve consisting of end, additional and movable tubes 4, 5 and 6, seat 7, gate 8, permanent magnets 9 and 10 magnetic screen I. Tube 4 is connected to tube 1, steam trap 3 is connected to tube 2, tube 5 is connected to a siphon. The saddle 7 is fixed on the tube 5, the magnet 9 on the tube 4, the bolt 8 and the magnet 10 on the tube 6. The tube 5 is located coaxially between the tubes 2 and 6 and also serves as a guide for the tube 6 installed with the possibility of vertical movement. In the upper part of the tubes 4, 5 and 6 holes are made in the radial direction, and in the center and on the periphery of the shutter 8 - in the vertical direction. The latter are located around a circle whose diameter is larger than the bore of tube 5. Screen 11 represents the superconductor junction deposited on the surface of the magnet 9. The tube 5 in its lower part is made double-walled with vacuum insulation provided by activated carbon located in the interwall space. The device works as follows. In the absence of refrigerant in the cryostat, the superconducting screen 11 is in a normal state and does not prevent the passage of a magnetic flux between the magnets 9 and 10, which are facing opposite poles to each other. The magnet 10 is attracted to the magnet 9, the shutter 8 is in the upper position, the tube 6 covers the vapor outlet openings made in the tube 5 (this position is shown in the drawing). The refrigerant supplied from the Dewar vessel or transport tank (not shown in the drawing) passes into the lower part of the cryostat through the central opening of the shutter 8, which limits the amount of refrigerant entering the cryostat per unit time. The diameter of the central hole is chosen depending on the mass of the cryostatted object, its heat exchange surface, the required rate of temperature decrease. If it is necessary to cryostaticize objects of various weights and configurations, a set of valves with different diameters of the central holes is made and they are threaded to be mounted in the tube 6.

В нижней двухстенной части трубки 5 при прохождении хладагента устанавливаетс  вакуум ( 10 мм рт.ст.), преп тствующий достижению экраном 11 критической температуры на этапе захолаживани . Сверхпроводник выбираетс  с критической температурой, величина которой превышает на 0,1°К температуру кипени  хладагента при максимальном рабочем давлении криостата . Материалы трубок 4 и 6, а также месторасположение магнита 9 по высоте трубки 4 выбираютс  с учетом исключени  возможности перехода экрана 11 в сверхпровод щее состо ние до начала этапа накапливани  жидкости.A vacuum (10 mm Hg) is established in the lower double-walled part of the tube 5 when the refrigerant passes through, preventing the screen 11 from reaching the critical temperature at the cooling stage. The superconductor is selected with a critical temperature, the value of which exceeds by 0.1 ° K the boiling point of the refrigerant at the maximum working pressure of the cryostat. The materials of the tubes 4 and 6, as well as the location of the magnet 9 along the height of the tube 4, are selected taking into account the exclusion of the possibility of the screen 11 going to the superconducting state before the beginning of the liquid accumulation stage.

После охлаждени  криостатируемого объекта в криостате накапливаетс  жидкость, при контакте с которой экран 11 переходит в сверхпровод щее состо ние.After the cryostatted object is cooled, a liquid accumulates in the cryostat, on contact with which the screen 11 goes into the superconducting state.

Вследствие эффекта Мейснера, а также вследствие отсутстви  сопротивлени  в сверх7 проводниковом экране, в поверхностном слое, обращенном к магниту 10, возникают незатухающие токи, магнитное поле которых представл ет собой зеркальное отображение пол  магни  10. В результате происходит отталкивание магнита 10 от неподвижного экрана II, что приводит к перемещению трубки 6 с затвором 8 в нижнее положение .Due to the Meissner effect, as well as due to the absence of resistance in the over-7-conductor screen, continuous surface currents appear in the surface layer facing the magnet 10, the magnetic field of which is a mirror image of the magnet field 10. The magnet 10 is repelled from the fixed screen II, which leads to the movement of the tube 6 with the shutter 8 in the lower position.

Хладагент в криостат начинает поступать через отверсти  затвора, расположенные по его периферии, суммарна  площадь которых равна площади проходного сечени  сифона.The refrigerant in the cryostat begins to flow through the shutter holes located along its periphery, the total area of which is equal to the area of the siphon bore.

При перемещении трубки 6 в нижнее положение отверсти , выполненные в верхней ее части, совпадают с отверсти ми дл  отвода паров, выполненными в трубке 5, вследствие чего в нижнюю часть криостата поступает только жидкость, а пар, отдел ющийс  в керамическом пароотделителе 3 и выход щий через поры боковых стенок пароотделител  в пространство, ограниченное верхней частью трубки 5, отводитс  через совмещенные отверсти  трубок 5 и 6 и отверсти  трубки 4 в верхнюю часть криостата . Жидкий хладагент сливаетс  в криостат через торцовую стенку пароотделител  3. Така  же картина будет иметь место и при дозаливках криостата.When the tube 6 is moved to the lower position, the holes made in its upper part coincide with the vapor extraction holes made in the tube 5, as a result of which only liquid flows into the lower part of the cryostat, and the steam separating in the ceramic steam separator 3 and leaving through the pores of the side walls of the steam separator into the space bounded by the upper part of the tube 5, it is discharged through the aligned openings of tubes 5 and 6 and the openings of tube 4 to the upper part of the cryostat. The liquid refrigerant is discharged into the cryostat through the end wall of the steam separator 3. The same picture will take place when the cryostat is added.

Предлагаемое переливное устройство криогенной жидкости позвол ет осуществить оптимальные режимы захолаживани  краостатируемого объекта и перелива хладагента на этапе накапливани  жидкости в криостате . Подача хладагента ко дну криостата на этапе захолаживани , уменьщение скорости прохождени  паров через криостат и повыщение за счет этого температуры отход щих паров, переход на полное сечение перелива на этапе накапливани  жидкости при разделении фаз и отводе паров в верхнюю часть криостата позвол ют сократить расход жидкого хладагента на 25-ЗО /о (в зависимости от конфигурации охлаждаемого объекта ), что обусловливает экономический эффект от применени  предложенного переливного устройства.The proposed cryogenic liquid overflow device allows for optimal cooling and cooling of the flow-rate controlled object and refrigerant overflow at the stage of liquid accumulation in the cryostat. Supply of refrigerant to the bottom of the cryostat at the stage of cooling down, reducing the speed of the vapor through the cryostat and increasing the temperature of the waste vapor, switching to a full cross-section of the overflow during the phase of liquid accumulation during phase separation and discharge of the vapor into the upper part of the cryostat will reduce the flow of liquid refrigerant 25-ZO / o (depending on the configuration of the cooled object), which determines the economic effect from the use of the proposed overflow device.

Кроме того, переливное устройство компактно , просто по конструкии, устойчиво в работе при ударных и вибращюнных нагрузках , что обусловлено возможностью значительного намагничивани  металлов, из которых изготовлены посто нные магниты.In addition, the overflow device is compact, simple in design, stable in operation under shock and vibration loads, which is due to the possibility of significant magnetization of the metals of which the permanent magnets are made.

Устройство не требует электрического питани .The device does not require electrical power.

Claims (3)

Формула изобретени Invention Formula . Переливное устройство дл  криогенной жидкости, содержащее сифон, состо щий из наружной трубки и внутренней трубки , присоединенной к пароотделителю, вентиль , включающий концевую трубку, подключенную к наружной трубке, седло, затвор,. An overflow device for cryogenic liquid containing a siphon consisting of an outer tube and an inner tube connected to the steam separator, a valve including an end tube connected to the outer tube, a saddle, a shutter, S закрепленный на установленной с возможностью вертикального перемещени  подвижной трубке, посто нные магниты, один из которых закреплен на концевой трубке, а другой - на подвижной, и магнитный экран , размещенный между полюсами магнитов и выполненный из сверхпровод щего материала , отличающеес  тем, что, с целью экономии хладагента, оно снабжено дополнительной трубкой, размещенной между подвижной и внутренней трубками, один ко5 кец которой укреплен на сифоне, а противоположный - на седле, при этом концева , подвижна  и дополнительна  трубки в верхней части выполнены с отверсти ми, а затвор выполнен с отверсти ми в центре и по окружности.S fixed on a movable tube installed with the possibility of vertical movement, permanent magnets, one of which is fixed on the end tube, and the other on a movable tube, and a magnetic screen placed between the poles of the magnets and made of superconducting material, characterized in that in order to save refrigerant, it is equipped with an additional tube placed between the movable and inner tubes, one of which is fixed on the siphon and the opposite on the saddle, with the end, the movable and the additional ubki in the upper part formed with apertures, and the shutter is formed with holes in the center and circumferentially. 2. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что магнитный экран выполнен в виде сло  сверхпровод щего материала, нанесенного на поверхность магнита, закрепленного на концевой трубке.2. A device according to claim 1, characterized in that the magnetic screen is made in the form of a layer of superconducting material deposited on the surface of a magnet attached to an end tube. 5Источники информации,5 Sources of information прин тые во внимание при экспертизеtaken into account in the examination 1.Фастовский В. Г. и др. Криогенна  техника. М., 1974, с. 445, рис. 6-35.1. Fastovsky V. G. and others. Cryogenic technology. M., 1974, p. 445, fig. 6-35. 2.Фастовский В. Г. и др. Криогенна  техника , М., 1974, с. 445, рис. 6-36.2. Fastovsky V. G. and others. Cryogenic technology, M., 1974, p. 445, fig. 6-36. O O 3. Авторское свидетельство СССР3. USSR author's certificate № 606453, кл. G 05 D 9/02, 1976 (прототип ).No. 606453, cl. G 05 D 9/02, 1976 (prototype). S iO moppS iO mopp 5 iO mopp5 iO mopp